第四章 连铸钢水质量控制

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1、,钢水温度控制,钢水成分控制,1,2,第四章 连铸钢水质量控制,要想使连铸生产稳定高效地进行，并且保证铸坯质量，首先要准备好成分、温度、脱氧程度及纯净度都合格的钢水。 这里重点介绍钢水温度的要求。 另外，炼钢工序和连铸工序要紧密配合，步调一致。,第一节 钢水温度控制,1.液体与固体,物质的三种存在形态：固体、液体、气体 固体：能够抵抗来自外部的剪切力，能够自己保持 其原有形状。 在晶体物质的结构中，原子在空间上是按规 则的几何形状排列的，远程有序。 气体：原子或分子在空间上的排列是无序的。 PV=RT,1.液体与固体,液体：只能抵抗很小的剪切力，其外形取决于容器 形状，可以流动。 凝固：液态固

2、态的过程，因此液态金属的结构对 凝固后的组织会有影响。 液态金属的结构？,液态的结构 结构：长程无序而短程有序。 特点：（与固态相比）原子间距较大、原子配 位数较小、原子排列较混乱。,1.液体与固体,常用金属熔化时的体积变化,1.液体与固体,常见金属的熔化潜热和汽化潜热,1.液体与固体,潜热主要是原子之间的键破坏需要的能量，可见原 子之间的键的破坏主要发生在液汽转变。 液态更接近与固态的结构。 关于液态金属结构的研究表明：液态金属是近程有 序的。,1.液体与固体,凝固过程发生放热，液态金属转变为固体金属的过程，从而改变各相自由能，从而改变各相相对稳定性，凝固象化学反应一样，也需要热起伏来驱动，

3、即原子从母相迁移到新相的概率大于相反方向迁移的概率时，相变才能发生。 从微观来看，凝固是金属原子从无序状态到有序状态的转变，也就是液体中无规则的原子集团转变为按一定规则排列的固态结晶体。 凝固过程主要是晶体或晶粒的生成和长大过程，所以也称结晶。,1.液体与固体,金属在凝固过程存在两个界面，固液界面、金属铸型界面，在两个界面存在复杂的传热。 凝固过程的液体由于温差将引起对流，由于温度不同造成热膨胀的差异，从而引起密度的不同，在重力场中密度较小的流体受到浮力的作用。 同样，液体成份不均匀时也会因为密度的不同引起浮力，密度不同而产生的浮力是对流的驱动力。 当浮力大于粘滞力时，即会产生对流（自然对流）

4、。,1.液体与固体,2. 冷却曲线与凝固温度,结晶过程的分析方法 -热分析,完全熔化后的金属在几近绝热的情况下冷却，得 到冷却曲线。 液态金属变成固态金属过程中，固液并存，此 时，液态金属变成固态金属时放出热量，抵消 了自然温度的下降。 液态金属完全凝固时，温度继续下降。 温度不变化的数值，即凝固温度-平衡凝固温度。,2. 冷却曲线与凝固温度,过冷,结晶潜热,2. 冷却曲线与凝固温度,2. 冷却曲线与凝固温度,金属凝固时的过冷,过冷：金属的实际结晶温度总是低于其理论结晶温度的现象。 过冷度：金属材料的理论结晶温度(Tm) 与其实际结晶温度To之差 T=Tm-To。,注：过冷是结晶的必要条件，结

5、晶过程总是在一 定的过冷度下进行。,原因：温度冷却过快，液态变成固态比较慢，液 态金属变成固态金属释放的能量来不及弥 补温度下降速度。 冷却条件不同，得出的冷却曲线也不同。,2. 冷却曲线与凝固温度,2. 冷却曲线与凝固温度,凝固温度 纯金属：熔点 合金：液固相线温度,3. 过冷与形核,结晶的基本过程,液体中瞬时有许多规则排列的原子团，时聚时散。,结晶规律：结晶过程是晶核不断形成和长大的过程 晶粒立体长大,3. 过冷与形核,描述结晶进程的两个参数,形核率：单位时间、单位体积液体中形成的晶核 数量,用N表示。 长大速度：晶核生长过程中，液固界面在垂直界 面方向上单位时间内迁移的距离,用G 表示。

6、,3. 过冷与形核,3. 过冷与形核,凝固的基本条件-固液相变的驱动力,在熔化温度( Tf)下，金属固、液相处于平衡状态。 T=Tf时，固 液 系统自由能：G=H-TS H为克分子焓、S为克分子熵 当金属由液相向固相转变时，单位体积自由能变化： 在T与熔化温度Tf相差不大时：,3. 过冷与形核,由上式可知： 过冷度T是钢水结晶的必要条件。 过冷度T越大，G越负，结晶越容易。 要得到过冷度，系统自由能必须减少，而自由 能减少就是内能的减少，内能是以潜热形式放 出的，结晶是个放热过程。 然而，一定的过冷度只是必要条件，并不是说只要具有合适的过冷度，金属结晶就必然发生。,3. 过冷与形核,3. 过冷

