連鑄鋼水質量控制第1頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月要想使連鑄生產穩(wěn)定高效地進行，并且保證鑄坯質量，首先要準備好成分、溫度、脫氧程度及純凈度都合格的鋼水。這里重點介紹鋼水溫度的要求。另外，煉鋼工序和連鑄工序要緊密配合，步調一致。第2頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)

鋼水溫度控制第3頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月1.液體與固體物質的三種存在形態(tài)：固體、液體、氣體?固體：能夠抵抗來自外部的剪切力，能夠自己保持其原有形狀。在晶體物質的結構中，原子在空間上是按規(guī)則的幾何形狀排列的，遠程有序。?氣體：原子或分子在空間上的排列是無序的。PV=RT第4頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月1.液體與固體?液體：只能抵抗很小的剪切力，其外形取決于容器形狀，可以流動。?凝固：液態(tài)—固態(tài)的過程，因此液態(tài)金屬的結構對凝固后的組織會有影響。?液態(tài)金屬的結構？第5頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月液態(tài)的結構結構：長程無序而短程有序。特點：（與固態(tài)相比）原子間距較大、原子配位數較小、原子排列較混亂。1.液體與固體第6頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月

常用金屬熔化時的體積變化1.液體與固體第7頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月常見金屬的熔化潛熱和汽化潛熱1.液體與固體第8頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月?潛熱主要是原子之間的鍵破壞需要的能量，可見原子之間的鍵的破壞主要發(fā)生在液－汽轉變。?液態(tài)更接近與固態(tài)的結構。?關于液態(tài)金屬結構的研究表明：液態(tài)金屬是近程有序的。1.液體與固體第9頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月

凝固過程發(fā)生放熱，液態(tài)金屬轉變?yōu)楣腆w金屬的過程，從而改變各相自由能，從而改變各相相對穩(wěn)定性，凝固象化學反應一樣，也需要熱起伏來驅動，即原子從母相遷移到新相的概率大于相反方向遷移的概率時，相變才能發(fā)生。從微觀來看，凝固是金屬原子從無序狀態(tài)到有序狀態(tài)的轉變，也就是液體中無規(guī)則的原子集團轉變?yōu)榘匆欢ㄒ?guī)則排列的固態(tài)結晶體。凝固過程主要是晶體或晶粒的生成和長大過程，所以也稱結晶。1.液體與固體第10頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬在凝固過程存在兩個界面，固液界面、金屬鑄型界面，在兩個界面存在復雜的傳熱。凝固過程的液體由于溫差將引起對流，由于溫度不同造成熱膨脹的差異，從而引起密度的不同，在重力場中密度較小的流體受到浮力的作用。同樣，液體成份不均勻時也會因為密度的不同引起浮力，密度不同而產生的浮力是對流的驅動力。當浮力大于粘滯力時，即會產生對流（自然對流）。1.液體與固體第11頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月2.冷卻曲線與凝固溫度結晶過程的分析方法

--熱分析第12頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月?完全熔化后的金屬在幾近絕熱的情況下冷卻，得到冷卻曲線。?液態(tài)金屬變成固態(tài)金屬過程中，固液并存，此時，液態(tài)金屬變成固態(tài)金屬時放出熱量，抵消了自然溫度的下降。?液態(tài)金屬完全凝固時，溫度繼續(xù)下降。?溫度不變化的數值，即凝固溫度-平衡凝固溫度。2.冷卻曲線與凝固溫度第13頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月過冷結晶潛熱2.冷卻曲線與凝固溫度第14頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月2.冷卻曲線與凝固溫度金屬凝固時的過冷過冷：金屬的實際結晶溫度總是低于其理論結晶溫度的現象。過冷度：金屬材料的理論結晶溫度(Tm)與其實際結晶溫度To之差△T=Tm-To。注：過冷是結晶的必要條件，結晶過程總是在一定的過冷度下進行。第15頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月原因：溫度冷卻過快，液態(tài)變成固態(tài)比較慢，液態(tài)金屬變成固態(tài)金屬釋放的能量來不及彌補溫度下降速度。冷卻條件不同，得出的冷卻曲線也不同。2.冷卻曲線與凝固溫度第16頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月2.冷卻曲線與凝固溫度凝固溫度

