钢的凝固理论课件

凝固理论凝固理论凝固理论8.1 8.1 钢液结晶与凝固结构钢液结晶与凝固结构8.1.1均质形核均质形核（1）新核的形成引起系统的自由能的变化：）新核的形成引起系统的自由能的变化：体积自由能的下降体积自由能的下降：Gv(4/3)(3(GA-GB)式中：式中：球形晶核的半径；：球形晶核的半径；GA：A相体积自由能；相体积自由能；GB：A相体积自由能相体积自由能表面自由能的增加表面自由能的增加：GF42式中：式中：A、B两相界面自由能两相界面自由能（2）均质形核的条件：均质形核的条件：GGvGF(4/3)(3(GA-GB)42由图由图81可知，当可知，当G达到最大值时的晶核大小叫临界半径，在达到最大值时的晶核大小叫临界半径，在时，求：时，求：由上式可知，临界晶核半径是与过冷度成反比。由图由上式可知，临界晶核半径是与过冷度成反比。由图(8-1)可知：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；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。形核和晶核溶解处于平衡。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，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。小于临界半径晶核趋向消失。表表81纯液体金属结晶过冷度纯液体金属结晶过冷度金属金属熔点熔点过冷度过冷度SnPbAlCuMnFeNiCo505.7605.7931.713561493180317251736103801301303082953193300.2080.1330.1100.1740.2060.1610.1860.181T(k)8.1.2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，晶核与液体、固体有三个界面。处于平衡时：体、固体有三个界面。处于平衡时：式中：式中：为界面张力；为界面张力；表示晶体在夹杂物表面的润湿倾向。表示晶体在夹杂物表面的润湿倾向。晶核与夹杂物接触面积：晶核与夹杂物接触面积：球缺体积：球缺体积：球缺表面积：球缺表面积：形成晶核时系统自由能变化：形成晶核时系统自由能变化：(1)(1)体积自由能体积自由能 ：(2)产生新相界表面自由能产生新相界表面自由能 ：(3)(3)总自由能变化总自由能变化 :(4)(4)求求 和和 :而而 故：故：以以代入代入得：得：非均质形核功与均质形核功相差非均质形核功与均质形核功相差 。又知。又知，晶体独立于液体中，形核功与均质形核相同；，晶体独立于液体中，形核功与均质形核相同；，液体中质点已是一个晶核，不需任何过冷度就可形核；液体中质点已是一个晶核，不需任何过冷度就可形核；，依附于外来质点形成晶核。，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结论是非均质形核有效性决定于润湿角 。越小。越小 ，形核功就越小，就易形核，形核功就越小，就易形核，形核速率比较如图形核速率比较如图4-44-4。非均质形核的过冷度比均质形核大为减少。在实际生产。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，除模壁表面作为中主要是非均质形核，除模壁表面作为“依托依托”形成晶核外，液体金属中需含有形成晶核外，液体金属中需含有两类小质点：一类叫活性质点，如金属氧化物（两类小质点：一类叫活性质点，如金属氧化物（AlAl2 2O O3 3），其晶体结构与金属晶体），其晶体结构与金属晶体结构相似，它们之间界面张力小，可作为结构相似，它们之间界面张力小，可作为“依托依托”而形成核心。另一类是难熔物而形成核心。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，可作为存在细微凹坑和裂纹，其中尚未熔化的金属，可作为“依托依托”而形成晶体核心。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。因此，可以在钢液中加入形核剂以细化晶粒。