13.3鋼的凝固及連鑄坯的凝固結(jié)構(gòu)解析課件

1、13.3 鋼的凝固及連鑄坯的凝固結(jié)構(gòu)第1頁，共26頁。 13.3.1 連鑄鋼液的準備 13.3.2 成分過冷 13.3.3 化學(xué)成分偏析 13.3.4 凝固收縮第2頁，共26頁。 13.3.5 連鑄坯的凝固特征和結(jié)構(gòu)特點 13.3.6 連鑄凝固傳熱過程的數(shù)學(xué)模擬 13.3.7 連鑄坯冷卻過程中的相變和應(yīng)力第3頁，共26頁。13.3.1 鋼凝固結(jié)晶的特點 不論連鑄還是模鑄其工藝實質(zhì)是完成鋼從液態(tài)向固態(tài)的轉(zhuǎn)變，也就是鋼的結(jié)晶過程。鋼的結(jié)晶需兩個條件： (1)一定的過冷度，此為熱力學(xué)條件； (2)必要的核心此為動力學(xué)條件。 鋼液中含有各種合金元素，它的結(jié)晶溫度不是一點，而是一個溫度區(qū)間見圖13-18

2、。鋼水在Tl開始結(jié)晶，到達Ts結(jié)晶完畢。 Tl與Ts的差值為結(jié)晶溫度范圍，用Tc表示，即 結(jié)晶溫度范圍和兩相區(qū)寬度的關(guān)系中可以看出Tc對凝固組織的影響。由于鋼液結(jié)晶是在一個溫度區(qū)間內(nèi)完成的，因此在這個溫度區(qū)間里固相與液相并存。實際的結(jié)晶狀態(tài)如圖13-19所示。 鋼液在S線左側(cè)完全凝固，在L線右側(cè)為全部液相，在S線與L線之間固-液相并存，稱此為兩相區(qū)，S線與L線之距離稱為兩相區(qū)寬度X。當(dāng)X較大時，晶粒度較大，反之則小。晶粒度大，意味著樹枝晶發(fā)達，發(fā)達的樹枝晶使凝固組織的致密性變差，易形成氣孔，偏析也較嚴重。 兩相區(qū)寬度與結(jié)晶溫度范圍梯度有關(guān)，可用下式表示：第4頁，共26頁。13.3.1 鋼凝固結(jié)

3、晶的特點第5頁，共26頁。13.3.2 成分過冷 鋼結(jié)晶過程中，在結(jié)晶前沿會有溶質(zhì)大量析出并積聚，這樣固相中溶質(zhì)濃度就會低于原始濃度。這種現(xiàn)象稱之為選分結(jié)晶。 溫度過冷是鋼液結(jié)晶的必要條件之一。由于選分結(jié)晶，鋼液結(jié)晶還伴隨成分變化，并對過冷也產(chǎn)生影響。圖13-20表達了濃度為C0合金的成分過冷過程。圖13-20(b)中， C0成分合金的結(jié)晶方向與散熱力向相反，液相的熱量通過已凝固晶體散出，這樣得到如圖13-20(c)所示的溫度分布。第6頁，共26頁。13.3.2 成分過冷 當(dāng)合金冷卻至Tl時。從液相中結(jié)晶出固相，繼續(xù)冷卻至Ts時，結(jié)晶出固相的成分C0。根據(jù)平衡關(guān)系，這時在液-固相界面上與固相平

4、衡的液相成分為CL。很明顯CL遠大于C0 ，圖13-20(d)為組分濃度在液相中的分布曲線。在液相中組分的濃度隨著與相界面距離的增加從CL降至C0 。 由于相界面前沿液相成分的變化，相應(yīng)地引起平衡結(jié)晶溫度的改變。離相界面近的液相中組分濃度高，這部分液相的結(jié)晶溫度較低，即貼近相界面處液相的結(jié)晶溫度就是對應(yīng)于CL成分液相線上的平衡溫度Ts ；反之，遠離相界面液相結(jié)晶溫度則較高。這就得到圖13-20(e)所示的結(jié)晶溫度和距相界面的關(guān)系曲線。從圖13-20(e)可見，此時液相內(nèi)的實際溫度分相與之有較大差別，這個差別就是陰影部分。在陰影區(qū)內(nèi)合金的溫度均低于液相的平衡結(jié)晶溫度，即均處于過冷狀態(tài)。過冷度大小

