第二章.鋼液凝固的基本原理

鋼液的凝固不僅是一個由液體轉變為固體的物態變化過程，而且也是一個復雜的物理化學變化過程。在鋼液發生物態轉變的同時，還伴隨有鑄坯組織結構的形成、成分偏析、二次脫氧產物的生成與排出、氣體的析出、凝固收縮以及傳熱冷卻等一系列的變化。鋼液凝固條件的改變對鑄坯的組織結構、化學成分、力學性能將產生不同程度的影響。第一頁，共五十四頁。§2—1金屬的結晶條件

當溫度降到凝固點以下時，金屬便由液態轉變為晶體狀態，這一過程稱為結晶，也叫凝固。從金屬內部結構看，發生了金屬原子從近程有序排列過渡到遠程有序排列并固定下來的變化。一.結晶的熱力學條件過冷度（ΔT）：理論結晶溫度與實際結晶溫度之差值。金屬結晶的熱力學條件：必須具有一定的過冷度。

ΔT＝T0－Tn第二頁，共五十四頁。如圖：固液兩相自由能與溫度的關系第三頁，共五十四頁。第四頁，共五十四頁。金屬的結晶過程也是一個放熱過程。結晶釋放的潛熱和逸散，是影響結晶過程的重要因素之一。當潛熱的釋放等于或小于以一定速度冷卻而散發到周圍環境中去的熱量時，溫度或保持恒定或不斷下降，結晶可以繼續進行，直至完全凝固，或達到新的平衡；當釋放的潛熱大于散發掉的熱量時，溫度會回升，直到結晶停止進行，甚至有時局部區域還會發生重熔現象。第五頁，共五十四頁。第六頁，共五十四頁。二.結晶的動力學條件1.晶核的形成①均質形核在液相中直接產生晶核。即在一定的過冷度下，液態金屬中一些體積很小的近程有序排列的“原子集團”轉變成規則排列并穩定下來的坯胎晶核，這一過程稱為均質形核。形成新相晶核系統自由能的變化包括：A.在液相中形成晶核時引起體積自由能的降低；B.形成晶核時產生固、液交界面導致表面自由能的增加。第七頁，共五十四頁。系統獲得的過冷度越大，臨界半徑rk

越小，液態金屬就越容易結晶。第八頁，共五十四頁。②異質形核依靠液體金屬中已經存在的固、液相質點形成晶核的過程。實際上金屬中或多或少都含有異相雜質，故金屬結晶時大都為異質形核。第九頁，共五十四頁。第十頁，共五十四頁。2.晶體的長大⑴晶體的生長方式A.平面生長（正溫度梯度條件下）固體表面在宏觀上看起來是平滑的，即固、液界面呈平面狀向液相推進。B.樹枝晶生長（負溫度梯度條件下）固體表面上的偶然凸起便可深入到液體中過冷度較大的地方生長，形成一些伸長的晶柱并在側面產生分枝，形成樹枝狀晶體。C.胞狀生長（過冷度較小）固相表面某些偶然凸出的部分可能會伸入過冷區長大，但不能向縱深發展，使生長的界面介于平面和樹枝狀之間，形成一種凹凸不平的類似胞狀的結構。第十一頁，共五十四頁。第十二頁，共五十四頁。⑵樹枝晶長大一般結晶總是在溶質偏析最小和散熱最快的地方優先生長。由于棱角比其他方向導熱性好，且離未被溶質富集的液體最近，因此棱角方向的長大速度比其他方向要快。鐵為立方晶格，呈正六面體結構，從八個角長成為菱錐體的尖端，就構成了樹枝晶主軸（一次軸），然后在主軸側面長出分叉叫二次軸，再生出三次軸，依次發展下去，直到晶枝彼此相遇，形成一個樹枝狀晶體。各方向的主軸都得到較均勻發展的樹枝晶稱等軸晶；只有某一方向的主軸得到突出發展的樹枝晶稱柱狀晶。在實際鋼錠或鑄坯中，晶體有兩種長大情況：A.定向生長—柱狀晶B.等軸生長—等軸晶第十三頁，共五十四頁。樹枝晶生長示意圖：第十四頁，共五十四頁。⑶結晶后的晶粒大小取決于晶核的生成速率（成核數目∕m3﹒s）和長大速率V（cm∕s）。成核率N愈大，長大速率V愈小，則晶粒愈細。N、V與ΔT的關系：第十五頁，共五十四頁。第十六頁，共五十四頁。§2—2鋼液的結晶鋼是以鐵為基礎的合金，含有多種元素。鋼的凝固屬于非平衡結晶。其特點如下：A.結晶過程必須在一個溫度范圍內進行并完成；B.結晶過程為選分結晶，最初結晶出的晶體比較純，溶質元素的含量較低，熔點較高，最后生成的晶體溶質元素的含量較多，熔點也較低，而且無論是晶體或液體的成分，都隨著溫度的下降而不斷地變化著，只有當結晶完畢后，并且達到平衡時，晶體才有可能達到和原始合金一樣的成分。第十七頁，共五十四頁。一.鋼液結晶的溫度范圍和兩相區構成結晶溫度范圍：ΔT結晶＝T液－T固確定結晶溫度范圍的意義：T液是確定澆注溫度乃至出鋼溫度的基礎；ΔT結晶的大小對結晶組織有至關重要的影響。鋼液結晶的溫度范圍及結晶過程中固相和液相的成分變化如圖所示。第十八頁，共五十四頁。第十九頁，共五十四頁。1.結晶溫度范圍：由液相線至固相線之間的溫度區間。用ΔT結晶表示。ΔT結晶＝T液-T固2.三個結晶區域：固相區、兩相區和液相區。在兩相區內進行著形核晶核的長大過程，鑄坯的凝固就是兩相區由鑄坯表面逐漸向鑄坯中心推移的過程。3.兩相區的寬度ΔX主要取決于鋼液的結晶溫度范圍（ΔT結晶）和凝固前沿熔體中的溫度梯度（dT∕dX）。

