第8章 鑄錠的凝固

1、Chapter8 Solidification of Ingots 8.1 8.1 鑄（鋼）錠鑄（鋼）錠 將煉成的金屬液澆注到砂型（金屬型等）鑄型內(nèi)，凝固后形成的錠子稱為鑄錠。 根據(jù)澆注金屬材料的不同分為鋼錠、鋁錠、銅錠等。 若澆注的是鋼液，形成的錠子稱為鋼錠鋼錠。鋼錠經(jīng)軋制或鍛壓成為鋼材后方能使用。鋼錠通常在鑄鐵模中凝固。 根據(jù)澆注方法澆注方法分為上（頂）注鋼錠上（頂）注鋼錠和下（底）注鋼錠下（底）注鋼錠。下注錠的表面質量優(yōu)于上注錠。 根據(jù)脫氧程度脫氧程度的不同又有沸騰鋼鋼錠、半鎮(zhèn)靜鋼鋼錠和鎮(zhèn)靜鋼鋼錠三種。沸騰鋼沸騰鋼是脫氧不完全的鋼，鎮(zhèn)靜鋼鎮(zhèn)靜鋼是脫氧完全的鋼，半鎮(zhèn)靜鋼半鎮(zhèn)靜鋼的脫氧程度介

2、于前兩者之間，接近于鎮(zhèn)靜鋼。鋼錠模類型下注鋼錠充型過程數(shù)值模擬下注鋼錠充型過程數(shù)值模擬1.9t鋼錠模 2.8t鋼錠模 1.9t鋼錠冒頭 （冒口模）（冒口模）多包（兩包）合澆大型鑄鋼件多包（兩包）合澆大型鑄鋼件鋼錠的應用現(xiàn)狀模鑄錠與連鑄坯相比，所占比例逐年減少，目前已減少到5以內(nèi)，其中合金鋼和不銹鋼將減少到20，工具鋼和特殊鋼將減少到40。這是由于連這是由于連鑄坯可以多爐連澆、收得率高、不需初軋或開坯、鑄坯可以多爐連澆、收得率高、不需初軋或開坯、能耗低，質量優(yōu)于模鑄錠。能耗低，質量優(yōu)于模鑄錠。模鑄鎮(zhèn)靜鋼不可能完全被淘汰，因為鍛造用鋼鍛造用鋼、一些小批量生產(chǎn)的高級合金鋼高級合金鋼及VAR(真空電弧

3、重熔)和ESR(電渣精煉)用的坯料仍需用模鑄鎮(zhèn)靜鋼來生產(chǎn)。脫模后紅熱狀態(tài)的方鋼錠脫模后紅熱狀態(tài)的方鋼錠小型鋼錠縱截面宏觀組織照片小型鋼錠縱截面宏觀組織照片鋼錠的質量 鋼錠的質量有表面質量表面質量和內(nèi)部質量內(nèi)部質量之分。 表面質量表面質量：結疤、翻皮、裂紋、表皮的致密度。 內(nèi)部質量內(nèi)部質量：鋼錠內(nèi)部的純凈度、致密度、低倍非金屬夾雜物數(shù)量和宏觀偏析的程度。 沸騰鋼的表面質量好，但由于錠心偏析大，內(nèi)部質量不如鎮(zhèn)靜鋼。8.2 鋼錠(steel ingot)的凝固模內(nèi)鋼水的凝固速度可用平方根定律表示： s為凝固層厚度，mm； t為凝固時間，min；tKs 例題鑄件凝固層厚度為5mm，凝固時間為0.1mi

