液态金属凝固过程中的传热与传质

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。

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。

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[4,6]。

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凝固过程中的温度变化情况。

测温法的主要技术包括热电偶布放位置选择及测温结果的处理。

其目标是用尽可能少的热电偶获得尽可能多的信息。

但对于尺寸太大或者尺寸过小的铸件凝固过程，采用测温放难度较大。

数值模拟法以传热基本方程和边界条件为基础，采用差分法或有限元法进行温度场的数值计算。

该方法基本原理简单，但运算技巧方面的问题较多。

对凝固过程需要考虑边界条件的处理和结晶潜热的处理。

武汉理工大学李明明[7]在深入研究金属凝固传热学的基础上，建立了凝固过程传热微分方程数学模型，总结求解微分方程的各种数值算法，并分析影响凝固传热的各边界条件，采用有限差分法对数学模型在时间及空间上进行离散化，建
立了具有定解条件的差分方程。

针对不同材料传热特性不同的问题，建立对应铸件—铸型边界模型，并采用一个综合传热系数来表达边界处的传热特点。

采用温度回复法解决小结晶区间合金的潜热释放问题，对于具有一定结晶区间的合金则采用等价比热法进行处理，充分发挥两种方法的优点，提高计算的准确度。

对凝固潜热的释放模式进行研究，确定采用潜热释放与温度变化呈线性关系的模式进行近似计算。

同时，在用等价比热法处理潜热问题时，分六种情况对可能的计算结果进行讨论，并根据能量平衡原理，对计算结果进行修正，提高了处于凝固区间网格传热计算的精度。

北京科技大学聂红[8]等人建立了描述二元合金凝固的平面枝晶一维微观偏析数学模型，考虑溶质在固相中有限扩散，在液相中完全扩散。

通过数值模拟，分析比较了Al-Cu和Fe-C合金的微观偏析特性，将微观数值模型
高，在传热测试方法和手段、传热传质学研究和高新技术领域密切联系等方面均有着明显优势，因此在高新技术领域热质传递现象的机理和特有规律这方面，我们仍需继续努力。

参考文献
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[2]张金山. 金属液态成型原理. 北京: 化学工业出版社, 2011.
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[6]李汝辉. 传质学基础. 北京航空学院出版社, 北京: 1987.
[7]李明明. 铸造凝固过程计算机数值模拟技术研究[D]. 武汉: 武汉理工大学, 2011.
[8]聂红, 冯妍卉, 张欣欣. 合金凝固传热传质宏微观耦合数值研究及验证[J]. 热科学与技术,
2006(1): 45-48.
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