国内外消失模铸造技术研究新进展[1]

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消失模铸造

特种铸造及有色合金 　 2005 年第 25 卷第 10 期

国内外消失模铸造技术研究新进展
陈尧剑 　 黄天佑 　 康进武 　 　 张 嘉 ( 清 华 大 学)
摘　 　 要 介绍了当前消失模铸造技术的两大研究热点 ,即 : 铝镁合金消失模铸造及其缺陷形成机理的研究 ,模样制作过程 , 质量评定方法和白

区制模过程的研究 。这些研究表明 : 模样表面泡沫塑料珠粒的融合程度高 、 内部珠粒融合程度低 、 密度 均匀 、 表面光滑的模样适合生产高质量消失模铸件 。此外 ,X 光透射 、 扫描电子显微镜和计算机数值模拟技术已开始用于 对珠粒充型 、 发泡过程及其最终所得到的模样质量的评定和预测 。 关键词 　 消失模铸造 ; 铝镁合金 ; 模样质量 中图分类号 　 TG249. 6 　　　　 文献标志码 　 　 A 文章编号 　 1001 - 2249 (2005) 10 - 0623 - 04

　　 消失模铸造技术的发展是建立在对消失模铸造进 行全方位研究的基础上 。现在研究手段较以前有了很 大的发展 :X 光透射检测仪用于测试消失模模样密度分 布和金属液充型过程 ; 发泡模样扫描电镜图像用于模样 质量的量化评价 。计算机数值模拟技术也开始用于研 究珠粒充填过程 。另外 ,对铝合金消失模铸造缺陷产生 机理研究也有了很大发展 。

(a) 低融合度模样

(b) 高融合度模样

图1　 不同融合度模样浇注各时刻金属液前端面图

1　 铝镁合金消失模铸造机理研究
1. 1 　 铝合金消失模铸造充型过程 Sun W L 等 [1 ] 用 X 透射检测仪测试了在不同的参

数下 ,包括模样的融合程度 ( 低和普通 ) 、 模样平均密度 (20. 8 kg/ m3和 25. 6 kg/ m3 ) 、 模样密度分布和涂料层透 气性 ,铝合金消失模铸造浇注过程 , 得到了浇注过程各 个时刻金属液前端面形状见图 1 , ( 相邻端面线时间间 隔为 0. 2 s) 。如图 1 所示 ,采用低融合度的模样浇注时 金属液推进速度是普通融合程度金属液推进速度的 4 ～5 倍 。图中黑圈处是模样的几个高密度点 。图 1 a 中 金属液充填低融合度的模样时在这些高密度点受到了 阻碍 ,金属液前端面线在这几处汇聚 ; 而图 1 b 中高融 合度的模样金属液充填基本没有受到高密度点的影响 。 低融合度模样浇注的铸件有较多的表面缺陷 ,而高融合 度模样浇注的铸件则有较多的内部缺陷 。图 2 是铸件 外观图 ,图 2 a 中黑线是用来标记皱皮缺陷 ,和图 1 a 对 比 ,可以看出大部分皱皮缺陷在金属液端面线汇聚的地 方即模样高密度点 ,高融合度模样的内部缺陷主要在图
2 b 中的发散线下 。研究表明 : 表面融合程度高 ,内部融

(a) 低融合度模样

(b) 高融合度模样

图2　 不同融合度模样浇注的铸件外观图

1. 2 　 铝合金消失模铸造缺陷机理研究

通常 ,铝合金消失模铸造中 , 金属液充型速度高于 某一数值时 ,液态热解产物没有足够的时间逸出而残留 在铸件内部 ,就会形成模型与热解产物相关的缺陷 , 如 气孔 、 夹杂 、 皱皮等 。Tschopp M A[4 ] 等和 Bennett S[5 ] 等 分析了这种缺陷的氧化层和碳化层分布情况及其与铝 合金前端面充型速度之间的关系 。 Tschopp M A 等 [6 ,7 ] 按一个金属液面 ,两个金属液面 相遇和多个金属液面相遇分类 ,详细研究了这些情况下 A356 铝合金消失模铸造形成碳夹杂的机理 。在没有金 属液面相遇的情况下 ,碳夹杂通常产生于金属液面最后 到达的地方 ,否则多产生于金属液面相遇的地方 。他还 研究了各种铸造参数包括浇注温度 、 压力头 、 模样性能 、 涂料层透气性和模片厚度等对 A356 金属液流动性的影 响 ,结果显示影响大小排序前 3 位是模片厚度 、 涂料透 气性和模样类型 。

