钢锭传热过程分析
金属冶炼中的热传递与传热工程
废水处理
通过对废水进行有效的处 理，环保排放控制技术能 够实现废水的达标排放， 保护水环境。
降低噪音
通过采取有效的降噪措施 ，环保排放控制技术可以 降低冶炼过程中的噪音污 染，提高环境质量。
06
未来金属冶炼技术的发 展趋势
高效低耗的冶炼技术
总结词
随着环保意识的增强和能源成本的上 升，高效低耗的冶炼技术成为未来金 属冶炼的重要发展方向。
气氛控制
在金属冶炼过程中，气氛是指炉膛内的气体组成，它对金属的氧化、还原以及熔炼过程具有 重要影响。
气氛控制的目标是创造适宜的化学环境，以促进金属的熔化和结晶过程，同时抑制有害反应 。
气氛控制通常通过调节氧气、氮气、氢气等气体的流量以及加入其他反应剂来实现，同时需 要监测和调节炉膛内的气体成分和压力。
智能化与自动化技术
总结词
智能化与自动化技术是金属冶炼行业的未来发展方向，能够提高生产效率、降低能耗和减少人力成本 。
详细描述
通过引入物联网、大数据、人工智能等先进技术，实现金属冶炼过程的智能化和自动化，提高生产过 程的可控性和稳定性，降低人为因素对产品质量的影响。
THANKS
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成分分离。
磨矿与粉磨
将矿石破碎成细小颗粒， 以便于后续的冶炼过程。
净化与精炼
通过各种物理和化学方法 ，去除杂质，得到高纯度
的金属或合金。
02
热传递的基本原理
热传导
01
热传导是热量在物质内部从高温区域向低温区域传递的过程。
02
在金属冶炼中，热传导主要应用于加热炉内金属材料的加热，
以及熔融金属的冷却过程。
轧制过程中，传热效率对轧件的变形抗力、轧制温度和轧制过程的稳定性具有重 要影响。通过控制轧制温度和优化轧辊的冷却方式，可以提高轧制产品的质量和 产量，同时降低能耗和减少轧制缺陷。
高温下金属冶炼的传热过程
STEP 03
掌握熔融物料的凝固特性 和传热规律对于优化冶炼 工艺和提高产品质量具有 重要意义。
凝固过程中，热量主要通 过热传导的方式传递，同 时伴随着相变潜热的释放 。
Part
03
影响金属冶炼传热过程的因素
温度和压力的影响
温度
高温下，物质的热传导系数增大，传 热速率加快。适当提高温度可以促进 传热过程，但过高的温度可能导致设 备损坏或引起其他问题。
Part
04
金属冶炼传热过程的优化与控 制
强化传热的方法
STEP 02
提高流体流速
STEP 01
增加传热面积
通过增加换热器的换热面 积或采用强化传热表面， 如翅片、波纹管等，提高 传热效率。
STEP 03
采用热管技术
利用热管的高导热性能， 将热量快速传递到需要加 热或冷却的部位。
通过增加流体的流速，增 强流体与换热器表面的对 流换热，从而提高传热速 率。
压力
压力对传热过程的影响主要体现在流 体流动和相变过程中。在高压下，物 质的热传导系数可能会发生变化，影 响传热效果。
物料特性的影响
密度与比热容
物料的密度和比热容越大 ，吸收或释放的热量越多 ，传热过程越强烈。
导热系数
导热系数高的物料具有较 好的传热性能，导热系数 低的物料则相反。
相变温度
物料的相变温度会影响传 热过程，如熔点、沸点等 。
02
当热量在物质内部传递时，不同温度的物质之间会产生温差， 热量会从高温处向低温处传递，导致温度逐渐均匀化。
03
在金属冶炼过程中，热传导主要发生在熔融金属、炉渣和耐火 材料之间，以及熔融金属与坩埚、炉壁之间的接触面上。
对流换热
铸造金属凝固原理课件：凝固过程的传热-
∂ T1
=Ti -T 10
∂ x x =0 πα1τ
∂ T2
= T20 -T i
∂ x x =0 πα2τ
b1 = λ1ρ1c 1
b2 = λ2ρ2c 2
T1
= b1T10 +b2T20 b1 +b2
+b1T10 +b2T20 b1 +b2
erf
( 2
x) α1τ
T2
= b1T10 +b2T20 b1 +b2
• x3 x2 x1 分別為間隙、鑄型和鑄件的“熱阻。
λ3 λ2
λ1
• 通過“系統”的比熱流q與鑄件斷面中心溫度和鑄型外表面
溫度之差成正比，而與熱阻之和成反比。顯然，比熱流q愈
大，鑄件的冷卻強度亦愈大。因而影響比熱流q的各個因素
也影響鑄件的冷卻強度。
• 魏氏準則
x1
K1
= t1中 -t1表 t1表 -t 2内
➢ 金屬的凝固Βιβλιοθήκη 度➢ 問題：為什麼在相同鑄型條件下，鋁合金鑄件斷面上的溫度場較平坦？
• 鑄型的影響 ➢ 鑄型的蓄熱係數 ➢ 鑄型的預熱溫度
∂ ∂
-
α
α
➢ 為什麼高熔點合金對金屬型的壁厚不敏感而低熔點合金則相反？
• 澆注條件的影響 ➢ 砂型鑄造中增加過熱程度相當於提高了鑄型的溫度，使鑄
件的溫度梯度減小。
α
∫
α
-β β
α
α
-∞
-
α
∂T ∂τ
