連鑄工藝、設(shè)備 鋼液凝固的基本原理

1、 第二章第二章. .鋼液凝固的基本原理鋼液凝固的基本原理l鋼液的凝固不僅是一個(gè)由液體轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w的鋼液的凝固不僅是一個(gè)由液體轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w的物態(tài)變化過程，而且也是一個(gè)復(fù)雜的物理化物態(tài)變化過程，而且也是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)變化過程。在鋼液發(fā)生物態(tài)轉(zhuǎn)變的同時(shí)，學(xué)變化過程。在鋼液發(fā)生物態(tài)轉(zhuǎn)變的同時(shí)，還伴隨有鑄坯組織結(jié)構(gòu)的形成、成分偏析、還伴隨有鑄坯組織結(jié)構(gòu)的形成、成分偏析、二次脫氧產(chǎn)物的生成與排出、氣體的析出、二次脫氧產(chǎn)物的生成與排出、氣體的析出、凝固收縮以及傳熱冷卻等一系列的變化。鋼凝固收縮以及傳熱冷卻等一系列的變化。鋼液凝固條件的改變對(duì)鑄坯的組織結(jié)構(gòu)、化學(xué)液凝固條件的改變對(duì)鑄坯的組織結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分、力學(xué)

2、性能將產(chǎn)生不同程度的影響。成分、力學(xué)性能將產(chǎn)生不同程度的影響。21 21 金屬的結(jié)晶條件金屬的結(jié)晶條件 當(dāng)溫度降到凝固點(diǎn)以下時(shí)，金屬便由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楫?dāng)溫度降到凝固點(diǎn)以下時(shí)，金屬便由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫w狀態(tài)，這一過程稱為結(jié)晶，也叫凝固。從金晶體狀態(tài)，這一過程稱為結(jié)晶，也叫凝固。從金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)看，發(fā)生了金屬原子從近程有序排列屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)看，發(fā)生了金屬原子從近程有序排列過渡到遠(yuǎn)程有序排列并固定下來的變化。過渡到遠(yuǎn)程有序排列并固定下來的變化。一一. .結(jié)晶的熱力學(xué)條件結(jié)晶的熱力學(xué)條件l 過冷度（過冷度（TT）：）：理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度之差值。理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度之差值。l 金屬結(jié)晶的熱力學(xué)條件：金屬

3、結(jié)晶的熱力學(xué)條件：必須具有一定的過冷度。必須具有一定的過冷度。 TTT T0 0T Tn nl如圖：固液兩相自由能與溫度的關(guān)系如圖：固液兩相自由能與溫度的關(guān)系l金屬的結(jié)晶過程也是一個(gè)放熱過程。結(jié)晶金屬的結(jié)晶過程也是一個(gè)放熱過程。結(jié)晶釋放的潛熱和逸散，是影響結(jié)晶過程的重釋放的潛熱和逸散，是影響結(jié)晶過程的重要因素之一。要因素之一。l當(dāng)潛熱的釋放等于或小于以一定速度冷卻當(dāng)潛熱的釋放等于或小于以一定速度冷卻而散發(fā)到周圍環(huán)境中去的熱量時(shí)，溫度或而散發(fā)到周圍環(huán)境中去的熱量時(shí)，溫度或保持恒定或不斷下降，結(jié)晶可以繼續(xù)進(jìn)行，保持恒定或不斷下降，結(jié)晶可以繼續(xù)進(jìn)行，直至完全凝固，或達(dá)到新的平衡；直至完全凝固，或達(dá)到

4、新的平衡；l當(dāng)釋放的潛熱大于散發(fā)掉的熱量時(shí)，溫度當(dāng)釋放的潛熱大于散發(fā)掉的熱量時(shí)，溫度會(huì)回升，直到結(jié)晶停止進(jìn)行，甚至有時(shí)局會(huì)回升，直到結(jié)晶停止進(jìn)行，甚至有時(shí)局部區(qū)域還會(huì)發(fā)生重熔現(xiàn)象。部區(qū)域還會(huì)發(fā)生重熔現(xiàn)象。二二. .結(jié)晶的動(dòng)力學(xué)條件結(jié)晶的動(dòng)力學(xué)條件1. 1.晶核的形成晶核的形成 均質(zhì)形核均質(zhì)形核在液相中直接產(chǎn)生晶核。即在一定的過冷度下，在液相中直接產(chǎn)生晶核。即在一定的過冷度下，液態(tài)金屬中一些體積很小的近程有序排列的液態(tài)金屬中一些體積很小的近程有序排列的“原原子集團(tuán)子集團(tuán)”轉(zhuǎn)變成規(guī)則排列并穩(wěn)定下來的坯胎晶核，轉(zhuǎn)變成規(guī)則排列并穩(wěn)定下來的坯胎晶核，這一過程稱為均質(zhì)形核。這一過程稱為均質(zhì)形核。形成新相晶

5、核系統(tǒng)自由能的變化包括：形成新相晶核系統(tǒng)自由能的變化包括：A.A.在液相中形成晶核時(shí)引起體積自由能的降低；在液相中形成晶核時(shí)引起體積自由能的降低；B.B.形成晶核時(shí)產(chǎn)生固、液交界面導(dǎo)致表面自由能的形成晶核時(shí)產(chǎn)生固、液交界面導(dǎo)致表面自由能的增加。增加。l系統(tǒng)獲得的過冷度系統(tǒng)獲得的過冷度 越大，臨界半徑越大，臨界半徑r rk k 越小，液態(tài)金屬就越小，液態(tài)金屬就 越容易結(jié)晶。越容易結(jié)晶。 異質(zhì)形核異質(zhì)形核l依靠液體金屬中已經(jīng)存在的固、液相質(zhì)點(diǎn)形依靠液體金屬中已經(jīng)存在的固、液相質(zhì)點(diǎn)形成晶核的過程。成晶核的過程。l實(shí)際上金屬中或多或少都含有異相雜質(zhì)，故實(shí)際上金屬中或多或少都含有異相雜質(zhì)，故金屬結(jié)晶時(shí)大