5、是有區(qū)別的，其數(shù)值可通過圖13-2l求出。做垂線x，它被結(jié)晶溫度分布曲線與實際溫度分布曲線所截，得到線段AB，AB之長即為所求。從圖13-21中可以看出固-液相界面的過冷度已經(jīng)降低，其過冷度甚至比遠離相界面處還小，這種凝固前沿過冷度減少的現(xiàn)象稱為成分過冷。 實踐證明，過冷度的大小對晶粒形態(tài)有決定性的影響。當(dāng)過冷度很小時，晶粒規(guī)則生長，其表現(xiàn)為凝固前沿平滑地向液相推進；當(dāng)過冷度較大時，凝固前沿則跳躍式向液相推進，形成柱狀晶。第7頁，共26頁。13.3.3 化學(xué)成分偏析 在最終凝固結(jié)構(gòu)中溶質(zhì)濃度分布是不均勻的，最先凝固的部分溶質(zhì)含量較低，而最后凝固的部分溶質(zhì)含量則很高。這種成分不均勻的現(xiàn)象稱為偏析

6、。它分為宏觀偏析和顯微偏析。 在實際生產(chǎn)中，鋼液是在快速冷卻條件下結(jié)晶，因而屬于非平衡結(jié)晶。圖13-22說明鋼被凝固的非平衡過程。結(jié)晶開始形成的樹枝晶較純，隨著冷卻，外層陸續(xù)形成溶質(zhì)濃度為f22 的樹枝晶，含有濃度較高溶質(zhì)元素，如圖13-23所示。形成了晶粒內(nèi)部溶質(zhì)濃度的不均勻性，中心晶軸處濃度低，邊緣晶界處濃度高。這種呈樹枝分布的偏析稱為顯微偏析或樹枝偏析。 顯微偏析大小可用顯微偏析度來表示：當(dāng)A1時，稱偏析為正，即正偏析；當(dāng)A1時，稱偏析為負，即負偏析。第8頁，共26頁。13.3.3 化學(xué)成分偏析 影響顯微偏析的主要影響因素：1)冷卻速度；2)溶質(zhì)元素的偏折傾向；3)溶質(zhì)元素在固體金屬中的

7、擴散速度。 鋼液在凝固過程中，鑄坯橫截面上最終凝固部分的溶質(zhì)濃度高于原始濃度。未凝固鋼液的流動，導(dǎo)致整體鑄坯內(nèi)部溶質(zhì)元素分布的不均勻性，即宏觀偏析。宏觀偏析也稱低倍偏析，可通過化學(xué)分析或酸浸顯示鑄坯的宏觀偏析。 宏觀偏折的大小可用宏觀偏析量來表示：生產(chǎn)工藝中可采取以下措施來控制偏析：(1)增加鋼液的冷凝速度。通過抑制選分結(jié)晶中溶質(zhì)向母液深處的擴散來減小偏析。(2)合適的鑄坯斷面。小斷面可使凝固時間縮短，從而減輕偏析。(3)采用各種方法控制鋼掖的流動。如適宜的浸入式水口、加入Ti、B等變性劑等。(4)工藝因素。如：適當(dāng)降低澆注溫度和澆注速度有利于減輕偏析；防止連鑄坯鼓肚變形可消除富集雜質(zhì)母液流入

8、中心空隙，以減小中心偏析等。(5)降低鋼液中s、P含量。(6)電磁攪拌。攪拌可打碎樹枝晶、細化晶粒、減小偏析。(7)凝固末端的輕壓下技術(shù)。第9頁，共26頁。13.3.4 凝固收縮 熱脹冷縮現(xiàn)象在鋼凝固過程中表現(xiàn)為凝固收縮。它包含三方面的收縮： (1)液態(tài)收縮。鋼液由澆鑄溫度降至液相線溫度過程中產(chǎn)生的收縮，即過熱度消失時的體積收縮。這個階段鋼保持液態(tài)，收縮量為1%。 (2)凝固收縮。鋼掖在結(jié)晶溫度范圍形成固相并伴有溫降，這兩個因素均會對凝固收縮有影響。結(jié)晶溫度范圍越寬，收縮量就越大。凝固收縮量約為總量的4。 (3)固態(tài)收縮。鋼由固相線溫度降至室溫，鋼處于固態(tài)，此過程的收縮稱固態(tài)收縮。由于收縮使鑄

