凝固原理与连铸技术01 导论
金属凝固原理
“王冠上的明珠” 航空发动机是航空航 天器的核心部件，其发展水平已成为一个国 家科技水平、军事实力和综合国力的重要标 志之一。人类航空史上航空动力技术的每一 次重大革命性进展，无不与凝固技术的突破 和进步相关。
“金融经济”、“网络经济”、“知识经济”等 意识的强烈冲击→传统的金属材料成形加工工业被看 成了“老气横秋”的“夕阳工业”。
•Kurz W, Ficker D J. Foundamentals of
Solidification. Switzweland: Trans Pub.
Ltd,1998 汉译本 《凝固原理》库尔兹和费希尔
•大野笃美著， 邢建东译， 金属的凝固—理论、
实践与应用。
第一章 概 论
中国制造2025 从工业大国到工业强国
但是，美国的经验告诉我们，任何过分强调发 展第三产业的重要性，而忽视制造业对国民经济健康 发展重要性的作法，都将降低其制造业产品的国际竞 争力。
日本、德国汽车工业的快速崛起，美国制造业世 界霸主地位的丧失和美国汽车在国际市场上竞争力的 下降，使美国政府和专家充分认识到制造业的重要性， 从而提出了一系列先进制造技术的发展战略，以提高 其制造业的技术水平和产品的竞争力。
雾里看花----怎样看得清清楚楚，明明白白？ 归纳总结，找相同找不同，为什么相同，为什 么不同？
第一章 概 论
学而不思则罔 思而不学则殆
凝固过程的传热
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50
50
§1-4凝固过程的电子计算机数值模拟
在凝固过程中，除传热现象以外，还伴随许多物理现象，如凝固潜热的 释放，液体金属的对流，金属的收缩等，因此，在计算中必须同时考虑这些 因素，采用的方法是，根据这些物理现象发生的条件，不断模拟这些现象而 变换计算过程。因此，凝固问题的数值方法，通常称为数值模拟法。
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§1-4凝固过程的电子计算机数值模拟
在二维问题中，采用中心差分时有：
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§1-4凝固过程的电子计算机数值模拟
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§1-4凝固过程的电子计算机数值模拟
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§1-2非金属型铸造的凝固传热
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§1-2非金属型铸造的凝固传热
于是，求温度场的问题简化成了求一维偏微分方程的问题，求解如下：
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§1-2非金属型铸造的凝固传热
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§1-2非金属型铸造的凝固传热
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§1-2非金属型铸造的凝固传热
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§1-2非金属型铸造的凝固传热
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§1-1 凝固过程的传热特点
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连铸坯的凝固原理
连铸坯的凝固原理
连铸坯的凝固原理是指在连续铸造过程中，将液态金属通过连铸机的直接接触传热，使其迅速凝固成为固态坯料。其凝固原理主要包括以下几个方面：
1. 凝固传热：连铸坯的凝固过程是通过凝固传热实现的。当液态金属与凝固器壁接触时，通过壁传导热量，将热量从液体中抽取，使其温度下降，从而引起凝固。凝固过程中，液态金属中的热量逐渐转移到凝固器壁上，使液态金属凝固。
