钢液凝固的基本原理
凝固过程的基本原理
wS
wL
▪ 在平衡凝固过程中，固相和液相中的溶质质量分数wS与wL是由相图的固相线和
液相线确定的。相图只能确定平衡凝固条件下的溶质分配系数。但在实际情况
下，平衡凝固的情况非常罕见。
▪ 一般将合金的凝固过程分为平衡凝固、近平衡凝固和非平衡凝固过程。对应于 上述凝固过程，k的定义和名称也各不相同，分别称为：平衡溶质分配系数k0, 有效溶质分配系数ke, 非平衡溶质分配系数 (也叫实际溶质分配系数) ka 。
1.相图与凝固---多元合金的凝固过程分析
相图计算的基本原理就 是依据热力学原理，计算
收集评估相图与热力学试验数据
系统的相平衡关系及各种
选择各相的吉布斯自由能模型
热力学数据，并绘制出相 图。热力学计算技术不仅
重新评估实验数据
给模型参数赋初值
能获得多元合金的相图信 息如分凝系数、液相线 (面) 斜率等，同时也能够获得
1.相图与凝固---多元合金的凝固过程分析
▪ 多元合金的溶质再分配分析
同样，对于多元合金，一般是从热力学的基本原理出发，对其溶质再分
配规律作出分析。
在研究多元合金的凝固过程时，仅当发生单相析出时，讨论溶质分配系
数才是有意义的。此时，任一组元i在液相和固相j中的化学位为，
L i
(GL wi
)T,P,WCj
1.相图与凝固---二元合金凝固过程的溶质再分配
▪ 溶质再分配是凝固过程的重要伴随现象，对凝固组织有决定性的影响。正是50~ 60年代以来对凝固过程溶质再分配现象的发现和深入研究，推动了现代凝固理 论的形成和发展。
▪ 描述凝固过程溶质再分配的关键参数是溶质分配系数k，它是凝固过程中固相溶
质质量分数wS与液相溶质质量分数wL之比。可写为，
凝固理论
第二节 连续铸钢技术的发展
我国于1957年就开始连续铸钢的试验研究。1958年在重钢三厂建成 了立式双流连铸机，用以浇铸175×200mm铸坯，并首先采用500t飞 剪剪切铸坯。1960年在唐山钢厂建成140×140mm方坯立式连铸机。 1964年6月24日在重庆第三钢厂建成第一台弧形板坯和方坯兼用连铸 机，这是世界上最早用于工业生产的弧形连铸机之一。1986年武钢炼 钢厂连铸机产量超过设计能力41%，是我国第一个实现全连铸的钢厂。 近年来，连铸坯热送热装以及近终型连铸技术已成为钢铁厂进一步节 能、提高产品质量、获得综合经济效益的重要措施。从1980年以来， 我国连铸有较大发展：浇铸断面有方坯、圆坯以及板坯等；浇铸钢种 有不锈钢、结构钢等几十个品种；连铸比也已经接近80%。但是，与 世界先进水平相比还有较大差距。虽然我国钢产量已突破1亿吨，居 世界首位。但是连铸比则要远远落后。并且在工艺技术、设备装备、 节能降耗、品种质量等方面与发达国家仍存在较大差距。但是我国钢 铁工业正处于兴旺发展时期，连铸技术从设计、制造工艺和管理等方 面都积累了丰富的经验，现在必然是我国连铸高速发展的时代。
第二节 均质形核
液 体 金 属 中 存 在 许 多 体 积 很 小 的 近 程 有 序 排 列 的 “ 原 子 集 团 ”， 当 有 一 定 的 过 冷 度 时 ， 这 些 “ 原 子 集 团 ” 就 会 形 成 胚 胎 晶 核 。 一 个 均 匀 液 相 A 中 ， 在 一 定 过 冷 度 下 ， 产 生 了 新 相 B， 而 B 只 有 达 到 一 定 临 界 体 积 时 才 能 稳 定 。 形 成 新 相 晶 核 引 起 系 统 自 由 能 的 变 化 包 括 ： 1） 体 积 自 由 能 △ Gv， 即 在 A 相 中 形 成 B 相 而 引 起 自 由 能 的 下 降 ； 2） 表 面 自 由 能 △ Gf， 即 形 成 新 相 B 产 生 固 液 交 界 面 而 引 起 自 由 能 的 增 加 。 若 形 成 球 形 ； 晶 核 （ 半 径 r ）， 则 ：
转结晶器弯月面区钢水凝固现象
转结晶器弯月面区钢水凝固现象结晶器被喻为"连铸机的心脏"，其重要性表现为:把钢水热量传递到冷却水，使钢水凝固成带液芯规定形状铸坯使其继续凝固;出结晶器形成均匀的、足够厚的坯壳厚度，在高拉速下不漏钢;良好铸坯质量;铸机生产率、安全性、长寿命。
结晶器是由钢液、保护渣、坯壳、铜板组成的复杂系统。