8.1.3晶体的长大晶体的长大1.1.3.1晶体的长大的能量消耗晶体的长大的能量消耗原子的扩散原子的扩散晶体的缺陷晶体的缺陷原子的粘附原子的粘附结晶潜热的导出结晶潜热的导出8.1.3.2晶核长大的驱动力成分过冷理论晶核长大的驱动力成分过冷理论（1）成分过冷的产生）成分过冷的产生纯金属凝固：过冷是靠模壁向外传热控制纯金属凝固：过冷是靠模壁向外传热控制合金凝固：合金凝固：选分结晶选分结晶溶质元素在固相和液相的再分配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溶质浓度的不同使液相线温度不同(2)成分过冷条件，由平衡相图可知：成分过冷条件，由平衡相图可知：式中：式中：为凝固前沿液相线温度梯度；为凝固前沿液相线温度梯度；为凝为凝固前沿浓度梯度；固前沿浓度梯度；m为液相线斜率。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：等于液相线温度梯度。即：或或式中：式中：G为液体中实际温度梯度，它决定于向外界的传热。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）成分过冷与结构当固液交界面前沿出现成分过冷时，当固液交界面前沿出现成分过冷时，交界面就不交界面就不稳定了，不再保持平面结构。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、树按过冷度的大小，开始形成晶胞、晶胞树枝晶、树枝晶结构。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随成分过冷度的增加，结构形貌由晶胞发展为树枝晶。晶。8.1.3.3树枝晶凝固树枝晶凝固图图88为晶体长大成树枝晶示意图。铁为立方晶格，成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，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，直到完全凝固为止出来，直到完全凝固为止实验测定：实验测定：实验研究指出，树枝晶间距实验研究指出，树枝晶间距 l l 与凝固速度与凝固速度 和温度梯度有关。和温度梯度有关。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，并测定了了 和和 与与 和和 关系，如图关系，如图813所示。由图可得出：所示。由图可得出：上述两经验式中，对一次晶间距，指数上述两经验式中，对一次晶间距，指数m m、n n值相差较大；对二次值相差较大；对二次晶间距，晶间距，m m、n n值近似相等。不同作者得到的值近似相等。不同作者得到的m m、n n值相差较大。值相差较大。试验指出，二次枝晶间距与区域凝固时间试验指出，二次枝晶间距与区域凝固时间 关系如图关系如图814。它。它们的经验关系式：们的经验关系式：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，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。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。图图815表示了不同凝固方法的冷却速度与树枝晶间距关系。由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。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。铃木等人提出人提出 的炭钢中：的炭钢中：8.1.4凝固结构凝固结构1.1.4.1钢水凝固过程的冶金特点钢水凝固过程的冶金特点（1）相的转变相的转变稳定的稳定的相（或相（或相）凝固相）凝固例如：例如：铁素体的铁素体的Cr钢钢相凝固后转变为奥氏体相凝固后转变为奥氏体例如：例如：Ni-Cr奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢相凝固后转变为相凝固后转变为，再转变为，再转变为相相例如：低碳钢例如：低碳钢（2）钢液的流动）钢液的流动（3）凝固收缩）凝固收缩（4）裂纹敏感性）裂纹敏感性（5）凝固结构）凝固结构8.1.4.2凝固时晶体长大方式凝固时晶体长大方式（1）定向生长）定向生长（2）等轴晶长大等轴晶长大爆发形核理论爆发形核理论固体质点理论固体质点理论成分过冷理论成分过冷理论树枝晶熔断理论树枝晶熔断理论结晶雨理论结晶雨理论晶体游离理论晶体游离理论8.1.4.3连铸坯凝固结构连铸坯凝固结构（1）表皮细小等轴晶）表皮细小等轴晶厚度一般厚度一般25mm（2）柱状晶区）柱状晶区穿晶结构穿晶结构上倾一定角度：上倾一定角度：例如例如10度度（3）中心等轴晶）中心等轴晶伴随疏松、缩孔和伴随疏松、缩孔和偏析偏析8.1.4.4凝固结构对产品性能的影响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）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，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。