上海大学先进凝固技术中心集体智慧的结晶：冶金凝固过程热模拟技术

金属制品在制备过程中一般都要经历凝固过程。在冶金生产中，随着对产品成分、组织及性能均匀性要求的提高，凝固已经成为提升冶金产品质量的关键。然而，凝固是一个非平衡耗散过程，即使在理想条件下也难以进行数学解析。而高温、连续化和大规模的冶金生产特点使冶金生产条件下的实验凝固过程变得非常困难。研究手段的欠缺，制约了人们对生产条件下凝固过程的认识，进而影响了冶金凝固工艺的优化和调控技术的开发。

▲ 凝固问题常用的研究方法

为检验理论研究成果、揭示凝固过程及规律以及解决生产实际问题，国内外学者围绕金属凝固过程开发了多种研究手段。这些方法概括起来可以分为实验研究和数值模拟两大类。这些方法均有各自的优缺点，适用于不同凝固问题的研究。其中，生产条件下金属凝固过程的实验研究是凝固领域的难题，至今没有有效的解决方案，因此亟须发展能够反映实际生产条件的实验模拟方法以满足冶金凝固研究的迫切需求。

上海大学先进凝固技术中心(Center for Advanced Solidification Technology, CAST)基于近三十年冶金凝固过程和组织调控技术研究的长期积累，提出了冶金凝固过程热模拟实验技术，并针对冶金生产中凝固的共性科学问题和不同冶金生产工艺的技术问题研制了数台套冶金凝固热模拟实验装备，为冶金凝固过程实验研究作出了原创性贡献。

▲ 冶金凝固过程热模拟方法

▲ 连铸坯枝晶生长热模拟

▲ 热裂热模拟技术

▲ 冶金凝固热模拟研究平台

冶金凝固热模拟实验技术是采用所要研究的冶金产品作为实验材料，针对对应的冶金生产工艺选取能够反映整个生产条件下金属凝固过程的最小单元作为特征单元，根据条件相似原理离线再现特征单元在冶金生产中的凝固条件，从而将冶金生产中数吨甚至数百吨金属的凝固过程“浓缩”到实验室，用数百克至数千克金属进行研究。这一技术不仅可以帮助我们认识冶金生产条件下金属凝固过程的基本科学问题，揭示其基本规律，还可以离线优化冶金生产工艺参数。特别是，这一技术可以获得凝固不同时刻固液界面形貌、溶质和夹杂物分布，以及热物性参数等实际生产条件下无法得到的重要信息。该技术不仅可用于钢铁和有色冶金凝固过程的研究，也可用于铸造生产中铸件不同部位凝固过程的研究。2020 年，由中国金属学会组织，五位院士和多位来自高校和企业的专家对该技术进行了评价，肯定了该技术的原创性，认为已达到国际领先水平。同年，该技术荣获中国冶金科学技术奖一等奖；2022 年，该技术又荣获日内瓦国际发明展金奖。依托该技术提供的创新手段，CAST 团队关于冶金凝固组织调控的基础研究荣获2023 年上海市自然科学奖一等奖。

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冶金凝固过程热模拟技术

仲红刚, 翟启杰著

北京: 科学出版社, 2025. 5

ISBN 978-7-03-080582-9

《冶金凝固过程热模拟技术》的研究成果是CAST 团队集体智慧的结晶。本书内容主要包括热模拟的技术思想及原理，基于热模拟方法设计装备或实验方案，还包括作者利用热模拟技术开展的科学研究和应用研究典型案例。

团队成员翟启杰、仲红刚、陈湘茹、宋长江、张云虎、李莉娟、高玉来、徐智帅、李仁兴、郑红星和研究生杜卫东、梁建平、敖鹭、孙卿卿、曹欣、谭易、叶经政、赵静、倪杰、全文、张浚哲、俞基浩、张成、梁冬、危志强、孙杰、盛成、刘天宇、王鼎璞、李曦皓、王彪、郭嘉、李志聪、肖炯、秦汉伟、项君良、杨洋、张鉴磊、林增煌、陈美成、邹富康、赵宇、李天宇、苏晨曦等参与了相关研究工作。翟启杰教授制订了本书的撰写目录和大纲，并对全书进行了修订。仲红刚博士负责了本书的撰写和统稿工作。研究生袁华志、林增煌、李天宇、王浩、顾广圻、盛成和孙杰等参与了本书部分内容的撰写和文献整理。全书由廖希亮教授和宋长江教授审稿，并提出了中肯的修改意见。

笔者要特别强调，尽管冶金凝固热模拟实验方法较之现有的物质模拟和几何模拟等其他模拟实验方法有了长足的进步，但是作为一种模拟实验方法仍有其局限性。特征单元在冶金和铸造生产过程中处于与外界既有能量交换也有物质交换的开放体系中，而在冶金凝固热模拟实验中，特征单元处于与外界只有能量交换而没有物质交换的封闭体系。因此，研究者在采用这种方法进行研究时，需要根据具体情况合理设计实验。

另外需要指出的是，虽然本书介绍了CAST 团队研制的数台套冶金凝固热模拟装备，但该实验技术的重点是基于条件相似原理的“以点见面”的热模拟思想，而非具体装备。读者可以根据自己的研究工作需要和研究条件科学选择特征单元，并为特征单元搭建相似的凝固条件，完成相应的研究工作。

本书的研究工作得到了国内外冶金和铸造界诸多学者和专家的指导、帮助和鼓励，同时得到了国家自然科学基金委员会、科技部、上海市政府以及上海大学的资助，在此一并表示衷心的感谢。

本文摘编自《冶金凝固过程热模拟技术》（仲红刚, 翟启杰著. 北京: 科学出版社, 2025. 5）一书“前言”，有删减修改，标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-080582-9

责任编辑：吴凡洁 冯晓利

生产条件下金属凝固过程的实验研究是凝固领域的难题，至今没有有效的解决方案。上海大学先进凝固技术中心突破了物质模拟和几何模拟两种实验方法的局限，提出了基于条件相似、以点见面的热模拟方法。该方法成功地将生产条件下金属凝固过程“浓缩”到在实验室中用少量金属研究，为生产条件下金属凝固过程实验研究提供了有效的方法。依靠方法创新，作者研制了一系列实验装备，并在基础研究和生产工艺优化方面进行了成功的实践。本书内容主要包括热模拟的技术思想及原理，基于热模拟方法设计装备或实验方案，还包括作者利用热模拟技术开展的科学研究和应用研究典型案例。

本书可供冶金及铸造等领域与金属凝固相关的工程技术人员及科研人员阅读参考，也可作为大专院校冶金、铸造及相关专业师生的参考资料。

（本文编辑：刘四旦）

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