=α∂ ∂
2T x2
➢ 鑄型溫度場 — 邊界條件 ➢ 鑄型溫度場運算式
α
∞
-
α
∂T ∂τ
金属冶炼工艺中的传热与传质
在金属热处理过程中，传质还涉及到气氛控制和表面处理等问题，对金属产品的性能和质量产生重要影响。
金属冶炼中的传热与传质技术发展
04
总结词：高效传热技术是金属冶炼工艺中的重要发展方向，通过改进传热效率，可以降低能耗和提高生产效率。
金属冶炼工艺中的传热与传质
金属冶炼工艺概述传热在金属冶炼中的应用传质在金属冶炼中的应用金属冶炼中的传热与传质技术发展案例分析
目录
CONTENT
金属冶炼工艺概述
01
金属冶炼是指通过化学或物理方法将矿石或金属废料中的金属提取出来，并制成金属或合金的过程。
定义
满足工业、制造业、建筑业等领域的金属需求，同时实现资源的有效利用和环境保护。
钢铁冶金中传热与传质的应用广泛，涉及高炉炼铁、转炉炼钢、连铸和轧制等工艺过程。
要点一
要点二
详细描述
在高炉炼铁过程中，传热与传质控制对于提高铁水质量和降低能耗至关重要。通过控制炉内温度和气体流动，可以提高铁水中的含铁量和降低有害元素含量。在转炉炼钢过程中，传热与传质作用影响钢水成分和温度的控制，进而影响钢材的质量和性能。连铸和轧制工艺中，传热与传质对于确保钢材的连续生产和形状控制具有关键作用。
总结词
在新材料制备领域，如纳米材料、复合材料和功能材料等，传热与传质的应用对于提高材料性能和降低制备成本具有重要意义。
详细描述
在纳米材料制备中，通过控制反应温度和气体流量等参数，可以实现纳米颗粒的大小和形貌的有效调控，进而优化材料的性能。在复合材料制备中，传热与传质影响相分布和界面结合强度，进而影响复合材料的整体性能。在功能材料制备中，传热与传质对于确保材料的晶体结构和纯度具有重要作用。
讲义钢锭及钢坯加热基本知识
讲义钢锭及钢坯加热基本知识目录一、内容描述 (2)1. 钢锭及钢坯加热的重要性 (2)2. 钢锭及钢坯加热的工艺流程 (3)3. 加热设备的种类与特点 (4)4. 加热作用及加热效应 (6)二、钢锭及钢坯加热的基本原则 (9)1. 热效率 (10)2. 加热均匀性 (11)3. 热应力与变形控制 (13)4. 加热温度的选择 (14)三、钢锭及钢坯加热设备 (15)四、钢锭及钢坯加热过程的控制 (16)1. 炉温和炉内气氛的控制 (18)2. 加热速度与加热周期 (18)3. 工艺参数的优化 (20)4. 炉内监测与优化 (21)五、钢锭及钢坯加热过程中的问题及对策 (23)1. 加热不均匀问题 (24)2. 氧化与脱碳问题 (24)3. 加热裂纹问题 (25)4. 热应力与热变形问题 (27)六、案例分析 (28)1. 某钢厂钢锭加热过程优化案例 (29)2. 钢铁生产过程中的加热事故案例分析 (30)3. 加热技术在特殊钢种生产中的应用 (31)七、结论与展望 (32)1. 加热技术的现状与挑战 (33)2. 未来加热技术的研究方向 (35)3. 加热技术对产品质量的影响 (36)一、内容描述本讲义主要讲解钢锭及钢坯加热的基本知识，旨在为从事钢铁生产和加工相关工种的学员提供理论基础和实践操作指南。
钢锭和钢坯的特性:介绍钢锭和钢坯的种类、几何形状、化学成分和力学性能等，为理解加热过程和选择加热方式提供基础。
加热系统及工艺:详细介绍各种类型的加热系统（如电弧炉、感应加热炉、炉体加热炉等）的工作原理，讨论加热过程中的温度控制、保温和降温等关键指标，以及不同加热方式的优劣特点和适用范围。
加热技术参数:解释加热炉的炉膛压力、炉温控制范围、加热速度、保温时间等技术参数，并分析这些参数如何影响钢锭及钢坯的质量和生产效率。
加热过程中的缺陷和解决方案:指出加热过程中可能出现的常见缺陷，如烧损、氧化、脆化等，并提出相应的预防和解决方法。
金属冶炼过程中的热传导与传热机制
目录
金属冶炼概述热传导原理传热机制金属冶炼过程中的热传导与传热金属冶炼过程中的热工控制未来研究方向与展望
01
CHAPTER
金属冶炼概述
金属冶炼是指通过一系列物理和化学反应，从矿石或废金属中提取和纯化金属的过程。
定义
金属冶炼的目的是为了获得纯度较高的金属，以满足工业和科技领域的需求。
热传导在轧制过程中起着至关重要的作用，通过控制轧辊的温度和冷却水的流量等参数，可以调节被轧制金属材料的温度和变形程度，从而控制轧制产品的质量和性能。
为了提高轧制过程中的传热效率，通常采取措施如优化轧辊设计、加强冷却水系统维护、加强温度控制等。
05
CHAPTER
金属冶炼过程中的热工控制
压力对金属冶炼过程中的气体反应和熔体流动等具有重要影响。
热对流
通过电磁波传递能量的方式。在金属冶炼过程中，高温炉气和熔融金属以热辐射的形式释放热量。
热辐射
1
2
3
描述热量在物质内部传递的数学模型，基于傅里叶定律建立，用于分析温度场分布和热量传递速率。
热传导方程