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（）柱状晶的交界面，由于杂质（S、P、夹杂夹杂 物）富集，是裂纹容易扩展的物）富集，是裂纹容易扩展的地方，加工时易脆裂。地方，加工时易脆裂。（3）柱状晶充分发展，形成穿晶结构，）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。会造成中心疏松和缩孔，降低致密度。8.2 8.2 连铸坯凝固组织控制方连铸坯凝固组织控制方法法（1）浇铸温度）浇铸温度（2）二冷水量）二冷水量（3）液相穴内钢液的运动）液相穴内钢液的运动（4）拉速）拉速（5）连铸机类型）连铸机类型（6）加入形核剂）加入形核剂（7）喷吹金属粉末）喷吹金属粉末例如：例如：Al2O3、TiO2、VN、WC等。等。（8）外力的作用）外力的作用打碎树枝晶，增加等轴晶的核心。打碎树枝晶，增加等轴晶的核心。消除柱状晶的搭桥，消除中心疏消除柱状晶的搭桥，消除中心疏松和缩孔，减轻中心偏析。松和缩孔，减轻中心偏析。消除铸坯皮下夹杂物和弧形连铸消除铸坯皮下夹杂物和弧形连铸坯内弧夹杂物的集聚，改善铸坯坯内弧夹杂物的集聚，改善铸坯纯净度。纯净度。消除皮下针孔和表面夹渣，改善消除皮下针孔和表面夹渣，改善铸坯表面质量。铸坯表面质量。8.3 8.3 连铸过程的传热和凝固连铸过程的传热和凝固 连连铸铸机机内内，液液体体钢钢水水转转变变为为固固态态的的半半成成品品钢钢坯坯时时放放出出的热量包括的热量包括:过过热热：指指钢钢水水进进入入结结晶晶器器时时的的温温度度与与钢钢的的液液相相线线温温度度之之差差。前前者者也也叫叫浇浇铸铸温温度度，一一般般把把开开始始浇浇铸铸10mm10mm左左右右经均匀混合后在中间包测得的温度当作浇铸温度。经均匀混合后在中间包测得的温度当作浇铸温度。潜潜热热：指指钢钢水水由由液液相相线线温温度度冷冷却却到到固固相相线线温温度度，即即完成从液相到固相转变的凝固过程中放出的热量。完成从液相到固相转变的凝固过程中放出的热量。显热显热：指从固相线冷却到出铸机时，表面温度达到：指从固相线冷却到出铸机时，表面温度达到10001000左右时放出的热量。左右时放出的热量。上述热量的放出是通过辐射、传导和对流上述热量的放出是通过辐射、传导和对流三种方式进行。钢水的凝固传热是在三个冷却三种方式进行。钢水的凝固传热是在三个冷却区内实现的，即结晶器（一次冷却）、包括辊区内实现的，即结晶器（一次冷却）、包括辊子冷却系统的喷水冷却区（二次冷却）和向周子冷却系统的喷水冷却区（二次冷却）和向周围辐射传热（三次冷却）三个区域。围辐射传热（三次冷却）三个区域。辐射传热区一般是从完全凝固后开始的。辐射传热区一般是从完全凝固后开始的。而从结晶器到最后一个支撑辊之间的传热包括而从结晶器到最后一个支撑辊之间的传热包括了三种传热机制的综合作用。了三种传热机制的综合作用。8.3.1 8.3.1 结晶器传热与凝固结晶器传热与凝固 一、结晶器的作用一、结晶器的作用在在尽尽可可能能的的拉拉速速下下，保保证证铸铸坯坯出出结结晶晶器器是是形形成成足足够够厚厚度度的的坯坯壳壳，使使连连铸铸过过程程安安全全的的进进行行下下去去，同同时时决决定定了了连铸机的生产能力；连铸机的生产能力；结结晶晶器器内内的的钢钢水水将将热热量量平平稳稳的的传传导导给给铜铜板板，使使周周边边坯壳厚度能均匀的生长，保证铸坯表面质量。坯壳厚度能均匀的生长，保证铸坯表面质量。结晶器结构模型二、结晶器内坯壳生长的行为特征二、结晶器内坯壳生长的行为特征 (1)钢钢水水进进入入结结晶晶器器，与与铜铜板板接接触触就就会会因因为为钢钢水水的的表表面面张张力力和和密密度度在在上上部部形形成成一一个个较较小小半半径径的的弯弯月月面面。在在弯弯月月面面的的根根部部由由于于冷冷却却速速度度很很快快（可可达达100/s100/s），初初生生坯坯壳壳迅迅速速形形成成，钢钢水水不不断断流流入入结结晶晶器器,新新的的初初生生坯坯壳壳就就连连续续不断的生成，已生成的坯壳则不断增加厚度。不断的生成，已生成的坯壳则不断增加厚度。(2)(2)已已凝凝固固的的坯坯壳壳，因因发发生生的的相相变变，使使坯坯壳壳向向内内收缩而脱离结晶器铜板，直至与钢水静压力平衡。收缩而脱离结晶器铜板，直至与钢水静压力平衡。