1、第八章第八章 钢的凝固理论钢的凝固理论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，
2、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。rr表表81
3、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SnPbAlCuMnFeNiCo505.7605.7931.71356149318031725173610380130130308295319330 0.2080.1330.1100.1740.2060.1610.1860.181fTT)(KfT(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：lccxlrcos式中：式中：为界面张力；为界面张力；表示晶体在夹杂物表
4、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 ：)cos1(22r)coscos32(3122r)cos1(222rrhrGGrGr)coscos32(3122(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：rGG)31)(coscos32(222lcrGrGGr0)(rG02)coscos32(22Grrlc,0coscos322022Gr
5、rlcGrlc2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。非均质形核的过冷度比均质
6、形核大为减少。在实际生产中主要是非均质形核，除模壁表面作为产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（有两类小质点：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），其晶体结构与金属晶体结构相似，它们之间界面张力小，可作为晶体结构相似，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存在细微
7、凹坑和裂纹，其中尚未熔化的金属，可作为往往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。心。因此，可以在钢液中加入形核剂以细化晶粒。rG222coscos32)(34GGlc)coscos32(4121800180cos010cos18008.1.3 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
8、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
9、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为液体中实际温度梯度，它决定于向外界的传热。热。dxdCmdxdTdxdTdxdCtrdxdTGdxdCmG（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、按过冷度的大小，开始形成晶胞、晶胞树枝晶、树树 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随成分过冷度的增加，
10、结构形貌由晶胞发展为树枝枝 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，
11、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
12、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
13、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，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。图法。图nmGCRl RllRGct)%1.1,%5.1(00716.05
14、.0MnCtlc)%1.1,%6.0(0518.044.0MnCtlcI815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：):(709395.0lCl，分%88.0C8.1.4 凝固结构凝固结构1.1.4.1 钢水凝固过程
15、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
16、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
17、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法连铸坯凝固组织控制方法（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。
18、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 连铸机内，液体钢水转变为固态的半成品钢坯时放出连铸机内，液体钢水转变为固态的半成品钢坯时放出的热量包括的热量包括:过热过热：
19、指钢水进入结晶器时的温度与钢的液相线温：指钢水进入结晶器时的温度与钢的液相线温度之差。前者也叫浇铸温度，一般把开始浇铸度之差。前者也叫浇铸温度，一般把开始浇铸10mm10mm左右左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。潜热潜热：指钢水由液相线温度冷却到固相线温度，即：指钢水由液相线温度冷却到固相线温度，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
20、是通过辐射、传导和对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流三种方式进行。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）、包括却区内实现的，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）和向辊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。周围辐射传热（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
21、与凝固结晶器传热与凝固 一、结晶器的作用一、结晶器的作用在尽可能的拉速下，保证铸坯出结晶器是形成足够厚在尽可能的拉速下，保证铸坯出结晶器是形成足够厚度的坯壳，使连铸过程安全的进行下去，同时决定度的坯壳，使连铸过程安全的进行下去，同时决定了连铸机的生产能力；了连铸机的生产能力；结晶器内的钢水将热量平稳的传导给铜板，使周边结晶器内的钢水将热量平稳的传导给铜板，使周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)钢水进入结晶器，与铜板接触就会因为钢水的表面钢水进入结晶器，与铜板接触就会
22、因为钢水的表面张力和密度在上部形成一个较小半径的弯月面。在弯月面的张力和密度在上部形成一个较小半径的弯月面。在弯月面的根部由于冷却速度很快（可达根部由于冷却速度很快（可达100/s100/s），初生坯壳迅速形），初生坯壳迅速形成，钢水不断流入结晶器成，钢水不断流入结晶器,新的初生坯壳就连续不断的生成，新的初生坯壳就连续不断的生成，已生成的坯壳则不断增加厚度。已生成的坯壳则不断增加厚度。(2)(2)已凝固的坯壳，因发生已凝固的坯壳，因发生的相变，使坯壳向内的相变，使坯壳向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)由于第（由于第（2 2）
23、条的原因，在初生坯壳与铜）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，钢水静压力又将坯却而开始回热，强度降低，钢水静压力又将坯壳贴向铜板。壳贴向铜板。(4)(4)上述过程反复进行，直至坯壳出结晶器。上述过程反复进行，直至坯壳出结晶器。坯壳的不均匀性总是存在的，大部分表面缺陷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
24、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
25、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经研究表明，坯壳厚度的生长服从均方根定律定律：K K受各种因素的影响，在一定范围内变化，板受各种因素的影响，在一定范围内变化，板坯结晶器的坯结晶器的K K值一般取值一般取181822mm22mmmmmm-0.5-0.5。tKD 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 铸坯从出结晶器开始完全凝固这一过程称铸坯从出结晶器开始完全凝固这一过程称为二次冷却，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 约占比例约占
26、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，喷淋水的传传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热就占主导地位，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壳传导铸坯表面的，当喷雾水滴打到铸坯表面时就会带走一定的热量，而铸坯表面温度面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会突然降低，使中心与表面形成很大的温度梯度，而这就成了铸坯冷却
27、的动力。梯度，而这就成了铸坯冷却的动力。从二冷的传热方式可以说明，要提高二冷区从二冷的传热方式可以说明，要提高二冷区的冷却效率，就必须研究喷雾水滴与高温铸坯的冷却效率，就必须研究喷雾水滴与高温铸坯之间的热交换。可用对流传热方程来表示：之间的热交换。可用对流传热方程来表示：要提高二冷区冷却效率和保证板坯质量就要要提高二冷区冷却效率和保证板坯质量就要提高提高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。WSh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，常用面积上所接收到的冷水量，常用L/m.minL/m.min表示。表示。