合程度低 , 密度均匀 , 表面光滑的模样适合消失模铸 造 [1～3 ] 。

收稿日期 :2005 - 06 - 17 第一作者简介 : 陈尧剑 ,男 ,1977 年出生 ,博士研究生 ,清华大学机械工程系 ,北京 (100084) ,电话 :010 - 62784537 ,E - mail :youngan @263. net

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特种铸造及有色合金 　 2005 年第 25 卷第 10 期
Hess D R 等研究了模样类型 、 珠粒类型 、 融合程度 、 1. 3 　 镁合金消失模铸造

合金类型等参数对铝合金消失模铸造金属液充型速度 和缺陷形成的影响 。结果表明对金属流动速度影响最 大的是模样融合程度和珠粒类型 ( 见图 3) ,对缺陷形成 影响最大的是珠粒类型 、 模样融合程度 ( 图 4) 。铝合金 中硅含量对流动速度影响不大 , 对缺陷形成有较大影 响 ,随着硅质量分数的增加 ( 从 1 %到 12. 3 %) , 铸件中 孔隙数目增加很快 , 同时针孔面积大大减少 ( 见图 5 ) 。 Hess D R 还用 T180 珠粒和添加了溴化物添加剂的 T185 珠粒进行试验 ,结果显示溴化物添加剂对减少铝合金消 失模铸造缺陷有显著效果 , 基本消除了皱皮和针孔缺 陷 [8～10 ] 。

镁合金消失模铸造也是消失模铸造研究热点之一 。 刘子利等采用全因子试验设计研究镁合金消失模铸造 中最重要的工艺因素 : 浇注温度 、 真空度和模样厚度对 充型速度的影响 ( 见图 6 ) 。还观测了不同真空度下镁 合金充型形态 ,不抽真空浇注时 , 液态金属都是平稳的 向前推进 ; 抽真空浇注时 , 液态金属都是优先沿壁面先 行 ,呈凹形快速充型 [11 ,12 ] 。樊自田等对镁合金真空低 压消失模铸造进行了研究 ,图 7 是工艺原理图 。成功浇 注了多种复杂镁合金铸件并认为 : 真空低压消失模铸造 具有低压铸造和真空消失模铸造的综合技术优势 ,大大 提高了镁合金的铸造充型能力 ,是一种非常适合镁合金 液态成型的铸造工艺 [13 ,14 ] 。

图3　 金属液充型速度影响因素排列图

图6　 AZ91 镁合金消失模铸造平均充型速度

图4　 缺陷形成影响因素排列图 图7　 镁合金真空低压消失模铸造工艺原理图
1. 坩埚 2. 模样 3. 干砂 4. 薄膜 5. 砂箱 6. 抽真空 7. 耐火砖 8. 浇注台 9. 虹吸管 10. 炉盖 11. 保温炉 12. 熔炼炉 13. 升液管

2　 消失模铸造模样制作过程及质量评定
随着消失模技术的发展 ,所能生产的消失模铸件形 状越来越复杂 ,消失模模样制作也越来越重要 。Brian V Smith 认为消失模铸件品质的 80 %～90 %取决于模样制 作部分 [15 ] 。Alfredo 则认为整个消失模工艺铸造生产系 统 2/ 3 的可变性及可控性源于模样制作 [16 ] 。
2. 1 　 珠粒射料充填过程研究 Wall K. F. 通过改变射料时间 、 压缩空气气压 、 珠粒
图5　 缺陷2合金成分关系图