描述流体中热量传递的数学模型，基于牛顿冷却定律建立，用于分析对流换热过程。
对流方程
描述物体之间通过电磁波传递热量的数学模型，基于斯蒂芬-玻尔兹曼定律建立，用于分析辐射换热过程。
气氛是金属冶炼过程中影响化学反应的重要因素之一。
06
CHAPTER
未来研究方向与展望
总结词
随着环保意识的提高和能源成本的增加，研究高效低能耗的金属冶炼技术成为未来的重要研究方向。
详细描述
通过改进现有冶炼工艺、开发新型冶炼技术和优化能源利用，可以降低冶炼过程中的能耗和减少对环境的影响。例如，研究开发能够提高热能利用效率和降低能耗的熔炼炉和冶炼工艺，以及探索利用可再生能源或低品位能源进行金属冶炼的方法。
锻造用钢锭前热处理工艺流程
锻造用钢锭前热处理工艺流程下载温馨提示：该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
文档下载后可定制随意修改，请根据实际需要进行相应的调整和使用，谢谢!并且，本店铺为大家提供各种各样类型的实用资料，如教育随笔、日记赏析、句子摘抄、古诗大全、经典美文、话题作文、工作总结、词语解析、文案摘录、其他资料等等，如想了解不同资料格式和写法，敬请关注!Download tips: This document is carefully compiled by the editor. I hope that after you download them, they can help yousolve practical problems. The document can be customized and modified after downloading, please adjust and use it according to actual needs, thank you!In addition, our shop provides you with various types of practical materials, such as educational essays, diary appreciation, sentence excerpts, ancient poems, classic articles, topic composition, work summary, word parsing, copy excerpts,other materials and so on, want to know different data formats and writing methods, please pay attention!热处理是制备工业用钢锭的重要工艺环节，通过在一定温度范围内加热和冷却，使金属材料的内部结构和性能发生改变，以提高其机械性能、耐磨性和耐久性。
金属冶炼的传热与传质过程
随着市场需求的变化和科技的进步，金属冶炼产品正朝着 多元化、高性能化的方向发展，以满足不同领域的需求。
02
传热过程在金属冶炼中的应用
传热的基本原理
热传导
通过物质内部微观粒子（如原子、分子）的相互作用 ，将热量从高温区传递到低温区。
对流换热
由于流体（如气体、液体）的运动，在流体的不同部 分之间进行热量交换。
传热过程是控制金属熔炼温度的 关键环节，直接影响金属的熔化 、氧化和还原等反应。
能源效率
传热效率的高低直接影响到能源 的消耗，高效的传热技术能够降 低能耗，提高能源利用效率。
产品质量
传热过程对金属的纯净度、组织 和性能有重要影响，控制好传热 过程能够提高产品质量。
03
传质过程在金属冶炼中的应用
传质的基本原理
金属冶炼的传热与传 质过程
目录
• 金属冶炼概述 • 传热过程在金属冶炼中的应用 • 传质过程在金属冶炼中的应用 • 金属冶炼中的传热与传质协同作用 • 案例分析：某钢铁企业的传热与传质过程
优化
01
金属冶炼概述
金属冶炼的定义与目的
定义
金属冶炼是指通过化学或物理方法将 矿石或金属废料中的有价金属提取出 来，并制成金属、合金或化合物的过 程。
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扩散传质
物质在浓度差的作用下，由高浓度向低浓度方 向传递的过程。
质量传递的三种基本方式
分子扩散、对流扩散和湍流扩散。
对流传质
流体流动时，由于流体质点的相对运动而引起 的物质传递过程。
金属冶炼中的传质方式
01
气体还原法
利还原性气体（如CO、H2） 将金属氧化物还原成金属单质的 过程。
钢材加工过程中的传热计算与优化
钢材加工过程中的传热计算与优化在钢材加工过程中，对温度控制的精确度要求极高。
准确的传热计算和优化对于确保产品质量和提高生产效率至关重要。
本篇将深入分析钢材加工过程中的传热问题，并提出相应的优化措施。
