连铸工艺、设备 - 02钢液凝固的基本原理.ppt

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1、第二章.钢液凝固的基本原理钢液的凝固不仅是一个由液体转变为固体的物态变化过程，而且也是一个复杂的物理化学变化过程。在钢液发生物态转变的同时，还伴随有铸坯组织结构的形成、成分偏析、二次脱氧产物的生成与排出、气体的析出、凝固收缩以及传热冷却等一系列的变化。钢液凝固条件的改变对铸坯的组织结构、化学成分、力学性能将产生不同程度的影响。§2—1金属的结晶条件当温度降到凝固点以下时，金属便由液态转变为晶体状态，这一过程称为结晶，也叫凝固。从金属内部结构看，发生了金属原子从近程有序排列过渡到远程有序排列并固定下来的变化。一.结晶的热力学条件过冷度（ΔT）：理

2、论结晶温度与实际结晶温度之差值。金属结晶的热力学条件：必须具有一定的过冷度。ΔT＝T0－Tn如图：固液两相自由能与温度的关系金属的结晶过程也是一个放热过程。结晶释放的潜热和逸散，是影响结晶过程的重要因素之一。当潜热的释放等于或小于以一定速度冷却而散发到周围环境中去的热量时，温度或保持恒定或不断下降，结晶可以继续进行，直至完全凝固，或达到新的平衡；当释放的潜热大于散发掉的热量时，温度会回升，直到结晶停止进行，甚至有时局部区域还会发生重熔现象。二.结晶的动力学条件1.晶核的形成①均质形核在液相中直接产生晶核。即在一定的过冷度下，液态金属中一些体积很

3、小的近程有序排列的“原子集团”转变成规则排列并稳定下来的坯胎晶核，这一过程称为均质形核。形成新相晶核系统自由能的变化包括：A.在液相中形成晶核时引起体积自由能的降低；B.形成晶核时产生固、液交界面导致表面自由能的增加。系统获得的过冷度越大，临界半径rk越小，液态金属就越容易结晶。②异质形核依靠液体金属中已经存在的固、液相质点形成晶核的过程。实际上金属中或多或少都含有异相杂质，故金属结晶时大都为异质形核。2.晶体的长大⑴晶体的生长方式A.平面生长（正温度梯度条件下）固体表面在宏观上看起来是平滑的，即固、液界面呈平面状向液相推进。B.树枝晶生长（负

4、温度梯度条件下）固体表面上的偶然凸起便可深入到液体中过冷度较大的地方生长，形成一些伸长的晶柱并在侧面产生分枝，形成树枝状晶体。C.胞状生长（过冷度较小）固相表面某些偶然凸出的部分可能会伸入过冷区长大，但不能向纵深发展，使生长的界面介于平面和树枝状之间，形成一种凹凸不平的类似胞状的结构。⑵树枝晶长大一般结晶总是在溶质偏析最小和散热最快的地方优先生长。由于棱角比其他方向导热性好，且离未被溶质富集的液体最近，因此棱角方向的长大速度比其他方向要快。铁为立方晶格，呈正六面体结构，从八个角长成为菱锥体的尖端，就构成了树枝晶主轴（一次轴），然后在主轴侧面长出

5、分叉叫二次轴，再生出三次轴，依次发展下去，直到晶枝彼此相遇，形成一个树枝状晶体。各方向的主轴都得到较均匀发展的树枝晶称等轴晶；只有某一方向的主轴得到突出发展的树枝晶称柱状晶。在实际钢锭或铸坯中，晶体有两种长大情况：A.定向生长—柱状晶B.等轴生长—等轴晶树枝晶生长示意图：⑶结晶后的晶粒大小取决于晶核的生成速率（成核数目∕m3﹒s）和长大速率V（cm∕s）。成核率N愈大，长大速率V愈小，则晶粒愈细。N、V与ΔT的关系：§2—2钢液的结晶钢是以铁为基础的合金，含有多种元素。钢的凝固属于非平衡结晶。其特点如下：A.结晶过程必须在一个温度范围内进行并完

6、成；B.结晶过程为选分结晶，最初结晶出的晶体比较纯，溶质元素的含量较低，熔点较高，最后生成的晶体溶质元素的含量较多，熔点也较低，而且无论是晶体或液体的成分，都随着温度的下降而不断地变化着，只有当结晶完毕后，并且达到平衡时，晶体才有可能达到和原始合金一样的成分。一.钢液结晶的温度范围和两相区构成结晶温度范围：ΔT结晶＝T液－T固确定结晶温度范围的意义：T液是确定浇注温度乃至出钢温度的基础；ΔT结晶的大小对结晶组织有至关重要的影响。钢液结晶的温度范围及结晶过程中固相和液相的成分变化如图所示。1.结晶温度范围：由液相线至固相线之间的温度区间。用ΔT结

7、晶表示。ΔT结晶＝T液-T固2.三个结晶区域：固相区、两相区和液相区。在两相区内进行着形核晶核的长大过程，铸坯的凝固就是两相区由铸坯表面逐渐向铸坯中心推移的过程。3.两相区的宽度ΔX主要取决于钢液的结晶温度范围（ΔT结晶）和凝固前沿熔体中的温度梯度（dT∕dX）。ΔX＝·ΔT结晶结晶温度范围越宽、钢液过热度越低和铸坯表面冷却强度越小，则两相区越宽。当ΔX较大时，晶粒度较大，反之则小。晶粒度大，意味着树枝晶发达，发达的树枝晶使凝固组织疏松，易形成气孔，偏析也较严重。若要减小ΔX，应从加强冷却强度入手并落实到具体的工艺措施之中。二．成分过冷1.选分

8、结晶由于合金元素在固相中的溶解度小于在液相中的溶解度，因此合金元素在固相钢中分配的浓度要小，而在液相钢（母液）中分配的浓度要大。所以在钢水结晶过程中，