涉及流动、凝固、传热以及应力等学科，目前人们对结晶器进行了大量的数学和物理模拟研究:(1)流动现象模拟。
图1结晶器流动现象示意图(2)凝固传热模拟。
(3)保护渣熔化和渣膜润滑模拟。
(4)结晶器铜板温度场和应力场模拟。
(5)结晶器铜板和坯壳摩擦力的模拟等。
本文就结晶器弯月面区钢水凝固现象做一简要介绍。
2.结晶器钢液弯月面形成在结晶器内由于钢水与铜壁表面张力的作用，形成具有弹性薄膜性能的弯月面(图2)，在弯月面的根部由于铜壁的冷却作用(冷却速度100℃/s)迅速形成初生坯壳。
根据流体静力学，将弯月面形状近似为半圆形貌，可得到弯月面半径R，其值可由下式确定:R=5.43×10-2·如果结晶器钢水弯月面上有保护渣时，则R可表示为:R=5.43×10-2·式中:R-弯月面半径/cm-钢液面张力/N·m-1;-钢水密度/kg·m-3;-渣子密度/kg·m-3;-钢与渣界面张力()。
对于低C钢，裸露钢液弯月面半径R=0.71cm，钢液面覆盖保护渣时R=0.92cm。
R值大小表示弯月面弹性薄膜的变形能力。
R值越大，说明弯月面凝固壳受钢水静压力作用贴向结晶器壁越容易，坯壳裂纹难于发生。
如果弯月面聚集了夹杂物，会降低钢水表面张力使R值减小，破坏了弯月面薄膜的弹性性能，使弯月面破裂，铸坯卷入夹渣、结疤、裂纹等缺陷。
图2结晶器钢水弯月面形成示意图人们对结晶器弯月面的形成进行了实验室模拟和数学模拟。
研究指出，结晶器弯月面形状受以下因素影响:(1)钢液过热度。
第四讲 钢液的凝固原理—结晶器、二次冷却
1.1.1 结晶器的构造
按结晶器的构造可以分直结晶器和弧形结 晶器，直结晶器主要是用在立式、立弯式 和直弧形连铸机上，而弧形结晶器是用在 全弧形和椭圆形连铸机。
按结构可分为整体结晶器、管式结晶器和 组合结晶器，第一种结晶器目前已经很少 采用，下面主要是介绍后两种结晶器。小 方坯或小矩形坯采用管式结晶器，而大方 坯、大矩形坯及板坯多采用组合结晶器。
➢ 钢水在结晶器中形成凝固坯壳及过热度的降低所放出的热 量主要是由冷却水带走的，因此要合理设定的水缝面积。 通常采用下式来计算结晶器水缝的面积F〔3〕：
➢
F 10000 QS ,
mm2
3600 v
（8）
➢ 式中 Q 结晶器单位周长耗水量，m3/(h∙m)，经验为 100~160 m3/(h∙m)；
图 5 弧形管式结晶器结构
1－结晶器外罩；2－内水套；3－润滑油管；4－结晶器铜管；5－ 放射源容器；6－盖板；7－外水套；8－给水管；排水管；10－接 受装置；11－水环；12－足辊；13－定位销
1) 结晶器铜管的内腔尺寸
若冷态铸坯的公称尺寸为a×b，a为铸坯厚度，b为弧面宽 度，at，bt为结晶器铜管上口尺寸，ab，bb为结晶器下口 尺寸，则结晶器铜管的内腔尺寸可按下式计算：
2) 结晶器铜管的壁厚
➢ 结晶器铜管要有一定的抗变形能力，同时要保证一定的传 热效果，因此要有一定的厚度，对于不同断面的铸坯，其 铜管的壁厚也不相同，随着断面的增大，铜管的壁厚也增 加，通常结晶器铜管的壁厚为10～15mm，磨损后可加工 修复，但最薄不小于3-6mm。考虑到铸坯的冷却收缩作 用，在铜管的角部要有一定的圆角过渡。
图6 组合式结晶器
1－调厚与夹紧装置；2－窄面内壁；3－宽面内壁；4－框架；5－振动框架； 6－调宽机构；7－装放射源处
钢水的浇铸——精选推荐
钢水的浇铸1 什么是钢水的浇铸作业?钢的生产包括炼钢、浇铸两大环节。
浇铸作业是将合格钢水铸成适合于轧制或锻压加工所需要的一定形状、尺寸和单重的铸坯(或钢锭)。
钢水的浇铸有两种工艺方式。
一种是钢锭模浇铸，也称模铸工艺，成品为钢锭；另一种是连续铸钢，也称连铸工艺，产品为连铸坯。
2 钢液的结晶条件是什么?物质原子从不太规则排列的液态转化为有规则排列的固态，这个过程就是结晶，也称凝固。
钢液结晶需要两个条件：一是热力学条件，一是动力学条件，两者缺一不可。
A 热力学条件金属处在熔化温度时，液相与固相处于平衡状态；排出或供给热量，平衡向不同的方向移动；当排出热量时，液相金属转变为固相金属。
钢是合金，钢液的冷凝过程是非平衡过程：钢液在快速冷却至理论结晶温度以下一定程度时，才开始结晶。
由此可见，实际结晶温度比理论结晶温度要低，两者之差称为“过冷度”。