传热机制钢材加工过程中，传热主要通过三种方式进行：导热、对流和辐射。
导热是指热量通过物体内部的传递。
钢材作为固体，导热是其传热的主要方式。
钢材内部的温度梯度会导致热量从高温区域传递到低温区域。
根据傅里叶定律，导热速率可以表示为：[ q = - ]其中，( q ) 是热流量，( k ) 是材料的热导率，( A ) 是热传导的面积，( T ) 是温度差，( l ) 是热传导的距离。
对流是指热量通过流体的移动而传递。
在钢材加工过程中，如锻造、轧制等，钢材与机床或模具之间的相对运动会产生对流。
对流的热传递速率可以用牛顿冷却定律表示：[ q = h A (T_{obj} - T_{env}) ]其中，( q ) 是热流量，( h ) 是热交换系数，( A ) 是热交换的面积，( T_{obj} ) 是钢材的温度，( T_{env} ) 是环境的温度。
辐射是指热量通过电磁波的形式传递。
在钢材加工过程中，热量也会以辐射的形式从高温区域传递到低温区域。
辐射的热流量可以用斯蒂芬-玻尔兹曼定律表示：[ q = A T^4 ]其中，( q ) 是热流量，( ) 是斯蒂芬-玻尔兹曼常数，( A ) 是热辐射的面积，( T ) 是物体的温度。
传热计算准确的传热计算对于钢材加工过程中的温度控制至关重要。
根据实际情况选择合适的传热模型，并运用相应的计算方法可以有效预测和控制温度。
稳态与非稳态传热在钢材加工过程中，稳态传热和非稳态传热是需要考虑的两种情况。
稳态传热指的是温度分布不随时间变化，而非稳态传热则指的是温度分布随时间变化。
根据实际情况选择合适的传热模型进行计算。
传热模型的选择在钢材加工过程中，常用的传热模型有：一维传热模型、二维传热模型和三维传热模型。
钢锭加热过程分析
江苏科技大学张家港校区CAE报告钢锭加热过程分析一．问题描述一个直径为500mm，高为800mm的钢锭，初始温度为30℃，被送入1200℃的炉子中加热。
设各表面同时受热，且表面传热系数α=180w/㎡∙k，钢锭的热传导系数k=50w/m∙℃，密度为7850kg/m³，比热容为460J/kg∙℃。
试计算10min后钢锭的温度分布情况，以及加热过程中钢锭的温度变化情况。
二．问题分析本题属于瞬态热分析，选用SOLID70三维六面八节点单元进行有限元分析，根据模型本身的对称特点，对钢锭的¼进行分析，温度采用℃，其他单位采用国际单位制。
三．操作步骤1.定义分析文件名执行Utility Menu→File→Change Jobname ，在弹出对话框中输入Exercise4，单击ok按钮。
2.定义单元类型Main Menu→Preprocessor→Element→Add/Edit/Delete，在弹出对话框Element Type对话框中单击Add按钮，弹出Library Solid和8node 70，即八节点六面体热单元，单击ok按钮。
3.定义参数在命令窗口输入以下参数定义：R=250E-3HG=800E-3AP=180T1=30T2=12004.定义材料属性Main Menu→Preprocessor→Material Props→Material Models，打开Define Material Model Behavior对话框（1）定义钢锭的导热系数选中Material Model Number 1，执行Material Models Available→Thermal→conductivity→Isotropic，在弹出对话框的KXX项输入50，单击ok按钮。
（2）定义钢锭密度Material Model Available→Thermal→Density，在DENS 项中输入7850，单击ok。
钢锭加热过程分析
江苏科技大学张家港校区CAE报告钢锭加热过程分析一．问题描述一个直径为500mm，高为800mm的钢锭，初始温度为30℃，被送入1200℃的炉子中加热。
设各表面同时受热，且表面传热系数α=180w/㎡∙k，钢锭的热传导系数k=50w/m∙℃，密度为7850kg/m³，比热容为460J/kg∙℃。
试计算10min后钢锭的温度分布情况，以及加热过程中钢锭的温度变化情况。
二．问题分析本题属于瞬态热分析，选用SOLID70三维六面八节点单元进行有限元分析，根据模型本身的对称特点，对钢锭的¼进行分析，温度采用℃，其他单位采用国际单位制。
三．操作步骤1.定义分析文件名执行Utility Menu→File→Change Jobname ，在弹出对话框中输入Exercise4，单击ok按钮。
2.定义单元类型Main Menu→Preprocessor→Element→Add/Edit/Delete，在弹出对话框Element Type对话框中单击Add按钮，弹出Library Solid和8node 70，即八节点六面体热单元，单击ok按钮。