6、都為異質(zhì)形核。金屬結(jié)晶時(shí)大都為異質(zhì)形核。2. 2.晶體的長(zhǎng)大晶體的長(zhǎng)大晶體的生長(zhǎng)方式晶體的生長(zhǎng)方式A.A.平面生長(zhǎng)（正溫度梯度條件下）平面生長(zhǎng)（正溫度梯度條件下） 固體表面在宏觀上看起來是平滑的，即固、液界固體表面在宏觀上看起來是平滑的，即固、液界面呈平面狀向液相推進(jìn)。面呈平面狀向液相推進(jìn)。B.B.樹枝晶生長(zhǎng)（負(fù)溫度梯度條件下）樹枝晶生長(zhǎng)（負(fù)溫度梯度條件下） 固體表面上的偶然凸起便可深入到液體中過冷度固體表面上的偶然凸起便可深入到液體中過冷度較大的地方生長(zhǎng)，形成一些伸長(zhǎng)的晶柱并在側(cè)面較大的地方生長(zhǎng)，形成一些伸長(zhǎng)的晶柱并在側(cè)面產(chǎn)生分枝，形成樹枝狀晶體。產(chǎn)生分枝，形成樹枝狀晶體。C.C.胞狀生長(zhǎng)（

7、過冷度較?。┌麪钌L(zhǎng)（過冷度較小） 固相表面某些偶然凸出的部分可能會(huì)伸入過冷區(qū)固相表面某些偶然凸出的部分可能會(huì)伸入過冷區(qū)長(zhǎng)大，但不能向縱深發(fā)展，使生長(zhǎng)的界面介于平長(zhǎng)大，但不能向縱深發(fā)展，使生長(zhǎng)的界面介于平面和樹枝狀之間，形成一種凹凸不平的類似胞狀面和樹枝狀之間，形成一種凹凸不平的類似胞狀的結(jié)構(gòu)。的結(jié)構(gòu)。樹枝晶長(zhǎng)大樹枝晶長(zhǎng)大一般結(jié)晶總是在溶質(zhì)偏析最小和散熱最快的地方優(yōu)先一般結(jié)晶總是在溶質(zhì)偏析最小和散熱最快的地方優(yōu)先生長(zhǎng)。由于棱角比其他方向?qū)嵝院茫译x未被溶生長(zhǎng)。由于棱角比其他方向?qū)嵝院茫译x未被溶質(zhì)富集的液體最近，因此棱角方向的長(zhǎng)大速度比其質(zhì)富集的液體最近，因此棱角方向的長(zhǎng)大速度比其他方向要

8、快。鐵為立方晶格，呈正六面體結(jié)構(gòu)，從他方向要快。鐵為立方晶格，呈正六面體結(jié)構(gòu)，從八個(gè)角長(zhǎng)成為菱錐體的尖端，就構(gòu)成了樹枝晶主軸八個(gè)角長(zhǎng)成為菱錐體的尖端，就構(gòu)成了樹枝晶主軸（一次軸），然后在主軸側(cè)面長(zhǎng)出分叉叫二次軸，（一次軸），然后在主軸側(cè)面長(zhǎng)出分叉叫二次軸，再生出三次軸，依次發(fā)展下去，直到晶枝彼此相遇，再生出三次軸，依次發(fā)展下去，直到晶枝彼此相遇，形成一個(gè)樹枝狀晶體。各方向的主軸都得到較均勻形成一個(gè)樹枝狀晶體。各方向的主軸都得到較均勻發(fā)展的樹枝晶稱等軸晶；只有某一方向的主軸得到發(fā)展的樹枝晶稱等軸晶；只有某一方向的主軸得到突出發(fā)展的樹枝晶稱柱狀晶。突出發(fā)展的樹枝晶稱柱狀晶。 在實(shí)際鋼錠或鑄坯中，晶

9、體有兩種長(zhǎng)大情況：在實(shí)際鋼錠或鑄坯中，晶體有兩種長(zhǎng)大情況：A.A.定向生長(zhǎng)定向生長(zhǎng)柱狀晶柱狀晶B.B.等軸生長(zhǎng)等軸生長(zhǎng)等軸晶等軸晶l樹枝晶生長(zhǎng)示意圖：樹枝晶生長(zhǎng)示意圖：結(jié)晶后的晶粒大小結(jié)晶后的晶粒大小取決于晶核的生成速率（成核數(shù)目取決于晶核的生成速率（成核數(shù)目m m3 3s s）和長(zhǎng)大速率和長(zhǎng)大速率V V（cmscms）。成核率）。成核率N N愈大，長(zhǎng)愈大，長(zhǎng)大速率大速率V V愈小，則晶粒愈細(xì)。愈小，則晶粒愈細(xì)。lN N、V V與與TT的關(guān)系：的關(guān)系：22 22 鋼液的結(jié)晶鋼液的結(jié)晶l 鋼是以鐵為基礎(chǔ)的合金，含有多種元素。鋼的凝鋼是以鐵為基礎(chǔ)的合金，含有多種元素。鋼的凝固屬于非平衡結(jié)晶。其特點(diǎn)