2. 菌晶凝固：连铸坯的凝固过程中形成的是菌晶结构。在凝固过程中，凝固核的形成与扩展是菌晶凝固的核心。凝固核的形成主要通过异质核形成机制，即固相杂质在液相中起到导向凝固核形成的作用。在凝固核形成之后，扩展也是通过液态金属中的固相杂质扩散到凝固界面来实现的。
3. 凝固前区域形态演变：连铸坯凝固前区域是指离开凝固器壁距离较远的区域，此区域的凝固过程是从纯凝固到凝固核形成的过程。在这个过程中，液态金属的温度逐渐下降，会引起结晶核的形成和繁殖。在凝固前区域中，由于热量的传导和质量的迁移，形成了柱状晶区。
4. 凝固后区域形态演变：连铸坯凝固后区域是指靠近凝固器壁边界附近的区域，此区域的凝固过程是进一步形成坯料的过程。在凝固后区域中，凝固核逐渐形成，晶核之间相互连结，最终形成了连续的晶体结构。
连铸坯的凝固原理是液态金属通过传导传热和纯凝固形成晶核，然后通过晶核的繁殖和晶体的连结形成连续的晶体结构，最终实现连铸坯的凝固。
连铸技术基本原理-1凝固与传热
53
6.1.5 连铸二次冷却控制
（1）二次冷却与铸坯质量 （2）二次冷却区的设计 （3）连铸坯凝固传热数学模型 （4）二次冷却控制
54
二次冷却与铸坯质量
与二次冷却有关的铸坯缺陷
内部裂纹－冷却不均匀产生的热应力 表面裂纹－矫直时铸坯表面温度处于“脆性区” 鼓肚－铸坯表面温度高，钢水的静压力 菱变（脱方）－冷却不均匀
0.8
μ C p1 1 λ 1
0.49
D1：结晶器冷却水槽当量直径，cm； λ1：冷却水导热系数，W/cm·℃; u1：冷却水流速，cm/sec； ρ1：冷却水密度，g/cm2； μ1：冷却水粘度，g/cm．sec； CP1：冷却水比热，J/g．℃。
25
结晶器铜板热阻R2 R2＝δ2 /λ2
6.1.1 连铸坯凝固与传热特点
• 上述热量分三个阶段释放： • 一次冷却区：钢水在结晶器内形成厚度足够 的且均匀的坯壳，以保证铸坯出结晶器后不 拉漏 • 二次冷却区：喷水（或汽）到铸坯表面，加 速连铸坯冷却，使之完全凝固 • 三次冷却区：铸坯向空气中传热，使铸坯内 外温度均匀
6.1.1 连铸坯凝固与传热特点
39
影响结晶器传热的因素
结晶器设计
结晶器长度 结晶器铜板厚度 结晶器材质
3连铸坯的凝固
钢水与结晶器 之间形成弯月 面，
弯月面半径r可 表示为：
• (2)紧密接触区。弯月 面下部的初生坯壳由于 不足以抵抗钢液静压力 的作用，与铜壁紧密接 触(图3—4a)。在该区 域坯壳以传导传热的方 式将热量传输给铜壁， 愈住接触区的下部，坯 壳也愈厚。
• (3)气隙区。坯壳凝固到一定 厚度时，发牛δ→γ的相变， 引起坯壳收缩，牵引坯壳向 内弯曲脱离铜壁，气隙开始 形成。然而，此时形成的气 隙是不稳定的，在钢液静压 力的作用下，坯壳向外彭胀， 又会使气隙消失。这样，接 近紧密接触区的部分坯壳， 实际上是处于气隙形成和消 失的动态平衡过程中，如图 3—5。只有当坯壳厚度达到 足以抵抗钢液静压力的作用 时，气隙才能稳定。
(3)连铸坯凝固是分阶段的凝固过程。凝固生长经历了三个阶段：
—钢水在结晶器形成初生坯壳。
—带液芯的铸坯在二次冷却区稳定生长。
—临近凝固末期的液相加速生长。
• 在凝固过程中，结晶器注流在液相引起的流动和混合 对铸坯凝固有重要影响。研究指出：液相上部为强制 对流区，对流区高度决定于注流方式、浸入式水口类 型和铸坯断面。在液相下部液体流动主要是坯壳收缩、 晶体下沉所引起的自然对流，或者是由铸坯鼓肚所引 起的流动。流动对铸坯结构、夹杂物上浮及溶质元素 偏析有重要影响。
(1)弯月面区：钢水进入结晶器，与铜板接触就 会因为钢水的表面张力和密度在上部形成一个较小 半径的弯月面。在弯月面的根部由于冷却速度很快 （可达100℃/s），初生坯壳迅速形成，钢水不断 流入结晶器,新的初生坯壳就连续不断的生成，已生 成的坯壳则不断增加厚度。
凝固原理
通道偏析（必考，个人以为会以简答形式）
两相区枝晶间A处富集密度较小的元素，包括杂质S、P等，对应的浓度在相图上a点，使得枝晶间液体的密度减小，在重力作用下，当此处密度与大块液体的密度差足够大时，将产生向上的流动.