钢液只有处于过冷态下才可能结晶，具有一定的过冷度是钢液结晶的热力学条件。
B 动力学条件钢液必须在过冷条件下才能结晶，其过程为形成核心和晶核长大。
钢是合金，钢液中悬浮着许多高熔点的固相质点，是自然的结晶核心，这属于异质形核(即非均质形核)。
所以，钢液在过冷度很小的情况下，就可以形成晶核开始结晶。
钢液形成核心后即迅速长大，晶核开始生长时具有与金属晶体结构相同的规则外形；随后，由于排出的热量不均衡，使晶体向着排出热量最快的方向优先生长，于是便形成了树枝状晶体。
我们希望钢液在结晶过程中形成细晶粒组织，这就要求对形成核心的数量与晶核长大速度加以控制。
增大过冷度，形成核心数量的增加很快，而晶核长大的速度增加较慢；由此可知，增大过冷度可形成细晶粒组织。
可见，过冷度的大小是影响晶粒度的因素。
此外通过人为加入异质晶核的办法，钢也可以得到细晶粒组织。
3 钢液结晶有哪些特点?钢是合金，属于非平衡结晶。
从本书第1-39题所示的Fe-Fe3C相图可知，开始结晶的温度称液相线温度，结晶终了的温度称固相线温度，钢液结晶是在这个温度范围内完成的。
凝固原理
11
3.3.1 溶质再分配
• 离开界面处的成份将有很大变化，但界面处的平衡条件 要求T*、 C*L、C*S三个之一被确定时，另外两个参数 依据相图也被确定了。平衡分配值（分配系数）K＝ C*S/C*L。
12
3.3.1 溶质再分配
• 概念之二：杠杆定律
液态合金原始成份为C0，在长度为L的坩锅中从一端凝 固，固体开始生成温度为TL，其成份为CS＝KC0，固相中 溶质含量低于C0，继续冷却，液相、固相的溶质逐渐富 集，温度为T*时，液固界面处的固液相溶质相平衡。假 定液相、固相完全扩散，CS＝CS*，CL=CL*。 对于T*时，固液相的质量分数为fs、fL，则有： 凝固fs所析出的溶质等于固液 f s (C0 − CS ) = (1 − f s )(C1 − C0 ) 交界面液相中溶质的增加。 即： CSfs＋CLfL＝C0，为杠杆定 fs=(Tl-T)/(Tl-Ts) 13 律， fS＋fL＝1
钢锭的凝固PPT课件
内部形成缩孔。
缩孔的类型
02
根据缩孔的位置和大小，可分为集中缩孔和分散缩孔。集中缩
孔较大，分散缩孔较小。
缩孔的影响
03
缩孔会导致钢锭的致密度下降，影响钢材的机械性能和可靠性。
钢锭的成分控制
01
02
03
成分的重要性
钢锭的成分是影响其机械 性能、耐腐蚀性和加工性 能的重要因素。
成分的控制方法
通过调整炼钢过程中的原 料配比、加入合金元素等 方式控制钢锭的成分。
Байду номын сангаас
02
钢液成分
钢液中的元素含量会影响其凝固过程中的物理和化学变 化，从而影响钢锭的质量。
03
钢锭模设计
钢锭模的设计会影响钢液的冷却速度和流动状态，进而 影响钢锭的结晶结构和质量。
02
钢锭凝固原理
钢锭的结晶过程
01
钢锭的结晶过程是指液态钢转变为固态钢的过程，包括 形核和晶核长大两个阶段。
02
形核阶段是钢锭内部形成晶核的过程，这些晶核在液态 钢中形成，并逐渐长大。
钢锭在凝固过程中，由于热应力和组 织应力的作用，在钢锭表面或内部形 成裂纹。
裂纹的影响
裂纹会导致钢锭的强度和韧性下降， 影响钢材的质量和安全性。
裂纹的类型
根据裂纹的形状和位置，可分为热裂纹和 冷裂纹。热裂纹发生在钢锭凝固过程中， 冷裂纹则发生在钢锭冷却或加工过程中。
钢锭的缩孔问题
缩孔的形成
01
钢锭在凝固过程中，由于体积收缩和温度梯度的影响，在钢锭
加工性能好
钢锭经过适当的加工后， 具有良好的切削加工性能， 能够提高机械零件的加工 效率。
钢锭在建筑行业中的应用
建筑结构件
凝固理论
空气卷入机构图解
影响二次氧化的因素
钢液成分
与钢中含碳量成反比，含C越高，二次氧化程度越小； C与O2反应，形成保护气膜； 在高碳钢中，大颗粒夹杂少。
注流形态
光滑致密注流吸氧量少，0.7ppm 波浪形注流吸氧量增加 散流吸氧量大大增加（20－40ppm）
连铸浇注温度是指中间包钢水温度，一般表示： TL为液相线温度，根据钢种不同可由公式计算。 文献中有多种公式：
合适浇注温度的确定
根据钢种计算了TL， 再加上ΔT 就可决定 浇注温度，再加上各 个阶段上温度损失， 就可决定出钢温度。 钢水温度与钢中碳含 量的关系
