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(dāng)G達(dá)到最大值時(shí)的晶核大小叫臨界半徑，在 時(shí)，求：由上式可知，臨界晶核半徑是與過(guò)冷度成反比。由圖(8-1)可知： 晶核長(zhǎng)大導(dǎo)致系統(tǒng)自由能增加，新相不穩(wěn)定； 晶核長(zhǎng)大導(dǎo)致系統(tǒng)自由能減少，新相能穩(wěn)定生長(zhǎng)； 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(zhǎng)大， 小于臨界半徑晶核趨向消失。 表81純液體金屬結(jié)晶過(guò)冷度金屬 熔點(diǎn) 過(guò)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(gè)平面的夾雜物上形成一個(gè)半球缺的固體晶核，晶核與液體、固體有三個(gè)界面。處于平衡時(shí)：式中： 為界面張力； 表示晶體在夾雜物表面的潤(rùn)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(shí)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(dú)立于液體中，形核功與均質(zhì)形核相同； ， 液體中質(zhì)點(diǎn)已是一個(gè)晶核，不需任何過(guò)冷度就可形核； ，依附于外來(lái)質(zhì)點(diǎn)形成晶核。結(jié)論是非均質(zhì)形核有效性決定于潤(rùn)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(guò)冷度比均質(zhì)形核大為減少。在實(shí)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(diǎn)：一類叫活性質(zhì)點(diǎn)，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(diǎn)，它們的結(jié)構(gòu)雖然與金屬晶體結(jié)構(gòu)相差較遠(yuǎn)，但這些難熔質(zhì)點(diǎn)表面往往存在細(xì)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(xì)化晶粒。 8.1.3 晶體的長(zhǎng)大1.1.3.1 晶體的長(zhǎng)大的能量消耗 原子的擴(kuò)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(zhǎng)大的驅(qū)動(dòng)力成分過(guò)冷理論（1）成分過(guò)冷的產(chǎn)生 純金屬凝固：過(guò)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(guò)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(dāng)液體中實(shí)際溫度低于液相線溫度時(shí)就產(chǎn)生了成分過(guò)冷區(qū)。那么不產(chǎn)生過(guò)冷的條件應(yīng)該是實(shí)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(shí)際溫度梯度，它決定于向外界的傳熱。（3）成分過(guò)冷與結(jié)構(gòu) 當(dāng)固液交界面前沿出現(xiàn)成分過(guò)冷時(shí)， 交界面就不 穩(wěn)定了，不再保持平面結(jié)構(gòu)。 按過(guò)冷度的大小，開(kāi)始形成晶胞、晶胞樹(shù)枝晶、樹(shù) 枝晶結(jié)構(gòu)。 隨成分過(guò)冷度的增加，結(jié)構(gòu)形貌由晶胞發(fā)展為樹(shù)枝 晶。8.1.3.3 樹(shù)枝晶凝固圖88為晶體長(zhǎng)大成樹(shù)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(zhǎng)，在

6、晶核長(zhǎng)大過(guò)程中，棱角比其他方向?qū)嵝院?，而且棱角離未被溶質(zhì)富集的液體最近。因此棱角方向長(zhǎng)大速度比其他方向要快，從八個(gè)角成長(zhǎng)為菱錐體的尖端，其生長(zhǎng)方向幾乎平行于熱流，構(gòu)成樹(shù)枝晶主軸，稱之為一次樹(shù)枝臂。垂直于一次枝晶臂而長(zhǎng)出分叉的枝晶叫二次枝晶臂。冷卻速度繼續(xù)增加時(shí)，在二次枝晶臂上垂直長(zhǎng)出三次枝晶臂，這些枝晶彼此交錯(cuò)在一起宛如茂密的樹(shù)枝。從而使結(jié)晶潛熱從液體中可以很容易的通過(guò)彼此連接的枝晶而傳導(dǎo)出來(lái)，直到完全凝固為止 實(shí)驗(yàn)測(cè)定：實(shí)驗(yàn)研究指出，樹(shù)枝晶間距 l 與凝固速度 和溫度梯度有關(guān)。雅可比試驗(yàn)不同溫度梯度和凝固速度對(duì)樹(shù)枝形態(tài)的影響，并測(cè)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(yàn)式中，對(duì)一次晶間距，指數(shù)m、n值相差較大；對(duì)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(yàn)指出，二次枝晶間距與區(qū)域凝固時(shí)間 關(guān)系如圖814。它們的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式：樹(shù)枝晶間距對(duì)鋼錠結(jié)構(gòu)、顯微偏析有重要影響。實(shí)際鋼錠凝固時(shí)凝固速度與溫度梯度不可能彼此獨(dú)立變化，而通過(guò)凝固時(shí)放出熱量來(lái)影響整個(gè)凝固過(guò)程。這樣就可用冷卻速度來(lái)控制樹(shù)枝晶間距，以得到細(xì)的樹(shù)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(shù)枝晶間距關(guān)系。由于冷卻速度的差異，故連鑄坯的樹(shù)枝晶結(jié)構(gòu)比鋼錠的要細(xì)。加大冷卻速度，可以得到較細(xì)的樹(shù)枝晶結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)中對(duì)二次枝晶間距與冷卻速度還有不同的經(jīng)