9、坯的尺寸發(fā)生變化，故也稱線收縮。其收縮大約為總量的7-8。 三種收縮中，固態(tài)收縮量最大，在溫降過程中會產(chǎn)生熱應(yīng)力，在相變過程中會產(chǎn)生組織應(yīng)力。應(yīng)力是產(chǎn)生鑄坯裂紋的根源。因此，固態(tài)收縮對鑄坯質(zhì)量影響相當(dāng)大。第10頁，共26頁。13.3.5 連鑄坯的凝固特征和結(jié)構(gòu)特點13.5.1 連鑄坯的凝固特征 連鑄鋼液的凝固是在過冷條件下進行，經(jīng)歷了形核和核長大完成結(jié)晶的過程，并伴隨有體積的收縮和成分偏析等。鋼液在結(jié)晶器內(nèi)的凝固過程可近似地看作是向結(jié)晶器壁的單向傳熱。鋼液的熱量通過坯殼、氣隙、結(jié)晶器銅壁和冷卻水界面最后由冷卻水帶走。 由于鋼液與結(jié)晶器銅壁的潤濕作用，鋼液與銅壁接觸形成了一個半徑很小的彎月面，如

10、圖13-24所示。彎月面半徑r可用下式表示 彎月面對初生坯殼很重要，良好穩(wěn)定的彎月面可確保韌少坯殼的表面質(zhì)量和坯殼的均勻性。保持彎月面的穩(wěn)定狀態(tài)，最根本的方法是提高鋼液的純凈度，減少夾雜物含量；選用性能良好的保護渣吸附彎月面上的夾雜物可保持彎月面薄膜的彈性；另外可人工及時清除彎月面下的夾雜物以防拉漏。第11頁，共26頁。13.3.5 連鑄坯的凝固特征和結(jié)構(gòu)特點 已凝固的高溫坯殼發(fā)生的相變，引起坯殼收縮，收縮力牽引坯殼離開銅壁，氣隙升始形成。氣隙形成傳熱的熱阻增加，坯殼溫度的回升，強度降低，這樣在鋼水靜壓力作用下使其再次貼緊銅壁，傳熱條件有所改善，坯殼增厚；于是又產(chǎn)生冷凝收縮，牽引坯殼再次離開銅

11、壁。這樣周期性的離合23次，坯殼達到一定厚度并完全脫離銅壁，氣隙穩(wěn)定生成，如圖1325所示。由于結(jié)晶器角部區(qū)域是二維傳熱、最先生成壞殼收縮力大，形成氣隙也最大。由于鋼水的靜壓力無法將角部的坯殼壓向銅壁，因而角部一開始就形成了永久性氣隙。所以初生坯殼形成后，角部區(qū)域的傳熱變得比邊部更差，相對而言角部區(qū)域坯殼最薄，見圖13-26。角部成了坯殼最薄弱的部位。在實際生產(chǎn)中角部漏鋼的幾率比其他部位高。為了均勻傳熱，在方坯和板坯結(jié)晶器的角部都做成圓角。第12頁，共26頁。13.3.5 連鑄坯的凝固特征和結(jié)構(gòu)特點結(jié)晶器內(nèi)的傳熱需要經(jīng)過五個過程，如圖1327所示。(1)鋼水對初生坯殼的傳熱。這是強制對流傳熱過