假设这一液体流动到B处，B处的温度较高，溶质浓度较低，由于金属的导热系数大，使得流体的温度迅速升高，偏离平衡状态（b′点），为了达到平衡点b，必须降低溶质浓度，只有通过溶解周围的固相枝晶骨架（其浓度为bS），才能达到这一目的，在溶解了一部分固相枝晶骨架后，其浓度为b〞。这种溶解过程，造成流动的通道，使得枝晶间液体更易从这里流动，一直保持畅通，直到全部凝固结束，富集杂质的液体充满了通道，从而造成通道偏析。
散热的那张PPT
3合金的结晶温度和哪些因素有关系？
结晶温度那张PPT
4什么是溶质再分配？从热力学上和统计学上如何解释?
溶质再分配：浓度均匀的合金液在凝固过程中固相浓度与液相浓度处于平衡但浓度不同的现象。需要记忆，如果是简单题的话，热力学和统计学上的解释也要知道，PPT上有的
5平衡分配系数？有效分配系数？非平衡分配有效系数？
一冷区：结晶器作用：在尽可能高的拉速下保证铸坯出结晶器时形成需要形状并有必要厚度的坯壳，以抵抗钢水静压力而不拉漏；其坯壳厚度要周边均匀，以减少裂纹等的形成；
传热三方向：上表面辐射很少，铸坯向下运动带走热量，仅占总散热的3－6％,通过结晶器的传热，即横向传热为94-97%。
第四讲 钢液的凝固原理—结晶器、二次冷却
物理性能
IACS >85%
抗软化温度 >550℃
O2 <100ppm
HB >120
➢ 组合结晶器铜板有在线 调宽的功能。通常是采 用宽边铜板夹住窄边铜 板的结构，调整宽度时， 先将夹持装置松开，然 后通过盘弹簧预紧螺栓 边上的一个油压千斤顶 和顶杆，迫使预紧力减 小到窄边能自由移动， 然后通过电机、减速机、 传动齿轮、丝杠使窄面 前进或后退，从而实现 宽度的变化。调宽装置 如图4所示。
➢
r 5.43102 m
（11）
➢ 式中：m — 钢液的表面张力，dyn/cm； ➢ — 钢液密度，g/cm3。
➢ 在半径为r的弯液面根部附近，冷却速度很快，出生坯壳很快形成。 随着冷却不断进行，坯壳逐步变厚。已凝固的坯壳开始收缩，企图离 开结晶器内壁，但这时因为坯壳较薄，坯壳在钢水静压力作用下仍然 处于紧贴内壁。由于冷却不断进行，坯壳厚度近一步增加，坯壳的强 度也有所增加，当其强度能承受钢水静压力的作用时，坯壳开始脱离 结晶器内壁，在结晶器内壁与坯壳间形成气隙。形成气隙后，促使坯 壳向结晶器壁传热缓慢，坯壳的温度有所回升，坯壳的强度和刚度又 有所减小，钢水静压力又使坯壳变形，形成皱纹和凹陷，同时气隙的 形成，使坯壳增长缓慢，有些地方坯壳也不均匀，有些地方减薄，局 部组织粗化，此处坯壳的裂纹敏感性较大。上述过程反复进行，直到 坯壳出结晶器。
连铸过程(全)
或
dx x0
G m dC dx x0
( 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
1.1.4.5 连铸坯凝固组织控制方法 （1）浇铸温度
（2）二冷水量 （3）液相穴内钢液的运动 （4）拉速 （5）连铸机类型 （6）加入形核剂 （7）喷吹金属粉末
·例如：Al2O3、TiO2、VN、 WC等。
（8）外力的作用 ·打碎树枝晶，增加等轴晶的核心。
·消除柱状晶的搭桥，消除中心疏 松和缩孔，减轻中心偏析。 ·消除铸坯皮下夹杂物和弧形连铸 坯内弧夹杂物的集聚，改善铸坯 纯净度。 ·消除皮下针孔和表面夹渣，改善 铸坯表面质量。
晶核与夹杂物接触面积：
r 2 (1 cos2 )
球缺体积： 球缺表面积：
1 r 3 (2 3cos cos3 )
3 2rh 2r 2 (1 cos )
形成晶核时系统自由能变化：
(1)体积自由能 Gv：
Gv
1 r 3 (2 3cos cos3 )G
3
(2)产生新相界表面自由能 Gr ：
钢的凝固与连续铸造
凝固理论1
(2) 组成（成分）过冷理论
