13.3 钢的凝固及连铸坯的凝固结构解析

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13.3.1
钢凝固结晶的特点
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13.3.2
成分过冷
钢结晶过程中，在结晶前沿会有溶质大量析出并积聚，这样固相中溶质浓度就会 低于原始浓度。这种现象称之为选分结晶。 温度过冷是钢液结晶的必要条件之一。由于选分结晶，钢液结晶还伴随成分变化 ，并对过冷也产生影响。图13-20表达了浓度为C0合金的成分过冷过程。图1320(b)中， C0成分合金的结晶方向与散热力向相反，液相的热量通过已凝固晶体 散出，这样得到如图13-20(c)所示的温度分布。
生产工艺中可采取以下措施来控制偏析： (1)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。 (2)合适的铸坯断面。小断面可使凝固时间缩短，从而减轻偏析。 (3)采用各种方法控制钢掖的流动。如适宜的浸入式水口、加入Ti、B等变性剂等。 (4)工艺因素。如：适当降低浇注温度和浇注速度有利于减轻偏析；防止连铸坯鼓肚变形 可消除富集杂质母液流入中心空隙，以减小中心偏析等。 (5)降低钢液中s、P含量。 (6)电磁搅拌。搅拌可打碎树枝晶、细化晶粒、减小偏析。 (7)凝固末端的轻压下技术。
实践证明，过冷度的大小对晶粒形态有决定性的 影响。当过冷度很小时，晶粒规则生长，其表现为 凝固前沿平滑地向液相推进；当过冷度较大时，凝 固前沿则跳跃式向液相推进，形成柱状晶。
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13.3.3
化学成分偏析
在最终凝固结构中溶质浓度分布是不均匀的，最先凝固的部分溶质含量较低，而 最后凝固的部分溶质含量则很高。这种成分不均匀的现象称为偏析。它分为宏观偏析 和显微偏析。 在实际生产中，钢液是在快速冷却条件下结晶，因而属于非平衡结晶。图13-22 说明钢被凝固的非平衡过程。结晶开始形成的树枝晶较纯，随着冷却，外层陆续形成 溶质浓度为f’2．‘’2 的树枝晶，含有浓度较高溶质元素，如图13-23所示。形成 了晶粒内部溶质浓度的不均匀性，中心晶轴处浓度低，边缘晶界处浓度高。这种呈树 枝分布的偏析称为显微偏析或树枝偏析。 显微偏析大小可用显微偏析度来表示：
13.3 钢的凝固及连铸坯的凝固 结构
13.3.1
连铸钢液的准备
13.3.2
成分过冷
13.3.3
化学成分偏析
13.3.4凝固收缩Your company slogan
13.3.5
连铸坯的凝固特征和结构特点
13.3.6
连铸凝固传热过程的数学模拟
13.3.7
连铸坯冷却过程中的相变和应力
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结晶温度范围和两相区宽度的关系中可以看出∆Tc对凝固组织的影响。由于钢液 结晶是在一个温度区间内完成的，因此在这个温度区间里固相与液相并存。实际的 结晶状态如图13-19所示。 钢液在S线左侧完全凝固，在L线右侧为全部液相，在S线与L线之间固-液相并存 ，称此为两相区，S线与L线之距离称为两相区宽度∆X。当∆X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的致密性变 差，易形成气孔，偏析也较严重。 两相区宽度与结晶温度范围梯度有关，可用下式表示：
13.3.1
钢凝固结晶的特点
不论连铸还是模铸．其工艺实质是完成钢从液态向固态的转变，也就是钢的结晶 过程。钢的结晶需两个条件： (1)一定的过冷度，此为热力学条件； (2)必要的核心．此为动力学条件。 钢液中含有各种合金元素，它的结晶温度不是一点，而是一个温度区间．见图 13-18。钢水在Tl开始结晶，到达Ts结晶完毕。 Tl与Ts的差值为结晶温度范围，用 ∆Tc表示，即
当A＞1时，称偏析为正，即正偏析；当A＜1时，称偏析为负，即负偏析。
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13.3.3
化学成分偏析
影响显微偏析的主要影响因素：1)冷却速度；2)溶质元素的偏折倾向；3)溶质 元素在固体金属中的扩散速度。 钢液在凝固过程中，铸坯横截面上最终凝固部分的溶质浓度高于原始浓度。未凝 固钢液的流动，导致整体铸坯内部溶质元素分布的不均匀性，即宏观偏析。宏观偏 析也称低倍偏析，可通过化学分析或酸浸显示铸坯的宏观偏析。 宏观偏折的大小可用宏观偏析量来表示：
(3)固态收缩。钢由固相线温度降至室温，钢处于固态，此过程的收缩称固态收
缩。由于收缩使铸坯的尺寸发生变化，故也称线收缩。其收缩大约为总量的7％-8 ％。 三种收缩中，固态收缩量最大，在温降过程中会产生热应力，在相变过程中会 产生组织应力。应力是产生铸坯裂纹的根源。因此，固态收缩对铸坯质量影响相当
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13.3.2
成分过冷
当合金冷却至Tl时。从液相中结晶出固相，继续冷却至Ts时，结晶出固相的成分 C0。根据平衡关系，这时在液-固相界面上与固相平衡的液相成分为CL。很明显CL 远大于C0 ，图13-20(d)为组分浓度在液相中的分布曲线。在液相中组分的浓度随 着与相界面距离的增加．从CL降至C0 。 由于相界面前沿液相成分的变化，相应地引起平衡结晶温度的改变。离相界面近 的液相中组分浓度高，这部分液相的结晶温度较低，即贴近相界面处液相的结晶温 度就是对应于CL成分液相线上的平衡温度Ts ；反之，远离相界面液相结晶温度则较 高。这就得到图13-20(e)所示的结晶温度和距相界面的关系曲线。从图1320(e)可见，此时液相内的实际温度分相与之有较大差别，这个差别就是阴影部分 。在阴影区内合金的温度均低于液相的平衡结晶温度，即均处于过冷状态。过冷度 大小是有区别的，其数值可通过图13-2l求出。做垂线x，它被结晶温度分布曲线与 实际温度分布曲线所截，得到线段AB，AB之长即为所求。从图13-21中可以看出 固-液相界面的过冷度已经降低，其过冷度甚至比远离相界面处还小，这种凝固前沿 过冷度减少的现象称为成分过冷。
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13.3.4
凝固收缩
热胀冷缩现象在钢凝固过程中表现为凝固收缩。它包含三方面的收缩： (1)液态收缩。钢液由浇铸温度降至液相线温度过程中产生的收缩，即过热度消 失时的体积收缩。这个阶段钢保持液态，收缩量为1%。 (2)凝固收缩。钢掖在结晶温度范围形成固相并伴有温降，这两个因素均会对凝 固收缩有影响。结晶温度范围越宽，收缩量就越大。凝固收缩量约为总量的4％。