罐压强和射料口直径等参数研究消失模珠粒射料过程 。 得到了不同的工艺参数下空气流量 、 气压等随时间变化 曲线 、 每次充填的珠粒量和充填珠粒流量的经验公式 ,

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国内外消失模铸造技术研究新进展 　 陈尧剑等 对深入认识射料过程有很大的帮助 [17 ] 。 国外推出了用于珠粒射料充填的三维数值模拟商 品化软件 Arena Flow 。采用了生产性的发泡模具来进行 射料充填试验 ,对射料过程进行了数值模拟 。图 8 是射 料充填试验和数值模拟的结果 。 陈尧剑等采用自行设计的盒形模具进行了珠粒射 料充填试验 。模具内腔尺寸为 300 mm ×200 mm ×40 mm ,在模具内放置各种挡板模拟各种模具形状 , 研究了 不同形状下珠粒充填过程的空气流动 、 珠粒运动和压力 场分布 。并对整个射料充填过程进行了数值模拟 ( 见图 9) 。

(a) 射料充填结果 ( 试验)

(b) 射料充填结果 ( 模拟)

图8　 珠粒射料充填试验和数值模拟结果

(a) 1. 4 s( 试验)

(b) 3. 2 s( 试验)

(c) 1. 4 s( 模拟)

(d) 3. 2 s( 模拟)

图9　 珠粒射料充填试验和数值模拟结果 ( 珠粒体积分数)

2. 2 　 发泡模样品质量化研究

研究表明 ,表面光滑 、 表面融合程度高 、 内部融合程 度低 、 密度均匀的模样适合消失模铸造 , 但这只是一个 定性描述 ,如何定量描述一个模样的品质 , 这是一直困 扰消失模厂家的问题 。Penumadu D 等用扫描电镜对模 样的微观组织进行研究 , 用 X 射线和透光试验来研究 模样的宏观组织 。Penumadu D 等对融合度不同的模样 透光结果进行圆度分析 ,其中图 10 a 、 10 d 是低融合 图 度模样透光图 ,图 10 b 、 10 e 是高融合度模样透光图 。 图 可以看出 ,低融合度模样的珠粒较圆 , 高融合度模样的 珠粒相互融合在一起 , 圆度不如低融合度模样的珠粒 。

图 10 c 是不同融合度模样的珠粒圆度对比图 。显示圆 度分析的方法能够确定人们一直关心的模样融合度问 题 ,定性定量分析判断模样是否适用于某种消失模工 艺 [18 ] 。
2. 3 　 消失模铸造用珠粒研究

美国 StyroChem 公司研制出在 EPS 中添加专利成分 有机溴化物添加剂 。该添加剂在 EPS 遇热分解时 , 能 降低 EPS 分解产物分子量 , 使 EPS 分解产生的气体和 液体副产品可以从涂层上排出 ,不易在金属液中形成碳 缺陷 。目前该公司开发的含有溴化物添加剂的 EPS 原 料已在消失模铸铝企业推广使用 。