純金屬：熔點合金：液固相線溫度第17頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月3.過冷與形核結晶的基本過程液體中瞬時有許多規(guī)則排列的原子團，時聚時散。結晶規(guī)律：結晶過程是晶核不斷形成和長大的過程晶粒立體長大形核晶核長大不斷生成新晶核長大相碰晶粒多晶體第18頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月形核長大形成多晶體兩個過程重疊交織3.過冷與形核第19頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月描述結晶進程的兩個參數形核率：單位時間、單位體積液體中形成的晶核數量,用N表示。長大速度：晶核生長過程中，液固界面在垂直界面方向上單位時間內遷移的距離,用G表示。3.過冷與形核第20頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月3.過冷與形核凝固的基本條件--固液相變的驅動力在熔化溫度(Tf)下，金屬固、液相處于平衡狀態(tài)。T=Tf時，固液系統自由能：G=H-TSH為克分子焓、S為克分子熵當金屬由液相向固相轉變時，單位體積自由能變化：在T與熔化溫度Tf相差不大時：第21頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月3.過冷與形核第22頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月由上式可知：?過冷度△T是鋼水結晶的必要條件。?過冷度△T越大，△G越負，結晶越容易。?要得到過冷度，系統自由能必須減少，而自由能減少就是內能的減少，內能是以潛熱形式放出的，結晶是個放熱過程。然而，一定的過冷度只是必要條件，并不是說只要具有合適的過冷度，金屬結晶就必然發(fā)生。3.過冷與形核第23頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月3.過冷與形核凝固的基本條件--結構條件液態(tài)結構模型：微晶無序模型（準晶體模型）結構起伏（相起伏）：不斷變換著的近程有序原子集團，大小不等，時而產生，時而消失，此起彼伏，與無序原子形成動態(tài)平衡，這種結構不穩(wěn)定現象稱為結構起伏。第24頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月3.過冷與形核形核

--均質形核分為均質形核和非均質形核?均質形核：（Homogeneousnucleation)由游動的原子團簇自己逐漸長大而形成晶核的過程，也稱為自發(fā)形核。?非均質形核：（Heterogeneousnucleation)在外來質點的表面上生核的過程，也稱為異質生核或非自發(fā)形核。第25頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月對均質形核而言：

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達到一定過冷度后，液態(tài)金屬中結構相似、體積微小、近程有序的“原子集團”轉變成規(guī)則排列而穩(wěn)定下來成為晶核。

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液體的體積自由能大，固體的體積自由能小。

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但在液體中形成固體時，會產生表面能。

即在形核過程中，體積自由能減小，表面能增大，只有體積自由能減小的趨勢大于表面能增大的趨勢時，晶核才能穩(wěn)定。3.過冷與形核第26頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月3.過冷與形核對均質形核而言該過程的系統自由能變化為：該部分是結晶的驅動力第27頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月3.過冷與形核但是，當晶核形成以后，產生了液-固界面，出現界面自由能。A液固界面面積，界面能。這部分是結晶的阻力這樣，均質形核的自由能變化實際是兩個自由能的代數和。即：第28頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月界面張力：作用在液體表面單位長度上的力，它正好抵消相反方向使面積增加的外拉力，叫做界面張力。界面能3.過冷與形核第29頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月3.過冷與形核假設析出晶核為球形，有下式：則上述代數和為：第30頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月?如圖，ΔG總隨變化曲線有一最高值。相當于曲線最高值對應的r就是晶核的臨界尺寸以rc

來表示。?當能量漲落，晶坯可能達到臨界尺寸時，晶核才可能出現，結晶才會開始。否則，即使液體有了過冷度，也不會進行結晶。3.過冷與形核第31頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月rc的大小可按照求最大值的方法對上式求解：3.過冷與形核令可得：另外即得到：第32頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月3.過冷與形核可以看出，過冷度越大，rc越小。另一方面，ΔT越大，最大尺寸的晶坯尺寸r’也越大。第33頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月二者結合，得到兩曲線的交叉點NΔT*即為亞穩(wěn)極限過冷度。ΔT<ΔT*時，r’<rc，難于成核ΔT=ΔT*時，r’=rc，正好達到成核要求，結晶開始ΔT>ΔT*時，r’>rc，結晶穩(wěn)定進行ΔT越大，晶核形成速率越大，但形核也需要子的跳動。ΔT太大時，原子的活動能力太弱，反而利于形核。所以，晶核的形成速率和ΔT具有比較復雜的關系。3.過冷與形核第34頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月代入：將：得到：ΔGc為晶核的形成功，或形核功。依靠系統的能量漲落來提供，與ΔT成反比，ΔT越大，ΔGc越小，越有利于形核。3.過冷與形核第35頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月根據結構起伏理論，液相中存在著大量的準固態(tài)原子集團，這些原子集團是時聚時散的，但當過冷液相中半徑為rc的原子集團獲得一個新的原子后將變成穩(wěn)定的晶體。

均質形核速率：單位時間單位體積液相形成的晶核數目。3.過冷與形核第36頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月均質形核速率：N—單位體積液相中的原子總數；k—玻耳茲曼常數；h—普朗特常數；a—晶核形狀因子，對于球形晶核ΔGA—原子躍遷穿透液固界面的激活能；ΔGV—體積變化自由能；I—形核速率，為單位時間、單位體積液相中形成的晶核數目。3.過冷與形核第37頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月對非均質形核而言：

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正常情況下，均質形核很少見，在許多情下，形核依賴于液相中的固相質點表面和各種界面進行，發(fā)生異相形核。

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并非所有固相質點表面都能使新相形核，必須以金屬新相能夠浸潤質點表面為前提。3.過冷與形核第38頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月為便于分析，假設作為生核