4、n，求該鑄件的凝固系數(shù)。由得K=5/0.11/2=15.81mm/min1/2tKs 鋼錠半高處：鋼錠半高處：錠表面錠表面(S)(S)錠中間錠中間(M)(M)錠中心錠中心(C) (C) 其中S、M、C三條實線分別為鋼錠在凝固和模內(nèi)保溫期間三個點的溫度變化曲線（1）S1、M1、C1（點劃線）為鋼錠凝固到40min(中間點尚未凝固)開始脫模入爐時錠表、中間點及中心點的溫度變化曲線。（2）S2、M2、C2三條長虛線為中心點凝固后立即脫模并裝爐時三個位置的溫度隨時間的變化曲線。（3）S3、M3、C3(點虛線)為鋼錠凝固到60min左右進行脫模時的溫度變化曲線。一、鋼錠凝固收縮(1)產(chǎn)生縮孔與疏松(2)

5、產(chǎn)生裂紋二、鋼錠宏觀偏析8.3 鋼錠凝固的缺陷一、鋼錠凝固收縮鋼液在冷卻和結晶過程中所發(fā)生的體積收縮 凝固收縮量 鋼錠的凝固收縮包括液態(tài)收縮、結晶收縮和固態(tài)收縮三部分。即為總的冷凝體積收縮率，； L、c、s分別為液態(tài)、結晶和固態(tài)的體積收縮率，。 以35鋼為例，由1725至室溫的全部體積收縮率為：v=L+c+s=4+3+7.2=14.2。 鋼的凝固收縮凝固收縮量主要隨含碳量含碳量的變化而變化。鋼中含碳量提高，直到0.5時結晶收縮量逐漸增加，繼續(xù)提高時反而減小。 而鋼的固態(tài)收縮固態(tài)收縮則隨含碳量的增加而減小。 因此，含碳量在0.20.5的鋼冷凝的總收縮率最大。鋼液在冷卻和結晶過程中所伴隨發(fā)生的鋼液

6、在冷卻和結晶過程中所伴隨發(fā)生的體積收體積收縮縮，對鋼錠的質量及物理、化學均勻性有重要影，對鋼錠的質量及物理、化學均勻性有重要影響：響：(1)產(chǎn)生縮孔與疏松 由于鋼液的冷凝收縮，在澆注補縮不充分的條件下將會造成鋼錠或鑄件內(nèi)部的縮孔和疏松缺陷，其容積最大可達澆鋼容積的5。 縮孔產(chǎn)生于最后凝固的地方。為了防止產(chǎn)生縮孔缺陷，主要是為了防止產(chǎn)生縮孔缺陷，主要是控制鋼錠的傳熱控制鋼錠的傳熱，以促使縮孔盡可能集中在鋼錠的最上端，便于切以促使縮孔盡可能集中在鋼錠的最上端，便于切除。最有效的技術措施有：除。最有效的技術措施有：選擇合理的鋼錠形狀和尺寸；選擇合理的鋼錠形狀和尺寸；采用絕熱板保溫帽（冒口）；采用絕熱

7、板保溫帽（冒口）；控制合適的注溫、注速和正確的補縮操作等?？刂坪线m的注溫、注速和正確的補縮操作等。鋼錠縮孔(shrinkage cavity)充型結束后鋼錠內(nèi)部的溫度場分布充型結束后鋼錠內(nèi)部的溫度場分布(2)產(chǎn)生裂紋 鋼在冷凝過程中產(chǎn)生的收縮一旦受阻，便產(chǎn)生應力。鋼在冷凝過程中產(chǎn)生的收縮一旦受阻，便產(chǎn)生應力。當此應力超過鋼在當時溫度條件下的強度極限或塑性當此應力超過鋼在當時溫度條件下的強度極限或塑性極限時，就會造成裂紋。鋼在紅熱狀態(tài)下產(chǎn)生的裂紋極限時，就會造成裂紋。鋼在紅熱狀態(tài)下產(chǎn)生的裂紋稱熱裂紋，常溫狀態(tài)下產(chǎn)生的裂紋稱冷裂紋。稱熱裂紋，常溫狀態(tài)下產(chǎn)生的裂紋稱冷裂紋。 實踐表明，熱裂傾向主要取