(a) 低融合度模样透光图

(b) 高融合度模样透光图

(c) 不同融合度模样的珠粒

(d) 低融合度模样

(e) 高融合度模样

圆度对比图

透光放大图

透光放大图

图 10 　 高低融合度模样圆度分析

3　 　 结 语
(1) X 光透射检测仪已成功的用于金属液充型过

(2) 对铝合金消失模充型过程研究表明 : 对金属流

程测试 。

动速度影响最大的是模样融合程度 、 珠粒类型 , 对缺陷 形成影响最大的是珠粒类型 、 模样融合程度 。 (3) 数值模拟技术已经成功地用于研究珠粒射料

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特种铸造及有色合金 　 2005 年第 25 卷第 10 期 充填过程 。 (4) 扫描电镜 、 光透射 、 X 光透射等技术已经可用 于模样质量定量化评价 。
参　 　 　 考 文 献
1 　Sun W L ,Littleton H E ,Bates C E. Real2time X2ray investigations on Lost Foam mold filling. Trans. AFS ,2002. 1 347～1 356 2　 Sand M ,Shivkumar S. EPS Molecular Weight and Foam Density Effects in the Lost foam Process. Journal of materials science ,2003 ,38 :2 233～2 239 3　 Sun W L ,Littleton H E ,Bates C E. Effects of Pattern Fusion on The Quality of Loast Foam Aluminum Castings : Real Time and Digital X2Ray Observations. Trans. AFS ,2003 :1 245～1 353 4　 Tschopp M A ,Ramsay C W ,Askeland D R. Mechanisms of Formation of Pyrol2 ysis Defects in Aluminum Lost Foam Castings. Trans. AFS , :609～614 5　 Bennett S ,Moody T ,Vrieze A et al . Pyrolysis Defects in Aluminum Lost Foam castings. Trans. AFS , :795～803 6　 Tschopp M A ,Wang Q G,Dewyse M J . Mechanisms of Misrun Formation in A2 luminum Lost Foam Castings. Trans. AFS ,2002 :1 371～1 385 7 　Tschopp M A. Fluidity of Aluminum A356 in Lost Foam Casting Process. Trans. AFS ,2002 :1 387～1 397 8　 Hess D R ,Askeland D R ,Ramsay C W. Influence of Bead Chemistry on Metal Velocity and Defect Formation in Aluminum Lost Foam Castings. Trans. AFS , 2002. :1 279～1 292 9 　Hess D R , Steinbrueck B , Ramsay C W. Observations on the Effect of Alloy Composition on Metal Flow and Defect Formation in Aluminum Lost Foam Castings. Trans. AFS ,2003 , :1 449～1 461 10 　Hess D R. Comparison of Aluminum Alloys and EPS foams for use in the Lost Foam Casting Process. Trans. AFS ,2004. :1 161～1 174 11 　 刘子利 ,吴国华 ,丁文江等 . AZ91 镁合金负压消失模铸造充型速度的 研究 . 航空材料学报 . 2002 ,22 (2) :12～16 12 　 刘子利 ,吴国华 ,丁文江等 . 镁合金负压消失模铸造充型过程的研究 . 铸造 ,2002 , 51 (4) :209～213 13 　 董选普 ,樊自田 ,黄乃瑜等 . 镁合金消失模铸造的优势及关键 . 特种铸 造及有色合金 . 2003 (4) :30～32 14 　 樊自田 ,吴和宝 ,张大付 . 镁合金真空低压消失模铸造新技术 . 中国机 械工程 ,2004 ,15 (16) :1 493～1 496 15 　 Brian V S ,Scott B. Examining Lost Foam’ ’ s White Side ’Modern Casting , . 2000 ,90 (8) :30～34 16 　Alfredo D P. Analysis of the Typical Problems Experienced with the Lost Foam Process Applied to Iron and Aluminum Castings and Its Future Perspec2 ticves. EPCT2’ Beijing. China :1～13 98. 17 　 Wall K F ,Bhavnani S H ,Overfelt R A. Investigation of the Performance of An Expandable Polystyrene Injector for Use in the Lost2foam Casting Process. Metallurgical and Materials Transactions B : Process Metallurgy and Materials Processing Science ,2003 ,36 (6) :843～851 18 　 Penumadu D ,Benson R ,Michaels R. Qualitative and Quantitative Description of EPS Foam for Lost Foam Casting. Trans. AFS ,2003 :1 293 - 1 302

( 编辑 : 陈渭臣)

第七届中国消失模铸造学术年会征文通知

为了展示当今消失模铸造技术发展与应用的最新成果 ,促进业界的交流与合作 ,推进我国消失模铸造水平发展 ,兹定于

2006 年 4 月在南京举办第七届中国消失模铸造学术年会 ,这是中国消失模铸造技术专家 、 学者和企业人士共聚一堂进行广

泛深入学术交流 、 展示和经贸洽谈的极佳机会 ,欢迎消失模铸造界同仁积极投稿并到会交流 ,共同描绘中国消失模铸造业发 展的宏伟蓝图 。 业委员会 　　 主办单位 : 中国机械工程学会铸造分会消失模铸造专 承办单位 : 南京航空航天大学