3.定义参数在命令窗口输入以下参数定义：R=250E-3HG=800E-3AP=180T1=30T2=12004.定义材料属性Main Menu→Preprocessor→Material Props→Material Models，打开Define Material Model Behavior对话框（1）定义钢锭的导热系数选中Material Model Number 1，执行Material Models Available→Thermal→conductivity→Isotropic，在弹出对话框的KXX项输入50，单击ok按钮。
（2）定义钢锭密度Material Model Available→Thermal→Density，在DENS 项中输入7850，单击ok。
炼钢过程中的熔体流动和传热
炼钢过程中的熔体流动和传热炼钢是一项重要的制造工艺，利用高温下的化学反应和物理过程将铁矿石中的杂质除去，并加入适量的合金元素，以使钢的性能得到优化。
而在炼钢的过程中，熔体流动和传热是其中至关重要的环节。
下面将探究炼钢过程中熔体流动和传热的相关知识。
1. 熔体流动的三种形式在炼钢过程中，熔体的流动形式可以分为三种：对流流动、演化流动和滴落流动。
对流流动是指熔体在受到加热或受到其他引起流动的力时，上下产生一定的循环流动。
在转动炉中煤气燃烧时，产生的热量会使炉内空气和煤气温度升高，热气向上流动时可使炉内的钢水流动。
同时，在转鼓炉中，炉内温度也会随极高的加热温度而升高，这种温度变化会引发熔体的对流流动，进而使炉内钢水的温度和成分均匀。
演化流动是指熔体在给定的条件下分层熔化，并随着加热逐渐升温而产生流动。
在炼钢过程中，常见的演化流动现象包括合金元素逐渐溶入炉内钢水中、钢水中渣浮于上部等。
滴落流动是指熔体从上方滴落至下方。
此类流动形式的产生原因通常是液体流体表面张力的影响。
2. 不同的传热方式在炼钢过程中，传热主要分为三种方式：传导、对流和辐射。
其中，传导和对流主要发生在炉炼炉壁及钢水内部，辐射则主要是通过辐射传递热量。
传导是指热量通过物体内部分子振动形成的热传导，在炼钢过程中，传导通常发生在炉壁和炉缸上，以及钢水内部。
对于炉壁及炉缸，将炉壁和内部设备散热处理，以增加热量传导、散热和加快炉壁的寿命。
对于钢水内部，通过在适当的时间和温度下对钢水进行搅拌，在钢水内部加快热量传导，以保证炼钢过程的正常进行。
对流是指热量传递借助流体的运动而实现的热传导。
炉内钢水的对流流动可以促进其温度均匀，从而加快钢水的熔化时间和提高钢水的质量。
在实际生产中，加强对流流动是提高钢水品质的关键。
辐射是指热量通过热辐射的方式传导。
在炼钢过程中，热量辐射主要是指炉内高温气体通过热辐射的方式将热量传递至炉内，然后再通过热对流和热传导将热量传递至钢水之中。
讲义——钢锭及钢坯加热基本知识
加热对晶粒长大的影响
应该指出，促使奥氏体晶粒长大的因素，主要是加热温 度，另外，还和钢中含碳量及合金元素含量有关，一般含 碳量增加，晶粒长大，晶粒长大倾向性增大。但合金元素 对晶粒长大的影响情况不尽相同，凡是能形成稳定碳化物 的元素，如钨、钛、钒、 钼、铌等，都能够抑制奥氏体晶 粒的长大，而锰和磷却会促使奥氏体晶粒的长大，所以锰 钢加热时特别要注意防止晶粒的长大。 奥氏体晶粒的大小用晶粒度来衡量。奥氏体晶粒度可分 为： 1）起始晶粒度 ：是指铁素体向奥氏体转变刚完成时的奥氏 体晶粒度大小，一般细小，但实际应用少。 2）实际晶粒度 ：指某一具体热处理或热加工条件下所得到 的奥氏体晶粒大小，通常在大多数检测范畴里指的是最后 一次A3线以上重结晶结束开始冷却时的奥氏体晶粒的大小， 它可在室温下用特殊方法腐蚀后显示出原先的晶界，从而 测定我们平时所说的“奥氏体晶粒度”，——锻件的一般 要求为5级以上。
天然气 气体燃料
发生炉煤气
优点：与空气易混合、燃烧完全， (34~52)×106 500~600 可预热，温度易控制，干净 缺点：有毒，易爆，应有严格的 (48~65)×106 700~800 安全措施
由于我厂采用的是重油、煤气、天然气。所以 此处重点介绍一下这三种燃料： 重油是石油提炼汽油、煤油和柴油后的一种剩 余物。重油的优点是发热量高、升温快，加热质量 好，易于控制炉温，劳动条件较好，炉子结构简单 等。缺点是使用中需要预热和贮存，需增加辅助系 统设备。重油在锻造加热中应用较多。 煤气和天然气属于气体燃料。与固体燃料和液 体燃料相比，气体燃料的主要优缺点是与空气混合 完全，燃烧完全；可以预热，从而提高燃烧温度； 燃烧过程易控制，随时可以调节炉温、压力和火焰 长短；运输方便；劳动条件好。因此，气体燃料是 一种理想的燃料，在锻造加热中被广泛地使用。气 体燃料的缺点是有毒和不易贮存。
金属冶炼中的传热与传质
