金屬制品在制備過程中一般都要經(jīng)歷凝固過程。在冶金生產(chǎn)中，隨著對產(chǎn)品成分、組織及性能均勻性要求的提高，凝固已經(jīng)成為提升冶金產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。然而，凝固是一個非平衡耗散過程，即使在理想條件下也難以進行數(shù)學解析。而高溫、連續(xù)化和大規(guī)模的冶金生產(chǎn)特點使冶金生產(chǎn)條件下的實驗凝固過程變得非常困難。研究手段的欠缺，制約了人們對生產(chǎn)條件下凝固過程的認識，進而影響了冶金凝固工藝的優(yōu)化和調(diào)控技術(shù)的開發(fā)。

▲ 凝固問題常用的研究方法

為檢驗理論研究成果、揭示凝固過程及規(guī)律以及解決生產(chǎn)實際問題，國內(nèi)外學者圍繞金屬凝固過程開發(fā)了多種研究手段。這些方法概括起來可以分為實驗研究和數(shù)值模擬兩大類。這些方法均有各自的優(yōu)缺點，適用于不同凝固問題的研究。其中，生產(chǎn)條件下金屬凝固過程的實驗研究是凝固領(lǐng)域的難題，至今沒有有效的解決方案，因此亟須發(fā)展能夠反映實際生產(chǎn)條件的實驗模擬方法以滿足冶金凝固研究的迫切需求。

上海大學先進凝固技術(shù)中心(Center for Advanced Solidification Technology, CAST)基于近三十年冶金凝固過程和組織調(diào)控技術(shù)研究的長期積累，提出了冶金凝固過程熱模擬實驗技術(shù)，并針對冶金生產(chǎn)中凝固的共性科學問題和不同冶金生產(chǎn)工藝的技術(shù)問題研制了數(shù)臺套冶金凝固熱模擬實驗裝備，為冶金凝固過程實驗研究作出了原創(chuàng)性貢獻。

▲ 冶金凝固過程熱模擬方法

▲ 連鑄坯枝晶生長熱模擬

▲ 熱裂熱模擬技術(shù)

▲ 冶金凝固熱模擬研究平臺

冶金凝固熱模擬實驗技術(shù)是采用所要研究的冶金產(chǎn)品作為實驗材料，針對對應的冶金生產(chǎn)工藝選取能夠反映整個生產(chǎn)條件下金屬凝固過程的最小單元作為特征單元，根據(jù)條件相似原理離線再現(xiàn)特征單元在冶金生產(chǎn)中的凝固條件，從而將冶金生產(chǎn)中數(shù)噸甚至數(shù)百噸金屬的凝固過程“濃縮”到實驗室，用數(shù)百克至數(shù)千克金屬進行研究。這一技術(shù)不僅可以幫助我們認識冶金生產(chǎn)條件下金屬凝固過程的基本科學問題，揭示其基本規(guī)律，還可以離線優(yōu)化冶金生產(chǎn)工藝參數(shù)。特別是，這一技術(shù)可以獲得凝固不同時刻固液界面形貌、溶質(zhì)和夾雜物分布，以及熱物性參數(shù)等實際生產(chǎn)條件下無法得到的重要信息。該技術(shù)不僅可用于鋼鐵和有色冶金凝固過程的研究，也可用于鑄造生產(chǎn)中鑄件不同部位凝固過程的研究。2020 年，由中國金屬學會組織，五位院士和多位來自高校和企業(yè)的專家對該技術(shù)進行了評價，肯定了該技術(shù)的原創(chuàng)性，認為已達到國際領(lǐng)先水平。同年，該技術(shù)榮獲中國冶金科學技術(shù)獎一等獎；2022 年，該技術(shù)又榮獲日內(nèi)瓦國際發(fā)明展金獎。依托該技術(shù)提供的創(chuàng)新手段，CAST 團隊關(guān)于冶金凝固組織調(diào)控的基礎(chǔ)研究榮獲2023 年上海市自然科學獎一等獎。

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冶金凝固過程熱模擬技術(shù)

