鋼的凝固理論講解課件

1、第八章 鋼的凝固理論凝固理論凝固理論8.1 鋼液結(jié)晶與凝固結(jié)構(gòu)8.1.1 均質(zhì)形核 （1）新核的形成引起系統(tǒng)的自由能的變化： 體積自由能的下降： Gv(4/3)(3 (GA-GB) 式中：球形晶核的半徑；GA：A相體積自由能； GB：A相體積自由能 表面自由能的增加： GF42 式中：A、B兩相界面自由能 （2） 均質(zhì)形核的條件： GGvGF(4/3)(3 (GA-GB)42由圖81可知，當G達到最大值時的晶核大小叫臨界半徑，在 時，求：由上式可知，臨界晶核半徑是與過冷度成反比。由圖(8-1)可知： 晶核長大導(dǎo)致系統(tǒng)自由能增加，新相不穩(wěn)定； 晶核長大導(dǎo)致系統(tǒng)自由能減少，新相能穩(wěn)定生長； 形核和

2、晶核溶解處于平衡。結(jié)論是：在一定溫度下，任何大于臨界半徑的晶核趨向于長大， 小于臨界半徑晶核趨向消失。 表81純液體金屬結(jié)晶過冷度金屬 熔點 過冷度SnPbAlCuMnFeNiCo505.7605.7931.713561493180317251736103801301303082953193300.2080.1330.1100.1740.2060.1610.1860.181T(k)8.1.2 非均質(zhì)形核上圖為一個平面的夾雜物上形成一個半球缺的固體晶核，晶核與液體、固體有三個界面。處于平衡時：式中： 為界面張力； 表示晶體在夾雜物表面的潤濕傾向。晶核與夾雜物接觸面積：球缺體積： 球缺表面積： 形

3、成晶核時系統(tǒng)自由能變化：(1)體積自由能 ： (2)產(chǎn)生新相界表面自由能 ：(3)總自由能變化 :(4)求 和 : 而 故： 以 代入 得： 非均質(zhì)形核功與均質(zhì)形核功相差 。又知 ， ，晶體獨立于液體中，形核功與均質(zhì)形核相同； ， 液體中質(zhì)點已是一個晶核，不需任何過冷度就可形核； ，依附于外來質(zhì)點形成晶核。結(jié)論是非均質(zhì)形核有效性決定于潤濕角 。越小 ，形核功就越小，就易形核，形核速率比較如圖4-4。非均質(zhì)形核的過冷度比均質(zhì)形核大為減少。在實際生產(chǎn)中主要是非均質(zhì)形核，除模壁表面作為“依托”形成晶核外，液體金屬中需含有兩類小質(zhì)點：一類叫活性質(zhì)點，如金屬氧化物（Al2O3），其晶體結(jié)構(gòu)與金屬晶體結(jié)構(gòu)

4、相似，它們之間界面張力小，可作為“依托”而形成核心。另一類是難熔物質(zhì)的質(zhì)點，它們的結(jié)構(gòu)雖然與金屬晶體結(jié)構(gòu)相差較遠，但這些難熔質(zhì)點表面往往存在細微凹坑和裂紋，其中尚未熔化的金屬，可作為“依托”而形成晶體核心。因此，可以在鋼液中加入形核劑以細化晶粒。 8.1.3 晶體的長大1.1.3.1 晶體的長大的能量消耗 原子的擴散 晶體的缺陷 原子的粘附 結(jié)晶潛熱的導(dǎo)出8.1.3.2 晶核長大的驅(qū)動力成分過冷理論（1）成分過冷的產(chǎn)生 純金屬凝固：過冷是靠模壁向外傳熱控制 合金凝固： 選分結(jié)晶 溶質(zhì)元素在固相和液相的再分配 溶質(zhì)濃度的不同使液相線溫度不同 (2) 成分過冷條件，由平衡相圖可知： 式中： 為凝固

5、前沿液相線溫度梯度； 為凝固前沿濃度梯度； m為液相線斜率。當液體中實際溫度低于液相線溫度時就產(chǎn)生了成分過冷區(qū)。那么不產(chǎn)生過冷的條件應(yīng)該是實際溫度梯度大于或等于液相線溫度梯度。即： 或式中：G為液體中實際溫度梯度，它決定于向外界的傳熱。（3）成分過冷與結(jié)構(gòu) 當固液交界面前沿出現(xiàn)成分過冷時， 交界面就不 穩(wěn)定了，不再保持平面結(jié)構(gòu)。 按過冷度的大小，開始形成晶胞、晶胞樹枝晶、樹 枝晶結(jié)構(gòu)。 隨成分過冷度的增加，結(jié)構(gòu)形貌由晶胞發(fā)展為樹枝 晶。8.1.3.3 樹枝晶凝固圖88為晶體長大成樹枝晶示意圖。鐵為立方晶格，成正六面體結(jié)晶，由于結(jié)晶總是在結(jié)晶面溶質(zhì)偏析小的地方和結(jié)晶潛熱散出最快的地方優(yōu)先生長，在

