13.3 钢的凝固及连铸坯的凝固结构.ppt

钢的凝固及连铸坯的凝固结构
连铸钢液的准备
成分过冷
化学成分偏析
凝固收缩
连铸坯的凝固特征和结构特点
连铸凝固传热过程的数学模拟
连铸坯冷却过程中的相变和应力
钢凝固结晶的特点
,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)。
钢液中含有各种合金元素,它的结晶温度不是一点,-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

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:
钢凝固结晶的特点
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13-20(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。
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。 。
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13-20(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。
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。
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:
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。
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:
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