12、程。在澆鑄過程中，通過浸入式水口流出的鋼水對初生的凝固殼形成強制對流運動，鋼水的熱量就是這樣傳給了坯殼。(2)凝固坯殼內(nèi)的傳熱。這是單方向的傳導(dǎo)傳熱。坯殼靠鋼水一側(cè)溫度很高，靠鋼板一例溫度較低坯殼內(nèi)的這種溫度梯度可高達550cm。這一傳熱過程的熱阻取決于坯殼的厚度和鋼的導(dǎo)熱系數(shù)(3)凝固坯殼向結(jié)晶器銅板傳熱。這一傳熱過程比較復(fù)雜它取決于坯殼與銅板的接觸狀態(tài)在氣隙形成之前，而在靠近彎月面的下方，主要以傳導(dǎo)方式為主，熱阻還取決于保護渣的導(dǎo)熱系數(shù)，而在有氣隙的界面，則以輻射和對流方式為主，當(dāng)然這時的熱阻是整個結(jié)晶器傳熱過程中最大的。熱阻的大小決定于：1)結(jié)晶器銅板的表面狀態(tài)；2)潤滑劑的性質(zhì)；3)坯

13、殼與銅板間的氣隙大小。第13頁，共26頁。13.3.5 連鑄坯的凝固特征和結(jié)構(gòu)特點(4)結(jié)晶器銅板內(nèi)部傳熱。這個過程也是傳導(dǎo)傳熱過程，其熱阻取決于銅的導(dǎo)熱系數(shù)和銅板厚度，由于銅板具有良好的導(dǎo)熱性，因此這一過程的熱阻是很小的。(5)結(jié)晶器銅板對冷卻水的傳熱。這是強制對流傳熱過程。傳熱系數(shù)主要取決于冷卻水的速度，有研究指出：當(dāng)水流速度達到6ms時，其傳熱系數(shù)可達4w(cmK)，這時傳熱效率最高。連鑄坯殼生長服從凝固平方根定律：K值的大小主要受結(jié)晶器冷卻水、鋼水溫度、結(jié)晶器形狀參數(shù)、保護渣等因素的影響。通常計算中K值對于小方坯可取20-26，對于板坯可取l 7-22。結(jié)晶器的長度一般較為固定，方坯9

14、00一1100mm左右，板坯通常為700 mm。拉速也是影響坯殼厚度的因素之一。拉速與坯殼的厚度成反比。小方壞由于要求的安全坯殼厚度較薄，K值大以及結(jié)晶器長度長等特點，拉速較高。板坯則相反，因更注重質(zhì)量，拉速通常個超過2mmin。當(dāng)然，隨著技術(shù)的發(fā)展，板坯的拉速可以達到2.5 mmin以上。第14頁，共26頁。13.3.5 連鑄坯的凝固特征和結(jié)構(gòu)特點鑄坯的凝固特征：(1)連鑄坯的冷卻過程為強制冷卻過程。從結(jié)晶器到二次冷卻區(qū)甚至冷床為強制冷卻，冷卻強度大。同時鑄坯的冷卻可控性強通過改變冷卻制度在一定程度上可以控制鑄坯的結(jié)構(gòu)。(2)連鑄坯在凝固過程中形成了很長的液相穴，板坯有的可達20多米。液相穴

15、內(nèi)液體的流動對坯殼的生長和夾雜物的上浮有一定的影響。(3)連鑄坯的凝固是分階段的凝固過程。(4)由于連鑄坯不斷向下運動，所以鑄坯的每一部分通過鑄機時，外界條件完全相同，因此，除頭尾之外，鑄坯長度方向上的結(jié)構(gòu)較為一致。13.3.5.2 連鑄坯的凝固結(jié)構(gòu)鑄坯的凝固過程分為三個階段，第一階段進入結(jié)晶器的鋼液在結(jié)晶器內(nèi)凝固，形成坯殼。出結(jié)晶器下口的坯殼厚度應(yīng)足以承受鋼液靜壓力的作用。第二階段，帶液心的鑄坯進入二次冷卻區(qū)繼續(xù)冷卻、坯殼均勻穩(wěn)定生長。第三階段為凝固末期，坯殼加速生長。根據(jù)凝固條件計算三個階段的凝固系數(shù)(mm/min)分別為20，25，2730。一般情況下，連鑄坯從邊緣到中心是由小等軸晶帶、

