液态金属凝固中的传热、传质及也太流动剖析

液态金属的流动状态研究液态金属是一种非常特殊的物质，它具有高度的流动性和可塑性，同时还具有良好的导电和导热性能。

近年来，液态金属的研究逐渐成为了材料科学领域的热门话题之一。

液态金属的流动状态研究更是其中的重要一环，本文将介绍液态金属的流动状态研究及其应用。

液态金属的流动状态研究主要包括两方面内容：一是液态金属的流动规律研究，即液态金属在不同温度、压力等条件下的流动性质研究；二是液态金属在实际工程中的应用研究，即如何利用液态金属的流动性质来满足某些技术需求。

液态金属的流动规律研究中，研究人员通常会研究液态金属的粘度、表面张力、润湿性、热力学性质等指标。

其中，粘度是衡量液态金属流动性质的一个重要指标。

研究表明，液态金属的粘度与温度、合金成分、氧化物含量、外界应力等因素密切相关。

例如，当液态金属温度升高时，它的粘度通常会降低；当液态金属中进入氧化物等杂质时，它的粘度也会增大。

同时，研究人员还发现，在确定温度和合金成分不变的情况下，液态金属的粘度还可能与其含气量、搅拌强度等因素有关。

液态金属的表面张力也是其流动性质的一个重要指标。

表面张力可以影响液态金属在不同材料上的润湿性，从而影响其流动性。

在液态金属润湿性研究中，研究人员通常会采用接触角度法和涂层法等技术手段。

研究表明，液态金属的润湿性与其合金成分、表面平整度、温度、表面反应等因素有关。

在实际应用方面，液态金属的流动性质可以应用于多个领域。

例如，在电子设备制造中，液态金属的导电性能可以帮助制造出更加高效的电路；在汽车工业中，液态金属的可塑性可以帮助制造出更加轻便的汽车部件；在医疗器械制造中，液态金属的生物相容性可以帮助制造出更加安全的医疗器械。

总之，液态金属的流动状态研究是液态金属研究的重要组成部分。

液态金属的流动性质可以通过多种研究手段进行深入探究，并且可以应用于多个领域。

未来，我们期待液态金属的研究能够取得更加丰富和深度的进展。

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性地变化。

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。

第五章 液态金属的传热与凝固方式1. 试分析铸件在金属型，砂型，保温型中凝固时的传热过程，并讨论在上述几种情况影响传热的限制性环节及温度场的特点。

答： （1）砂型：2λ 远小于1λ ，铸件冷却缓慢断面上的温差很小，而铸型内表面被铸件加热到很高的温度，而外表面仍处于较低的温度。

砂型本身的热物理性质是主要因素（限制环节）。

（2）金属型：a.铸件较厚，涂料较厚。

铸件的冷却和铸型的加热都不十分激烈，大部分温度降在中间层，而铸型和铸件上温度分布均匀。

传热过程主要取决于涂料层的热物理性质。

b.当涂料层很厚时，铸件的冷却和铸型的加热都很激烈，有明显的温度梯度界面热量很小，可忽略。

传热过程取决于铸件、铸型的热物理性质。

（3）保温型：与砂型情况类似，只是铸型比铸件的冷却更缓慢，铸型界面处温度梯度较大，而外部温度低（接近金属型后涂料）。

2.试应用凝固动态曲线分析铸件的凝固特征，根据铸件的动态凝固曲线能否判断其停止流动的过程。

答：①某一时刻的各区宽度，L 、L+S 、S 、L+S 宽度分别为，逐层、体积、中间凝固方式。

②结壳早晚：停止流动的过程：两线重合或垂直距离小，流动管道中晶体长大阻塞而停止流动。

两线垂直距离大，液体中析出晶体较多，连成网络而阻塞。

两线垂直中等，管道壁有一部分柱状晶，中心有等轴晶，使剩余的液体停止流动。

3. 试证明铁在熔点浇入铝制容器中，铝型内表明不会熔化。

已知：铁液熔点t 10=1539℃ λ1=23.26()k m w ⋅，k kg J C ⋅=9211，31kg 6900m =ρ铝液熔点660℃，λ2=23.26()k m w ⋅，k kg J C ⋅=9212，3kg6900m =ρ，t 20=20℃。

解：起始边界温度t F21202101b b t b t b t F ++=()()cc t p c b p c b 00F 2222111166064.642k 64.9152.174549.121572092732.1745427315399.121572.17459.12157<==+⨯++⨯=====λλ不会熔化。

液体金属处理中的传热传质研究摘要液体金属处理是金属材料加工和制造的重要工艺之一，其熔融状态下的物理和化学性质具有独特性，但其特殊的性质也带来了复杂的传热和传质过程。

本文对液体金属处理过程中的传热传质研究进行了综述，包括自然对流、强迫对流、辐射传热、多相传热、相变传热以及传质过程等方面，阐述了各种传热传质模型和相应的研究方法，为液体金属处理过程的优化提供了理论依据。