8、驗(yàn)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(guò)程的冶金特點(diǎn) （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(dòng)（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(shí)晶體長(zhǎng)大方式（1）定向生長(zhǎng) （2） 等軸晶長(zhǎng)大 爆發(fā)形核理論 固體質(zhì)點(diǎn)理論 成分過(guò)冷理論 樹(shù)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(xì)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(duì)產(chǎn)品性能的影響（1）柱狀晶的枝干較純，而枝晶間偏析 嚴(yán)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(kuò)展的 地方，加工時(shí)易脆裂。（3）柱狀晶充分發(fā)展，形成穿晶結(jié)構(gòu)， 會(huì)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(yùn)動(dòng)（4）拉速（5）連鑄機(jī)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(shù)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(guò)程的傳熱和凝固 連鑄機(jī)內(nèi)，液體鋼水轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的半成品鋼坯時(shí)放出的熱量包括: 過(guò)熱：指鋼水進(jìn)入結(jié)晶器時(shí)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(kāi)始澆鑄10mm左右經(jīng)均勻混合后在中間包測(cè)得的溫度當(dāng)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(guò)程中放出的熱量。 顯熱：指從固相線冷卻到出鑄機(jī)時(shí)，表面溫度達(dá)到1000左右時(shí)放出的熱量。 上述熱量的放出是通過(guò)輻射、傳導(dǎo)和對(duì)流三種方式進(jìn)行。鋼水的凝固傳熱是在三個(gè)

11、冷卻區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)的，即結(jié)晶器（一次冷卻）、包括輥?zhàn)永鋮s系統(tǒng)的噴水冷卻區(qū)（二次冷卻）和向周?chē)椛鋫鳠幔ㄈ卫鋮s）三個(gè)區(qū)域。 輻射傳熱區(qū)一般是從完全凝固后開(kāi)始的。而從結(jié)晶器到最后一個(gè)支撐輥之間的傳熱包括了三種傳熱機(jī)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(guò)程安全的進(jìn)行下去，同時(shí)決定了連鑄機(jī)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(zhǎng)，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(zhǎng)的行為特征 (1)鋼水進(jìn)入結(jié)晶器，與銅板接觸就會(huì)因?yàn)殇撍谋砻鎻埩兔芏仍谏喜啃纬梢粋€(gè)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(dá)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(kāi)始回?zé)?，?qiáng)度降低，鋼水靜壓力又將坯殼貼向銅板。 (4)上述過(guò)程反復(fù)進(jìn)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(gè)過(guò)程之中。 (5)角部的傳熱為二維，開(kāi)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(qiáng)制冷卻外，還通過(guò)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(hù)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(zhǎng)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(diǎn) 鑄坯從出結(jié)晶器開(kāi)始完全凝固這一過(guò)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?zhàn)觽鲗?dǎo) 17 空氣對(duì)流 3 在設(shè)備和工藝條件一定時(shí)，板坯輻射傳熱和輥?zhàn)觽鲗?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(guò)坯殼傳導(dǎo)鑄坯表面的，當(dāng)噴霧水滴打到鑄坯表面時(shí)就會(huì)帶走一定的熱量，而鑄坯表面溫度會(huì)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(dòng)力。 從二冷的傳熱方式可以說(shuō)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?？捎脤?duì)流傳熱方程來(lái)表示： 要提高