7、与形核,凝固的基本条件-结构条件,液态结构模型：微晶无序模型（准晶体模型）,结构起伏（相起伏）： 不断变换着的近程有序原子集团，大小不等，时而产生，时而消失，此起彼伏，与无序原子形成动态平衡，这种结构不稳定现象称为结构起伏。,3. 过冷与形核,形核 -均质形核 分为均质形核和非均质形核 均质形核： （Homogeneous nucleation)由游 动的原子团簇自己逐渐长大而形成晶核 的过程，也称为自发形核。 非均质形核：（Heterogeneous nucleation)在 外来质点的表面上生核的过程，也称为 异质生核或非自发形核。,对均质形核而言： 达到一定过冷度后，液态金属中结构相似、

8、体 积微小、近程有序的“原子集团”转变成规则排列 而稳定下来成为晶核。 液体的体积自由能大，固体的体积自由能小。 但在液体中形成固体时，会产生表面能。 即在形核过程中，体积自由能减小，表面能增大，只有体积自由能减小的趋势大于表面能增大的趋势时，晶核才能稳定。,3. 过冷与形核,3. 过冷与形核,对均质形核而言该过程的系统自由能变化为：,该部分是结晶的驱动力,3. 过冷与形核,但是，当晶核形成以后，产生了液-固界面，出现界面自由能。,A液固界面面积， 界面能。,这部分是结晶的阻力 这样，均质形核的自由能变化实际是两个自由能的代数和。即：,界面张力：作用在液体表面单位长度上的力，它正好抵消相反方向

9、使面积增加的外拉力，叫做界面张力。 界面能,3. 过冷与形核,3. 过冷与形核,假设析出晶核为球形，有下式：,则上述代数和为：, 如图，G总随变化曲线有一 最高值。相当于曲线最高值对 应的r就是晶核的临界尺寸以rc 来表示。 当能量涨落，晶坯可能达到临 界尺寸时，晶核才可能出现， 结晶才会开始。否则，即使液 体有了过冷度，也不会进行结 晶。,3. 过冷与形核,rc的大小可按照求最大值的方法对上式求解：,3. 过冷与形核,令,可得：,另外,即得到：,3. 过冷与形核,可以看出，过冷度越大，rc越小。,另一方面，T越大，最大尺寸的晶坯尺寸r也越大。,二者结合，得到两曲线的交叉点N,T*即为亚稳极限

10、过冷度。 T T*时，rrc，结晶稳定进 行,T 越大，晶核形成速率越大，但形核也需要子的跳动。 T 太大时，原子的活动能力太弱，反而利于形核。 所以，晶核的形成速率和 T 具有比较复杂的关系。,3. 过冷与形核,代入：,将：,得到：,Gc为晶核的形成功，或形核功。依靠系统的能量涨落来提供，与T成反比，T越大，Gc越小，越有利于形核。,3. 过冷与形核,根据结构起伏理论，液相中存在着大量的准固态原子集团，这些原子集团是时聚时散的，但当过冷液相中半径为rc的原子集团获得一个新的原子后将变成稳定的晶体。,均质形核速率：单位时间单位体积液相形成的晶核数目。,3. 过冷与形核,均质形核速率：,N 单位

11、体积液相中的原子总数； k 玻耳兹曼常数； h 普朗特常数； a 晶核形状因子， 对于球形晶核 GA 原子跃迁穿透液固界面的激活能； GV 体积变化自由能； I 形核速率， 为单位时间、单位体积液相中形成的 晶核数目。,3. 过冷与形核,对非均质形核而言： 正常情况下，均质形核很少见，在许多情下，形核依赖于液相中的固相质点表面和各种界面进行，发生异相形核。 并非所有固相质点表面都能使新相形核，必须以金属新相能够浸润质点表面为前提。,3. 过冷与形核,为便于分析，假设作为生核衬底的质点表面为平面，在其表面形成球面的固相。,3. 过冷与形核,界面张力平衡关系为：, 要想形核稳定，晶坯周界必须稳定

12、晶坯周界稳定的前提是：,LS液相与杂质间的界面张力 SC杂质与晶体间的界面张力 LC液相与晶体间的界面张力 润湿角 （新相与质点衬底间）,3. 过冷与形核,非均质形核,非均质形核速率,式中：,3. 过冷与形核,形核的影响因素： 形核温度。对于给定合金，当过冷度大于某一值时，形核速率随温度的降低而迅速增大。润湿角增大，形核速率随之减小。 形核时间。由于晶核的数量是形核速率对时间的积分，因此，形核时间越长，晶核数量增加。 形核衬底的数量。在异相形核中，形核是在外来质点表面进行的，形核衬底的数量决定了形核的数量。,3. 过冷与形核,新相与衬底润湿角 () 对于异相形核过程而言，析出固相与外来质点的接触角是决定形核速率的最关键因素。 接触角越小，形核速率越大。接触角这一表观指标是由析出相与外来质点的原子结构匹配情况决定的。 当二者之间存在共格界面并具有较小的错配度时，接触角将较小，此外来质点将更有条件成为形核衬底。,3. 过冷与形核,形核衬底的形状 当接触角 ()不变，在凹面、平面和凸面三种表面形状的基底中，界面为凹面时临界晶核的体积最小，形核功也最小。 因此，当形核基底表面凹凸不平，存在大量凹角时形核效率将提高。,3. 过冷与形核,