16、柱狀晶帶和中心等鈾晶帶組成。如圖13-28所示。第15頁，共26頁。13.3.5 連鑄坯的凝固特征和結(jié)構(gòu)特點出結(jié)晶器的鑄坯，其液相穴很長。進入二次冷卻區(qū)后，由于冷卻的不均勻，致使鑄坯在傳熱快的局部區(qū)域柱狀晶優(yōu)先發(fā)展。當(dāng)兩邊的柱狀晶相連時或由于等鈾晶下落被柱狀晶捕捉，就會出現(xiàn)”搭橋“現(xiàn)象。如圖13-29所示。這時液相穴的鋼水被”凝固橋”隔開，橋下殘余鋼液因凝固產(chǎn)生的收縮，得不到橋上鋼液的補充，形成疏松和縮孔，并伴隨有嚴重的偏析。第16頁，共26頁。13.3.5 連鑄坯的凝固特征和結(jié)構(gòu)特點 從鑄坯的斷面中心來看，這種“搭橋”是有規(guī)律的，每隔510cm就會出現(xiàn)一個“凝固橋”及伴隨的疏松和縮孔，很像小

17、鋼錠的凝固結(jié)構(gòu)，因此得名“小鋼錠”結(jié)構(gòu)。 從鋼的性能角度看，希望得到等鈾晶的凝固結(jié)構(gòu)。等軸晶組織致密，強度、塑性、韌性較高，加工性能良好，成分、結(jié)構(gòu)均勻，無明顯的方向異性，而柱狀晶的過分發(fā)展會影響加工性能和力學(xué)性能。校狀晶有如下特點： (1)柱狀晶的主干較純，而枝間偏析嚴重。 (2)由于雜質(zhì)(S、P夾雜物)的沉積，在柱狀晶交界面構(gòu)成了薄弱面，是裂紋易擴展的部位，加工時易開裂。 (3)柱狀晶充分發(fā)展時形成穿晶結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)中心疏松，降低了鋼的致密度。 因此，除了某些特殊用途的鋼如電工鋼、汽輪機葉片用鋼等為改善導(dǎo)磁性、耐磨耐蝕性能而要求柱狀晶結(jié)構(gòu)外，對于絕大多數(shù)鋼種，都應(yīng)盡量控制柱狀晶的發(fā)展，擴大等軸

18、晶寬度。第17頁，共26頁。13.3.6 連鑄凝固傳熱過程的數(shù)學(xué)描述 連鑄工藝過程實際是一個凝固傳熱的過程。對于此過程的研究，有多種方法，大體上可分為實驗研究和數(shù)學(xué)模擬兩類。實驗研究方法是在現(xiàn)場或?qū)嶒炇业臈l件下，利用物理和化學(xué)手段以及各種測量儀器儀表，對連鑄坯的傳熱凝固過程進行實際驗證。實驗研究直觀、準確、可信度高，但由于客觀條件的限制，對凝固傳熱過程往往很難做出全面的解釋，而且投入的人力、物力也很大。數(shù)學(xué)模擬方法適用范圍廣，不受現(xiàn)場條件的限制，可以獲取實驗無法獲取的信息，可以說是對實驗研究的補充和完善，可以說兩者起到互相驗證與促進。在過去的幾十年中開展了大量有關(guān)連鑄凝固傳熱過程的數(shù)學(xué)模擬研究

19、，在優(yōu)化連鑄工藝、提高鑄坯質(zhì)量和連鑄機的設(shè)計方而發(fā)揮了重要作用。13.3.6.1 連鑄凝固傳熱的數(shù)學(xué)模型建立 目前廣泛使用有效傳熱系數(shù)概念來用于研究與鑄坯有關(guān)的各種傳熱現(xiàn)象。即為了簡化模型和計算，將液相穴內(nèi)的對流傳熱通過提高鋼液的導(dǎo)熱系數(shù)值，使液心內(nèi)的導(dǎo)熱量高于實際值從而作為對流換熱的等效補償。 連鑄坯自結(jié)晶器內(nèi)鋼水彎月面處以一定的拉速移動，熱量從鑄坯中心向坯殼表面?zhèn)鬟f，所傳遞熱量的多少決定于金屬的熱物理性能和鑄坯的邊界條件。為了導(dǎo)出連鑄坯凝固傳熱數(shù)學(xué)模型，首先建立坐標系。第18頁，共26頁。13.3.6 連鑄凝固傳熱過程的數(shù)學(xué)描述 以板坯為例。設(shè)板坯厚度方向為x軸，寬度方向為y鈾，拉坯方向為