ΔX＝·ΔT結晶

第二十頁，共五十四頁。結晶溫度范圍越寬、鋼液過熱度越低和鑄坯表面冷卻強度越小，則兩相區越寬。當ΔX較大時，晶粒度較大，反之則小。晶粒度大，意味著樹枝晶發達，發達的樹枝晶使凝固組織疏松，易形成氣孔，偏析也較嚴重。若要減小ΔX，應從加強冷卻強度入手并落實到具體的工藝措施之中。第二十一頁，共五十四頁。二．成分過冷1.選分結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鋼中分配的濃度要小，而在液相鋼（母液）中分配的濃度要大。所以在鋼水結晶過程中，結晶前沿會有溶質大量析出并積聚，圍繞凝固著的晶體積累了一層溶質富集層，使固相中溶質濃度低于原始濃度。這種現象即選分結晶。

第二十二頁，共五十四頁。2.成分過冷鋼液的結晶不僅與溫度過冷有關，還與結晶時液相成分的變化有關。結晶中的選分結晶現象使凝固前沿液相的成分發生了變化，引起液相的凝固點改變，從而改變了凝固前沿的過冷情況。⑴成分過冷的產生（如圖）ａ—合金冷卻鋼結晶出固相時的示意圖；ｂ—合金的結晶與散熱方向示意圖；ｃ—液相熱量散出的溫度分布示意圖；ｄ—B組元成分在液相中的分布曲線示意圖；ｅ—熔點與相界面距離的關系曲線示意圖第二十三頁，共五十四頁。第二十四頁，共五十四頁。實際上鋼液的結晶過程不可能達到平衡，相界面上有過冷度存在，但此過冷度會因雜質含量高，液相熔點下降而降低。此外，結晶過程中放出的潛熱消散在界面兩側的固體和液體中，這使界面液相實際溫度稍有升高，從而進一步降低了界面上的過冷度，但過冷度決不會達到零，這種相界面上過冷度下降的現象稱為“過冷”的降低。第二十五頁，共五十四頁。⑵影響成分過冷的因素若增加凝固速度，減小溶質在液相中的擴散系數，減少液相中的溫度梯度以及增加溶質濃度，將增加成分過冷。第二十六頁，共五十四頁。⑶成分過冷和溫度過冷的區別A.溫度過冷

結晶中熱量的散失使液體的實際溫度下降到凝固點以下獲得的過冷。這種過冷完全受散熱條件控制。B.成分過冷結晶中純粹由溶質成分偏析引起的過冷度變化。溶質偏析越大，引起的成分過冷變化也越大。第二十七頁，共五十四頁。⑷成分過冷對結晶的影響鋼液結晶時，成分過冷對晶體的生長方式有直接的影響。如果溶質濃度的分布一定，即液相的熔點曲線一定時，成分過冷將隨溫度梯度而變化：溫度梯度越小，實際溫度曲線越平緩，則成分過冷度越大，過冷區也越寬；反之，溫度梯度越大，即實際溫度曲線越陡，則成分過冷度便越小，過冷區也越窄。對鋼液來說，在正溫度梯度的條件下的晶體生長方式：A.若凝固前沿沒有成分過冷，晶體的生長方式為平面生長；B.若有較小的成分過冷，則為胞狀生長；C.若凝固前沿的成分過冷很大，則以樹枝狀的方式生長。第二十八頁，共五十四頁。第二十九頁，共五十四頁。三.化學成分不均勻現象1.偏析概念⑴偏析：鑄坯中化學成分（溶質成分）不均勻的現象。⑵分類：A.顯微偏析：發生在一個或幾個晶粒范圍內的偏析。μmB.宏觀偏析：在鑄坯內大范圍的偏析。cm第三十頁，共五十四頁。2.偏析產生的原因⑴顯微偏析的產生與結晶的不平衡性（非平衡結晶）有關。如圖所示：第三十一頁，共五十四頁。實際生產中，鋼液的結晶是一種非平衡結晶，必須在液相線溫度以下才能開始，并在固相線溫度以下才能結束。由于冷卻速度較大，鋼液在冷卻到各個溫度時，沒有足夠的時間來完成結晶過程和擴散的均勻化，就繼續往下冷卻，致使在各溫度下的結晶過程和擴散過程都不能進行到底。這樣就使固相和液相的平均成分線都偏離了平衡時的固相線和液相線，所得固體先、后結晶的各部分具有不同的溶質元素濃度：結晶初期形成的樹枝晶較純，而后結晶的部分則含有較多的溶質元素，造成了固體晶粒內部溶質濃度的不均勻性。第三十二頁，共五十四頁。顯微偏析程度可用顯微偏析度來衡量：A＝C間∕C軸當A