仲紅剛, 翟啟杰著

北京 : 科學出版社, 2025. 5

ISBN 978-7-03-080582-9

《冶金凝固過程熱模擬技術(shù)》的研究成果是CAST團隊集體智慧的結(jié)晶。本書內(nèi)容主要包括熱模擬的技術(shù)思想及原理，基于熱模擬方法設(shè)計裝備或?qū)嶒灧桨?，還包括作者利用熱模擬技術(shù)開展的科學研究和應用研究典型案例。

團隊成員翟啟杰、仲紅剛、陳湘茹、宋長江、張云虎、李莉娟、高玉來、徐智帥、李仁興、鄭紅星和研究生杜衛(wèi)東、梁建平、敖鷺、孫卿卿、曹欣、譚易、葉經(jīng)政、趙靜、倪杰、全文、張浚哲、俞基浩、張成、梁冬、危志強、孫杰、盛成、劉天宇、王鼎璞、李曦皓、王彪、郭嘉、李志聰、肖炯、秦漢偉、項君良、楊洋、張鑒磊、林增煌、陳美成、鄒富康、趙宇、李天宇、蘇晨曦等參與了相關(guān)研究工作。

翟啟杰教授制訂了本書的撰寫目錄和大綱，并對全書進行了修訂。仲紅剛博士負責了本書的撰寫和統(tǒng)稿工作。研究生袁華志、林增煌、李天宇、王浩、顧廣圻、盛成和孫杰等參與了本書部分內(nèi)容的撰寫和文獻整理。全書由廖希亮教授和宋長江教授審稿，并提出了中肯的修改意見。

筆者要特別強調(diào)，盡管冶金凝固熱模擬實驗方法較之現(xiàn)有的物質(zhì)模擬和幾何模擬等其他模擬實驗方法有了長足的進步，但是作為一種模擬實驗方法仍有其局限性。特征單元在冶金和鑄造生產(chǎn)過程中處于與外界既有能量交換也有物質(zhì)交換的開放體系中，而在冶金凝固熱模擬實驗中，特征單元處于與外界只有能量交換而沒有物質(zhì)交換的封閉體系。因此，研究者在采用這種方法進行研究時，需要根據(jù)具體情況合理設(shè)計實驗。

另外需要指出的是，雖然本書介紹了CAST 團隊研制的數(shù)臺套冶金凝固熱模擬裝備，但該實驗技術(shù)的重點是基于條件相似原理的“以點見面”的熱模擬思想，而非具體裝備。讀者可以根據(jù)自己的研究工作需要和研究條件科學選擇特征單元，并為特征單元搭建相似的凝固條件，完成相應的研究工作。

本書的研究工作得到了國內(nèi)外冶金和鑄造界諸多學者和專家的指導、幫助和鼓勵，同時得到了國家自然科學基金委員會、科技部、上海市政府以及上海大學的資助，在此一并表示衷心的感謝。

本文摘編自《冶金凝固過程熱模擬技術(shù)》（仲紅剛, 翟啟杰著. 北京 : 科學出版社, 2025. 5）一書“前言”，有刪減修改，標題為編者所加。

ISBN 978-7-03-080582-9

責任編輯：吳凡潔 馮曉利

生產(chǎn)條件下金屬凝固過程的實驗研究是凝固領(lǐng)域的難題，至今沒有有效的解決方案。上海大學先進凝固技術(shù)中心突破了物質(zhì)模擬和幾何模擬兩種實驗方法的局限，提出了基于條件相似、以點見面的熱模擬方法。該方法成功地將生產(chǎn)條件下金屬凝固過程“濃縮”到在實驗室中用少量金屬研究，為生產(chǎn)條件下金屬凝固過程實驗研究提供了有效的方法。依靠方法創(chuàng)新，作者研制了一系列實驗裝備，并在基礎(chǔ)研究和生產(chǎn)工藝優(yōu)化方面進行了成功的實踐。本書內(nèi)容主要包括熱模擬的技術(shù)思想及原理，基于熱模擬方法設(shè)計裝備或?qū)嶒灧桨?，還包括作者利用熱模擬技術(shù)開展的科學研究和應用研究典型案例。

本書可供冶金及鑄造等領(lǐng)域與金屬凝固相關(guān)的工程技術(shù)人員及科研人員閱讀參考，也可作為大專院校冶金、鑄造及相關(guān)專業(yè)師生的參考資料。

本文來自：科學出版社。