受鑄錠凝固收縮和鑄型受熱膨脹的影響，鑄錠和鑄型接觸隨之發生變化，即形成氣隙，如下圖所示。當鑄錠和鑄型間氣隙形成以后，鑄錠向鑄型的傳熱方式不只是簡單的傳導傳熱，同時存在小區域的氣體導熱和輻射傳熱，導致鑄錠－鑄型界面熱阻（1/hz)發生非線性變化。界面熱量傳輸可分為如下三個階段。

  階段1: 在凝固初期，當表面溫度略低于鑄錠液相線溫度時，在鑄錠外表面會形成一定厚度的半固態殼；此時，在液體靜壓力和外界壓力（如凝固壓力和大氣壓等）的作用下，鑄錠和鑄型界面處于完全接觸狀態，如圖2-84(a)所示，因而界面的固固接觸熱量傳輸方式在界面傳熱過程中起主導作用, 此界面宏觀平均換熱系數hz1可表示為

   h21=a+b·(P1+P3)  （2-167)

   式中，a和b為常量；Ph為液體靜壓力；Ps為外界壓力。

   階段2: 在給定外界壓力和液體靜壓力條件下，半固態殼的強度存在一個臨界值σm;隨著凝固過程的進行，半固態殼的強度不斷增大；當強度大于臨界值時，半固態殼定型；隨后鑄錠半固態殼逐漸與鑄型分離，固固接觸積逐漸減小，氣隙在界面某些位置形成且其尺寸逐漸增大，導致鑄錠和鑄型界面處于半完全接觸狀態，如圖2-84(b)所示。在此階段，氣隙的尺寸主要受由液相變固相發生的凝固收縮影響。盡管界面還存在部分固固接觸，但界面熱阻隨著凝固的進行不斷增大，由于鑄錠和鑄型界面接觸方式的變化，界面熱量傳輸主要由固固接觸傳熱、輻射換熱以及氣相導熱傳熱三分構成，其中，固固接觸傳熱仍然占據界面熱量傳輸的主導地位。此階段界面宏觀平均換熱系數hz2可表示為

 此外，隨著凝固的進行，鑄錠和鑄型界面上固固接觸面積逐漸減小，因而階段1界面宏觀平均換熱系數hz1最大，階段2界面宏觀平均換熱系數hz2值次之，階段3界面宏觀平均換熱系數hz3值最小，這與實際凝固過程中界面換熱系數逐漸減小的規律相互印證。同時，在鑄錠自身重力的作用下，在鑄錠底部位置，界面半完全接觸狀態始終貫穿整個凝固過程，這與鑄錠頂端界面固固接觸完全消失有所不同，如圖2-84(d)所示。

  凝固壓力在氣隙的形成過程中扮演了十分重要的角色。研究表明，增加凝固壓力（兆帕級）具有明顯的強化冷卻效果，但在界面熱量傳輸變化的三個階段，加壓強化冷卻的程度大有不同。

 階段1:當壓力在幾兆帕下變化時，由于物性參數（如強度、密度和導熱系數等）的變化量可以忽略不計，壓力對鑄錠和鑄型界面完全接觸狀態影響較小，根據式（2-166)可知，壓力對界面宏觀平均換熱系數的影響可以忽略不計，因此增加壓力對階段1的界面換熱影響很小。

  階段2:在此階段，鑄錠和鑄型界面非完全接觸狀態主要由凝固收縮控制。

  隨著壓力的增加，半固態殼抵抗變形所需臨界強度增大，因而加壓能夠抑制界面非完全接觸狀態的形成，有助于將界面在整個凝固過程中實現保持固固接觸的狀態。例如，隨著壓力的增加，H13表面上的坑變得淺平，且數量逐漸減少，意味著鑄錠表面越來越光滑，粗糙度減小，鑄錠鑄型界面處的固固接觸面積增大。根據式（2-168)可知，界面宏觀平均傳熱系數與壓力趨于正比關系，加壓能夠顯著提升此階段界面宏觀平均換熱系數。因此，增加壓力能夠強化鑄錠鑄型間界面固固接觸狀態，抑制由凝固收縮導致界面氣隙的形成，加快鑄錠鑄型界面傳遞，強化冷卻效果明顯。