金属溶液通过结晶器冷却凝固成坯壳，溶质元素 在液相和固相之间的传递，以及夹杂物的排除。
凝固过程中
熔体在冷却过程中发生相变，溶质元素在固相和 液相之间的传递，以及气体在熔体中的溶解与析 出。
轧制过程中
金属坯料在轧制过程中发生塑性变形，同时伴随 着温度、成分和组织的变化，这些变化引起的物 质传递对产品的性能产生重要影响。
对流换热
流体与固体表面之间的热量交换，由于流体各部分 之间的相对位移而引起的热量传递。
辐射换热
以电磁波的形式传递热量，不需要物体相互接触。
金属冶炼中的热能利用
80%
高温还原反应
利用高温还原剂将金属氧化物还 原成金属单质。
100%
熔炼与重熔
将原料加热至熔融状态，进行杂 质去除和合金化。
80%
连铸与轧制
传热与传质过程的数学模型和模拟方法
建立数学模型
通过实验和理论分析，建立描述传热与传质过程的数学模型，包括 控制方程、边界条件和初始条件等。
数值模拟方法
利用数值计算方法求解数学模型，预测传热与传质过程的行为和性 能。常见的数值模拟方法包括有限差分法、有限元法和有限体积法 等。
实验验证
通过实验验证数学模型和模拟方法的准确性和可靠性，不断改进和完 善模型和方法。
金属冶炼中的传热与传质
汇报人:可编辑
2024-01-06
目
CONTENCT
录
• 金属冶炼概述 • 传热在金属冶炼中的应用 • 传质在金属冶炼中的应用 • 金属冶炼中的传热与传质过程控制 • 案例分析
01
金属冶炼概述
金属冶炼的定义与目的
定义
金属冶炼是指通过一系列物理和化学反应，将矿石或废旧金属等 原料转化为纯金属或合金的过程。
大型钢锭及铸钢件中的传热传质工程问题研究
大型钢锭及铸钢件中的传热传质工程问题研究摘要: 能源装备行业的快速发展对大型空心锻件的制造工艺提出了新的要求，在满足产品各项性能的前提下，应逐步提高钢锭的锻造收得率，降低能源消耗，减少工艺流程等。
特别是对于核电压力容器、大型化工容器和厚壁管道等，传统的制造工艺根据具体产品的大小，首先模铸一定吨位的实心钢锭，之后倒棱下料压钳口、镦粗冲孔、芯棒拔长、扩孔、热处理、机加工等。
这种工艺路线往往需要多火次锻造，不仅消耗了大量能源，而且由于切冒口水口、冲孔等工艺使得钢锭的整体利用率较低。
为了改变这种现状，发达国家相继开发出了空心钢锭。
应用铸造模拟软件ProCAST，对110t传统空心钢锭和新型空心钢锭的凝固过程进行了数值计算。
结果表明，双套筒空心钢锭具备一定的可行性，通过改变各层的厚度和冷却气体的流量能够实现对凝固过程的控制。
关键词:空心钢锭;凝固;ProCAST;数值计算和传统的实心钢锭相比，空心钢锭生产大型锻件省去了镦粗和冲孔两道工序，不仅减少了火次，降低了能源消耗，而且提高了钢锭的整体利用效率，缩短了工艺流程。
另外，实心钢锭基本上遵循“从下到上，从外到内”的凝固顺序，凝固速度较慢。
尤其是保温性能比较好的冒口，由于添加了发热剂和覆盖剂，冒口区域凝固时间较长，在一定程度上增加了钢锭的偏析程度，而空心钢锭是内外同时冷却，提高了冷却速度，使最后凝固的区域偏析减轻，钢锭成分整体上更加均匀。
由于空心钢锭提高了钢锭的利用率，在生产相同产品的情况下，采用空心钢锭吨位更小，从而变相提高了设备的最大负载能力。
1前处理设置1．1有限元模型以中国一重使用的110t空心钢锭及其附具为研究对象，建立相应的几何模型并划分网格，如图1所示。
图1110t空心钢锭模型传统空心钢锭的芯子为一管状铸件，材质为特配铸铁。
新型空心钢锭设计为双层套筒，中间填充30mm的铬铁矿砂，套筒厚度均为10mm。
另外，新型空心钢锭外层套筒的外径和传统空心钢锭芯子外径相同，在钢锭模相同的情况下，钢锭具有相同的尺寸。
钢件凝固过程中的热通量分析
钢件凝固过程中的热通量分析钢材是工程材料中最广泛使用的材料，而钢材凝固过程中的热通量传导分析是其性能设计和优化过程中的重要内容。
由于钢件凝固过程中的物理现象比较复杂，且涉及到的参数也比较多，如果仅仅凭借传统的实验方法进行研究，将耗费大量的时间和资源，而且可靠性较低，因此，运用计算机模拟技术对凝固过程中的热通量传导进行分析已成为近几十年来研究中不可或缺的重要工具。
钢件凝固过程中的热通量传导分析，可以有效地模拟凝固过程中热传递过程，模拟得出凝固温度场、热流密度场及热通量等参数，从而更加精确地反映钢件凝固过程中的热传导特性，从而帮助我们更好地理解钢件性能的设计和优化。
在分析钢件凝固过程中的热通量传导分析之前，要先了解钢材凝固过程中的物理现象，凝固过程分为三个状态，即凝固温度波降段、凝固温度不变段和凝固温度升高段。
其中，凝固温度波降段是由于钢件在温度下降的过程中，结晶固体和熔融固体的热导率有显著的差异，导致凝固温度会出现明显的降低现象；凝固温度不变段是由于结晶固体和熔融固体的热导率接近，凝固温度不再发生明显的变化；凝固温度升高段是凝固温度随着温度的升高而不断升高的现象。
