研究在冶金設備內和伴隨冶金反應過程所發生的動量、熱量和品質傳遞現象的學科。

  簡史 20世紀初期,冶金傢就感知到高爐和平爐中爐氣的流動、爐壁中的傳熱、熔池中金屬液的流動等現象會顯著影響冶煉操作的效率,但還難以作出定量描述。20世紀50年代末,美國學者R.B.博多等吸收瞭連續介質力學和熱力學的研究成果,基於傳熱、傳質、流動三種物理過程鮮明的類似性,創建瞭一個個完整的、嚴密的理論體系。1960年《傳遞現象》出版。在機械工程、化工、動力等許多工程科學中,傳輸原理得到瞭廣泛的應用。20世紀下半葉,由於要更精確控制冶金操作過程,如通過傳熱控制鋼液的凝固,利用改進傳質獲得更低的有害元素含量,在冶金工程中應用傳輸原理呈現蓬勃發展之勢。70年代以來,“冶金傳輸原理”成為冶金工程的重要理論基礎,而且促進瞭冶金反應工程學的形成和發展。

  原理 以物理學三個基本定理(質量守恒定律、牛頓第二定律和熱力學第一定律)為依據,針對所分析研究的對象,在其中選擇微元控制體積,通過對該微元的質量、動量和能量的收支平衡計算,建立描述流體運動狀態下質量、動量和能量的微分方程。然後,結合所研究的工程問題,確定方程中的各個系數值和方程的邊界條件,求解微分方程就可得到流速分佈、溫度分佈、濃度分佈,亦即所研究工程介質中的流場、溫度場、濃度場。解方程的計算方法大都借助計算機進行數值法求解。冶金傳輸原理所涉及的大多數介質是高溫的金屬液、熔渣、熔锍等冶金熔體,微分方程中的系數決定於它們的物理性質,由於對高溫下物理性質的長期研究,已經積累瞭相當豐富的數據。解方程所要的邊界條件,隨著高溫儀表的發展以及預測能力的增強,也大多能夠確定。然而,高溫物性數據不足和確定邊界條件困難,仍然是冶金傳輸原理所面臨的課題。

  應用舉例 連續鑄鋼的過程中,要求在一定時間內將鋼液的顯熱和凝固潛熱傳遞出去,以得到合適溫度的鋼坯。傳熱時間由鋼坯連續運動的速度決定。鋼的冷卻依次經過結晶器、二次冷卻區、空氣冷卻區三段,每段傳熱方式不同因而構成不同的邊界條件。液態和固態鋼的熱導率、比熱等性質決定方程中的系數。沿鋼坯運動方向,熱量主要被運動中的鋼坯所帶走,傳熱可以忽略。於是,用計算機求解其餘兩個方向的二維傳熱方程就可以得到鋼坯內的溫度分佈。由此可以判斷:離開結晶器時,鋼坯外殼是否達到必要的厚度;在二次冷卻區鋼坯溫度的變化是否對鋼質量有影響;鑄造完成的鋼坯溫度是否夠高,以減少重新加熱消耗能源等。由於求解速度很快,使操作者能及時改變某一部分傳熱條件以改變鋼中溫度分佈。

  隨著電磁攪拌、電磁制動、電磁鑄造、電磁懸浮熔煉等電磁冶金技術的發展,在電磁場作用下的傳輸現象成為新興的研究內容。

  

推薦書目

 沈頤身, 李保衛, 吳懋林. 冶金傳輸原理基礎. 北京: 冶金工業出版社, 2000.