液态金属凝固过程中的传热与传质

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1、液态金属凝固过程中的传热与传质摘要：液态金属熔体中传热和传质过程的改变会影响晶体的形核和生长，从而影响凝固组织。本文介绍了液态金属凝固的原理，凝固过程中传热“一热、二迁、三传”的特点，以及凝固过程中的传质及其基本问题。传热与传质的研究方法包括解析法、实验法、数值模拟法等。我国许多研究者对凝固过程中的传热和传质问题进行了研究，高新技术方面热质传递现象的机理和特有规律是今后重点发展的研究领域。关键词：金属凝固；传热和传质；界面；溶质再分配在金属的热态成形过程中，常常伴随着金属液的流动、气体的流动、金属件内部和它周围介质间的热量交换和物质转移现象，即动

2、量传输、热量传输和质量传输现象。液态金属熔体中传热和传质过程的改变会影响晶体的形核和生长，从而影响凝固组织[1-2]。因此，只有正确和深入研究金属凝固过程中的传输现象，才能有助于建立正确的凝固过程理论模型。1金属凝固过程的传热与传质1.1金属凝固过程中的传热在凝固过程中，伴随着潜热的释放、液相与固相降温放出物理热，定向凝固时，还需外加热源使凝固过程以特定的方式进行，各种热流被及时导出，凝固才能维持。宏观上讲，凝固方式和进程主要是由热流控制的。金属凝固过程的传热特点可以简明的归结为“一热、二迁、三传”[3-5]。“一热”即在凝固过程中热量的传输是第

3、一重要的，它是金属凝固过程能否进行的驱动力。凝固过程首先是从液体金属传出热量开始的。高温的液体金属浇入温度较低的铸型时，金属所含的热量通过液体金属、已凝固的固体金属、金属-铸型的界面和铸型的热阻而传出。凝固是一个有热源非稳态传热过程。“二迁”指在金属凝固时存在着两个界面，即固相-液相间界面和金属-铸型间界面，这两个界面随着凝固进程而发生动态迁移，并使得界面上的传热现象变得极为复杂。图1为纯金属浇入铸型后发生的传热模型示意，由图可见在凝固过程中随着固相-液相间界面向液相区域迁移，液态金属逐步变为固态，并在凝固前沿释放出凝固潜热，并随着凝固进程而非线

4、性地变化。在金属凝固过程中，由于金属的凝固收缩和铸型的膨胀，在金属和铸型间形成金属和铸型间的界面，由于接触不完全，它们之间存在着界面热阻。接触情况不断地变化，在一定条件下，会形成一个间隙（也称气隙），因此这里的传热不知是一种简单的传导，而是同时存在微观的对流和辐射传热。“三传”即金属的凝固过程是一个同时包含动量传输、质量传输和热量传输的三传耦合的三维传热物理过程。在热量传输过程中也同时存在有导热、对流和辐射换热三种传热方式。一个从宏观上看是一维传热的单向凝固的金属，由于凝固过程中的界面现象使传热过程在微观变得非常复杂。当固/液界面是凹凸不平或生长

5、为枝晶状时，在这个凝固前沿上，热总是垂直于这些界面的不同方位从液相传入固相，因而发生微观的三维传热现象。在金属和铸型界面上的传热也不只是一种简单的传导，而是同时存在微观的对流和辐射传热。4图1纯金属在铸型中凝固时的传热模型K-导热，C-对流，R-辐射，N-牛顿界面换热1.2金属凝固过程中的传质金属液凝固时出现的固相成分常与液相成分不同，引起固相、液相内成分分布的不均匀，于是在金属凝固时固相层增厚的同时出现了组分的迁移过程，即传质。凝固过程的溶质传输决定着凝固组织中的成分分布，并影响到凝固组织结构。金属的凝固过程，其传质问题直接和金属的凝固方式相关

6、联，主要研究几种基本传质问题：①金属凝固过程中整个凝固体系内溶质的变化；②金属以平界面方式凝固时凝固过程的溶质变化；③金属以枝晶方式凝固时凝固过程的溶质变化。平界面凝固过程中的传质与溶质再分配是最基本的传质问题，对许多复杂传质问题的研究是在此基础上进行的。主要包括：（1）平衡凝固条件下的溶质再分配；（2）固相无扩散而液相均匀混合的溶质再分配；（3）固相无扩散，液相中有扩散而无对流的溶质再分配；（4）液相中部分混合（对流）的溶质再分配。对于枝晶凝固过程中的溶质传输，除液相流动引起长程溶质再分配外，溶质的传输主要是在枝晶本身和枝晶间的液相内进行的[4

7、,6]。枝晶凝固过程传质研究的主要目标是确定凝固过程的不同时刻析出固相的溶质质量分数及最终凝固组织中微观偏析。常见的凝固并不是按平面界面进行的，而存在一个凝固区，即糊状区，在该区存在着传热与传质的偶合问题，需同时考虑传热和传质。2凝固过程中传热与传质的研究方法与现状液态金属凝固过程中传热与传质的研究方法有解析法、实验法和数值模拟法等。解析法是直接从传热的基本方程出发，在给定的定解条件下，进行凝固过程温度场及其演变过的计算，求出温度场的解析解。这些定解条件包括物理条件、几何条件、时间条件和空间条件。解析解显然是比较理想的解，然而对于实际凝固过程，能

8、获得解析解的情况非常少见，即使在最简单的条件下也需要引入许多假设。实验法如测温法，是一种最通用的方法，通过向铸型中安放热电偶直接测出合金