在钢件凝固过程中，热通量传导过程由热源辐射、对流传导及导热传导组成，其中最重要的是晶体结构的组成和相应的导热性能及热容，这两者的变化将影响凝固过程中的热通量分布。
热源辐射主要是由热源的热量发散辐射研究所确定的；对流传导可以通过实验方法得出；对于晶体结构的组成和其相应的导热性能，它可以通过对熔融温度、对流热传导系数及保温抗热系数等参数的实验测量来确定。
在进行热通量传导分析时，还需要考虑到材料表面辐射及表面传热系数等参数，同时还要考虑到空气流动对热通量传导的影响。
通常，可以用数学建模的方法来模拟热通量传导的分布情况，对模型的参数可以根据实际的情况进行调整。
在进行钢件凝固过程中的热通量传导分析时，应该根据实际的情况，采用综合的传热模型，包括热源辐射、对流传导、导热传导及材料表面等多种传热模式，以及空气流动对热通量传导的影响，这样可以对凝固过程中热通量传导过程进行更为准确的分析并得到更具参考价值的结果。
金属熔炼与铸锭 第七讲 铸锭凝固过程的动量和热量传输
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晶体游离与增殖
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强制对流对结晶过程的影响
Al-2%Cu合金在无磁场条件下凝固时，铸锭中心 出现粗等轴晶，在2000高斯磁场中凝固时，铸锭 中柱状晶发达，而没有中心粗等轴晶区。 因为固定的磁场，使金属液内产生稳定的强制对 流、严重地抑制了金属液内部的对流和温度起伏， 因而已形成的晶体难于脱落和游离，无晶核增殖 作用，所以铸锭中没有中心等轴晶区，而柱状晶 发达。离心铸造易于得到柱状晶，其原因也就在 于此。
冷却迅速 凝壳断面的温度变化较陡 模壁的温度几乎不变。 以凝壳热阻为主：对于大 型铸锭，水冷模激冷作用 的影响有限，铸锭中心的 传热过程主要由凝壳导热 能力来决定。
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水冷模中铸锭的凝固——以凝壳热阻为主
无过热的金属液浇入水冷模，模温T0保持不变，铸锭表面急剧冷却 到Ti，假定铸锭与模壁接触良好、无界面热阻，因此Ti＝T0。由于凝 壳内存在热阻，因而也存在温度梯度。凝固某一时刻的温度分布如 图所示。
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第一节 凝固过程的动量传输
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合金的铸造性能
1.充型能力 液态合金充满铸型，并获得形状完整轮廓清晰 的铸件的能力，叫做液态合金的充型能力。它取决 于金属本身的流动能力，同时又受外界条件，如铸 型性质、浇注条件、铸件形状等因素的影响，是各 种因素的综合反映。
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合金的铸造性能
2.流动性 流动性指液态金属本身的流动能力，为金属的铸造 性能之一，与成分、温度、杂质含量及其物理性质有关。 3.流动性和充型能力的关系 流动性好则充型能力强(例如：共晶合金)；反之， 则充型能力差。流动性是确定条件下的充型能力；合金 一定，流动性一定，但可以通过改变外部条件提高充型 能力。
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薄板坯连铸连轧设备在热轧薄宽钢带生产中的传热分析
薄板坯连铸连轧设备在热轧薄宽钢带生产中的传热分析传热是薄板坯连铸连轧设备在热轧薄宽钢带生产过程中的关键环节之一。
传热的效果直接影响着钢材的质量和性能。
因此，对薄板坯连铸连轧设备中的传热过程进行分析和优化，对于提升钢材生产的质量和效率具有重要意义。
在薄板坯连铸连轧设备中，钢板通过连铸机坯面冷却、连轧机凝固、热轧辊道冷却等工序，传热过程主要包括传导、对流和辐射传热。
在热轧薄宽钢带生产中，传热分析主要关注以下三个方面：连铸机坯面冷却传热、连轧机凝固传热以及热轧辊道冷却传热。
首先，连铸机坯面冷却传热是薄板坯连铸连轧设备中传热的关键环节之一。
连铸机坯面冷却传热主要通过冷却水循环系统实现，通过喷淋冷却水对坯面进行冷却。
冷却水喷淋形式的选择和喷淋参数的调整，对于传热效果具有重要影响。
传导和对流是连铸机坯面冷却传热的主要机理。
传导是指坯面和冷却水之间的热传递，而对流则是指热量通过冷却水的流动而传递。
由于连铸机坯面冷却传热过程较为复杂，传热分析时需要综合考虑冷却水的流动状况、坯面温度分布以及冷却水的冷却能力等因素。
其次，连轧机凝固传热是薄板坯连铸连轧设备中传热过程的又一个关键环节。
连轧机凝固传热主要包括板坯的凝固过程和辊道的冷却过程。