10、如下：固屬于非平衡結(jié)晶。其特點(diǎn)如下：A.A.結(jié)晶過程必須在一個(gè)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行并完成；結(jié)晶過程必須在一個(gè)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行并完成；B.B.結(jié)晶過程為選分結(jié)晶，最初結(jié)晶出的晶體比較純，結(jié)晶過程為選分結(jié)晶，最初結(jié)晶出的晶體比較純，溶質(zhì)元素的含量較低，熔點(diǎn)較高，最后生成的晶溶質(zhì)元素的含量較低，熔點(diǎn)較高，最后生成的晶體溶質(zhì)元素的含量較多，熔點(diǎn)也較低，而且無論體溶質(zhì)元素的含量較多，熔點(diǎn)也較低，而且無論是晶體或液體的成分，都隨著溫度的下降而不斷是晶體或液體的成分，都隨著溫度的下降而不斷地變化著，只有當(dāng)結(jié)晶完畢后，并且達(dá)到平衡時(shí)，地變化著，只有當(dāng)結(jié)晶完畢后，并且達(dá)到平衡時(shí)，晶體才有可能達(dá)到和原始合金一樣的成分。晶

11、體才有可能達(dá)到和原始合金一樣的成分。一一. .鋼液結(jié)晶的溫度范圍和兩相區(qū)構(gòu)成鋼液結(jié)晶的溫度范圍和兩相區(qū)構(gòu)成l結(jié)晶溫度范圍：結(jié)晶溫度范圍：TT結(jié)晶結(jié)晶T T液液T T固固l確定結(jié)晶溫度范圍的意義：確定結(jié)晶溫度范圍的意義：lT T液液是確定澆注溫度乃至出鋼溫度的基礎(chǔ)；是確定澆注溫度乃至出鋼溫度的基礎(chǔ)；lTT結(jié)晶結(jié)晶的大小對(duì)結(jié)晶組織有至關(guān)重要的影響。的大小對(duì)結(jié)晶組織有至關(guān)重要的影響。l鋼液結(jié)晶的溫度范圍及結(jié)晶過程中固相和鋼液結(jié)晶的溫度范圍及結(jié)晶過程中固相和液相的成分變化如圖所示。液相的成分變化如圖所示。1. 1.結(jié)晶溫度范圍：由液相線至固相線之間的溫結(jié)晶溫度范圍：由液相線至固相線之間的溫度區(qū)間。用度

12、區(qū)間。用TT結(jié)晶結(jié)晶表示。表示。 TT結(jié)晶結(jié)晶T T液液-T-T固固2. 2.三個(gè)結(jié)晶區(qū)域：固相區(qū)、兩相區(qū)和液相區(qū)。三個(gè)結(jié)晶區(qū)域：固相區(qū)、兩相區(qū)和液相區(qū)。l在兩相區(qū)內(nèi)進(jìn)行著形核晶核的長(zhǎng)大過程，在兩相區(qū)內(nèi)進(jìn)行著形核晶核的長(zhǎng)大過程，鑄坯的凝固就是兩相區(qū)由鑄坯表面逐漸向鑄坯的凝固就是兩相區(qū)由鑄坯表面逐漸向鑄坯中心推移的過程。鑄坯中心推移的過程。3. 3.兩相區(qū)的寬度兩相區(qū)的寬度XX主要取決于鋼液的結(jié)晶溫主要取決于鋼液的結(jié)晶溫 度范圍（度范圍（TT結(jié)晶結(jié)晶 ）和凝固前沿熔體中的溫）和凝固前沿熔體中的溫度梯度（度梯度（dTdXdTdX）。）。l XX TT結(jié)晶結(jié)晶 dxdT1l結(jié)晶溫度范圍越寬、鋼液過熱

13、度越低和鑄結(jié)晶溫度范圍越寬、鋼液過熱度越低和鑄坯表面冷卻強(qiáng)度越小，則兩相區(qū)越寬坯表面冷卻強(qiáng)度越小，則兩相區(qū)越寬。當(dāng)。當(dāng)XX較大時(shí)，較大時(shí)，晶粒度較大，晶粒度較大，反之則小。晶粒反之則小。晶粒度大，意味著度大，意味著樹枝晶發(fā)達(dá)，樹枝晶發(fā)達(dá)，發(fā)達(dá)的樹枝晶發(fā)達(dá)的樹枝晶使使凝固組織疏松，易形成氣孔，偏析也較凝固組織疏松，易形成氣孔，偏析也較嚴(yán)重。嚴(yán)重。若要減小若要減小XX，應(yīng)從加強(qiáng)冷卻強(qiáng)度入，應(yīng)從加強(qiáng)冷卻強(qiáng)度入手并落實(shí)到具體的工藝措施之中。手并落實(shí)到具體的工藝措施之中。二成分過冷二成分過冷1. 1.選分結(jié)晶選分結(jié)晶l由于由于合金元素在固相中的溶解度小于在液合金元素在固相中的溶解度小于在液相中的溶解度，