6、晶核長大過程中，棱角比其他方向?qū)嵝院茫依饨请x未被溶質(zhì)富集的液體最近。因此棱角方向長大速度比其他方向要快，從八個角成長為菱錐體的尖端，其生長方向幾乎平行于熱流，構(gòu)成樹枝晶主軸，稱之為一次樹枝臂。垂直于一次枝晶臂而長出分叉的枝晶叫二次枝晶臂。冷卻速度繼續(xù)增加時，在二次枝晶臂上垂直長出三次枝晶臂，這些枝晶彼此交錯在一起宛如茂密的樹枝。從而使結(jié)晶潛熱從液體中可以很容易的通過彼此連接的枝晶而傳導(dǎo)出來，直到完全凝固為止 實驗測定：實驗研究指出，樹枝晶間距 l 與凝固速度 和溫度梯度有關(guān)。雅可比試驗不同溫度梯度和凝固速度對樹枝形態(tài)的影響，并測定了 和 與 和 關(guān)系，如圖813所示。由圖可得出： 上述兩

7、經(jīng)驗式中，對一次晶間距，指數(shù)m、n值相差較大；對二次晶間距，m、n值近似相等。不同作者得到的m、n值相差較大。試驗指出，二次枝晶間距與區(qū)域凝固時間 關(guān)系如圖814。它們的經(jīng)驗關(guān)系式：樹枝晶間距對鋼錠結(jié)構(gòu)、顯微偏析有重要影響。實際鋼錠凝固時凝固速度與溫度梯度不可能彼此獨立變化，而通過凝固時放出熱量來影響整個凝固過程。這樣就可用冷卻速度來控制樹枝晶間距，以得到細的樹枝結(jié)構(gòu)。而影響冷卻速度最重要的因素是凝固方法。圖815表示了不同凝固方法的冷卻速度與樹枝晶間距關(guān)系。由于冷卻速度的差異，故連鑄坯的樹枝晶結(jié)構(gòu)比鋼錠的要細。加大冷卻速度，可以得到較細的樹枝晶結(jié)構(gòu)。文獻中對二次枝晶間距與冷卻速度還有不同的經(jīng)

8、驗式。鈴木等人提出 的炭鋼中： 8.1.4 凝固結(jié)構(gòu)1.1.4.1 鋼水凝固過程的冶金特點 （1） 相的轉(zhuǎn)變 穩(wěn)定的相（或相）凝固 例如： 鐵素體的Cr鋼 相凝固后轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體 例如：Ni-Cr奧氏體不銹鋼 相凝固后轉(zhuǎn)變?yōu)?，再轉(zhuǎn)變?yōu)橄?例如：低碳鋼（2）鋼液的流動（3）凝固收縮（4）裂紋敏感性（5）凝固結(jié)構(gòu)8.1.4.2 凝固時晶體長大方式（1）定向生長 （2） 等軸晶長大 爆發(fā)形核理論 固體質(zhì)點理論 成分過冷理論 樹枝晶熔斷理論 結(jié)晶雨理論 晶體游離理論8.1.4.3 連鑄坯凝固結(jié)構(gòu)（1）表皮細小等軸晶 厚度一般25mm（2）柱狀晶區(qū) 穿晶結(jié)構(gòu) 上傾一定角度： 例如10度（3）中心等軸晶 伴

9、隨疏松、縮孔和 偏析8.1.4.4 凝固結(jié)構(gòu)對產(chǎn)品性能的影響（1）柱狀晶的枝干較純，而枝晶間偏析 嚴重，鋼的力學(xué)性能具有方向性， 特別是鋼的橫向性能和韌性降低。（2）柱狀晶的交界面，由于雜質(zhì)（S、P、 夾雜物）富集，是裂紋容易擴展的 地方，加工時易脆裂。（3）柱狀晶充分發(fā)展，形成穿晶結(jié)構(gòu)， 會造成中心疏松和縮孔，降低致密度。8.2 連鑄坯凝固組織控制方法（1）澆鑄溫度（2）二冷水量（3）液相穴內(nèi)鋼液的運動（4）拉速（5）連鑄機類型（6）加入形核劑（7）噴吹金屬粉末 例如：Al2O3、TiO2、VN、 WC等。（8）外力的作用 打碎樹枝晶，增加等軸晶的核心。 消除柱狀晶的搭橋，消除中心疏 松和縮