8、決于鋼的收縮特性和高溫實踐表明，熱裂傾向主要取決于鋼的收縮特性和高溫塑性。對鋼錠熱裂傾向起決定作用的是它在塑性。對鋼錠熱裂傾向起決定作用的是它在某一時刻某一時刻的最大收縮速度的最大收縮速度。在鋼錠開始凝固的前。在鋼錠開始凝固的前510min內(nèi)內(nèi)(鋼錠的相應表面溫度為鋼錠的相應表面溫度為15001200)是產(chǎn)生表面熱是產(chǎn)生表面熱裂紋的最危險時期。裂紋的最危險時期。 熱裂紋熱裂紋二、鋼錠宏觀偏析(macrosegregation)在鋼錠中存在的限于在鋼錠中存在的限于鋼錠尺寸數(shù)量級鋼錠尺寸數(shù)量級的濃度差別，又稱區(qū)的濃度差別，又稱區(qū)域偏析。通常指沿鋼錠縱斷面和橫斷面上域偏析。通常指沿鋼錠縱斷面和橫斷面

9、上化學成分不均化學成分不均勻分布勻分布情況。情況。宏觀偏析與各結晶帶的形成密切相關，往往在特定區(qū)域成宏觀偏析與各結晶帶的形成密切相關，往往在特定區(qū)域成條帶狀分布?？捎脳l帶狀分布?？捎勉@樣分析鉆樣分析方法進行鑒定，又可借助方法進行鑒定，又可借助硫硫印、酸浸印、酸浸等低倍檢驗方法判明。等低倍檢驗方法判明。按偏析帶形態(tài)可分為帶狀偏析和通道偏析按偏析帶形態(tài)可分為帶狀偏析和通道偏析(如如V形、倒形、倒V形形偏析等偏析等)；按偏析的直接成因可分為正常偏析、逆（反常）；按偏析的直接成因可分為正常偏析、逆（反常）偏析、比重偏析等。偏析、比重偏析等。比重偏析比重偏析 （沉積錐）（沉積錐）倒倒V型偏析型偏析V型偏

10、析型偏析縮孔縮孔冒口下緣偏析冒口下緣偏析富集區(qū)富集區(qū)鑄錠宏觀組織比例的數(shù)值模擬消除鋼錠偏析的方法消除鋼錠偏析的方法(1)均勻化退火可以消除微觀偏析(2)攪拌可以減小偏析(3)快速凝固可以減小偏析(4) 對于V型偏析可以通過加入孕育劑和形核劑，在鑄件中先形成形成一定的枝晶網(wǎng)阻止晶體的下沉或上浮。8.4 鋼錠凝固過程數(shù)值模擬鋼凝固傳熱的基本規(guī)律及特點鋼凝固傳熱的基本規(guī)律及特點: 首先是鋼錠和鋼錠模在凝固過程中的溫度場既隨首先是鋼錠和鋼錠模在凝固過程中的溫度場既隨空間變化，又隨時間變化，即屬于空間變化，又隨時間變化，即屬于三維不穩(wěn)定態(tài)三維不穩(wěn)定態(tài)傳熱傳熱； 其次，它包括其次，它包括鋼錠模與鋼錠凝固層

11、間鋼錠模與鋼錠凝固層間的傳導傳熱，的傳導傳熱，鋼液內(nèi)部鋼液內(nèi)部的傳導及對流傳熱，的傳導及對流傳熱，流動的鋼液與凝固流動的鋼液與凝固前沿前沿的對流及傳導傳熱，以及的對流及傳導傳熱，以及鋼錠與錠模之間氣鋼錠與錠模之間氣隙中隙中的輻射、傳導及對流傳熱等等，屬于綜合傳的輻射、傳導及對流傳熱等等，屬于綜合傳熱過程。熱過程。數(shù)值模擬技術數(shù)值模擬技術鑄件凝固數(shù)值模擬鑄件凝固數(shù)值模擬：就是結合計算機技術和數(shù)值計算方法來定量描述鑄件的凝固傳熱過程，從而揭示金屬凝固的真實行為和規(guī)律，為預測鑄造應力、微觀及宏觀偏析、鑄件性能等提供必要的依據(jù)和分析計算的基礎數(shù)據(jù)并優(yōu)化鑄造工藝。優(yōu)點：優(yōu)點：1.可以用模擬的方法完成實驗