14、相中的溶解度，因此合金元素在固相鋼中因此合金元素在固相鋼中分配的濃度要小，而在液相鋼（母液）中分配的濃度要小，而在液相鋼（母液）中分配的濃度要大。所以在鋼水結(jié)晶過程中，分配的濃度要大。所以在鋼水結(jié)晶過程中，結(jié)晶前沿會(huì)有溶質(zhì)大量析出并積聚，圍繞結(jié)晶前沿會(huì)有溶質(zhì)大量析出并積聚，圍繞凝固著的晶體積累了一層溶質(zhì)富集層，凝固著的晶體積累了一層溶質(zhì)富集層，使使固相中溶質(zhì)濃度低于原始濃度。這種現(xiàn)象固相中溶質(zhì)濃度低于原始濃度。這種現(xiàn)象即選分結(jié)晶。即選分結(jié)晶。 2. 2.成分過冷成分過冷l鋼液的結(jié)晶不僅與溫度過冷有關(guān)，還與結(jié)鋼液的結(jié)晶不僅與溫度過冷有關(guān)，還與結(jié)晶時(shí)液相成分的變化有關(guān)。結(jié)晶中的選分晶時(shí)液相成分的變

15、化有關(guān)。結(jié)晶中的選分結(jié)晶現(xiàn)象使凝固前沿液相的成分發(fā)生了變結(jié)晶現(xiàn)象使凝固前沿液相的成分發(fā)生了變化，引起液相的凝固點(diǎn)改變，從而改變了化，引起液相的凝固點(diǎn)改變，從而改變了凝固前沿的過冷情況。凝固前沿的過冷情況。成分過冷的產(chǎn)生（如圖）成分過冷的產(chǎn)生（如圖）合金冷卻鋼結(jié)晶出固相時(shí)的示意圖；合金冷卻鋼結(jié)晶出固相時(shí)的示意圖；合金的結(jié)晶與散熱方向示意圖；合金的結(jié)晶與散熱方向示意圖；液相熱量散出的溫度分布示意圖；液相熱量散出的溫度分布示意圖；BB組元成分在液相中的分布曲線示意圖；組元成分在液相中的分布曲線示意圖；熔點(diǎn)與相界面距離的關(guān)系曲線示意圖熔點(diǎn)與相界面距離的關(guān)系曲線示意圖l實(shí)際上鋼液的結(jié)晶過程不可能達(dá)到平衡

16、，實(shí)際上鋼液的結(jié)晶過程不可能達(dá)到平衡，相界面上有過冷度存在，但此過冷度會(huì)因相界面上有過冷度存在，但此過冷度會(huì)因雜質(zhì)含量高，液相熔點(diǎn)下降而降低。此外，雜質(zhì)含量高，液相熔點(diǎn)下降而降低。此外，結(jié)晶過程中放出的潛熱消散在界面兩側(cè)的結(jié)晶過程中放出的潛熱消散在界面兩側(cè)的固體和液體中，這使界面液相實(shí)際溫度稍固體和液體中，這使界面液相實(shí)際溫度稍有升高，從而進(jìn)一步降低了界面上的過冷有升高，從而進(jìn)一步降低了界面上的過冷度，但過冷度決不會(huì)達(dá)到零，這種相界面度，但過冷度決不會(huì)達(dá)到零，這種相界面上過冷度下降的現(xiàn)象稱為上過冷度下降的現(xiàn)象稱為“過冷過冷”的降低。的降低。l影響成分過冷的因素影響成分過冷的因素l若增加凝固速度

17、，減小溶質(zhì)在液相中的擴(kuò)若增加凝固速度，減小溶質(zhì)在液相中的擴(kuò)散系數(shù)，減少液相中的溫度梯度以及增加散系數(shù)，減少液相中的溫度梯度以及增加溶質(zhì)濃度，將增加成分過冷。溶質(zhì)濃度，將增加成分過冷。成分過冷和溫度過冷的區(qū)別成分過冷和溫度過冷的區(qū)別A.A.溫度過冷溫度過冷 結(jié)晶中熱量的散失使液體的實(shí)際溫度下降到結(jié)晶中熱量的散失使液體的實(shí)際溫度下降到凝固點(diǎn)以下獲得的過冷。凝固點(diǎn)以下獲得的過冷。這種過冷完全受這種過冷完全受散熱條件控制。散熱條件控制。B.B.成分過冷成分過冷l結(jié)晶中純粹由溶質(zhì)成分偏析引起的過冷度結(jié)晶中純粹由溶質(zhì)成分偏析引起的過冷度變化。變化。溶質(zhì)偏析越大，引起的成分過冷變?nèi)苜|(zhì)偏析越大，引起的成分過冷

18、變化也越大?；苍酱?。 成分過冷對(duì)結(jié)晶的影響成分過冷對(duì)結(jié)晶的影響l 鋼液結(jié)晶時(shí)，成分過冷對(duì)晶體的生長(zhǎng)方式有直接的鋼液結(jié)晶時(shí)，成分過冷對(duì)晶體的生長(zhǎng)方式有直接的影響。影響。l 如果溶質(zhì)濃度的分布一定，即液相的熔點(diǎn)曲線一定如果溶質(zhì)濃度的分布一定，即液相的熔點(diǎn)曲線一定時(shí)，成分過冷將隨溫度梯度而變化：溫度梯度越小，時(shí)，成分過冷將隨溫度梯度而變化：溫度梯度越小，實(shí)際溫度曲線越平緩，則成分過冷度越大，過冷區(qū)實(shí)際溫度曲線越平緩，則成分過冷度越大，過冷區(qū)也越寬；反之，溫度梯度越大，即實(shí)際溫度曲線越也越寬；反之，溫度梯度越大，即實(shí)際溫度曲線越陡，則成分過冷度便越小，過冷區(qū)也越窄。陡，則成分過冷度便越小，過冷區(qū)也越