19501960 年 ， 加 拿 大多伦多大学冶金系和美 国 哈 佛 大 学 物 理 系 Chalmers教授和W.A. Tiller 博士创立定向凝固过程的 组成过冷理论。
(3) 第一本凝固理论专著 1961年，美国哈佛大学物理系B. Chalmers教授出 版 国 际 上 第 一 本 凝 固 理 论 专 著 Principles of Solidification（凝固原理）。
等温面：空间具有相同温度点的组合面。
等温线：某个特殊平面与等温面相截的交线。 温度梯度：对于一定温度场，沿等温面或等温线
某法线方向的温度变化率。温度梯度越大，图形 上反映为等温面（或等温线）越密集。
传热方程
（1）热传导：凝固是一个有热源的非稳态传热过程， 三维非稳态导热方程为：
c p
式中:
(6) 溶质截留理论 1982年，美国哈佛大学应用科学部M. J. Aziz博士提出快速凝固过程中溶质截留 理论模型。 (7) 快速枝晶生长和快速共晶生长理论 19851992年，瑞士EPFL材料系Kurz 教授和美国Ames国家实验室R. Trivedi教 授创立快速枝晶生长理论和快速共晶生 长理论。
a, b – 纯金属
c, d – 合金
1.4 合金成分对凝固组织的影响
a 纯物质，由平面凝固 和枝晶凝固形成 b 固溶体枝晶 c 固溶体枝晶＋共晶 d 共晶
连铸工艺设备-钢液凝固的基本原理
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
二．成分过冷
1.选分结晶
?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， 结晶前沿会有溶质大量析出并积聚，围绕 凝固着的晶体积累了一层溶质富集层，使 固相中溶质浓度低于原始浓度。这种现象 即选分结晶。
?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成； B.结晶过程为选分结晶，最初结晶出的晶体比较纯，
钢液凝固的基本原理
钢液凝固的基本原理
1 钢液的凝固与结晶
众所周知，在不同的温度条件下，物质都具有不同的状态。钢也一样，在加热到一定的温度时，可从固态转化成液态；钢液冷却到某个温度时，将从液态转化为固态。钢从液态转化成固态称为凝固；从固态转化成液态叫熔化。钢水凝固的过程主要是晶体或晶粒的生成和长大的过程，所以也叫做结晶。
1.1 钢液的结晶条件（钢液凝固的热力学条件）
通常把固体转变为液态的下限温度称为熔点；把液态转变为固态的上限温度叫凝固点，又称理论结晶温度。
凝固点即物质在冷却过程中开始凝固的温度，钢液的结晶只有降温到凝固点以下才能发生。
因为钢液的液相温度在冶炼和浇注操作中是一个关键参数，因此，准确知道要生产的钢的液相线温度对整个炼钢过程至关重要。出于操作安全性和希望得到尽量多的等轴晶凝固组织而采用低过热度浇铸等因素考虑，一般要求浇注温度确定在液相线以上的一个合适的值。一般根据钢中元素含量可以计算出该钢的液相线温度值。
通常用T
S
表示钢的凝固点或理论结晶温度。对某一具体的钢种，凝固点通常可用以下公式理论计算出：
T
S
=1536℃－（78C%+7.6Si%+4.9Mn%+34P%+30S%+5Cu%+3.1Ni%+
2Mo%+2V%+1.3Cr%+3.6Al%+18Ti%）℃
降温到T
S 以下某温度T叫过冷，并把T
S
与T的温度差值△T叫过冷度，即：
△T=T
S
－T
过冷是钢液结晶的必要条件，过冷度的大小决定结晶趋势的大小，即过冷度越大，结晶速度越快；反之，过冷度越小，结晶速度越慢。
1.2 晶核的形成
（1）自发形核
在过冷钢液中，有一些呈规则排列的原子集团，其中尺寸最大的集团，就是晶体产生的胚，称之为晶胚。晶胚时而长大，时而缩小，但最终必有一些晶胚达到某一规定的临界尺寸以上，它就能够稳定成长而不再缩小了，这就形成晶核。（2）非自发开核
12-金属凝固及连铸-连铸坯的凝固传热
