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(zhì)量?jī)?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(guò)程數(shù)值模擬下注鋼錠充型過(guò)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(yīng)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(kāi)坯、鑄坯可以多爐連澆、收得率高、不需初軋或開(kāi)坯、能耗低，質(zhì)量?jī)?yōu)于模鑄錠。能耗低，質(zhì)量?jī)?yōu)于模鑄錠。模鑄鎮(zhèn)靜鋼不可能完全被淘汰，因?yàn)殄懺煊娩撳懺煊娩摗⒁恍┬∨可a(chǎn)的高級(jí)合金鋼高級(jí)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(lái)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(zhì)量 鋼錠的質(zhì)量有表面質(zhì)量表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量?jī)?nèi)部質(zhì)量之分。 表面質(zhì)量表面質(zhì)量：結(jié)疤、翻皮、裂紋、表皮的致密度。 內(nèi)部質(zhì)量?jī)?nèi)部質(zhì)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(zhì)量好，但由于錠心偏析大，內(nèi)部質(zhì)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(shí)間，min；tKs 例題鑄件凝固層厚度為5mm，凝固時(shí)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(shí)線分別為鋼錠在凝固和模內(nèi)保溫期間三個(gè)點(diǎn)的溫度變化曲線（1）S1、M1、C1（點(diǎn)劃線）為鋼錠凝固到40min(中間點(diǎn)尚未凝固)開(kāi)始脫模入爐時(shí)錠表、中間點(diǎn)及中心點(diǎn)的溫度變化曲線。（2）S2、M2、C2三條長(zhǎng)虛線為中心點(diǎn)凝固后立即脫模并裝爐時(shí)三個(gè)位置的溫度隨時(shí)間的變化曲線。（3）S3、M3、C3(點(diǎn)虛線)為鋼錠凝固到60min左右進(jìn)行脫模時(shí)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(jié)晶過(guò)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(jié)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(jié)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(shí)結(jié)晶收縮量逐漸增加，繼續(xù)提高時(shí)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(jié)晶過(guò)程中所伴隨發(fā)生的鋼液

6、在冷卻和結(jié)晶過(guò)程中所伴隨發(fā)生的體積收體積收縮縮，對(duì)鋼錠的質(zhì)量及物理、化學(xué)均勻性有重要影，對(duì)鋼錠的質(zhì)量及物理、化學(xué)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(bǔ)縮不充分的條件下將會(huì)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(dá)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(shù)措施有：除。最有效的技術(shù)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(bǔ)縮操作等。控制合適的注溫、注速和正確的補(bǔ)縮操作等。鋼錠縮孔(shrinkage cavity)充型結(jié)束后鋼錠內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布充型結(jié)束后鋼錠內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布(2)產(chǎn)生裂紋 鋼在冷凝過(guò)程中產(chǎn)生的收縮一旦受阻，便產(chǎn)生應(yīng)力。鋼在冷凝過(guò)程中產(chǎn)生的收縮一旦受阻，便產(chǎn)生應(yīng)力。當(dāng)此應(yīng)力超過(guò)鋼在當(dāng)時(shí)溫度條件下的強(qiáng)度極限或塑性當(dāng)此應(yīng)力超過(guò)鋼在當(dāng)時(shí)溫度條件下的強(qiáng)度極限或塑性極限時(shí)，就會(huì)造成裂紋。鋼在紅熱狀態(tài)下產(chǎn)生的裂紋極限時(shí)，就會(huì)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(shí)踐表明，熱裂傾向主要取

8、決于鋼的收縮特性和高溫實(shí)踐表明，熱裂傾向主要取決于鋼的收縮特性和高溫塑性。對(duì)鋼錠熱裂傾向起決定作用的是它在塑性。對(duì)鋼錠熱裂傾向起決定作用的是它在某一時(shí)刻某一時(shí)刻的最大收縮速度的最大收縮速度。在鋼錠開(kāi)始凝固的前。在鋼錠開(kāi)始凝固的前510min內(nèi)內(nèi)(鋼錠的相應(yīng)表面溫度為鋼錠的相應(yīng)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(xiǎn)時(shí)期。裂紋的最危險(xiǎn)時(shí)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(jí)鋼錠尺寸數(shù)量級(jí)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(xué)成分不均化學(xué)成分不均勻分布勻分布情況。情況。宏觀偏析與各結(jié)晶帶的形成密切相關(guān)，往往在特定區(qū)域成宏觀偏析與各結(jié)晶帶的形成密切相關(guān)，往往在特定區(qū)域成條帶狀分布?？捎脳l帶狀分布。可用鉆樣分析鉆樣分析方法進(jìn)行鑒定，又可借助方法進(jìn)行鑒定，又可借助硫硫印、酸浸印、酸浸等低倍檢驗(yàn)方法判明。等低倍檢驗(yàn)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(duì)于V型偏析可以通過(guò)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(guò)程數(shù)值模擬鋼凝固傳熱的基本規(guī)律及特點(diǎn)鋼凝固傳熱的基本規(guī)律及特點(diǎn): 首先是鋼錠和鋼錠模在凝固過(guò)程中的溫度場(chǎng)既隨首先是鋼錠和鋼錠模在凝固過(guò)程中的溫度場(chǎng)既隨空間變化，又隨時(shí)間變化，即屬于空間變化，又隨時(shí)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(dǎo)傳熱，的傳導(dǎo)傳熱，鋼液內(nèi)部鋼液內(nèi)部的傳導(dǎo)及對(duì)流傳熱，的傳導(dǎo)及對(duì)流傳熱，流動(dòng)的鋼液與凝固流動(dòng)的鋼液與凝固前沿前沿的對(duì)流及傳導(dǎo)傳熱，以及的對(duì)流及傳導(dǎo)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(dǎo)及對(duì)流傳熱等等，屬于綜合傳的輻射、傳導(dǎo)及對(duì)流傳熱等等，屬于綜合傳熱過(guò)程。熱過(guò)程。數(shù)值模擬技術(shù)數(shù)值模擬技術(shù)鑄件凝固數(shù)值模擬鑄件凝固數(shù)值模擬：就是結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算方法來(lái)定量描述鑄件的凝固傳熱過(guò)程，從而揭示金屬凝固的真實(shí)行為和規(guī)律，為預(yù)測(cè)鑄造應(yīng)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(jì)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)并優(yōu)化鑄造工藝。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：1.可以用模擬的方法完成實(shí)驗(yàn)