﹥1時，正偏析；當A﹤1時,負偏析；當A＝0時，無偏析。第三十三頁，共五十四頁。影響顯微偏析的因素：A.冷卻速度加大冷卻速度，縮短凝固時間，溶質元素沒有足夠時間析出，則樹枝晶的間距小，枝杈多，可大大減輕合金的樹枝偏析。B.溶質元素的偏析傾向所有元素在鐵中都能形成偏析，其中，C、P、S是強偏析元素。C.溶質元素原子在固體金屬中的擴散速度。D.固態相變E.鋼液流動引起鋼液流動的因素：注流的注入，鋼水的溫度差、密度差，鑄坯鼓肚變形，氣體、夾雜的上浮等。第三十四頁，共五十四頁。樹枝偏析的形成：第三十五頁，共五十四頁。⑵宏觀偏析的產生由于凝固過程中選分結晶的作用，使兩相區樹枝晶間的液體富集了溶質元素。同時鋼液凝固時液體的溫度差。密度差、體積收縮以及氣體的排出等引起了液體的對流運動，將富集溶質的液體帶到未凝固的區域，從而導致了整個鑄坯內溶質元素的不均勻分布。宏觀偏析程度可用宏觀偏析量表示：

B＝（C－Co）∕Co×100％第三十六頁，共五十四頁。3．偏析的控制⑴增加鋼液的冷凝速度。通過抑制選分結晶中溶質向母液深處的擴散來減小偏析。⑵合適的鑄坯斷面。小斷面可使凝固時間短，從而減輕偏析。⑶采用各種方法控制鋼液的流動。如適宜的浸入式水口。⑷電磁攪拌。攪拌可打碎樹枝晶、細化晶粒、減小偏析。⑸工藝因素。適當降低注溫和拉速、防止鑄坯鼓肚等。⑹降低鋼液中P、S含量。第三十七頁，共五十四頁。四.夾雜物、氣體的形成和排出1.凝固夾雜⑴凝固夾雜的形成過程A．由于選分結晶，溶質在凝固前沿不斷富集。B．在凝固前沿濃度很高的元素之間發生反應形成化合物。

〔Me〕＋〔X〕=(MeX)C.凝固前沿生成的化合物增多并聚集成為夾雜物。

n(MeX)＝(MeX)nD.夾雜物部分上浮，未上浮部分滯留在鋼中成為凝固夾雜物。第三十八頁，共五十四頁。⑵減少夾雜物的措施A.減少鋼中含氧量。防止冶煉過程的過氧化，脫氧要完全，并可采用爐外精煉技術對鋼液進行處理。B.減少鋼中硫含量。采用鋼包處理或爐外精煉新技術，也可加入其它合金元素來控制硫化物的形態和分布，以減少它的危害。C.采取各種措施防止夾雜物進入鋼液出鋼擋渣、防止鋼包下渣、保護澆注、防止二次氧化、使用性能合適的保護渣、采用高質量的耐火材料、保證澆注系統的清潔。第三十九頁，共五十四頁。D.創造條件促使夾雜物上浮采用大容量深熔池的中間包、采用形狀適宜的浸入式水口、結晶器內使用“電磁攪拌”技術。

E.控制夾雜物的粒度、形態和分布加鈣或稀土RE等元素，對夾雜物進行變性處理；加Mn，可提高[Mn]∕[Si]比值，以生成MnS夾雜物取代FeS夾雜物，減小熱脆性。加入適量的鋁利用AI2O3作為夾雜物的核心，增加夾雜物數量的同時減小其粒度。