12
2012.10.19
影响结晶器传热因素
1）锥度的影响 2）结晶器润滑 3）结晶器材质 4）结晶器参数 5）冷却强度； 6）冷却水质 7）钢水成分。
2012.10.19
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结晶器壁温度分布
2012.10.19
14
三、二冷区传热 1、二冷区热平衡
其它传热变化不大，主要研 究喷雾水滴与铸坯之间的热交换， 这一过程很复杂，受喷水强度、 表面状态、冷却水温、水滴速度 等因素影响。
结晶器传热参数输入界面
2012.10.19 37
工艺参数输入界面
2012.10.19 38
结果输出文件名界面
2012.10.19 39
计算结果界面
2012.10.19 40
模型的验证和应用：
验证：
1)同位素示踪法—加入时刻已 凝固的金属不含放射元素； 2)射钉法； 3)测定表面温度。
应用：
金属凝固及连铸—连铸部分
第4讲：连铸坯的凝固传热
文光华
内容：
1、连铸坯凝固传热特点； 2、结晶器凝固传热； 3、二冷区的传热； 4、连铸坯的凝固传热的数学模型。
2012.10.19
2
一、连铸坯凝固传热特点
特点: 1)一热； 2)二迁； 3)三传（物理化学）。
2012.10.19
3
1、连铸坯的凝固过程就是一个传热过程 钢液固体+Q 单位重量钢水放出的热量Q包括：
连铸坯的凝固结构及控制
(3)中心等轴晶带。此时心部传热的单向性已很不明显，并且此时 传热的途径长，传热受到限制，晶粒长大缓慢，故形成晶粒比激 冷层粗大的等轴晶。
二、“小钢锭”结构
柱状晶开始时为均匀生长。但由于二冷区喷水冷却的不均匀 性，将会使冷却快的局部区域的柱状晶优先生长，当某一 局部区域两边相对生长的柱状晶相连接或等轴晶的下落被 柱状晶所捕集时，就会出现“搭桥”现象，形成“凝固 桥”，将液相穴内的钢液分隔开来。这祥，“桥”下面残 余钢液固收缩将得不到上面钢液的补充，凝固后就会形成 明显的疏松或缩孔，并伴随有严重前中心偏析。
三、铸坯结构的控制
为扩大等轴晶带可采取以下措施：
(1)加速凝固工艺。 (2)喷吹金属粉粉剂。 (3)控制二冷区冷却水量。 (4)加入形核剂。 (5)电磁搅拌技术。
对形核剂要求是： 1)在钢液温度下为固态； 2)在钢液温度下不分解为元素而进入钢中； 3)能稳定地存在于凝固前沿而不上浮； 4)形核剂尽可能与钢液润湿，晶格彼此接近，使形核 剂与钢液间有粘附作用。
一、连铸坯的凝固结构
一般情况下，连铸坯从表层到中心是由细小等 轴晶带、柱状晶带和中心等轴晶带所组成的。wenku.baidu.com
凝固理论
• （1）正温度梯度分布。 • 特点：热流方向和晶体的生长方向相反。这种温度分布产
生于定向散热的结晶过程，如连铸坯中柱状晶的生长过程， 螺旋桨和单晶硅的结晶过程。
• （2）负温度梯度分布。 • 特点：热流方向与晶体生长方向相同。形成原因：在液相
内部过冷度较大、生核率较高时，晶粒生长所排出的结晶 潜热使界面温度迅速上升。它一般产生于液相内部晶体的 自由生长过程（图b）；此外，当整个液相被强烈冷却， 在型壁上形核前就使液相产生很大的过冷，随后单向生长 的晶体界面前方也能形成这种温度分布形式（图c）。
而钢液通过散热，由液态钢水转变为固态铸坯的过程 即为凝固。凝固是宏观现象。凝固是从传热的角度来分析 钢水到铸坯的过程，而不涉及（或不考虑）微观上的原子 行为。
凝固和结晶的概念区别在于从不同的角度看待液态到 固态的相变过程。
9
结晶的结果都会造成凝固，但凝固不一定以结晶的方 式进行。实际生产中，钢液的凝固均通过结晶来完成。钢 液的结晶过程决定着铸坯凝固后的结晶组织，以及偏析、 气体析出、缩孔和裂纹形成，因此对铸坯的质量、性能以 及连铸工艺过程都具有极其重要的作用。 1.1 结晶热力学