12、無法檢測的工作；2.對科學研究進行預測或者對工藝參數(shù)進行優(yōu)化3.縮短了研究周期，提高了工作效率；4.利于節(jié)能環(huán)保。缺點：缺點：其結果是近似的，需要實驗驗證。數(shù)值模擬方法（1）有限差分法有限差分法（Finite Difference Method，簡稱FDM）它是將求解域劃分為差分網(wǎng)格，用有限個網(wǎng)格節(jié)點代替連續(xù)的求解域，然后將偏微分方程（控制方程）的導數(shù)用差商代替，推導出含有離散點上有限個未知數(shù)的差分方程組。（2）有限元法有限元法（Finite Element Method，簡稱FEM）是將一個連續(xù)的求解域任意分成適當形狀的許多微小單元，并于各小單元分片構造插值函數(shù)，然后根據(jù)極值原理（變分或加權

13、余量法），將問題的控制方程轉化為所有單元上的有限元方程，把總體的極值作為各單元極值之和，即將局部 單元總體合成，形成嵌入了指定邊界條件的代數(shù)方程組，求解該方程組就得到各節(jié)點上待求的函數(shù)值。 鑄件凝固傳熱過程基本方程求解凝固過程溫度場要描述溫度隨空間和時間的變化規(guī)律，要求助于導熱偏微分方程： -導熱系數(shù)；T-熱力學溫度； -單位體積物體單位時間內(nèi)釋放的熱量；c-比熱容；-密度；t-時間。qzTzyTyxTxtTc)()()(q 假設條件為了求解導熱微分方程式，必須對實際鋼錠凝固過程作如下的必要簡化和假設：(1)忽略液相內(nèi)的流動和垂直方向的傳熱；(2)對于扁錠或板坯忽略寬度方向的傳熱，簡化為一維傳

14、熱；對于方錠、圓錠或多角錠，可簡化為二維傳熱；(3)鋼的熱物理參數(shù)(、c等)各向同性，即僅為溫度的函數(shù)。幾何模型建立幾何模型建立冒口冒口 錠體錠體 1.9t模型面網(wǎng)格 2.8t模型面網(wǎng)格網(wǎng)格劃分網(wǎng)格劃分1.9t鋼錠模外表面溫度場峰值 2.8t鋼錠模外表面溫度場峰值溫度場計算結果云圖溫度場計算結果云圖 1.9t鋼錠的凝固時間 2.8t鋼錠的凝固時間凝固時間計算云圖凝固時間計算云圖 1.9t鋼錠的凝固分數(shù) 2.8t鋼錠的凝固分數(shù)固相率計算結果云圖固相率計算結果云圖1.9t鋼錠疏松縮孔缺陷預報 2.8t鋼錠疏松縮孔缺陷預報縮孔縮松預測縮孔縮松預測 模擬6.3t鋼錠冒口頭部形狀 實際生產(chǎn)的鋼錠冒口頭部形狀本章小結本章小結1.了解鋼錠的應用現(xiàn)狀、鋼錠的分類。了解鋼錠的應用現(xiàn)狀、鋼錠的分類。2.掌握鑄錠的凝固特點，會用平方根定律估算凝固掌握鑄錠的凝固特點，會用平方根定律估算凝固層厚度隨凝固時間的變化。層厚度隨凝固時間的變化。3.大型鑄錠的質量控制涉及哪些方面？對于內(nèi)部質大型鑄錠的質量控制涉及哪些方面？對于內(nèi)部質量包括縮孔、裂紋、偏析、氣孔缺陷等是怎樣形量包括縮孔、裂紋、偏析、氣孔缺陷等是怎樣形成的，分別應該怎樣控制？成的，分別應該怎樣控制？4.什么是數(shù)值模擬方法？數(shù)值模擬技術在凝固過程什么是數(shù)值模擬方法？數(shù)值模擬技術在