F.加速凝固縮小結晶時間，降低母液高濃度溶質聚集及其形成的夾雜物。

G.抑制鋼液的流動第四十頁，共五十四頁。2.凝固氣泡產生原因：鋼液在澆注過程中，由于氣體在鋼液中的溶解度隨鋼液溫度的降低而下降，并且在由液體凝固成固體時，溶解度會陡降，所以氫、氮、氧都會在這個過程中富集和析出。CO氣泡：由于鋼液脫氧不良而產生。H2

、N2氣泡：由于物料潮濕、鋼液吸氣而產生。危害：皮下氣泡、白點、甚至漏鋼。第四十一頁，共五十四頁。五.凝固收縮鋼液在凝固和冷卻過程中所發生的體積和線尺寸減小的現象。1.液態收縮：鋼液從過熱度冷卻到液相線溫度時的收縮。1％取決于鋼液成分和過熱度。2.凝固收縮：鋼液從液相線溫度冷卻到固相線溫度時的收縮。4％取決于鋼的成分和凝固溫度范圍。凝固溫度范圍越大，收縮量就越大。總的來看，中、高碳鋼的凝固收縮比低碳鋼大，其縮孔、疏松也比低碳鋼嚴重。第四十二頁，共五十四頁。3.固態收縮：由固相線溫度冷卻到常溫時產生的收縮。7～8％取決于固相線到室溫這一段的溫度變化以及相組織的變化（例如包晶反應引起體積收縮，奧氏體轉變為珠光體時發生體積膨脹）。鋼的總收縮e總＝e液＋e凝＋e固

影響：縮孔、疏松、內裂。第四十三頁，共五十四頁。§2—3鑄坯凝固、冷卻過程應力一.熱應力（收縮應力）鑄坯在凝固和冷卻過程中發生的凝固收縮和固態收縮受到阻礙時（通常表現為線收縮受阻時），將產生收縮應力。由于線收縮量主要與溫度有關，故這種應力又稱為熱應力。第四十四頁，共五十四頁。1.產生原因：鑄坯表面與內部的溫度差使線收縮量不等，產生相互的牽制而造成的。鑄坯冷凝初期，表面溫度遠低于中心溫度，造成表面比中心收縮大，因此表面承受拉應力，中心承受壓應力。隨著冷卻的繼續進行，中心部分溫度的降低，使中心收縮比表面大，因此表面由承受拉應力轉為承受壓應力，而中心部分則由開始的承受壓應力轉為承受拉應力。第四十五頁，共五十四頁。熱應力變化示意圖：

第四十六頁，共五十四頁。2.影響因素：⑴鑄坯表面與內部的溫度差溫度差越大，線收縮量的差別愈大，鑄坯截面上各層間收縮的相互阻礙也愈嚴重，產生的熱應力也就愈大。⑵鋼中含碳量。高碳鋼的固、液兩相區寬，體積收縮量大，線收縮量小，故熱應力相對較小；低碳鋼的兩相區窄，體積收縮量小而線收縮量大，故熱應力相對較大。⑶鋼中合金元素的含量。總的趨向是，凡使鋼液凝固區間（固、液兩相區）增大的合金元素（如鎳、硅、磷）的含量增加，線收縮減少，從而使熱應力減小；而使鋼液凝固區間縮小的合金元素含量增加時，則線收縮增加，熱應力也增加。第四十七頁，共五十四頁。二.組織應力固態鋼在冷卻過程中因發生相變而引起的體積膨脹受阻時所產生的應力稱為組織應力。第四十八頁，共五十四頁。1.產生原因：鑄坯冷卻時的散熱是由內向外進行的，表面溫度低而中心溫度高，因而鑄坯表面與內部組織轉變的時間不同，發生體積膨脹的時間也不同，這樣就使鑄坯截面上各層間的體積膨脹受到了相互的制約，從而產生了組織應力。組織應力的分布：當鑄坯先凝固的表面發生奧氏體向珠光體（或馬氏體）轉變時，引起表面層體積增加，而心部的奧氏體未變，將阻礙表面體積的增大，使表面產生壓應力，心部產生拉應力。鑄坯繼續冷卻，當心部奧氏體向珠光體（或馬氏體）轉變時，表面層已經完成了轉變，內部體積的增大使表面受拉應力，而心部受壓應力。

第四十九頁，共五十四頁。2.影響因素：⑴冷卻速度在發生組織轉變的溫度范圍內，冷卻速度越快，鑄坯內外溫差越大，體積變化受到的阻力也越大。⑵鋼種成分如40Cr（珠光體鋼）容易在冷卻到723℃以下時產生裂紋。因為723℃正是它的相變溫度。第五十頁，共五十四頁。三.機械應力指鑄坯在下行和彎曲、矯直過程中受到的應力。彎曲應力、矯直應力的大小取決于鑄坯的厚度和彎曲（或矯直）時的變形量。鑄坯斷面大、彎曲（或矯直）點少、連鑄