19、窄。l 對(duì)鋼液來說，在正溫度梯度的條件下的晶體生長(zhǎng)方對(duì)鋼液來說，在正溫度梯度的條件下的晶體生長(zhǎng)方式：式：A.A.若凝固前沿沒有成分過冷，晶體的生長(zhǎng)方式為平面若凝固前沿沒有成分過冷，晶體的生長(zhǎng)方式為平面生長(zhǎng)；生長(zhǎng)；B.B.若有較小的成分過冷，則為胞狀生長(zhǎng)；若有較小的成分過冷，則為胞狀生長(zhǎng)；C.C.若凝固前沿的成分過冷很大，則以樹枝狀的方式生若凝固前沿的成分過冷很大，則以樹枝狀的方式生長(zhǎng)。長(zhǎng)。三三. .化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象1. 1.偏析概念偏析概念偏析：偏析：鑄坯中化學(xué)成分（溶質(zhì)成分）不均鑄坯中化學(xué)成分（溶質(zhì)成分）不均勻的現(xiàn)象。勻的現(xiàn)象。分類：分類：A.A.顯微偏析：發(fā)生在一個(gè)或幾

20、個(gè)晶粒范圍內(nèi)顯微偏析：發(fā)生在一個(gè)或幾個(gè)晶粒范圍內(nèi)的偏析。的偏析。mmB.B.宏觀偏析：在鑄坯內(nèi)大范圍的偏析。宏觀偏析：在鑄坯內(nèi)大范圍的偏析。cmcm2. 2.偏析產(chǎn)生的原因偏析產(chǎn)生的原因顯微偏析的產(chǎn)生顯微偏析的產(chǎn)生 與結(jié)晶的不平衡性（非平衡結(jié)晶）有關(guān)。如與結(jié)晶的不平衡性（非平衡結(jié)晶）有關(guān)。如圖所示：圖所示：l實(shí)際生產(chǎn)中，鋼液的結(jié)晶是一種非平衡結(jié)晶，實(shí)際生產(chǎn)中，鋼液的結(jié)晶是一種非平衡結(jié)晶，必須在液相線溫度以下才能開始，并在固相必須在液相線溫度以下才能開始，并在固相線溫度以下才能結(jié)束。由于冷卻速度較大，線溫度以下才能結(jié)束。由于冷卻速度較大，鋼液在冷卻到各個(gè)溫度時(shí)，沒有足夠的時(shí)間鋼液在冷卻到各個(gè)溫度

21、時(shí)，沒有足夠的時(shí)間來完成結(jié)晶過程和擴(kuò)散的均勻化，就繼續(xù)往來完成結(jié)晶過程和擴(kuò)散的均勻化，就繼續(xù)往下冷卻，致使在各溫度下的結(jié)晶過程和擴(kuò)散下冷卻，致使在各溫度下的結(jié)晶過程和擴(kuò)散過程都不能進(jìn)行到底。這樣就使固相和液相過程都不能進(jìn)行到底。這樣就使固相和液相的平均成分線都偏離了平衡時(shí)的固相線和液的平均成分線都偏離了平衡時(shí)的固相線和液相線，所得固體先、后結(jié)晶的各部分具有不相線，所得固體先、后結(jié)晶的各部分具有不同的溶質(zhì)元素濃度：同的溶質(zhì)元素濃度：結(jié)晶初期形成的樹枝晶結(jié)晶初期形成的樹枝晶較純，而后結(jié)晶的部分則含有較多的溶質(zhì)元較純，而后結(jié)晶的部分則含有較多的溶質(zhì)元素，造成了固體晶粒內(nèi)部溶質(zhì)濃度的不均勻素，造成了固

22、體晶粒內(nèi)部溶質(zhì)濃度的不均勻性。性。l顯微偏析程度可用顯微偏析度來衡量：顯微偏析程度可用顯微偏析度來衡量：lA AC C間間C C軸軸l當(dāng)當(dāng)A A 1 1時(shí)，正偏析；時(shí)，正偏析；l當(dāng)當(dāng)A A1 1時(shí)時(shí), ,負(fù)偏析；負(fù)偏析；l當(dāng)當(dāng)A A0 0時(shí)，無偏析。時(shí)，無偏析。l 影響顯微偏析的因素：影響顯微偏析的因素：A.A.冷卻速度冷卻速度l 加大冷卻速度，縮短凝固時(shí)間，溶質(zhì)元素沒有足夠加大冷卻速度，縮短凝固時(shí)間，溶質(zhì)元素沒有足夠時(shí)間析出，則樹枝晶的間距小，枝杈多，可大大減時(shí)間析出，則樹枝晶的間距小，枝杈多，可大大減輕合金的樹枝偏析。輕合金的樹枝偏析。B.B.溶質(zhì)元素的偏析傾向溶質(zhì)元素的偏析傾向l 所有元

23、素在鐵中都能形成偏析，其中，所有元素在鐵中都能形成偏析，其中，C C、P P、S S是是強(qiáng)偏析元素。強(qiáng)偏析元素。C.C.溶質(zhì)元素原子在固體金屬中的擴(kuò)散速度。溶質(zhì)元素原子在固體金屬中的擴(kuò)散速度。D.D.固態(tài)相變固態(tài)相變E.E.鋼液流動(dòng)鋼液流動(dòng) 引起鋼液流動(dòng)的因素：引起鋼液流動(dòng)的因素： 注流的注入，鋼水的溫度差、密度差，鑄坯鼓肚變注流的注入，鋼水的溫度差、密度差，鑄坯鼓肚變形，氣體、夾雜的上浮等。形，氣體、夾雜的上浮等。l樹枝偏析的形成：樹枝偏析的形成：宏觀偏析的產(chǎn)生宏觀偏析的產(chǎn)生 由于凝固過程中由于凝固過程中選選分結(jié)晶的作用，使兩相分結(jié)晶的作用，使兩相區(qū)樹枝晶間的液體富集了溶質(zhì)元素。區(qū)樹枝晶間的

