连铸资料ppt

实验测定：
实验研究指出，树枝晶间距 l 与凝固速度 R 和温度梯度有关。
l = CR mG n
雅可比试验不同温度梯度和凝固速度对树枝形态的影响，并测定
了 lΙ 和 l∏与 R 和 G 关系，如图4－13所示。由图可得出：
上述两经验式中，对一次晶间距，指数m、n值相差较大；对二次 晶间距，m、n值近似相等。不同作者得到的m、n值相差较大。
1.1.4 凝固结构
1.1.4.1 钢水凝固过程的冶金特点 （1）δ －γ相的转变
· 稳定的δ相（或γ相）凝固 例如： 铁素体的Cr钢
· δ相凝固后转变为奥氏体 例如：Ni-Cr奥氏体不锈钢
· δ相凝固后转变为γ，再转变为α 相
例如：低碳钢
（2）钢液的流动 （3）凝固收缩 （4）裂纹敏感性 （5）凝固结构
了结晶器振动装置，奠定了连铸的工业应用的基础； （3）本世纪30年代，连铸成功应用于有色金属； （4）1950年， S.Junghans和Mannesmann公司合作，建成
世界上第一台工业连铸机； （5）50年代，工业应用时期；
到50年代末，有连铸机30台，产量110t，连铸比0.34%. （6）60年代，稳步发展时期；
−3cosθ
+ cos3 θ )
ΔG∑ =(2−3cosθ +cos3θ)(−13πr3ΔG+πr2σlc)
(4)求 ΔG ∗ 和 r ∗ :
∂ (Δ G ∑ ) = 0
[ ] ∂ r (2−3cosθ +cos3θ)2πr∗σlc −πr∗2ΔG =0
而
2 − 3cosθ + cos3 θ ≠ 0, 故： 2πr ∗σ lc − πr ∗2 ΔG = 0
试验指出，二次枝晶间距与区域凝固时间 tc 关系如图4－14。它
们的经验关系式：
l∏ = 0.00716tc0.5 (1.5%C,1.1%Mn)
l∏ = 0.0518tc0.44 (0.6%C,1.1%Mn)
树枝晶间距对钢锭结构、显微偏析有重要影响。实际钢锭凝固时 凝固速度与温度梯度不可能彼此独立变化，而通过凝固时放出热 量来影响整个凝固过程。这样就可用冷却速度来控制树枝晶间距 ，以得到细的树枝结构。而影响冷却速度最重要的因素是凝固方 法。图
1.1.4.2 凝固时晶体长大方式 （1）定向生长
（2） 等轴晶长大 · 爆发形核理论 · 固体质点理论 · 成分过冷理论 · 树枝晶熔断理论 · 结晶雨理论 · 晶体游离理论
1.1.4.3 连铸坯凝固结构
（1）表皮细小等轴晶 · 厚度一般2～5mm
（2）柱状晶区 · 穿晶结构 · 上倾一定角度： 例如10度
前言
1 凝固理论
1.1 钢液结晶与凝固结构 · 钢液的结晶 · 晶体的长大 · 凝固结构 · 凝固结构控制
1.2 凝固偏析 · 凝固显微偏析 · 凝固宏观偏析
1.3 凝固收缩 1.4 钢的高温力学性能 1.5 凝固过程中气体和非金属夹杂物
2 连铸工艺与设备
2.1 连铸机机型及特点 2.2 连铸工艺与设备
（2） 均质形核的条件： ΔGΣ＝ΔGv＋ΔGF＝－(4/3)(πγ3 (GA-GB))＋4πγ2σ
由在图r4－= 1r可∗ 时知，，求当：ΔGΣ达到最大值时的晶核大小叫临界半径，
由(4-4)式可知，临界晶核半径是与过冷度成反比。由图(4-1)可知： — 晶核长大导致系统自由能增加，新相不稳定； — 晶核长大导致系统自由能减少，新相能稳定生长； — 形核和晶核溶解处于平衡。
两类小质点：一类叫活性质点，如金属氧化物（Al2O3），其晶体结构与金属晶 体结构相似，它们之间界面张力小，可作为“依托”而形成核心。另一类是难熔物
质的质点，它们的结构虽然与金属晶体结构相差较远，但这些难熔质点表面往往 存在细微凹坑和裂纹，其中尚未熔化的金属，可作为“依托”而形成晶体核心。因 此，可以在钢液中加入形核剂以细化晶粒。
3
(2)产生新相界表面自由能 ΔGr ：
ΔGF = σlc 2πr2(1−cosθ) + (σcs −σls )πr2(1−cos2 θ)
=πr2σlc(2 −3cosθ + cos3θ)
(3)总自由能变化 ΔG∑ :
ΔG∑
=
− 1πr3 (2 − 3cosθ
3
+
cos2