10、孔，減輕中心偏析。 消除鑄坯皮下夾雜物和弧形連鑄 坯內(nèi)弧夾雜物的集聚，改善鑄坯 純凈度。 消除皮下針孔和表面夾渣，改善 鑄坯表面質(zhì)量。8.3 連鑄過程的傳熱和凝固 連鑄機內(nèi)，液體鋼水轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的半成品鋼坯時放出的熱量包括: 過熱：指鋼水進入結(jié)晶器時的溫度與鋼的液相線溫度之差。前者也叫澆鑄溫度，一般把開始澆鑄10mm左右經(jīng)均勻混合后在中間包測得的溫度當作澆鑄溫度。 潛熱：指鋼水由液相線溫度冷卻到固相線溫度，即完成從液相到固相轉(zhuǎn)變的凝固過程中放出的熱量。 顯熱：指從固相線冷卻到出鑄機時，表面溫度達到1000左右時放出的熱量。 上述熱量的放出是通過輻射、傳導(dǎo)和對流三種方式進行。鋼水的凝固傳熱是在三個

11、冷卻區(qū)內(nèi)實現(xiàn)的，即結(jié)晶器（一次冷卻）、包括輥子冷卻系統(tǒng)的噴水冷卻區(qū)（二次冷卻）和向周圍輻射傳熱（三次冷卻）三個區(qū)域。 輻射傳熱區(qū)一般是從完全凝固后開始的。而從結(jié)晶器到最后一個支撐輥之間的傳熱包括了三種傳熱機制的綜合作用。8.3.1 結(jié)晶器傳熱與凝固 一、結(jié)晶器的作用在盡可能的拉速下，保證鑄坯出結(jié)晶器是形成足夠厚度的坯殼，使連鑄過程安全的進行下去，同時決定了連鑄機的生產(chǎn)能力； 結(jié)晶器內(nèi)的鋼水將熱量平穩(wěn)的傳導(dǎo)給銅板，使周邊坯殼厚度能均勻的生長，保證鑄坯表面質(zhì)量。 結(jié)晶器結(jié)構(gòu)模型二、結(jié)晶器內(nèi)坯殼生長的行為特征 (1)鋼水進入結(jié)晶器，與銅板接觸就會因為鋼水的表面張力和密度在上部形成一個較小半徑的彎月面

12、。在彎月面的根部由于冷卻速度很快（可達100/s），初生坯殼迅速形成，鋼水不斷流入結(jié)晶器,新的初生坯殼就連續(xù)不斷的生成，已生成的坯殼則不斷增加厚度。 (2)已凝固的坯殼，因發(fā)生的相變，使坯殼向內(nèi)收縮而脫離結(jié)晶器銅板，直至與鋼水靜壓力平衡。 (3)由于第（2）條的原因，在初生坯殼與銅板之間產(chǎn)生了氣隙，這樣坯殼因得不到足夠冷卻而開始回?zé)?，強度降低，鋼水靜壓力又將坯殼貼向銅板。 (4)上述過程反復(fù)進行，直至坯殼出結(jié)晶器。坯殼的不均勻性總是存在的，大部分表面缺陷就是起源于這個過程之中。 (5)角部的傳熱為二維，開始凝固最快，最早收縮，最早形成氣隙。角部區(qū)域坯殼最薄，這也是產(chǎn)生角部裂紋和發(fā)生漏鋼的薄弱環(huán)

13、節(jié)。 注入結(jié)晶器的鋼液除受結(jié)晶器壁的強制冷卻外，還通過鋼液面輻射傳熱及拉坯方向的傳導(dǎo)傳熱。其傳出熱量的比值大約為30:0.15:0.03。各段熱阻約為：坯殼26%；氣隙71%；結(jié)晶器銅壁1%；銅壁與冷卻水界面2%。 三、影響結(jié)晶器傳熱的因素 結(jié)晶器錐度 結(jié)晶器保護渣 冷卻水質(zhì) 結(jié)晶器材質(zhì) 鋼水成分 經(jīng)研究表明，坯殼厚度的生長服從均方根定律 ： K受各種因素的影響，在一定范圍內(nèi)變化，板坯結(jié)晶器的K值一般取1822mmmm-0.5。 8.3 .2 二冷區(qū)的傳熱與凝固一、 二次冷卻傳熱特點 鑄坯從出結(jié)晶器開始完全凝固這一過程稱為二次冷卻，二冷傳熱的主要方式和比例： 傳熱方式 約占比例 % 冷卻水加熱與蒸發(fā) 55 鑄坯輻射 25 輥子傳導(dǎo) 17 空氣對流 3 在設(shè)備和工藝條件一定時，板坯輻射傳熱和輥子傳導(dǎo)傳熱變化不大，噴淋水的傳熱就占主導(dǎo)地位，鑄坯中心的熱量是通過坯殼傳導(dǎo)鑄坯表面的，當噴霧水滴打到鑄坯表面時就會帶走一定的熱量，而鑄坯表面溫度會突然降低，使中心與表面形成很大的溫度梯度，而這就成了鑄坯冷卻的動力。 從二冷的傳熱方式可以說明，要提高二冷區(qū)的冷卻效率，就必須研究噴霧水滴與高溫鑄坯之間的熱交換。可用對流傳熱方程來表示： 要提高