连铸工艺、设备-钢液凝固的基本原理

取决于钢的成分和凝固温度范围。凝固温 度范围越大，收缩量就越大。总的来看， 中、高碳钢的凝固收缩比低碳钢大，其缩 孔、疏松也比低碳钢严重。
3.固态收缩：由固相线温度冷却到常温时产生 的收缩。7～8％
取决于固相线到室温这一段的温度变化以及 相组织的变化（例如包晶反应引起体积收缩， 奥氏体转变为珠光体时发生体积膨胀）。
⑷成分过冷对结晶的影响 钢液结晶时，成分过冷对晶体的生长方式有直接的
影响。 如果溶质浓度的分布一定，即液相的熔点曲线一定
时，成分过冷将随温度梯度而变化：温度梯度越小， 实际温度曲线越平缓，则成分过冷度越大，过冷区 也越宽；反之，温度梯度越大，即实际温度曲线越 陡，则成分过冷度便越小，过冷区也越窄。 对钢液来说，在正温度梯度的条件下的晶体生长方 式： A.若凝固前沿没有成分过冷，晶体的生长方式为平面 生长； B.若有较小的成分过冷，则为胞状生长； C.若凝固前沿的成分过冷很大，则以树枝状的方式生 长。
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，
⑸工艺因素。适当降低注温和拉速、防止铸 坯鼓肚等。
⑹降低钢液中P、S含量。
四.夹杂物、气体的形成和排出 1.凝固夹杂 ⑴凝固夹杂的形成过程 A．由于选分结晶，溶质在凝固前沿不断富集。 B．在凝固前沿浓度很高的元素之间发生反应形成化
合物。 〔 Me 〕＋〔 X 〕= ( MeX ) C.凝固前沿生成的化合物增多并聚集成为夹杂物。
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。
ｄ—B组元成分在液相中的分布曲线示意图；
ｅ—熔点与相界面距离的关系曲线示意图
实际上钢液的结晶过程不可能达到平衡， 相界面上有过冷度存在，但此过冷度会因 杂质含量高，液相熔点下降而降低。此外， 结晶过程中放出的潜热消散在界面两侧的 固体和液体中，这使界面液相实际温度稍 有升高，从而进一步降低了界面上的过冷 度，但过冷度决不会达到零，这种相界面 上过冷度下降的现象称为“过冷”的降低。
2.成分过冷
钢液的结晶不仅与温度过冷有关，还与结 晶时液相成分的变化有关。结晶中的选分 结晶现象使凝固前沿液相的成分发生了变 化，引起液相的凝固点改变，从而改变了 凝固前沿的过冷情况。
⑴成分过冷的产生（如图）
ａ—合金冷却钢结晶出固相时的示意图；
ｂ—合金的结晶与散热方向示意图；
ｃ—液相热量散出的温度分布示意图；
CO气泡：由于钢液脱氧不良而产生。
H2 、N2气泡：由于物料潮湿、钢液吸气而产 生。
危害：皮下气泡、白点、甚至漏钢。
五.凝固收缩
钢液在凝固和冷却过程中所发生的体积和 线尺寸减小的现象。
1.液态收缩：钢液从过热度冷却到液相线温度 时的收缩。1％
取决于钢液成分和过热度。
2.凝固收缩：钢液从液相线温度冷却到固相线 温度时的收缩。4％
氧化、使用性能合适的保护渣、采用高质量的 耐火材料、保证浇注系统的清洁。
D.创造条件促使夹杂物上浮
采用大容量深熔池的中间包、采用形状适宜的浸入式 水口、结晶器内使用“电磁搅拌”技术。
E.控制夹杂物的粒度、形态和分布 加钙或稀土RE等元素，对夹杂物进行变性处理； 加Mn，可提高[Mn] ∕[Si]比值，以生成MnS夹杂
显微偏析程度可用显微偏析度来衡量： A＝C间∕C轴 当A ﹥1时，正偏析； 当A﹤1时,负偏析； 当A＝0时，无偏析。
影响显微偏析的因素： A.冷却速度 加大冷却速度，缩短凝固时间，溶质元素没有足够
时间析出，则树枝晶的间距小，枝杈多，可大大减 轻合金的树枝偏析。 B.溶质元素的偏析倾向 所有元素在铁中都能形成偏析，其中，C、P、S是 强偏析元素。 C.溶质元素原子在固体金属中的扩散速度。 D.固态相变 E.钢液流动 引起钢液流动的因素：
n( MeX ) ＝ ( MeX )n D.夹杂物部分上浮，未上浮部分滞留在钢中成为凝
固夹杂物。
⑵减少夹杂物的措施 A.减少钢中含氧量。
防止冶炼过程的过氧化，脱氧要完全， 并可采用炉外精炼技术对钢液进行处理。 B.减少钢中硫含量。 采用钢包处理或炉外精炼新技术，也可加入其它 合金元素来控制硫化物的形态和分布，以减少它 的危害。 C.采取各种措施防止夹杂物进入钢液 出钢挡渣、防止钢包下渣、保护浇注、防止二次
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
宏观偏析程度可用宏观偏析量表示：
B＝（C －Co）∕Co ×100％
3．偏析的控制
⑴增加钢液的冷凝速度。通过抑制选分结晶 中溶质向母液深处的扩散来减小偏析。
⑵合适的铸坯断面。小断面可使凝固时间短， 从而减轻偏析。
⑶采用各种方法控制钢液的流动。如适宜的 浸入式水口。
⑷电磁搅拌。搅拌可打碎树枝晶、细化晶粒、 减小偏析。
⑵影响成分过冷的因素
若增加凝固速度，减小溶质在液相中的扩 散系数，减少液相中的温度梯度以及增加 溶质浓度，将增加成分过冷。
⑶成分过冷和温度过冷的区别
A.温度过冷
结晶中热量的散失使液体的实际温度下降到 凝固点以下获得的过冷。这种过冷完全受 散热条件控制。
B.成分过冷
结晶中纯粹由溶质成分偏析引起的过冷度 变化。溶质偏析越大，引起的成分过冷变 化也越大。
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＝ 1
dT
·ΔT结晶
dx
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。
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。
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：
三.化学成分不均匀现象 1.偏析概念 ⑴偏析：铸坯中化学成分（溶质成分）不均
匀的现象。 ⑵分类： A.显微偏析：发生在一个或几个晶粒范围内
的偏析。μm B.宏观偏析：在铸坯内大范围的偏析。cm
2.偏析产生的原因 ⑴显微偏析的产生
与结晶的不平衡性（非平衡结晶）有关。如 图所示：
实际生产中，钢液的结晶是一种非平衡结晶， 必须在液相线温度以下才能开始，并在固相 线温度以下才能结束。由于冷却速度较大， 钢液在冷却到各个温度时，没有足够的时间 来完成结晶过程和扩散的均匀化，就继续往 下冷却，致使在各温度下的结晶过程和扩散 过程都不能进行到底。这样就使固相和液相 的平均成分线都偏离了平衡时的固相线和液 相线，所得固体先、后结晶的各部分具有不 同的溶质元素浓度：结晶初期形成的树枝晶 较纯，而后结晶的部分则含有较多的溶质元 素，造成了固体晶粒内部溶质浓度的不均匀 性。
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。
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。