关键词：液体金属处理、传热传质、传热模型、传质模型、优化第一章绪论液体金属处理是指把金属在高温下熔融，进行浇注、铸造、锻造、轧制、挤压、拉伸等多种加工方法的工艺。

在液体金属处理过程中，热量的传递和物质的传输是必不可少的环节，因此传热传质研究是液体金属处理技术的基础之一。

传热传质研究不仅能够改善液体金属处理的工艺技术，还有助于提高加工工件的质量和生产效率。

第二章传热传质模型传热传质模型是对液体金属处理过程中热量和物质传递现象的描述和分析。

液体金属的传热传质过程复杂多样，存在自然对流、强迫对流、辐射传热、多相传热、相变传热等多种传热传质方式。

2.1 自然对流传热模型自然对流是指在温度差的作用下，由于热量的不均匀分布而形成的一种流动状态。

液体金属处理中的自然对流，通常伴随着温度场的非线性变化和较强的非线性耦合。

自然对流传热模型建立的核心是流体运动的动量传递方程和热传递方程。

2.2 强迫对流传热模型强迫对流是指机械或热力学作用下引起的流体运动。

液体金属处理中的强迫对流主要有气流或液流对液体金属表面的冷却、加热和搅拌等作用。

强迫对流传热模型建立的核心是Navier-Stokes方程和能量方程。

2.3 辐射传热模型辐射传热是指热量通过辐射作用而传递的物理过程。

液体金属处理过程中的辐射传热，实际上是由液体金属产生的热量向周围空气和固体传递的过程。

辐射传热模型的建立需要涉及真实物理场的射线互相作用方程和辐射传热方程。

2.4 多相传热模型多相传热是指液体金属处理过程中含有两种或两种以上的相的传热现象。

本章要点:主要讨论凝固过程的液体金属流动和金属的凝固传热特点固传热特点，，包括包括：：4 凝固过程的液体金属流动和传热1(1) 枝晶间金属流动的速度方程枝晶间金属流动的速度方程；；(2) 铸锭凝固传热的微分方程及由此确定影响传热的主要因素传热的主要因素。

(3) 三种凝固方式(顺序凝固顺序凝固、、同时凝固同时凝固、、中间凝固)的区别及对应的控制方法在浇筑和凝固过程中在浇筑和凝固过程中，，液体金属时刻在流动 包括对流和枝晶间的黏性流动液体金属流动是一种动量传输过程液体金属流动是一种动量传输过程，，是铸锭成型是铸锭成型、、传热传热、、传质的必要条件浇筑和凝固过程中的特性1 凝固过程液体金属的流动是一种动量传输过程是一种动量传输过程。

浇注时流柱冲击引起的动量对流动量对流。

金属液内温度和浓度不均引起的1.1 液体金属的对流对流成因：3自然对流自然对流。

电磁场或机械搅拌及振动引起的强制对流。

对于连续铸锭对于连续铸锭，，由于浇注和凝固同时进行由于浇注和凝固同时进行，，动量对流会连续不断地影响金属液的凝固过程属液的凝固过程，，如不采取适当措施均布液流不采取适当措施均布液流，，过热金属液就会冲入液穴的下部。

动量对流强烈时动量对流强烈时，，易卷入大量气体易卷入大量气体，，增加金属的二次氧化增加金属的二次氧化，，不利于夹渣的上浮，应尽量避免应尽量避免。

立式半连续铸锭过程中立式半连续铸锭过程中，，在金属液面下垂直导入液流时在金属液面下垂直导入液流时，，其落点周围会形成一个循环流动的区域成一个循环流动的区域，，称为涡流区。

特征是在落点中心产生向下的流股的流股，，在落点周围则引起一向上的流股的流股，，从而造成上下循环的轴向循环对流。

流注冲击引起的对流4影响流注穿透深度因素影响流注穿透深度因素：： 浇筑速度 浇筑温度流注在液穴中的穿透深度：沿液穴轴向对流往下延伸的距离 流注落下高度 结晶器尺寸注管直径流注穿透深度随其下落高度的增加而减小流注下落高度增加，其散乱程度增大，卷入的气体多，气泡浮力对流注的阻碍作用增强浇筑速度增大浇筑速度增大，，流注穿透深度增加结晶器断面尺寸减小结晶器断面尺寸减小，，气泡上浮区域减小气泡上浮区域减小，，存留在流注点下方气泡数量相应增加量相应增加，，对流注阻碍作用增强对流注阻碍作用增强，，流注穿透深度减小结晶器断面尺寸减小结晶器断面尺寸减小，，流注落点周围的涡流增强流注落点周围的涡流增强，，流注轴向速度降低流注轴向速度降低，，穿透深度减小6轴向循环对流轴向循环对流，，还会引起结晶器内金属液面产生水平对流，其方向决定着夹渣的聚集地点其方向决定着夹渣的聚集地点。