　　(1) 论文全文原则上不超过 5000 字 ( 包括 200 字左右论 文摘要) ,要求图表清晰 ,数据准确 ,文字简练 。

(2) 论文请按 《特种铸造及有色合金》 的稿件要求撰写 。 (3) 对于符合 《特种铸造及有色合金》 杂志要求的论文 ,

协办单位 《特种铸造及有色合金》 : 杂志社 、 江苏联亚国

际展览有限公司 、 南京市铸造学会 、 南京先进复合材料促进
sign Messe - und Ausstellungs

将优先推荐在杂志上发表 。会议邀请所有被录用的论文作 者参加会议 ,并颁发纪念品 。 三、 征文截止时间

协会 、 南京市科学技术局 、 Mercourse Corporation 、 Profil & De2 一、 征文内容 ?国内外消失模铸造的最新动态与发展趋势 ; ?消失模铸造的理论研究 ; ?消失模铸造模样原材料及珠粒的制备技术与生产设 备; ? 消失模铸造工程设计 、 模具设计及制造 、 泡沫模样制 模技术的开发和在生产中的应用 ; ?消失模铸造新型造型材料及设备 ; 新型消失模铸造用 ?消失模铸造工艺及典型铸件的生产技术 ; ?消失模铸造的精益生产及质量控制技术 ; ?有色金属的消失模铸造技术 ; 干、 湿涂料的制备 、 生产与涂敷工艺 ; ?计算机模拟技术在材料和设备方面的应用 ; ?消失模铸造环保技术与设备 。 二、 征文要求

请将论文稿件于 2006 年 2 月 28 日之前寄至组委会秘 四、 会议日期与地点

书或发电子邮件到组委会电子信箱 。

(1) 日期 :2006 年 4 月 15 日～18 日

(2) 地点 : 南京金陵之星大酒店 ( 三星级 ,南京国际展览

中心对面)

五、 联系方式

(1) 南京航空航天大学 1006 信箱 ,邮编 :210016

刘子利 :025 - 84892952 ,85173473 崔益华 :025 - 84895378 ( 传真)
E - mail :liuzili @nuaa. edu. cn

刘 　 :025 - 84892952 ,025 - 84892951 ( 传真) 宁

(2) 《特种铸造及有色合金》 杂志社 ,武汉市汉口万松园

路千禧园 1 号楼 2 - 401 室 ,邮编 :430022 陈渭臣 :027 - 85486024 - 84

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ZA27 Alloy C astings with H igh H 2diameters R eight atio in Squeezing C asting Li Chenxi 　 Cao Liang 　 San Jingchao 　 Xu Na 　 Y Bai anhua 　 Rongde (Shenyang University of T Li echnology , Shenyang ,China) 2005 ,25(10) 610～612 Abstract G enerally ,the squeezing casting is only em ployed for the castings whose height2diameter ratio is less than 3.5. Researching the castings with high height2diameter ratio in squeezing casting can ex2 tend the applicable scopes of the advanced casting technology. The mechanical properties of the Z alloy with the high height2diameter A27 ratio of 7 and distribution of tem perature ,pressure and shrinkage porosity during solidification process were investigated by experiment and numerical simulation. It is revealed that the shrinkage porosity in the castings with high height2diameter ratio can be obviously reduced with the increase of the pressure. Through rationally controlling pour2 ing tem perature ,preheated tem perature for m ould and tem perature distribution of the cast m ould ,the shrinkage porosity in the castings can be eliminated to obtain the castings with high and even mechani2 cal properties. K Words : Squeezing C ey asting , C astings with H igh H 2di2 eight ameter R ,Mechanical Properties ,Shrinkage Porosity atio E ffects of Processing P arameters on the Mechanical Properties of Die C asting AM50 Mg Alloy Wu Wei 　Z Zhihou 　 ou Ma Chunyan 　 ang Lin 　 Y Chen Lijia 　 Zheng (Shenyang Univer2 Liu sity of T echnology ,Shenyang ,China) 2005 ,25(10) 612～614 Abstract E ffects of processing parameters ,including injection pres2 sure at 380～420 MPa ,m ould tem perature at 130～210 ℃and punch velocity at 1.8～3.4 m/ s ,on the mechanical properties of AM50 Mg alloy in die casting were investigated. W proper processing parame2 ith ters ,the tensile strength ,yield strength and elongation at room tem 2 perature of the AM50 Mg alloy can reach 238 MPa ,122 MPa and 13.6 % ,respectively. K Words : Mg Alloy ,Die C ey asting ,Mechanical properties Strictly M anaging P attern2m aterial to Prevent the Occurrence of the Ash Defects in W P ax attern Xu Y unxiang (Chinese University

at 80 MPa by using the designed squeezing casting m ould suitable for conventional hydraulic press. S olid solution and artificial ageing can im prove the strength and plasticity of the beam barrel Mg alloy parts. 2 K Words : M ey agnesium Alloy ,Direct Squeezing C asting ,Smelt2 ing casting Method, H T 2 eat reatment ,Microstructure and Prop2 erties