出钢后钢水温度调节方法
均温：
若补充到中间包内钢水热量损失等于中间包散热 损失，则中间包钢水温度趋于稳定． 由计算和实际测定，浇注开始后十几分钟，中间 包钢水温度基本上能稳定在某一温度范围，拉速 微小的变化对中间包钢水温度影响不明显。
连铸过程温度损失的分析——中间包温降
钢包吹Ar与未吹Ar中间包钢水温度分布
合适浇注温度的确定
氧化是指一定温度下氧溶解在钢液中的能力。
• 当向钢液中加入脱氧元素时，溶解氧与元素生成脱 氧产物而沉淀出来，脱氧元素与氧建立新的平衡。
二次氧化是指溶解在钢液中的合金元素与空气 中的氧、耐火材料和炉渣中的氧化物发生化学 反应，生成氧化相的反应产物。
浇注过程中发生二次氧化的氧源
注流与空气接触的直接氧 化； 注流卷入空气与中间包结 晶器内钢液的相互作用； 包衬耐火材料与钢水的相 互作用； 机械卷入钢液的悬浮渣滴 与钢水的相互作用。
钢中氧的行为
钢中的氧是控制冶炼和钢质量的重要因素。 液体钢中氧含量决定冶炼的进程、脱氧剂消耗、合金 元素的回收率、钢锭凝固行为、固体钢的纯净度。 钢水氧化性主要决定于钢中[C]含量和渣中(FeO)含量。 炼钢是属于氧化性熔炼。在冶炼末期，钢中除含有规 定的[C]外，还含有过多的[O]。 在出钢时必须加入脱氧剂脱除钢水中过多的氧。
凝固理论
非均质形核与均质形核的临界半径完全相同。但是， 形成球冠比形成相应r* 尺寸球体所需的原子团要小，在相 同的过冷度下球冠更容易形成；并且，质点与晶核润湿性 越好，形成球冠就越容易，所需的过冷度就越小。
质点促进形核并非是以质点为形核中心，而是在质点 表面形成很多晶 如果在结晶的每一个阶段，固、液两相都能进行充分
金属凝固理论
河北联合大学 冶金与能源学院
孙立根
凝固理论的研究对象
凝固是液态金属转变成固态的过程。
不同组织结构的形成
成分偏析
脱氧产物和夹杂物的生成排出
液态
气体的析出 凝固收缩
凝固
固态
钢液的成分
冷却条件
2
凝固现象的范围： 从日常生活到工业生产，凝固现象随处存在。
① 从古代的青铜器到现代的单晶硅，凝固规律都起着重要 的作用。
• 从生核开始直到凝固结束，在整个结晶过程中，固、液两 相内部将不断进行着溶质元素的重新分布，这种现象称为
溶质再分配。它是合金结晶的一大特点，对结晶过程影响 极大。
• 显然，溶质再分配现象起因于平衡凝固的热力学特性，即
由于固液两相的溶解度不同，溶质成分在界面两侧形成差
别。而实际凝固过程中的具体分配形式，则决定于传质过
28
2.4过冷状态对结晶过程的影响 • 成分过冷对一般合金结晶过程的影响与热过冷对纯金属
的影响，两者在本质上是相同的。但由于同时存在着溶 质传质过程的影响，因此情况更为复杂： ① 在无成分过冷的情况下，界面也同样以平面生长方式
长大； ② 随着成分过冷的出现和增大，界面生长方式将逐步转
变为胞状生长方式，然后再过渡到枝晶生长方式。 ③ 主干凝固释放的潜热导致液相温度升高、过冷度降低；
钢水在结晶器内的凝固过程
钢水从注入结晶器至出结晶器这段时间里，由于一部分热量在这一过程中被结晶器带走，因此就形成具有一定厚度的坯壳，结晶器内初生坯壳的形成和生长有如下一些特点：
（1）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钢液上部形成一个较小半径的弯月面（见图8-1）。
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。
随着钢水不断流入结晶器及坯壳不断向下运动，新的初生坯壳就连续不断地生成，已生成的坯壳则不断增加厚度。
（2）已凝固的坯壳因发生8→y的相变，坯壳向内收缩，从而脱离结晶器铜板，直至与钢水静压力平衡。
（3）由于上述第（2）条的原因，在初生坯壳与铜板之间产生了气隙，这样坯壳因得不到足够冷却而开始回热，强度降低，钢水静压力又将坯壳贴向铜板。
（4）上述过程反复进行，直至坯壳出结晶器。
由于坯壳在结晶器内的生长是在上述反复的过程中进行的，坯壳的不均匀性总是存在的，大部分表面缺陷就是起源于这个过程。