(3)(3)由由于于第第（2 2）条条的的原原因因，在在初初生生坯坯壳壳与与铜铜板板之之间间产产生生了了气气隙隙，这这样样坯坯壳壳因因得得不不到到足足够够冷冷却却而而开开始始回回热热，强强度度降降低低，钢钢水水静静压压力力又又将将坯坯壳贴向铜板。壳贴向铜板。(4)(4)上上述述过过程程反反复复进进行行，直直至至坯坯壳壳出出结结晶晶器器。坯坯壳壳的的不不均均匀匀性性总总是是存存在在的的，大大部部分分表表面面缺缺陷陷就是起源于这个过程之中。就是起源于这个过程之中。(5)(5)角部的传热为二维，开始凝固最快，最角部的传热为二维，开始凝固最快，最早收缩，最早形成气隙。角部区域坯壳最薄，早收缩，最早形成气隙。角部区域坯壳最薄，这也是产生角部裂纹和发生漏钢的薄弱环节。这也是产生角部裂纹和发生漏钢的薄弱环节。注入结晶器的钢液注入结晶器的钢液除受结晶器壁的强除受结晶器壁的强制冷却外，还通过制冷却外，还通过钢液面辐射传热及钢液面辐射传热及拉坯方向的传导传拉坯方向的传导传热。其传出热量的热。其传出热量的比值大约为比值大约为30:0.15:0.0330:0.15:0.03。各。各段热阻约为：坯壳段热阻约为：坯壳26%26%；气隙；气隙71%71%；结；结晶器铜壁晶器铜壁1%1%；铜壁；铜壁与冷却水界面与冷却水界面2%2%。三、影响结晶器传热的因素三、影响结晶器传热的因素 结晶器锥度结晶器锥度 结晶器保护渣结晶器保护渣 冷却水质冷却水质 结晶器材质结晶器材质 钢水成分钢水成分 经研究表明，坯壳厚度的生长服从均方根定经研究表明，坯壳厚度的生长服从均方根定律律：K K受受各各种种因因素素的的影影响响，在在一一定定范范围围内内变变化化，板板坯坯结晶器的结晶器的K K值一般取值一般取181822mm22mmmmmm-0.5-0.5。8.3.2 8.3.2 二冷区的传热与凝固二冷区的传热与凝固一、一、二次冷却传热特点二次冷却传热特点铸铸坯坯从从出出结结晶晶器器开开始始完完全全凝凝固固这这一一过过程程称称为二次冷却，二冷传热的主要方式和比例：为二次冷却，二冷传热的主要方式和比例：传热方式传热方式 约约占比例占比例%冷却水加热与蒸发冷却水加热与蒸发 5555 铸坯辐射铸坯辐射 2525 辊子传导辊子传导 1717 空气对流空气对流 3 3 在设备和工艺条件一定时，板坯辐射传在设备和工艺条件一定时，板坯辐射传热和辊子传导传热变化不大，喷淋水的传热热和辊子传导传热变化不大，喷淋水的传热就占主导地位，铸坯中心的热量是通过坯壳就占主导地位，铸坯中心的热量是通过坯壳传导铸坯表面的，当喷雾水滴打到铸坯表面传导铸坯表面的，当喷雾水滴打到铸坯表面时就会带走一定的热量，而铸坯表面温度会时就会带走一定的热量，而铸坯表面温度会突然降低，使中心与表面形成很大的温度梯突然降低，使中心与表面形成很大的温度梯度，而这就成了铸坯冷却的动力。度，而这就成了铸坯冷却的动力。从从二二冷冷的的传传热热方方式式可可以以说说明明，要要提提高高二二冷冷区区的的冷冷却却效效率率，就就必必须须研研究究喷喷雾雾水水滴滴与与高高温温铸铸坯坯之之间的热交换。可用对流传热方程来表示：间的热交换。可用对流传热方程来表示：要要提提高高二二冷冷区区冷冷却却效效率率和和保保证证板板坯坯质质量量就就要要提提高高h值和在二冷区各段值的合理分布值和在二冷区各段值的合理分布。二、二、影响二冷区传热因素影响二冷区传热因素 铸坯表面温度铸坯表面温度 水流密度水流密度 水滴速度水滴速度 水滴直径水滴直径 铸坯表面状态铸坯表面状态 喷嘴使用状态喷嘴使用状态三、三、二次冷却水的计算二次冷却水的计算“比水量比水量”是指单位重量钢水所使用的冷是指单位重量钢水所使用的冷却水量，用却水量，用L/kgL/kg表示，当确定了二次冷却各区表示，当确定了二次冷却各区段的冷却水分配比例之后，又知道浇钢的速率，段的冷却水分配比例之后，又知道浇钢的速率，就能计算出每一个冷却区的冷却水量。就能计算出每一个冷却区的冷却水量。“冷却密度冷却密度”是指铸坯在单位时间及单位面积是指铸坯在单位时间及单位面积上所接收到的冷水量，常用上所接收到的冷水量，常用L/m.minL/m.min表示。表示。结束语当你尽了自己的最大努力时，失败也是伟大的，所以不要放弃，坚持就是正确的。When You Do Your Best,Failure Is Great,So DonT Give Up,Stick To The End谢谢大家荣幸这一路，与你同行ItS An Honor To Walk With You All The Way演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日