R eview of Progress in Investment C asting T echnology at Abroad P Ⅹ ast Forced Abrasion Chen Bing (Beijing University of art :F Aeronautical and Aerospace ,Beijing ,China) 2005 ,25(10) 615～617 Abstract A new abrasion material2Al2O3 ceramics near to diam in ond hardness was introduced. The abrasion material can be subjected to high pressure during abrasion so that the faster the abrasive velocity is ,the longer the service life of the abrasive tool is. The advent of microreplication abrasive belt has changed the way of abrasive parti2 cle adhering on the substrate belt and added abrasive agent on the abrasive belt ,which can im prove the abrasive efficiency and extend the service life. K Words : Abrasive M ey aterials , N 2Al2O3 Ceramics , Mi2 ano croreplication Abrasive B ,Investment C elt astings Abrasion

Ⅲ

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AN T ew echnology of Mixed Binder2Sodium Silicate Compound Mold Shell for Investment C asting Luo Shouxin 　 Sheng Y uhai Liu Y ounian (Wuhan Research Institute of Machinery T echnology , Wuhan ,China) 2005 ,25(10) 620～622 Abstract The mixed binder ,which is com posed of ethyl silicate solu2 tion ,sol silicate and active alcohol ,was applied for one to three layers of m shells while the sodium silicate binder was applied for rein2 old forced layer. The mixed binder for shell making has the advantages as follows : it dosen’need NH4 chemical hardening and has faster dry2 t ing time than sol silicate ,which is low than 1 hour in drying time of layers.Using the mixed binder can shorten the shell making period , im prove the quality of the investment casting ,im prove the w con2 ork dition ,and reduce the circumstance pollution and production cost. K Words : Ethyl Silicate ,Sol Silicate ,Sodium Silicate ,Alcohol , ey Mold Shell for Investment C asting


Progress in Lost Foam C asting at H ome and Abroad Chen Y 2 ao (T jian 　 Huang T ianyou 　 ang Jinwu 　 K Zhang Jia singhua Uni2 versity ,Beijing ,China) 2005 ,25(10) 623～626 Abstract M interested research fields in lost foam casting is fo2 ost cused on aluminum and magnesium alloy , their defects formation mechanism ,foam pattern making and quality description ,white zone pattern making. These researches indicate that the pattern with low fusion degree in center ,high fusion degree in surface ,and uniform density and sm ooth surface are suitable for the production of high quality castings in lost foam casting. In addition ,X ray ,SE and nu2 M merical simulation have been em ployed to the estimation and predic2 tion of bead filling m ,pattern making and quality of finished pat2 old tern. K Words : Lost Foam C ey asting ,Al2Mg Alloy ,P attern Q uality

of Science and T echnology ,Hefei ,China) 2005 ,25(10) 618～619 Abstract Resins base pattern materials for sol silicate m shell in old investment casting will lead to the irregular cavity in castings surface due to the repetitive reclamation resulting in the over2standard of ash content in pattern materials. It is pointed out that pattern materials should avoid being polluted by powder ash and sand particle by any means during pattern2making and dewaxing ,and deposition tem 2 pera ture and time should be properly increased during reclamation of pat2 tern materials with static deposition. In addition ,rational gating system can be helpful to reducing the ash2inclusion in wax pattern K Words : R ey esins B P ase attern M aterials , W P ax attern , P 2 at tern R eclam ation

Incubation and F ading of R efining E ffects on H ypoeutectic Al2Si Alloy Li Shuangshou1 　ang Jinglin1 　 T Zeng Daben1 　 Han2 Wu 2 2 (11T qi 　 ü Shuo L singhua University ,Beijing , China ; 21Diecast Wheel Manufacturing Limited C pany ,Qinhuangdao ,China) 2005 ,25 om (10) 627～629 Abstract By observing the change of grain size of A356 alloy during holing ,the incubation and fading of refinement on hypoeutectic Al2Si alloy were researched. Incubation of refinement is resulted from low so2 lute supercooling degree during early stage of refinement.W the ar2 ith gument of the melt supercooling degree caused by solute T increase , i m nucleated particles are activated to restrain the growth of den2 ore drite.A long holding time ,although the content of refining element fter T isn’changed ,refinement effect is fade due to the serious com 2 i t posi



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