（5）角部的传热因为是二维的，因此，开始凝固最快，最早收缩，因而最早形成气隙，然而，钢水静压力使铸坯的中部更易于消除气隙而与铜板接触，因此在结晶器内以后的凝固过程中，角部的传热始终小于其他部位，致使角部区域坯壳最薄（见图8-2），这也是产生角部裂纹和发生漏钢的祸根。
钢液凝固的基本理论
利用上述现象,我们可以进行晶体实际结晶温度
T0 Tn
作出的τ-T曲线。（如右图）
冷却曲线中出现的水平台阶的
温度就是实际结晶温度。
纯金属结晶冷却曲线示意图
NETZSCH 404G3 高温差示扫描量热仪
主要用于对材料进行高温热分析,包括相转变温度及转变焓、多晶形 转变温度和转变焓、物质的比热、材料的玻璃化转变温度与比热变 化程度、熔点与熔化焓、晶体的结晶温度与结晶热焓、结晶度、固 化温度等。
图2—2是用热分析测定液态金属结晶时3种冷却曲线的情况。曲线中各转点表 示结晶的开始或终结。其中:a表示接近平衡的冷却,结晶在一定的过冷度下开始、 进行和终结，由于潜热的释放和逸散相等，所以结晶温度始终保持恒定，一直 到完全结晶后，温度才下降3b表示金属液冷却速度较快(实际生产的通常倩况) 的状态，结晶在较大的过冷度下开始，所以进行较快，而使潜热的释放大于热 的逸散，这样便使湿度逐渐回升，直至两者相等，而后结晶便在恒温下进行； 直到结晶完成后，温度才会下降；c表示冷却很快，结晶在更大的过冷度下开 始，而且浴热的释放始终小于热的逸散，所以结晶一直在连续降温的过程中进 行，直到结晶终结后，温度便又更快地下降。这后一种情况只能在较小体积的 液体中，或在大体积液体的局部区域内进行。
（二）理论结晶温度:
凡是纯元素（金属 非金属）都有一个严格不变的温 度点,在这温度下，液体与晶体永远共存，这个温度 就称为理论结晶温度 。T0符号 。
钢液凝固的基本原理
钢液凝固得基本原理1 钢液得凝固与结晶众所周知,在不同得温度条件下,物质都具有不同得状态。
钢也一样,在加热到一定得温度时,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、钢水凝固得过程主要就是晶体或晶粒得生成与长大得过程,所以也叫做结晶。
1、１钢液得结晶条件(钢液凝固得热力学条件)通常把固体转变为液态得下限温度称为熔点;把液态转变为固态得上限温度叫凝固点,又称理论结晶温度。
凝固点即物质在冷却过程中开始凝固得温度,钢液得结晶只有降温到凝固点以下才能发生。
因为钢液得液相温度在冶炼与浇注操作中就是一个关键参数,因此,准确知道要生产得钢得液相线温度对整个炼钢过程至关重要。
出于操作安全性与希望得到尽量多得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得一个合适得值。
一般根据钢中元素含量可以计算出该钢得液相线温度值、通常用ＴS表示钢得凝固点或理论结晶温度。
对某一具体得钢种,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ＴS以下某温度Ｔ叫过冷,并把T S与T得温度差值△Ｔ叫过冷度, 即:△T＝Ｔ－TＳ过冷就是钢液结晶得必要条件,过冷度得大小决定结晶趋势得大小,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晶核得形成（1）自发形核在过冷钢液中,有一些呈规则排列得原子集团,其中尺寸最大得集团,就就是晶体产生得胚,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得临界尺寸以上,它就能够稳定成长而不再缩小了,这就形成晶核。
（2）非自发开核因在钢液得凝固过程中,液相中非自发形核比自发形核所要求得过冷度小得多,只要几度到２0℃过冷度就可形核,这就是因为钢液中存在悬浮质点与表面不光滑得器壁,均可作为非均质形核得核心。
凝固理论
15
二 晶核的长大
液态金属中形成稳定的晶核以后，随即迅速长 大。 实质:原子或原子团按一定规律向晶核表面不断 堆积的过程，即由液相向固相的扩散转移过程。 影响因素：过冷度、液体内部悬浮的固体质点、 钢液与结晶其接触的面积、结晶器的性质等 晶核长大必备的条件:第一 要求液相能连续不 断的向晶体扩散供应原子 第二 要求晶体表面能不断的并牢靠的接纳原 子