  階段3:界面氣隙的長大主要受控于固態收縮。隨著界面氣隙尺寸的變大，外界逐步與界面氣隙連通，在壓力的作用下，氣體逐漸進入界面氣隙內，進而導致界面氣隙與外界之間的壓差趨于零，壓力對界面氣隙的影響逐漸消失。此階段，氣體導熱換熱與輻射換熱為界面換熱的主要方式。其中氣體導熱換熱系數（hc,g)主要由氣隙內氣體導熱系數（kgap)和界面氣隙尺寸（wgap)決定，作為計算氣體導熱換熱系數的重要參數，在給定壓力下氣體導熱系數（kgap)可由下列公式進行計算：

  綜上所述，在通過氣體維持壓力的加壓條件下，壓力對界面換熱系數的影響主要集中在界面氣隙形成的第二階段，即在鑄錠殼凝固收縮階段加壓通過增大鑄錠殼抵抗變形所需臨界強度從而改善界面換熱，起到強化冷卻的作用。

  以H13在0.1MPa、1MPa和2MPa壓力下凝固為例，其凝固壓力通過充入氬氣獲得。為了分析加壓對界面氣隙尺寸和換熱方式的影響規律，采用埋設熱電偶以及位移傳感器實驗，同時測量凝固過程中鑄錠和鑄型溫度變化曲線以及其位移變化曲線，其中，1#和2#熱電偶分別測量離鑄錠外表面10mm和15mm位置處鑄錠溫度變化曲線；3#和4#熱電偶分別測量鑄型內表面5mm和10mm位置處鑄型的溫度變化曲線；位移傳感器LVDT1和LVDT2的探頭位置離鑄型內表面徑向距離均為5mm,分別插入鑄錠和鑄型中測量凝固過程中其位移變化曲線。測量溫度和位移變化曲線的裝置如圖2-85所示。

  溫度測量曲線如圖2-86所示，對于鑄錠溫度測量曲線，存在“陡升”和“振蕩”區域，這主要由熱電偶預熱和澆注引起鋼液湍流分別造成。隨著凝固過程的進行，鑄型溫度升高，鑄錠溫度不斷降低。

  因鑄型內表面和鑄錠外表面溫度幾乎難以通過實驗進行準確測量，因而可通過數值計算的方式獲得，即以測量的鑄錠和鑄型溫度變化曲線作為輸入量，采用Beck 非線性求解法，計算鑄型內表面（Tw,i)和鑄錠外表面溫度（Twm),由于鑄錠和鑄型表面非鏡面，有一定粗糙度，因而計算所得鑄型內表面（Tw,i)和鑄錠外表面溫度（Tw,m)均為宏觀平均表面溫度，計算結果如圖2-87所示。當壓力一定時，在鑄錠鑄型界面換熱以及鑄型外表面散熱的影響下，鑄錠外表面溫度（Tw,i)在整個凝固過程中持續降低，鑄型內表面（Tw,m)先增加而后逐漸降低。隨著壓力從0.1MPa增加至2MPa,鑄錠外表面降溫速率和鑄型內表面升溫速率明顯加快，表明加壓對鑄錠和鑄型界面間換熱速率影響顯著。

  當壓力一定時，界面氣隙寬度隨時間的變化關系可通過凝固過程中鑄錠和鑄型位移變化曲線獲得。基于位移傳感器的位移測量結果，所得界面氣隙寬度隨時間的變化關系如圖2-88(a)所示，在0.1MPa、1MPa和2MPa下，界面氣隙寬度隨時間變化規律基本相似。以2MPa為例，在凝固初期，鑄錠、鑄型和位移傳感器之間存在巨大溫差，使得位移傳感器附近的鋼液迅速凝固，以至于無法測量階段2 中凝固收縮導致的氣隙寬度；同時，鑄錠和鑄型初期溫差巨大，加速了鑄型升溫膨脹和鑄錠冷卻收縮，因而在界面氣隙尺寸隨時間變化曲線前段不存氣隙尺寸緩慢增長部分，取而代之的是氣隙寬度隨時間的陡升，而且氣隙寬度的陡升很大程度由鑄錠固態收縮所致。因此，位移傳感器所測氣隙尺寸僅包含了固態收縮導致氣隙形成部分，無因凝固收縮形成氣隙部分。在低壓下，增加壓力對鑄型和鑄錠的密度影響很小，幾乎可以忽略不計，所以增加壓力對鑄型固態收縮導致氣隙的尺寸影響非常小，所以在0.1MPa、1MPa和2MPa下，界面氣隙尺寸傳感器量的最大值幾乎相同，約為1.27mm。