24、液體富集了溶質(zhì)元素。同時(shí)同時(shí)鋼液凝固時(shí)液體的溫度差。密度差、體積鋼液凝固時(shí)液體的溫度差。密度差、體積收縮以及氣體的排出等收縮以及氣體的排出等引起了液體的對(duì)流引起了液體的對(duì)流運(yùn)動(dòng)，將富集溶質(zhì)的液體帶到未凝固的區(qū)運(yùn)動(dòng)，將富集溶質(zhì)的液體帶到未凝固的區(qū)域，域，從而導(dǎo)致了整個(gè)鑄坯內(nèi)溶質(zhì)元素的不從而導(dǎo)致了整個(gè)鑄坯內(nèi)溶質(zhì)元素的不均勻分布。均勻分布。宏觀偏析程度可用宏觀偏析量表示：宏觀偏析程度可用宏觀偏析量表示： B B（C C C Co o）C Co o 1001003 3偏析的控制偏析的控制增加鋼液的冷凝速度。通過抑制選分結(jié)晶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(kuò)散來減小偏析。中溶質(zhì)向母

25、液深處的擴(kuò)散來減小偏析。合適的鑄坯斷面。小斷面可使凝固時(shí)間短，合適的鑄坯斷面。小斷面可使凝固時(shí)間短，從而減輕偏析。從而減輕偏析。采用各種方法控制鋼液的流動(dòng)。如適宜的采用各種方法控制鋼液的流動(dòng)。如適宜的浸入式水口。浸入式水口。電磁攪拌。攪拌可打碎樹枝晶、細(xì)化晶粒、電磁攪拌。攪拌可打碎樹枝晶、細(xì)化晶粒、減小偏析。減小偏析。工藝因素。適當(dāng)降低注溫和拉速、防止鑄工藝因素。適當(dāng)降低注溫和拉速、防止鑄坯鼓肚等。坯鼓肚等。降低鋼液中降低鋼液中P P、S S含量。含量。四四. .夾雜物、氣體的形成和排出夾雜物、氣體的形成和排出1. 1.凝固夾雜凝固夾雜凝固夾雜的形成過程凝固夾雜的形成過程A A由于選分結(jié)晶，溶

26、質(zhì)在凝固前沿不斷富集。由于選分結(jié)晶，溶質(zhì)在凝固前沿不斷富集。B B在凝固前沿濃度很高的元素之間發(fā)生反應(yīng)形成在凝固前沿濃度很高的元素之間發(fā)生反應(yīng)形成化合物?；衔?。 Me Me X X = ( MeX )= ( MeX )C.C.凝固前沿生成的化合物增多并聚集成為夾雜物。凝固前沿生成的化合物增多并聚集成為夾雜物。 n( MeX ) n( MeX ) ( MeX )( MeX )n n D. D.夾雜物部分上浮，未上浮部分滯留在鋼中成為凝夾雜物部分上浮，未上浮部分滯留在鋼中成為凝固夾雜物。固夾雜物。減少夾雜物的措施減少夾雜物的措施A.A.減少鋼中含氧量。減少鋼中含氧量。 防止冶煉過程的過氧化，脫氧

27、要完全，防止冶煉過程的過氧化，脫氧要完全， 并可采用爐外精煉技術(shù)對(duì)鋼液進(jìn)行處理。并可采用爐外精煉技術(shù)對(duì)鋼液進(jìn)行處理。B.B.減少鋼中硫含量。減少鋼中硫含量。 采用鋼包處理或爐外精煉新技術(shù)，也可加入其它采用鋼包處理或爐外精煉新技術(shù)，也可加入其它 合金元素來控制硫化物的形態(tài)和分布，以減少它合金元素來控制硫化物的形態(tài)和分布，以減少它 的危害。的危害。C.C.采取各種措施防止夾雜物進(jìn)入鋼液采取各種措施防止夾雜物進(jìn)入鋼液 出鋼擋渣、防止鋼包下渣、保護(hù)澆注、防止二次出鋼擋渣、防止鋼包下渣、保護(hù)澆注、防止二次氧化、使用性能合適的保護(hù)渣、采用高質(zhì)量的氧化、使用性能合適的保護(hù)渣、采用高質(zhì)量的耐火材料、保證澆注系

28、統(tǒng)的清潔。耐火材料、保證澆注系統(tǒng)的清潔。D.D.創(chuàng)造條件促使夾雜物上浮創(chuàng)造條件促使夾雜物上浮采用大容量深熔池的中間包、采用形狀適宜的浸入式采用大容量深熔池的中間包、采用形狀適宜的浸入式水口、結(jié)晶器內(nèi)使用水口、結(jié)晶器內(nèi)使用“電磁攪拌電磁攪拌”技術(shù)。技術(shù)。 E.E.控制夾雜物的粒度、形態(tài)和分布控制夾雜物的粒度、形態(tài)和分布l 加鈣或稀土加鈣或稀土RERE等元素，對(duì)夾雜物進(jìn)行變性處理；等元素，對(duì)夾雜物進(jìn)行變性處理；l 加加MnMn，可提高，可提高M(jìn)n Mn SiSi比值，以生成比值，以生成MnSMnS夾雜物取夾雜物取代代FeSFeS夾雜物，減小熱脆性。夾雜物，減小熱脆性。l 加入適量的鋁利用加入適量的