12、無(wú)法檢測(cè)的工作；2.對(duì)科學(xué)研究進(jìn)行預(yù)測(cè)或者對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)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(diǎn)：缺點(diǎn)：其結(jié)果是近似的，需要實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。數(shù)值模擬方法（1）有限差分法有限差分法（Finite Difference Method，簡(jiǎn)稱FDM）它是將求解域劃分為差分網(wǎng)格，用有限個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)代替連續(xù)的求解域，然后將偏微分方程（控制方程）的導(dǎo)數(shù)用差商代替，推導(dǎo)出含有離散點(diǎn)上有限個(gè)未知數(shù)的差分方程組。（2）有限元法有限元法（Finite Element Method，簡(jiǎn)稱FEM）是將一個(gè)連續(xù)的求解域任意分成適當(dāng)形狀的許多微小單元，并于各小單元分片構(gòu)造插值函數(shù)，然后根據(jù)極值原理（變分或加權(quán)

13、余量法），將問(wèn)題的控制方程轉(zhuǎn)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(diǎn)上待求的函數(shù)值。 鑄件凝固傳熱過(guò)程基本方程求解凝固過(guò)程溫度場(chǎng)要描述溫度隨空間和時(shí)間的變化規(guī)律，要求助于導(dǎo)熱偏微分方程： -導(dǎo)熱系數(shù)；T-熱力學(xué)溫度； -單位體積物體單位時(shí)間內(nèi)釋放的熱量；c-比熱容；-密度；t-時(shí)間。qzTzyTyxTxtTc)()()(q 假設(shè)條件為了求解導(dǎo)熱微分方程式，必須對(duì)實(shí)際鋼錠凝固過(guò)程作如下的必要簡(jiǎn)化和假設(shè)：(1)忽略液相內(nèi)的流動(dòng)和垂直方向的傳熱；(2)對(duì)于扁錠或板坯忽略寬度方向的傳熱，簡(jiǎn)化為一維傳

14、熱；對(duì)于方錠、圓錠或多角錠，可簡(jiǎn)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(chǎng)峰值 2.8t鋼錠模外表面溫度場(chǎng)峰值溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果云圖溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果云圖 1.9t鋼錠的凝固時(shí)間 2.8t鋼錠的凝固時(shí)間凝固時(shí)間計(jì)算云圖凝固時(shí)間計(jì)算云圖 1.9t鋼錠的凝固分?jǐn)?shù) 2.8t鋼錠的凝固分?jǐn)?shù)固相率計(jì)算結(jié)果云圖固相率計(jì)算結(jié)果云圖1.9t鋼錠疏松縮孔缺陷預(yù)報(bào) 2.8t鋼錠疏松縮孔缺陷預(yù)報(bào)縮孔縮松預(yù)測(cè)縮孔縮松預(yù)測(cè) 模擬6.3t鋼錠冒口頭部形狀 實(shí)際生產(chǎn)的鋼錠冒口頭部形狀本章小結(jié)本章小結(jié)1.了解鋼錠的應(yīng)用現(xiàn)狀、鋼錠的分類。了解鋼錠的應(yīng)用現(xiàn)狀、鋼錠的分類。2.掌握鑄錠的凝固特點(diǎn)，會(huì)用平方根定律估算凝固掌握鑄錠的凝固特點(diǎn)，會(huì)用平方根定律估算凝固層厚度隨凝固時(shí)間的變化。層厚度隨凝固時(shí)間的變化。3.大型鑄錠的質(zhì)量控制涉及哪些方面？對(duì)于內(nèi)部質(zhì)大型鑄錠的質(zhì)量控制涉及哪些方面？對(duì)于內(nèi)部質(zhì)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(yīng)該怎樣控制？成的，分別應(yīng)該怎樣控制？4.什么是數(shù)值模擬方法？數(shù)值模擬技術(shù)在凝固過(guò)程什么是數(shù)值模擬方法？數(shù)值模擬技術(shù)在