程中动力学因素。
22
• 在平衡凝固条件下，界面
两侧溶质成分之间的关系
可用平衡分配系数k0来表
示：
k0
C
* S
C
凝固理论
钢水温度控制的热工过程
连铸过程温度损失的分析——出钢过程温降
冷却速度对夹杂物尺寸的控制：
冷却速度越快，脱氧产物尺寸就越小，在厚壁的铜模内凝固极强的试样，可 完全抑制脱氧产物生成。 而冷却速度对二次氧化产物生成影响不大。
平衡氧源的差异：
脱氧产物是脱氧元素、溶解[O]、夹杂物之间的平衡，钢中溶解[O]的水平控制 了夹杂物沉淀，可用改变脱氧操作来控制夹杂物成分和状态，以加速夹杂物 的排除。 二次氧化是钢中溶解元素、空气中O2、夹杂物之间的平衡。空气中的O2可源 源不断供给钢液进行氧化反应，直到浇注操作停止或钢中合金元素消耗殆尽 为止。
A区：[Al]＜0.0015%，铸坯容易产生皮下气泡和表面缺陷； B区：[Al]＞0.006%，钢水粘，水口易堵塞，铸坯夹杂物增加。
铝镇静钢
根据钢含Al量的不同，连铸钢水可分为铝镇静钢和 硅镇静钢。 铝镇静钢加入Al的方法： 一步法：
在出钢过程中，把全部铝块 一次加入钢包，加铝量由终 点钢水中[C]和钢水温度来决 定(图1—10)。 这种加铝方法简单，但铝回 收率低，钢中残铝含量波动 大，影响钢性能。
1-绪论(西宁)
G GV Gi
2013-8-26 48
• 如图，G总随变化曲线有一最高值。相当于曲线最高 值对应的r就是晶核的临界尺寸，以rc来表示 • 当能量涨落，晶坯可能达到临界尺寸时，晶核才可能 出现，结晶才会开始。否则，即使液体有了过冷度， 2013-8-26 49 也不会进行结晶，
在T与熔化温度Tf相差不大时，
2013-8-26
H L f (熔化潜热 )
42
Gv L f T (SS SL )
T Tf 时G 0
SS SL
Lf Tf
TL f Tf L f (T f T ) Tf
自由能随温度变化的示意图
Gv L f Gv
凝固过程直接相关
连铸机浇注原理图
中间包上方的钢包回转台和钢包
板坯连铸机正面实物图
第一块板坯切头
处于切割工位的板坯
切割完毕等待运出的板坯
方坯连铸机正视图
方坯连铸机侧面图
方坯连铸机侧面图
1.2.4 钢铁冶金流程
2013-8-26
29
西宁特钢产业链
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2. 几个重要概念
2013-8-26
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凝固理论
连铸工
主讲：董建君
2014-3-13/20:03:34
1
绪论：凝固理论的研究对象
到目前为止，除了少数合金能在超高速冷却条件下 （106～108℃/S）凝固成非晶态外，几乎所有的液 态金属（包括钢液）在通常的冷却条件下都转变成晶 体。液态金属转变成晶体的过程称为结晶。 凝固和结晶概念区别：从不同的角度，看待液态到固 态的相变过程。 凝固：从宏观上来看，钢液通过散热，由液态钢水转 变为固态铸坯的过程即为凝固。凝固是从传热的角度 来分析钢水到铸坯的过程，而不涉及（或不考虑）微 观上的原子行为。 结晶：从微观上来看，钢液中原子由“近程有序”向 “远程有序”的转变，使原子排列成为按一定规则排 列的晶体。结晶是从晶体的生核、长大等过程来研究 从液态到固态的过程。
6
1钢液结晶
钢液的结晶过程决定着铸坯凝固后的结晶组织， 以及偏析、气体析出、缩孔和裂纹形成因此对 铸坯的质量、性能以及连铸工艺过程都具有极 其重要的作用。
2014-3-13/20:03:34
7
1.1钢液的结晶条件
一、纯金属的结晶 纯金属由液态转变为固态是在一定的温度下进 行的，这个转变温度称为金属的结晶温度，用 TS表示。 金属的结晶温度可以通过热分析法测定出来。 即把液态金属缓慢冷却，在缓慢冷却过程中每 隔一定时间测定一次温度，最后将实验结果绘 在“温度-时间”坐标中，得到金属理学状态冷 却时温度随时间发生变化的冷却曲线。