板坯在连轧机的传动力和张力作用下逐渐凝固，凝固过程中释放的热量需要通过辊道的冷却来排出。
连轧机凝固传热的效果直接影响到板坯的凝固效果和质量，因此需要合理调控连轧机的传动力和张力，优化辊道的冷却方式和冷却能力，以达到理想的凝固传热效果。
最后，热轧辊道冷却传热也是薄板坯连铸连轧设备中传热过程的重要组成部分。
热轧辊道冷却传热主要通过辊道冷却水系统实现，通过喷淋冷却水对热轧辊道进行冷却。
辊道冷却传热的效果直接影响到轧制过程中辊道表面的温度分布和控制。
辊道的温度分布和控制对于热轧薄宽钢带的表面质量和性能具有重要影响。
同时，辊道冷却传热还需要综合考虑冷却水的喷淋方式、喷淋参数的调整以及辊道材质的选择等因素，以实现良好的辊道冷却效果。
钢锭加热
钢锭加热创建时间：2008-08-02钢锭加热(ingot reheating)使钢锭获得能满足热加工所需的温度并使之内外均匀的工序。
钢锭的加热温度，一般指出炉温度，通常要比热加工开始温度略高，因钢锭从炉子到加工设备存在温降。
钢锭加热的目的是使钢锭具有足够的塑性，降低轧制时的变形抗力，减少轧制能耗，改善内部组织。
钢锭加热过程主要有两个阶段：加热阶段(包括低温加热及高温加热)，将钢锭表面温度提高到出炉温度；均热阶段，使钢锭内外温度均匀化。
由于钢锭断面大，均热阶段显得更突出。
对于断面大于500mm×500mm，重量大于2t的冷锭的均热需要较长时间向锭中心传送热量。
热锭，特别是液芯钢锭，因为中心温度高，加热时除了向锭表面供热外，还要充分利用钢锭中心部分的潜热往外扩散来达到均热的目的。
因此，钢锭加热常用坑式均热炉，而小钢锭(包括合金钢锭)可采用连续式加热：沪(见加热炉)。
此外，在锻压车间还使用室状加热炉，以满足小批量多品种的高合金钢锭加热的需要。
当钢锭的加热制度不合理时，会产生大量氧化铁皮、脱碳、过热、过烧以及过大的内应力等缺陷使钢锭质量恶化，造成废品。
因此，了解钢的加热理论，拟定合理的加热制度是很重要的。
钢锭的加热制度主要是指加热温度(见初轧温度规程)、加热速度和加热时间。
加热速度指单位时间内钢锭表面温升程度(℃／237h)，也可用钢料横断面热透数值(mm／min)表示。
加热速度越快，炉子生产能力越高，燃料消耗和金属烧损相对就少。
所以快速加热是强化炉子生产能力的重要措施。
但是，提高加热速度有两个限制条件：一个是炉子最大可能的加热速度；另一个是钢料允许的加热速度。
最大可能的加热速度与炉子性能有关，决定于炉子结构型式、燃料种类及燃烧状况等因素。
钢锭允许的加热速度，则以保持钢锭的整体性不被破坏为限度。
它取决于钢在加热时所产生的应力，该应力与钢的导热性、力学性能和钢料断面尺寸等有关。
另外加热速度在不同加热阶段也是有区别的。
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凝固传热分析
钢锭凝固和冷却过程传热属于非稳态传热，钢锭内固相区传热是传导传热，在液相区和液固两相区内除传导传热外，各种原因引起的流体流动对传热也有重要影响。
钢锭凝固时放出大量潜热，显著地改变了有关传热的各项物理参数。
图2-2 为1.4t 钢锭凝固时钢锭-钢锭模之间的平均传热系数−h与时间的变化关系。
从图2-1，图2-2 可见：浇注时坯壳表面温度立即下降，此时坯壳与模壁紧密接触，传热系数−h最大。
大约10～20 分钟后表面温度出现波动，锭重不同，温度波动时间不同，这段时间内气隙不稳定地出现，随后形成稳定气隙，这时平均传热系数−h相当于纯辐射传热系数，表明钢锭-钢锭模之间产生稳定气隙后钢锭-钢锭模之间传热以辐射传热为主。
锭模与大气间传热方式为对流和辐射传热；钢锭与保护渣，保温剂以及和绝热板之间有化学反应发生，其传热较为复杂。
鉴于绝热板与保温剂导热系数低，其传热热阻主要集中在通过绝热板的传导传热过程，因此可将钢液与保温绝热材料的传热简化为不同介质间的传导传热。
保护渣与大气之间的传热被认为是辐射与对流的综合。
钢锭固相区的传热是传导传热。
钢锭液相区内受热浮力驱动的自然对流的影响，其中的传热现象要比固相中复杂的多。
除热传导之外，液相与固相之间还发生对流换热，要想准确的模拟铸锭的传热过程，就需要知道液相穴内熔融金属的
流动状态，这就需要对紊流N-S 方程和能量方程联立求解，这就增加了问题的复杂性。
为了解决这个问题，E· A· Mizikar[46]认为液相内充分混匀，把对流换热的影响归于有效导热系数K eff，这样，钢锭任何时刻的传热方程就转化成一个导热方程。
凝固潜热释放是所有凝固过程的必然现象，经推算，钢锭在冷却至脱模温度时所散失的热量中，约有80%以上来自于凝固潜热的释放[48]。
另外，钢锭凝固的大部分时间内，固液两相区占据了钢锭很大一部分。
数值计算中，合理地描述凝固潜热释放规律对准确预报钢锭凝固过程和温度分布显得十分重要。