θ)ΔG
+πr
σ2 lc
(2
技术特点：转炉、高炉的大型化；以模铸－初轧 为核心，生产外延扩大。
（2） 1974年－1989年：
技术特点：全连铸工艺，以连铸机为核心。
（3） 1989年－现在：
技术特点：连铸－连轧工艺，以薄板坯，连铸－ 连轧为代表，钢厂向紧凑化发展。
2. 21世纪钢铁工业发展趋势
（1） 产品更加纯洁化 （2） 生产工艺更加高效低耗 （3） 生产过程对环境更加友好
— θ = 0 o ， cos 0o = 1 液体中质点已是一个晶核，不需任何过冷度就可形核；
— 0o < θ < 180o ，依附于外来质点形成晶核。
结论是非均质形核有效性决定于润湿角 θ 。越小θ ，形核功就越小，就易形核
，形核速率比较如图4-4。非均质形核的过冷度比均质形核大为减少。在实际生 产中主要是非均质形核，除模壁表面作为“依托”形成晶核外，液体金属中需含有
ΔT T f
0.208 0.133 0.110 0.174 0.206 0.161 0.186 0.181
1.1.2 非均质形核
上图为一个平面的夹杂物上形成一个半球缺的固体晶核，晶核与液
θ σ 体、固体有三个界面co。s处于平=衡时ls：− σ cs σ lc
σ 式中： 为界面张力；θ 表示晶体在夹杂物表面的润湿倾向。
到60年代末，有连铸机200余台，产量4000万t. （7）70年代，迅猛发展时期；
1981年连铸比33.8%. （8）80年代，完全成熟时期；
1990年连铸比64.1%； （9）90年代，近终型连铸技术时代
1 凝固理论
1 凝固理论
1.1 钢液结晶与凝固结构
1.1.1 均质形核
（1）新核的形成引起系统的自由能的变化： · 体积自由能的下降： ΔGv＝－(4/3)(πγ3 (GA-GB)) 式中：γ：球形晶核的半径；GA：A相体积自由能； GB：A相体积自由能 · 表面自由能的增加： ΔGF＝4πγ2σ 式中：σ：A、B两相界面自由能
（3）中心等轴晶 · 伴随疏松、缩孔和 偏析
1.1.4.4 凝固结构对产品性能的影响
（1）柱状晶的枝干较纯，而枝晶间偏析 严重，钢的力学性能具有方向性， 特别是钢的横向性 能和韧性降低。
（2）柱状晶的交界面，由于杂质（S、P、 夹杂 物）富集，是裂纹容易扩展的 地方，加工时易脆裂。
（3）柱状晶充分发展，形成穿晶结构， 会造成中心疏松和缩孔，降低致密度。
－钢包 －中间包 －结晶器 －二次冷却区 －拉坯矫直机 －切割机 2.3 连铸新技术
参考书目
（1） 炼钢学原理 冶金工业出版社，曲英主编。
（2） 浇注与凝固 冶金工业出版社，蔡开科主编。
（3） 连续铸钢 科学出版社，蔡开科主编。
（4） 钢铁冶金学（炼钢部分） 冶金工业出版社， 陈家祥主编。
前言
1 现代炼钢技术的发展（连铸技术的作用） （1） 1947年－1974年：
O 0.92
3 连铸坯冷装炉 O 轧制CC－CCR
OO
O
O 1.34
4 连铸坯热送轧 O 制CC－HCR
O
O
O 0.878
5 连铸坯直接热 O 装 炉 轧 制 CC － DHCR
6 连铸坯直接轧 O 制CC－DR
O
O
O 0.334
O
角
O
部
补
热
4 连铸技术的发展历史
（1）19世纪中叶H.Bessemer提出了连续浇注金属的构想； （2）1933年，现代连铸的奠基人S.Junghans提出并发展
或
dx x=0
G ≥ m dC dx x=0
( 4-11)
式中：G为液体中实际温度梯度，它决定于向外界的传 热。
（3）成分过冷与结构 · 当固液交界面前沿出现成分过冷时， 交界面就不
稳定了，不再保持平面结构。 · 按过冷度的大小，开始形成晶胞、晶胞树枝晶、树
枝晶结构。 · 随成分过冷度的增加，结构形貌由晶胞发展为树枝
r ∗ = 2 σ lc
ΔG
以 r ∗ 代入 ΔG∑ 得：
[ ] ΔG∗ = 4πσlc2 2−3cosθ +cos3θ （4－10） 3(ΔG)2
非均质形核功与均质形核功相差
1 (2 − 3cosθ + cos3 θ )
4
。由（4－10）式可知