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凝固原理与连铸技术—凝固原理与连铸工艺、设备及质量控制
北京科技大学天津学院
材料科学与工程系
王洪涛
Email：teacherwang126@
学习内容：
一. 导论
二. 连铸技术特征与发展历史
三. 连铸机关键部件的功能、结构与设计
四. 凝固原理与凝固方式
五. 铸坯结构与缺陷控制
六. 连铸新技术
教材与参考书
•教材：
•《连续铸钢原理与工艺》，蔡开科、程士富主编，
冶金工业出版社，1994年，第1版
•参考书：
• 1. 《Fundamentals of Solidification》W.Kurz, D.J.Fisher著，，高等教育出版社，2010年，第1版• 2. 《金属凝固原理及技术》，马幼平，许云华主编，冶金工业出版社，2008年，第1版
• 3. 《新编连续铸钢工艺及设备》，王雅贞, 张岩主编，冶金工业出版社，2007年，第1版
学习要求及考核
•学习要求：
•1. 2000字技术评述: 电子版、纸质版（cnki论文格式，文件名“学号姓名题目”）•2. 10张工艺、设备图片：电子版
•（做成ppt，少量文字说明）
•考核：
•1. 平时成绩40％（评述、ppt、出勤）•2. 考试60％（开卷或闭卷）
一. 导论
•1. 1 材料与人类文明
•1. 2 金属材料
•1. 3 钢铁材料
•1. 4 铸造
•为什么材料科学与工程以钢铁材料为研究对象？
中国
中东
欧美
沧州铁狮子Intel 双核处理器石器时代青铜器时代铁器时代新材料时代
833千克。高133cm、长110cm、宽79cm 现藏中国国家历史博物馆。
西汉中晚期制作的透光镜
铸于公元953年，采用“泥范明浇法”铸成，重40t 长6.30m，宽5.35m，高6.6m
1. 2 金属材料
黑色金属（Ferrous Metal)
☐铁和铁基合金（钢和铸铁），包括锰、铬；占工业用材的95％，主要用作结构材料(Structural Material)，（力学性能）。
有色金属（Non-ferrous Metal）
☐除黑色金属以外的所有金属及其合金；
☐仅占工业用材的5％, 但其重要性并不逊色。主要用作功能材料(Functional Material)，也可用作结构材料。
1.3 钢铁材料
“钢铁”常是对各种钢材的统称。 钢是铁与碳和其他的合金元素所组成的合金，含碳 量<2.11%, 具有较好的力学性能和塑性加工性能！ 碳素钢：以铁和碳元素为主的钢 合金钢：人为加入合金元素，具有特殊性能的钢 “铁”的概念，可以指元素铁（纯铁） 也可以指含碳量>2.11%的生铁或铸铁
1.4 铸造
将熔熔金属浇注到模具里，冷却、凝固成所 需形状的铸件，该生产过程称为铸造。 分类：模铸、连铸 据考古实物： 铸造青铜件的历史在3000年以上； 铸造铸铁件的历史不到2000年； 铸钢件的历史更短，因为对钢的认识较晚， 钢的熔点很高，生产技术复杂。
1.4.1 模铸
模铸(foundry)的技术由来已久：3000多年前 的青铜器时代，是人类文明进步的重要标志， 是大型钢锭和复杂铸件的重要成形方法。
1.4.2 连铸
连铸(continuous casting) 是近代金属大规模初级加 工的代表性技术。 是现代化钢铁生产技术的 标志性技术。 发展历史：1858年，英国 人Bessemer 发明的对辊 薄带连铸（twin roll strip casting)。现代社会需要 大规模钢材坯料，连续生 产是重要手段。 我国目前钢材生产中，连 铸比已达98%以上。
1.4.3 钢铁生产与连铸
连铸坯通过再加热、热轧/冷轧 制成各种钢材（管棒型线、板带箔饼）