纯金属凝固知识点总结1. 凝固的基本原理在纯金属凝固的过程中，金属离子从液态状态转变为晶态状态，这一过程主要包括两个方面的变化：(1) 原子排列的变化。

在液态金属中，金属原子是无序排列的，而在凝固过程中，金属原子开始有序排列，形成不同的晶体结构。

(2) 基本结构的变化。

不同的金属具有不同的晶体结构，如立方晶体、六方晶体等，这种基本结构的变化是凝固过程中的重要特征。

在金属凝固的过程中，除了原子排列的变化和基本结构的变化外，还会同时涉及到晶体的生长、演变和凝固温度等因素的影响。

因此，要深入了解纯金属凝固的过程，需要综合考虑上述多个因素的作用。

2. 凝固过程中的晶体生长晶体生长是在凝固过程中最基本的现象之一。

在金属凝固的过程中，晶体生长是从液态金属中形成晶体的过程，其过程主要包括以下几个方面：(1) 传质与传热。

在晶体生长的过程中，溶质从液相向固相迁移，而热量也是从熔体向冷凝物质迁移的过程。

这种传质与传热是晶体生长的基础。

(2) 晶体核的形成。

在凝固过程中，晶体核的形成是晶体生长的关键。

晶体核的形成是通过原子或离子以一定的方式排列而形成的，这是晶体生长过程中的起始点。

(3) 晶体生长的机制。

晶体的生长可以通过表面扩散、体积扩散、界面扩散等不同方式进行。

这种不同的生长机制将直接影响晶体的形态和晶体结构。

(4) 晶体生长速率的控制因素。

晶体生长速率受到诸多因素的影响，如温度、凝固速率、溶质浓度等因素都将对晶体生长速率产生显著的影响。

综上所述，要理解纯金属凝固过程中的晶体生长过程，首先需要了解晶体核的形成、晶体生长的机制以及晶体生长速率的控制因素。

这将有助于深入理解凝固过程中的晶体生长现象。

3. 影响凝固过程的因素在金属凝固的过程中，有多种因素会对凝固过程产生影响。

主要包括以下几个方面：(1) 温度。

温度是影响金属凝固的最主要因素之一。

凝固温度的高低不仅会直接影响凝固过程的速率，也会对晶体结构的形成产生重要影响。

液态金属成型原理0、概论 1、液态金属的结构和性质 2、凝固的热力学基础 3、界面 4、凝固的结晶学基础 5、凝固的传热基础 6、凝固过程的流动 7、凝固金属的组织结构 8、凝固过程的缺陷和对策12液体流动的分类和影响z 凝固过程中的液体流动主要包括：„ 自然对流 „ 强迫对流z 对凝固过程的影响：„ 传热和传质过程 „ 气泡和夹杂物的行为 „ 流动性好，铸件轮廓清晰、形状完整，利于补缩、热裂纹愈合。

„ 凝固组织3第一节 凝固过程的流动 第二节 液态合金的充型能力4一、自然对流„ 凝固过程自然对流包括浮力流和凝固收缩引起的 流动。

„ 浮力流是最基本、最普遍的对流方式。

因为溶质再分 配、传热、传质引起液相密度不均匀造成的。

其中密 度小的液相发生上浮；密度大的液相发生下沉，引起 自然对流。

„ 凝固收缩引起的对流主要发生在枝晶间。

5凝固过程中铸锭内的对流浮力流：溶质密度较小时收缩流：Al-10%Cu 合金凝固枝晶间的疏松6二、强迫对流„ 凝固过程中，可通过各种方式驱动液体流动。

对凝固组 织形态及传热、传质条件进行控制。

„ 控制的流动方式通常是与一定的凝固技术有关。

„ 强迫对流举例：z 液相的机械搅拌 z 电磁场搅拌驱动液体流动 z 凝固过程的铸型振动7三、流动对凝固组织的影响„ A.枝晶迎流生长 „ B.通道偏析。

凝固时间长的大型铸件，如大型轴易出现。

„ C.枝晶脱落，脱落→核→ 等轴晶。

8第二节 液态合金的充型能力一、充型能力的基本概念 二、影响充型能力的因素 三、铸造流动性的测量9一、液态金属充型能力z 液态金属充满铸型型腔，获得 形状完整、轮廓清晰的铸件的 能力，即液态金属充填铸型的 能力，是设计浇注系统的重要 依据之一。

z 充型能力弱，则可能产生浇不 足、冷隔、砂眼、铁豆，以及 卷入性气孔、夹砂等缺陷。

10例：“浇不足”缺陷-流动性不良11第二节液态合金的充型能力一、充型能力的基本概念二、影响充型能力的因素三、铸造流动性的测量13二、影响充型能力的因素1. 金属性质方面的因素2. 铸型性质方面的因素3.浇注条件方面的因素4.铸件方面的因素1415纯金属、共晶成分合金及结晶温度宽结晶温度合金停止很窄的合金停止流动机理示意图流动机理示意图前端析出15~20％的固相量时，流动就停止。