29、鋁利用AIAI2 2O O3 3作為夾雜物的核心，增加夾作為夾雜物的核心，增加夾雜物數(shù)量的同時(shí)減小其粒度。雜物數(shù)量的同時(shí)減小其粒度。 F.F.加速凝固加速凝固l 縮小結(jié)晶時(shí)間，降低母液高濃度溶質(zhì)聚集及其形成縮小結(jié)晶時(shí)間，降低母液高濃度溶質(zhì)聚集及其形成的夾雜物。的夾雜物。 G.G.抑制鋼液的流動(dòng)抑制鋼液的流動(dòng)2. 2.凝固氣泡凝固氣泡l產(chǎn)生原因：產(chǎn)生原因： 鋼液在澆注過程中，由于氣體在鋼液中的溶鋼液在澆注過程中，由于氣體在鋼液中的溶解度隨鋼液溫度的降低而下降，并且在由液解度隨鋼液溫度的降低而下降，并且在由液體凝固成固體時(shí)，溶解度會(huì)陡降，所以氫、體凝固成固體時(shí)，溶解度會(huì)陡降，所以氫、氮、氧都會(huì)在這

30、個(gè)過程中富集和析出。氮、氧都會(huì)在這個(gè)過程中富集和析出。lCOCO氣泡：由于鋼液脫氧不良而產(chǎn)生。氣泡：由于鋼液脫氧不良而產(chǎn)生。lH H2 2 、N N2 2氣泡：由于物料潮濕、鋼液吸氣而產(chǎn)氣泡：由于物料潮濕、鋼液吸氣而產(chǎn)生。生。l危害：皮下氣泡、白點(diǎn)、甚至漏鋼。危害：皮下氣泡、白點(diǎn)、甚至漏鋼。五五. .凝固收縮凝固收縮l鋼液在凝固和冷卻過程中所發(fā)生的體積和鋼液在凝固和冷卻過程中所發(fā)生的體積和線尺寸減小的現(xiàn)象。線尺寸減小的現(xiàn)象。1. 1.液態(tài)收縮：鋼液從過熱度冷卻到液相線溫度液態(tài)收縮：鋼液從過熱度冷卻到液相線溫度時(shí)的收縮。時(shí)的收縮。1 1 取決于鋼液成分和過熱度。取決于鋼液成分和過熱度。2. 2.

31、凝固收縮：鋼液從液相線溫度冷卻到固相線凝固收縮：鋼液從液相線溫度冷卻到固相線溫度時(shí)的收縮。溫度時(shí)的收縮。4 4 取決于鋼的成分和凝固溫度范圍。凝固溫取決于鋼的成分和凝固溫度范圍。凝固溫度范圍越大，收縮量就越大?？偟膩砜?，度范圍越大，收縮量就越大?？偟膩砜?，中、高碳鋼的凝固收縮比低碳鋼大，其縮中、高碳鋼的凝固收縮比低碳鋼大，其縮孔、疏松也比低碳鋼嚴(yán)重?？?、疏松也比低碳鋼嚴(yán)重。3. 3.固態(tài)收縮：由固相線溫度冷卻到常溫時(shí)產(chǎn)生固態(tài)收縮：由固相線溫度冷卻到常溫時(shí)產(chǎn)生的收縮。的收縮。7 78 8l取決于固相線到室溫這一段的溫度變化以及取決于固相線到室溫這一段的溫度變化以及相組織的變化（例如包晶反應(yīng)引起體

32、積收縮，相組織的變化（例如包晶反應(yīng)引起體積收縮，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w時(shí)發(fā)生體積膨脹）。奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w時(shí)發(fā)生體積膨脹）。l鋼的總收縮鋼的總收縮e e總總e e液液e e凝凝e e固固 l影響：縮孔、疏松、內(nèi)裂。影響：縮孔、疏松、內(nèi)裂。2323鑄坯凝固、冷卻過程應(yīng)力鑄坯凝固、冷卻過程應(yīng)力一一. .熱應(yīng)力（收縮應(yīng)力）熱應(yīng)力（收縮應(yīng)力）l鑄坯在凝固和冷卻過程中發(fā)生的凝固收縮鑄坯在凝固和冷卻過程中發(fā)生的凝固收縮和固態(tài)收縮受到阻礙時(shí)（通常表現(xiàn)為線收和固態(tài)收縮受到阻礙時(shí)（通常表現(xiàn)為線收縮受阻時(shí)），將產(chǎn)生收縮應(yīng)力。由于線收縮受阻時(shí)），將產(chǎn)生收縮應(yīng)力。由于線收縮量縮量主要與溫度有關(guān)主要與溫度有關(guān)，故這種應(yīng)力又

33、稱為，故這種應(yīng)力又稱為熱應(yīng)力。熱應(yīng)力。1. 1.產(chǎn)生原因：產(chǎn)生原因：l鑄坯表面與內(nèi)部的溫度差使線收縮量不等，鑄坯表面與內(nèi)部的溫度差使線收縮量不等，產(chǎn)生相互的牽制而造成的。產(chǎn)生相互的牽制而造成的。l鑄坯冷凝初期，表面溫度遠(yuǎn)低于中心溫度，鑄坯冷凝初期，表面溫度遠(yuǎn)低于中心溫度，造成表面比中心收縮大，因此表面承受拉應(yīng)造成表面比中心收縮大，因此表面承受拉應(yīng)力，中心承受壓應(yīng)力。隨著冷卻的繼續(xù)進(jìn)行，力，中心承受壓應(yīng)力。隨著冷卻的繼續(xù)進(jìn)行，中心部分溫度的降低，使中心收縮比表面大，中心部分溫度的降低，使中心收縮比表面大，因此表面由承受拉應(yīng)力轉(zhuǎn)為承受壓應(yīng)力，而因此表面由承受拉應(yīng)力轉(zhuǎn)為承受壓應(yīng)力，而中心部分則由開始