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高技能人才评价考前培训
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。
12
钢液结晶的必要条件——组成过冷
组成过冷包括 ①温度过冷 ②成分过冷 即由于温度下降造成杂 质析出，使得钢液在新的浓度下有新的结晶温度. 结论： 1、具有一定过冷度是金属结晶的必要条件，也是结晶的 热力学条件。即液态金属结晶的驱动力是由过冷提供的。 过冷度越大，结晶驱动力也就越大；过冷度小于或等于 零时，驱动力就不复存在，所以液态金属在没有过冷度 的情况下不会结晶。 2、结晶的必要条件是体系温度必须小于平衡温度。 3、结晶时系统自由能要减少，而自由能减少是以释放 潜热的形式来实现的； 过冷度△T越大，系统内结晶潜热放出来就越容易，结晶 就越快。也只有通过传热才能实现释放潜热，即也才能 实现结晶和凝固。
凝固原理与应用
c
式中，t为温度；τ为时间；x, y ,z为空间坐标；α为热扩散率； λ为导热系数；c为比热容；ρ为密度。
对于一维导热问题，导热微分方程式 具有如下形式： 2 t t 2 x
以置换变量法求解，其解为：
(2)铸型结构复杂，流动阻力大，金属液也难于充 满型腔。
第三章
铸件的凝固
第一节 铸件的温度场 第二节 铸件的凝固方式
第三节 金属的凝固方式
与铸件质量之间的关系 第四节 铸件的凝固时间
第一节 铸件的温度场
一、数学解析法
半无限大铸件中冷却
在铸件和铸型的不稳定导热过程中，温 度与时间和空间的关系可由傅里叶导热微分 方程来描述。
F1 kL c1 (t浇 t K ) l P t L t型
式中： l—充型能力（流动长度）； v—在静压头作用下，液态金属的 平均流速；F—流动液体断面积；ρ1—液态金属的密度；P—流动液体 断面F的周长；α—液态金属换热系数；k—停止流动时液流前端的固相 量；L—结晶潜热；c1—液态金属的比热容；tk—停止流动时的温度； tL—合金液相线温度
二、数值模拟法
有限差分法：
沿热流方向把均质物体分割为若干单元，各单位的 端面为一单位面积，单元长度为Δx。
一维均质物体的分割
t 2t 2 对于一维传热问题，其导热微分方程为： x
用差分代替上述方程中的微分，可得到相应的有限差 分算式： t t ( , x ) t ( , x ) 2 t t ( , x x ) 2t ( , x ) t ( , x x ) 2 x 2
一、金属性质方面的因素
(1)合金成分
钢液凝固的基本原理概述
钢液凝固的基本原理概述钢液凝固是指从熔融状态向固态过渡的过程。
钢液凝固的过程对于钢的组织和性能具有重要影响，因此对于钢液凝固的基本原理的了解是非常重要的。
本文将对钢液凝固的基本原理进行概述。
1. 钢液凝固的类型钢液凝固通常被分为两种类型：平衡凝固和非平衡凝固。
1.1 平衡凝固平衡凝固是指在熔点以下的恒温条件下进行的凝固过程。
平衡凝固过程中，凝固温度保持不变，凝固界面保持稳定。
在平衡凝固过程中，凝固界面的位置和形态基本稳定，凝固过程受到热传导的主导。
在平衡凝固中，凝固的主要类型有等温凝固、过冷凝固和过冷遇到亚稳态。
1.2 非平衡凝固非平衡凝固是指在非恒温条件下进行的凝固过程。
非平衡凝固过程中，凝固界面及其形态随时间变化，凝固温度不保持恒定。
在非平衡凝固中，凝固过程受到热传导以外的其他因素的影响，如流动、传质等。
非平衡凝固通常是在实际工业生产中出现的凝固方式。
2. 钢液凝固的基本原理钢液凝固的基本原理可以通过热力学和动力学两个方面来解释。
2.1 热力学原理热力学原理指的是凝固过程中的能量变化关系和热力学原则。
钢液凝固过程中，有两个能量变化，即凝固过程中产生的凝固潜热和热导引起的凝固界面上的温度降低。
凝固过程中的能量变化与凝固速度、凝固形貌等有关。
热力学原理的研究可以揭示凝固过程中的能量平衡和相平衡关系。
2.2 动力学原理动力学原理指的是凝固过程中的物质传递和相界面演变规律。
钢液凝固过程中，凝固界面的变化与局部温度梯度、传质速率、温度分布等因素有关。
动力学原理的研究可以揭示凝固过程中的微观动态行为，如初生晶核生成、晶核生长和晶体排列等。