— θ = 180o ，cos180o = 0 ，晶体独立于液体中，形核功与均质形核相同；
(2) 成分过冷条件，由平衡相图可知：
dT = m dC dx dx
式中： dT 为凝固前沿液相线温度梯度； dC 为凝
dx
dx
固前沿浓度梯度； m为液相线斜率。
当液体中实际温度低于液相线温度时就产生了成分过冷 区。那么不产生过冷的条件应该是实际温度梯度大于或 等于液相线温度梯度。即：
G ≥ dT
3 连续铸钢的特点
· 高效凝固 · 优化成型 · 化学冶金 · 物理冶金 · 节能
连续铸钢的特点
（1）提高综合成材率：模铸从钢水到成坯的收 得率大约84～88％，连铸为95～96％；
（2）降低能耗：连铸节能主要是省去了开坯工 序，以及 提高成材率。生产一吨钢坯比 模铸可以节能627～1046kJ，相当于21.4～ 35.7kg标准煤。加上综合成材率的提高， 可 以节能约130kg标准煤；
晶。
1.1.3.3 树枝晶凝固
图4－8为晶体长大成树枝晶示意图。铁为立方晶格，成 正六面体结晶，由于结晶总是在结晶面溶质偏析小的地 方和结晶潜热散出最快的地方优先生长，在晶核长大过 程中，棱角比其他方向导热性好，而且棱角离未被溶质 富集的液体最近。因此棱角方向长大速度比其他方向要 快，从八个角成长为菱锥体的尖端，其生长方向几乎平 行于热流，构成树枝晶主轴，称之为一次树枝臂。垂直 于一次枝晶臂而长出分叉的枝晶叫二次枝晶臂。冷却速 度继续增加时，在二次枝晶臂上垂直长出三次枝晶臂， 这些枝晶彼此交错在一起宛如茂密的树枝。从而使结晶 潜热从液体中可以很容易的通过彼此连接的枝晶而传导 出来，直到完全凝固为止
（3）连铸产品的均一性好，质量好；
（4）易于实现机械化和自动化。
表：炼钢－轧钢不同生产流程的轧钢能耗比较
工艺过程
炼铸均初
连钢
加
轧 轧钢燃
钢锭热轧
铸坯
热
制 料消耗
开
清
×109J/t
坯
理
1 模铸钢锭冷装 O O O O 轧制IC－CCR
O
O
O 2.01
2 模铸钢锭开坯 O O O O 后 直 接 轧 制 IC －DR
钢的凝固与连续铸造
•教学目的:
本部分课程从钢的凝固原理出发， 结 合钢的连铸工艺，使学生从理论上和实践上 掌握浇注和凝固过程中发生的主要的物理化 学现象，初步掌握连铸工艺与设备及其最新 发展，为将来从事冶金工程领域的工作，为 生产高质量的连铸坯，以及解决连铸生产中 的实际问题奠定理论基础。
课程大纲
4－15表示了不同凝固方法的冷却速度与树枝晶间距关系。由 于冷却速度的差异，故连铸坯的树枝晶结构比钢锭的要细。加 大冷却速度，可以得到较细的树枝晶结构。 文献中对二次枝晶间距与冷却速度还有不同的经验式。铃木等
人提出C < 0.88% 的炭钢中：
l∏ = 709ε −0.395 (ε : o C 分，l∏ : μ )
结论是：在一定温度下，任何大于临界半径的晶核趋向于长大， 小于临界半径晶核趋向消失。
表4－1纯液体金属结晶过冷度
金属
Sn Pb Al Cu Mn Fe Ni Co
熔点
Τf (K)
505.7 605.7 931.7 1356 1493 1803 1725 1736
过冷度
ΔT(k)
103 80 130 130 308 295 319 330
1.1.3 晶体的长大
1.1.3.1 晶体的长大的能量消耗 － 原子的扩散 － 晶体的缺陷 － 原子的粘附 － 结晶潜热的导出
1.1.3.2 晶核长大的驱动力－成分过冷理论
（1）成分过冷的产生 · 纯金属凝固：过冷是靠模壁向外传热控制 · 合金凝固： 选分结晶 溶质元素在固相和液相的再分配 溶质浓度的不同使液相线温度不同
晶核与夹杂物接触面积：
π r 2 (1 − cos 2 θ )
球缺体积： 球缺表面积：
1 πr 3 (2 − 3cosθ + cos3 θ )
3
2πrh = 2πr 2 (1 − cosθ )
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形成晶核时系统自由能变化：
(1)体积自由能 ΔGv：
ΔGv
= − 1 πr 3 (2 − 3cosθ + cos3 θ )ΔG