20、z鈾考慮到鑄坯及其冷卻效果的對稱性，可取四分之一斷面為研究對象，假定板坯斷面溫度分布為T(x，y，t)，建立了坐標系，如圖13-30所示。 在建立鑄坯凝固模型時，有必要剔除一些對模型影響不大的次要因素，并且根據(jù)連鑄實際過程，對模型作出以下的假設(shè)。(1)彎月面處酌復(fù)雜傳熱不作特殊處理；(2)結(jié)晶器拉坯方向?qū)崃亢苄?，大約占總熱量的3-6，故主要考慮水平方向?qū)幔窗迮骱穸确较騲軸和寬度方向y軸方向的導(dǎo)熱；(3)由于液相穴中鋼液對流運動，液相穴的導(dǎo)熱系數(shù)大于固相區(qū)的導(dǎo)熱系數(shù)，且隨溫度而變；(4)鋼的熱物理特性在液態(tài)、凝固兩相區(qū)以及固態(tài)為分段常數(shù)，且各向同性；(5)凝固在枝晶間產(chǎn)生；(6)結(jié)晶器鋼水

21、溫度與澆鑄溫度相同：(7) 連鑄機同一冷卻段均勻冷卻；(8)沿鑄坯厚度方向分內(nèi)弧和外弧兩個部分，為研究對象；第19頁，共26頁。13.3.6 連鑄凝固傳熱過程的數(shù)學(xué)描述假想從結(jié)晶器的鋼水彎月面處沿鑄坯中心取一高度為dz、厚度為dx、寬度為dy的微元體，與鑄坯一起向下運動(如圖1331所示)。微元體熱平衡為：第20頁，共26頁。13.3.6 連鑄凝固傳熱過程的數(shù)學(xué)描述將各項熱量代入能量平衡方程，化簡后得：若將坐標系置于鑄坯上，微元體以相同拉速和鑄坯一起向下運動，則微元體的相對速度為零，所以對于板坯凝固的二維傳熱微分方程為：第21頁，共26頁。13.3.6 連鑄凝固傳熱過程的數(shù)學(xué)描述為求解二維非穩(wěn)

22、態(tài)傳熱偏微分方程器要給出初始條件和邊界條件。對于式(13-23)，其初始條件為：對于導(dǎo)熱問題，常見的邊界條件可歸納為以下大三類：第一類邊界條件是已知任何時刻邊界面上的溫度分布。邊界上的溫度在任何時刻保持恒定不變，則Tconst；若T隨時間變化，則Tf（t）。第二類邊界條件是已知任何時刻邊界面上的熱通量，即第22頁，共26頁。13.3.6 連鑄凝固傳熱過程的數(shù)學(xué)描述第三類邊界條件是已知周圍介質(zhì)的溫度Tf和邊界面與周圍介質(zhì)之間的對流給熱系數(shù)h，即：因此，對于描述扳坯連鑄過程的凝固傳熱微分方程式(13-23)的邊界條件為：第23頁，共26頁。13.3.6 連鑄凝固傳熱過程的數(shù)學(xué)描述(3)鑄坯表面：鑄坯中的熱量是在連續(xù)運動過程中通過鑄坯表面?zhèn)鞒鋈サ?。由于鑄坯依次通過結(jié)晶器、二冷區(qū)和空冷區(qū)，各冷卻區(qū)冷卻特點不同，邊界條件也各不相同。第24頁，共26頁。13.3.7 連鑄坯冷卻過程中的相變和應(yīng)力 鋼在結(jié)晶冷卻過程中，必然發(fā)生尺寸上的變化，表現(xiàn)為體積收縮和線收縮。 在鑄坯完全凝固以后繼續(xù)降溫，其內(nèi)部將發(fā)生相變、并伴隨體積變化。相變過程也存在類似形核及核長大的特征，故也稱“二次結(jié)晶”。 相變的結(jié)果取決于鋼的成分和冷卻條件。對于