3. 钢液凝固的影响因素钢液凝固过程受到多种因素的影响，以下是几个常见的影响因素：3.1 温度温度是决定钢液凝固过程的重要因素。
钢液的凝固温度取决于钢的成分、合金元素和工艺。
温度对凝固速度、晶体生长速率和凝固结构形貌等都有一定的影响。
3.2 成分钢的成分是影响钢液凝固的重要因素之一。
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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）非自发开核因在钢液的凝固过程中，液相中非自发形核比自发形核所要求的过冷度小得多，只要几度到20℃过冷度就可形核，这是因为钢液中存在悬浮质点和表面不光滑的器壁，均可作为非均质形核的核心。
由于钢水不可能达到100％的纯净，故生产中这种形核是主要的形核方式。
1.3 树枝晶的形成晶核一旦形成，液体就开始发生了结晶，结晶的发展依赖于新晶核的继续产生，但更依赖于每个已有晶核的进一步长大。
凝固前沿选择结晶（溶质元素富集）的存在，造成钢液局部过冷，温度梯度促进晶体长大，形成树枝晶。
2钢液凝固的热量传递从液态钢水转变成连铸坯的整个过程中放出热量可分成三种：（1）过热：指钢水进入结晶器时的温度与钢的液相线温度之差，一般25℃左右为宜。
（2）潜热：指钢水由液相线温度冷却到固相线温度，即完成从液相线到固相线转变的凝固过程中放出热量。
（3）显热：指从固相线温度冷却到出铸机时，表面温度达到100℃左右时放出的热量。
钢水在连铸机凝固传热是在三个冷却区内实现的，即结晶器（一次冷却），辊子冷却系统的喷水冷却区（二次冷却）和向周围环境辐射传热三个区域。
从结晶器到最后一个支撑辊之间的传热包括了三种传热（辐射、传导和对流）的综合作用。
*钢水：结晶器→二冷区→空冷区大约有60%的热量放出来，铸坯才能完全凝固。
这部分热量放出的速度决定了铸机的生产率和铸坯的质量。
*铸坯切割后还有40%热量要放出来，为了利用这部分热量，节约能源，采用热送热装或连铸连轧工艺。
3 钢液在结晶器内的凝固与传热3.1从结晶器竖直的方向可将钢液凝固的过程分为弯月面区、紧密接触区、气隙区三个区域。
（1）弯月面区。
注入到结晶器内的钢液，为了能使钢液在结晶器上部良好地凝固，尽快形成一层凝固壳，应当在钢液面上保持有适宜厚度的保护渣粉渣层（20-30mm），烧结层厚度尽量薄些，液渣层厚度8-12mm，从而使液渣能顺利地流入结晶器壁与凝固壳之间，形成约0.1mm厚的液态渣膜。
热量传递：钢液→凝固壳→液态渣膜→MD器壁→一冷水。
（2）紧密接触区热量传递：钢液→凝固壳→固态渣膜→MD器壁→一冷水。
弯月面下部的凝固壳，在与铜壁紧密接触时，由于受到强烈的冷却而迅速形成初生坯壳。
坯壳则以传导传热的方式，将热量传输给铜壁。
因此，愈往接触区下部，坯壳也愈厚。
（3）气隙区紧密接触区的下部是气隙区。
气隙区是坯壳凝固到一定厚度时，发生δ－r 相转变，坯壳产生体积收缩向内弯曲，因为结晶器角部的冷却速度最快，所以首先形成了气隙，然后逐渐向结晶器的中部扩展。
气隙形成后，由于坯壳的过热度和钢液静压力作用，又使气隙消失。
接近紧密接触区的部分坯壳，实际上处于气隙形成和消失的平衡过程之中。
当坯壳厚度达到足以抵抗钢液静压力作用时，气隙稳定存在。
气隙形成后，坯壳与铜壁之间以辐射和对流的方式进行热传输。
热量传递：钢液→凝固壳→气隙→MD器壁→一冷水。
上述五个传热环节中，气隙的热阻最大，它是这个传热系统中的限制性环节。
3.2重要性钢水在结晶器内的凝固传热对铸机的生产率和铸坯的表面和皮下的质量有决定性影响。
（1）形成一定形状和一定厚度的坯壳，以保证铸坯出结晶器不漏钢。
（2）坯壳在结晶器内能否均匀生长，决定了铸坯表面和皮下质量。
3.3主要影响因素3.3.1结晶器的锥度由于钢液在凝固过程中存在收缩，结晶器内腔应制成上大下小的形状，与坯壳凝固收缩相适应，以减少气隙，增加热流和坯壳厚度，提高拉速。
板坯连铸机的窄面锥度为一般为1.0-1.3％m-1。
3.3.2结晶器冷却水的流速冷却水流速要保证在结晶器铜板水槽内水处于强制的紊流状态。
水流速过慢，水就会处于膜沸腾状态，影响传热。
水流速一般6-12m/s为宜。
3.3.3钢种成分的影响。
