20世纪初期,冶金家就感知到高炉和平炉中炉气的流动、炉壁中的传热、熔池中金属液的流动等现象会显著影响冶炼操作的效率,但还难以做出定量描述。50年代末,美国学者R.B.伯德吸收了连续介质力学和热力学的研究成果,基于传热、传质、流动3种物理过程鲜明的类似性,创建了一个完整的、严密的理论体系。1960年《传递现象》出版。在机械工程、化工、动力等许多工程科学中,传输原理得到了广泛的应用。20世纪下半叶,由于要更精确控制冶金操作过程,如通过传热控制钢液的凝固,利用改进传质获得更低的有害元素含量,在冶金工程中应用传输原理呈现蓬勃发展之势。70年代以来,“冶金传输原理”成为冶金工程的重要理论基础,而且促进了冶金反应工程学的形成和发展。
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. 工学 . 矿冶工程 . 〔综论〕 . 冶金学冶金传输原理
/transport phenomena in metallurgy/
最后更新 2024-12-03
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研究在冶金设备内和伴随冶金反应过程所发生的动量、热量和质量传递现象的学科。
- 英文名称
- transport phenomena in metallurgy
- 所属学科
- 冶金工程
以物理学3个基本定律(质量守恒定律、牛顿第二定律和热力学第一定律)为依据,针对所分析研究的对象,在其中选择微元控制体积,通过对该微元的质量、动量和能量的收支平衡计算,建立描述流体运动状态下质量、动量和能量的微分方程。然后,结合所研究的工程问题,确定方程中的各个系数值和方程的边界条件,求解微分方程就可得到流速分布、温度分布、浓度分布,亦即所研究工程介质中的流场、温度场、浓度场。解方程的计算方法大都借助计算机进行数值法求解。冶金传输原理所涉及的大多数介质是高温的金属液、熔渣、熔锍等冶金熔体,微分方程中的系数决定于它们的物理性质,由于对高温下物理性质的长期研究,已经积累了相当丰富的数据。解方程所要的边界条件,随着高温仪表的发展以及预测能力的增强,也大多能够确定。然而,高温物性数据不足和确定边界条件困难,仍然是冶金传输原理所面临的课题。
在连续铸钢的过程中,要求在一定时间内将钢液的显热和凝固潜热传递出去,以得到合适温度的钢坯。传热时间由钢坯连续运动的速度决定。钢的冷却依次经过结晶器、二次冷却区、空气冷却区三段,因每段传热方式不同而构成不同的边界条件。液态和固态钢的热导率、比热等性质决定方程中的系数。沿钢坯运动方向,热量主要被运动中的钢坯所带走,传热可以忽略。于是,用计算机求解其余两个方向的二维传热方程就可以得到钢坯内的温度分布。由此可以判断:离开结晶器时,钢坯外壳是否达到必要的厚度;在二次冷却区钢坯温度的变化是否对钢质量有影响;铸造完成的钢坯温度是否够高,以减少重新加热消耗能源等。由于求解速度很快,使操作者能及时改变某一部分传热条件以改变钢中温度分布。
扩展阅读
- 沈颐身, 李保卫, 吴懋林.冶金传输原理基础.北京:冶金工业出版社,2000.