Determination of the interfacial heat transfer coefficient in a metal‐metal system solving the inverse heat conduction problem

• Published in: Steel Research 1997-05, Vol.68 (5), p.201-208
• Main Authors: Mehrotra, Surya Pratap, Chakravarty, Apratim, Singh, Prabhdeep
• Format: Article
• Language: English
• Subjects: Applied sciences; Cross-disciplinary physics: materials science; rheology; Exact sciences and technology; Materials science; Metals. Metallurgy; Phase diagrams and microstructures developed by solidification and solid-solid phase transformations; Physics; Solidification
• ISSN: 0177-4832; 1869-344X
• DOI: 10.1002/srin.199701779

Simulation of several industrial processes involving solidification of metals requires characterization of heat transfer coefficient at the solidifying metal/metal‐substrate interface. In the present investigation an attempt has been made to estimate this heat transfer coefficient, hc, using simulated experiments in which the heat transfer from a heated stainless steel block (simulating solidifying metal) to a water cooled copper block (simulating metal‐substrate) is monitored by continuously recording temperatures at a few internal locations both within the metal block and the substrate block. The problem of determining the interfacial heat transfer coefficient is recognized to be an inverse heat conduction problem (IHCP). A numerical method is employed to solve IHCP and to determine the hc from the transient history of temperatures at a few locations. The effect of the physical nature of the interface, as well as the cooling conditions prevailing at the outer surface of the substrate on hc is examined and discussed. While the physical nature of the interface, i.e. roughness on the metal as well as the substrate surfaces, has a significant effect on hc, the cooling conditions have only a marginal effect. The hc in the present investigation remains more or less time invariant. Zur Simulation verschiedener industrieller Prozesse, die die Erstarrung von Metallen einschließen, ist eine Beschreibung des Wärmeübergangskoeffizienten an der Grenzfläche zwischen erstarrendem Metall und Metall‐Substrat erforderlich. Daher wird ein Versuch unternommen, diesen Wärmeübergangskoeffizienten hc abzuschätzen. Dies geschieht mit Hilfe von simulierten Versuchen, in denen der Wärmeübergang von einem erwärmten Block aus nichtrostendem Stahl (als erstarrendes Metall) zu einem wassergekühlten Kupferblock (Metall‐Substrat) ermittelt wird, indem die Temperatur an einigen inneren Stellen sowohl im Metallblock als auch im Substrat kontinuierlich aufgezeichnet wird. Die inverse Wärmeleitung (IHCP) stellt das Problem bei der Bestimmung des Wärmeüberganges an der Grenzfläche dar. Zu deren Lösung und zur Bestimmung von hc aus der aufgezeichneten Temperaturkurve wird ein numerisches Verfahren herangezogen. Die Auswirkung der physikalischen Eigenschaften an der Grenzfläche als auch der Abkühlbedingungen, die an der äußeren Oberfläche des Substrates vorherrschen, auf hc werden untersucht. Während die physikalischen Gegebenheiten an der Grenzfläche ‐etwa Rauhigkeit der Oberflächen‐ hc betr