  根據氬氣導熱系數隨壓力的變化情況［圖2-89(a)]、凝固過程中界面氣隙測量曲線和鑄錠外表面以及鑄型內表溫度的變化曲線，利用式（2-171)和式（2-172)可獲得氣隙形成階段3中界面氣體導熱換熱系數hc,g和輻射換熱系數hr,以及換熱方式比例關系，結果如圖2-89(b)所示。輻射換熱系數不受界面氣隙尺寸的影響，在整個凝固過程中，基本保持不變；相比之下，氣體導熱換熱系數主要由氣體導熱系數和面氣隙尺寸共同決定，與氣體導熱系數成正比，與界面氣隙尺寸成反比，因而在凝固過程中氣體導熱換熱系數變化規律與界面氣隙尺寸的變化過程截然相反，呈現先迅速減小，然后趨于定值。在各個壓力條件下，隨著凝固的進行，界面總換熱系數（hc,g+h,)迅速減小，然后趨于穩定，其中輻射換熱系數h1在總換熱系數中的占比為60%~80%[120],且在凝固中后期，0.1MPa、1MPa和2MPa壓力下，總界面換熱系數基本相等。由此可知，低壓下，加壓對由固態收縮形成界面氣隙的尺寸影響幾乎可以忽略不計。

 根據以上討論可知，凝固結束后，界面換熱主要通過氣體導熱換熱和輻射換熱兩種方式進行，因加壓對輻射換熱系數的影響很小，那么加壓主要通過改變界面氣體導熱換熱系數，從而起到強化冷卻的效果。同時，界面氣體導熱換熱系數主要由氣體導熱系數和界面氣體尺寸決定，因壓力從0.1MPa增加至2MPa,氬氣導熱系數變化很小，進一步可知壓力主要通過改變界面氣隙宏觀平均尺寸影響界面氣體導熱換熱系數，進而改變界面總換熱系數。此外，壓力對固態收縮導致的界面氣隙尺寸影響幾乎可以忽略不計，那么壓力主要通過改變由凝固收縮導致界面氣隙的尺寸，從而影響界面換熱。為了評估壓力對凝固收縮導致界面氣隙形成的影響，利用界面換熱系數對界面氣隙宏觀平均尺寸（wm)進行計算，計算公式如下：

  式中，hz3為宏觀界面換熱系數，通過將測溫數據作為輸入量，利用Beck 非線性求解法獲得，計算流程如圖2-78所示。在整個凝固過程中，界面氣隙宏觀平均尺寸（wm)明顯小于因固態收縮導致的界面氣隙尺寸（wgap),同時，兩者差值（wgap-wm)隨著壓力的增加而增大（圖2-90).這表明在鑄錠和鑄型間存在一定的固－固接觸區或微間隙區。這些區域的面積隨著壓力的增大而增大，從而導致傳導換熱的增加，這與鑄錠表面粗糙度的實驗結果符合，也進一步說明了加壓對界面氣隙尺寸的影響主要集中在凝固收縮階段。

  因此，加壓主要通過抑制由凝固收縮導致的氣隙形成，增大固固接觸或微氣隙的界面面積，強化鑄錠和鑄型界面完全接觸狀態，從而增加界面氣體導熱換熱系數；此外，加壓下，界面換熱系數的增加，加快了鑄錠固態收縮，導致凝固初期由固態收縮引起的氣隙的尺寸快速增大。