34、的承受壓應(yīng)力轉(zhuǎn)為承受拉中心部分則由開始的承受壓應(yīng)力轉(zhuǎn)為承受拉應(yīng)力。應(yīng)力。熱應(yīng)力變化示意圖：熱應(yīng)力變化示意圖： 2. 2.影響因素：影響因素：鑄坯表面與內(nèi)部的溫度差鑄坯表面與內(nèi)部的溫度差 溫度差越大，線收縮量的差別愈大，鑄坯截面上溫度差越大，線收縮量的差別愈大，鑄坯截面上各層間收縮的相互阻礙也愈嚴(yán)重，產(chǎn)生的熱應(yīng)力各層間收縮的相互阻礙也愈嚴(yán)重，產(chǎn)生的熱應(yīng)力也就愈大。也就愈大。鋼中含碳量。鋼中含碳量。 高碳鋼的固、液兩相區(qū)寬，體積收縮量大，線收高碳鋼的固、液兩相區(qū)寬，體積收縮量大，線收縮量小，故熱應(yīng)力相對(duì)較?。坏吞间摰膬上鄥^(qū)窄，縮量小，故熱應(yīng)力相對(duì)較??；低碳鋼的兩相區(qū)窄，體積收縮量小而線收縮量大，故

35、熱應(yīng)力相對(duì)較大。體積收縮量小而線收縮量大，故熱應(yīng)力相對(duì)較大。鋼中合金元素的含量。鋼中合金元素的含量。 總的趨向是，凡使鋼液凝固區(qū)間（固、液兩相區(qū)）總的趨向是，凡使鋼液凝固區(qū)間（固、液兩相區(qū)）增大的合金元素（如鎳、硅、磷）的含量增加，增大的合金元素（如鎳、硅、磷）的含量增加，線收縮減少，從而使熱應(yīng)力減?。欢逛撘耗叹€收縮減少，從而使熱應(yīng)力減小；而使鋼液凝固區(qū)間縮小的合金元素含量增加時(shí)，則線收縮增加，區(qū)間縮小的合金元素含量增加時(shí)，則線收縮增加，熱應(yīng)力也增加。熱應(yīng)力也增加。二二. .組織應(yīng)力組織應(yīng)力l固態(tài)鋼在冷卻過程中固態(tài)鋼在冷卻過程中因發(fā)生相變而引起的體因發(fā)生相變而引起的體積膨脹受阻時(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)

36、力稱為組織應(yīng)力積膨脹受阻時(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)力稱為組織應(yīng)力。1. 1.產(chǎn)生原因：產(chǎn)生原因：l 鑄坯冷卻時(shí)的散熱是由內(nèi)向外進(jìn)行的，表面溫度鑄坯冷卻時(shí)的散熱是由內(nèi)向外進(jìn)行的，表面溫度低而中心溫度高，因而鑄坯表面與內(nèi)部組織轉(zhuǎn)變低而中心溫度高，因而鑄坯表面與內(nèi)部組織轉(zhuǎn)變的時(shí)間不同，發(fā)生體積膨脹的時(shí)間也不同，這樣的時(shí)間不同，發(fā)生體積膨脹的時(shí)間也不同，這樣就使鑄坯截面上各層間的體積膨脹受到了相互的就使鑄坯截面上各層間的體積膨脹受到了相互的制約，從而產(chǎn)生了組織應(yīng)力。制約，從而產(chǎn)生了組織應(yīng)力。l 組織應(yīng)力的分布：組織應(yīng)力的分布：l 當(dāng)鑄坯先凝固的表面發(fā)生奧氏體向珠光體（或馬當(dāng)鑄坯先凝固的表面發(fā)生奧氏體向珠光體（或馬氏體）轉(zhuǎn)變時(shí)，引起表面層體積增加，而心部的氏體）轉(zhuǎn)變時(shí)，引起表面層體積增加，而心部的奧氏體未變，將阻礙表面體積的增大，使表面產(chǎn)奧氏體未變，將阻礙表面體積的增大，使表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，心部產(chǎn)生拉應(yīng)力。鑄坯繼續(xù)冷卻，當(dāng)生壓應(yīng)力，心部產(chǎn)生拉應(yīng)力。鑄坯繼續(xù)冷卻，當(dāng)心部奧氏體向珠光體（或馬氏體）轉(zhuǎn)變時(shí)，表面心部奧氏體向珠光體（或馬氏體）轉(zhuǎn)變時(shí)，表面層已經(jīng)完成了轉(zhuǎn)變，內(nèi)部體積的增大使表面受拉層已經(jīng)完成了轉(zhuǎn)變，內(nèi)部體積的增大使表面受拉應(yīng)力，而心部受壓應(yīng)力。應(yīng)力，而心部受壓應(yīng)力。 2. 2.影響因素：影響因素：冷卻速度冷卻速度 在發(fā)生組織轉(zhuǎn)變的溫度范圍內(nèi)，冷卻速度越在發(fā)生組織轉(zhuǎn)變的溫