如：包晶钢存在γδ→相变，造成凝固收缩大，不均匀，铸坯易产生裂纹缺陷。
3.3.4结晶器保护渣理化性能。
熔化温度、熔化速度、粘度、碱度不同的保护渣对钢液在结晶器内的传热影响很大。
3.3.5浸入式水口对中。
4 铸坯在二冷区的凝固与传热钢的凝固潜热，在结晶器内是不能全部释放出来。
从结晶器内中拉出的带着液相穴的铸坯进入二冷区，经过喷水或喷雾冷却，使铸坯完全凝固，而且还要求铸坯表面温度分布均匀。
在这一过程中，铸坯接受喷水或喷雾冷却的效率要高。
其它条件相同时，铸坯的产量和质量直接受到二冷区喷水或喷雾冷却的限制。
所以二冷区的冷却强度对连铸机的生产效率影响很大。
铸坯通过传导传热，将中心部分的热量传输到铸坯表面，经喷水或喷雾使得表面温度突然降低，从而在铸坯的表面和中心之间形成较大的温度梯度，促进了铸坯的凝固。
铸坯在二冷却区，通过冷却水加热和蒸发、铸坯表面辐射传热、支承锟传导传热的方式，将铸坯的热量传输出去。
二冷制度制定的原则：连铸坯表面的温度，在二冷区内是从上到下逐渐降低的，因此，冷却水的喷水量也应该沿铸机的高度，从上到下递减。
但是，要完全做到从上到下水量递减很困难，工程现实中，常将二冷区分成几个冷却段，在每一个段内保持相同的冷却水量，段与段之间冷却水量不同，让铸坯表面温度在二冷区内逐渐降低，回温小。
采用气-----水雾化冷却的优点：（1）水流量调节范围大，一般可达1：6.5。
（2）水滴直径细小，大部分水滴小于100μm，有利于提高冷却效率。
（3）水的蒸发量达20—30％。
（4）铸坯表面冷却均匀，温度回升仅50---80℃。
（5）节约用水约50％，喷咀用量减少。
5 连铸坯的凝固组织及控制钢液的凝固时间T和凝固壳厚度D可以借助于平方根定律进行计算，即：D=K*T1/2,式中：K为凝固系数(一般取26-28mm.min-1/2)。
5．1 连铸坯的凝固组织连铸坯的凝固组织由激冷层、柱状晶层和中心等轴晶三个部分组成。
5.1.1 表面细小等轴晶层钢液注入结晶器以后，受到结晶器壁的急剧冷却，围绕结晶器的的周边形成了细小的等轴晶层。
这一层的厚度一般为2—5mm。
如果浇注温度高，细小等轴晶层的厚度减薄。
浇注温度低，细小等轴晶层的厚度增加。
5.1.2柱状晶体在已形成的细小等轴晶的基础上，一些在散热方向上具有有优先成长的晶体将继续长大。
如果在结晶前沿液相中成分过冷度很大则晶体即呈树枝状发展，从而形成了大体上平行与散热方向的树枝晶集合组织（柱状晶）。
当铸坯中心形成了等轴晶层，阻止了柱状晶的成长时，柱状晶停止生长。
浇注温度越高，则液—固相区的温度梯度越大，保持定向传热的时间就越长，有利于柱状晶的生长，柱状晶带的宽度增加。
柱状晶带的宽度增加，形成凝固桥的可能性增加，铸坯轴向偏析加重。
浇注温度低，能够为钢液的结晶提供大量的等轴晶核，较早地阻止柱状晶的生长，使等轴晶加宽。
因此扩大等轴晶带最有效的手段是尽可能在所浇钢种的液相线温度进行浇注。
但是钢液的过热度太低，会使水口冻结，夹杂上浮困难，结晶器保护渣熔化不良等。
一般中间包钢水过热度应控制在20~30℃为宜。
5.1.3中心等轴晶带中心等轴晶带由细小无规则排列的等轴晶组成。
等轴晶所占比例大小是衡量连铸坯宏观质量的标准之一。
由于铸坯始终处于强制冷却的过程，所以柱状晶比较发达，容易形成凝固桥（柱状晶贯穿铸坯中心的穿晶结构），在凝固桥下部有中心缩孔和疏松形成。
5.2 连铸坯凝固组织的控制连铸坯的内部质量，主要取决于它的凝固组织。
理想的铸坯凝固组织主要由均匀而致密的等轴晶组成，抑制铸坯内柱状晶的发展，扩大等轴晶带的措施就是创造条件，使能导致生成等轴晶的游离晶片增加。
以下是增加等轴晶带的方法：5.2.1 低过热度浇注柱状晶与等轴晶区的相对大小主要决定于浇注温度，最有效的扩大等轴晶区的办法是接近于液相线温度浇注，浇注温度高，铸坯内外温度梯度大，有利柱状晶生长，柱状晶区就宽。
5.2．2 选择合理的冷却制度均匀而缓慢冷却造成较小的温度梯度使铸坯凝固速度减慢，故能促进等轴晶的生长。
5.2．3 添加形核剂在结晶器中加入铁粉、钢丝或稀土元素粉未，可使连铸坯的等轴晶带加宽。
5.2．4 电磁搅拌电磁搅拌可以使结晶器内钢液旋转，可打断树枝晶，形成非均质形核的核心，促使等轴晶带扩大。