连铸工艺设备02钢液凝固的基本原理

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1、1 第二章第二章.钢液凝固的基本原理钢液凝固的基本原理l钢液的凝固不仅是一个由液体转变为固体的钢液的凝固不仅是一个由液体转变为固体的物态变化过程，而且也是一个复杂的物理化物态变化过程，而且也是一个复杂的物理化学变化过程。在钢液发生物态转变的同时，学变化过程。在钢液发生物态转变的同时，还伴随有铸坯组织结构的形成、成分偏析、还伴随有铸坯组织结构的形成、成分偏析、二次脱氧产物的生成与排出、气体的析出、二次脱氧产物的生成与排出、气体的析出、凝固收缩以及传热冷却等一系列的变化。钢凝固收缩以及传热冷却等一系列的变化。钢液凝固条件的改变对铸坯的组织结构、化学液凝固条件的改变对铸坯的组织结构、化学成分、力学性

2、能将产生不同程度的影响。成分、力学性能将产生不同程度的影响。221 21 金属的结晶条件金属的结晶条件 当温度降到凝固点以下时，金属便由液态转变为当温度降到凝固点以下时，金属便由液态转变为晶体状态，这一过程称为结晶，也叫凝固。从金晶体状态，这一过程称为结晶，也叫凝固。从金属内部结构看，发生了金属原子从近程有序排列属内部结构看，发生了金属原子从近程有序排列过渡到远程有序排列并固定下来的变化。过渡到远程有序排列并固定下来的变化。一一.结晶的热力学条件结晶的热力学条件l 过冷度（过冷度（TT）：）：理论结晶温度与实际结晶温度之差值。理论结晶温度与实际结晶温度之差值。l 金属结晶的热力学条件：金属结晶

3、的热力学条件：必须具有一定的过冷度。必须具有一定的过冷度。TTT T0 0T Tn n3l如图：固液两相自由能与温度的关系如图：固液两相自由能与温度的关系4l金属的结晶过程也是一个放热过程。结晶金属的结晶过程也是一个放热过程。结晶释放的潜热和逸散，是影响结晶过程的重释放的潜热和逸散，是影响结晶过程的重要因素之一。要因素之一。l当潜热的释放等于或小于以一定速度冷却当潜热的释放等于或小于以一定速度冷却而散发到周围环境中去的热量时，温度或而散发到周围环境中去的热量时，温度或保持恒定或不断下降，结晶可以继续进行，保持恒定或不断下降，结晶可以继续进行，直至完全凝固，或达到新的平衡；直至完全凝固，或达到新

4、的平衡；l当释放的潜热大于散发掉的热量时，温度当释放的潜热大于散发掉的热量时，温度会回升，直到结晶停止进行，甚至有时局会回升，直到结晶停止进行，甚至有时局部区域还会发生重熔现象。部区域还会发生重熔现象。56二二.结晶的动力学条件结晶的动力学条件1.1.晶核的形成晶核的形成 均质形核均质形核在液相中直接产生晶核。即在一定的过冷度下，在液相中直接产生晶核。即在一定的过冷度下，液态金属中一些体积很小的近程有序排列的液态金属中一些体积很小的近程有序排列的“原原子集团子集团”转变成规则排列并稳定下来的坯胎晶核，转变成规则排列并稳定下来的坯胎晶核，这一过程称为均质形核。这一过程称为均质形核。形成新相晶核系

5、统自由能的变化包括：形成新相晶核系统自由能的变化包括：A.A.在液相中形成晶核时引起体积自由能的降低；在液相中形成晶核时引起体积自由能的降低；B.B.形成晶核时产生固、液交界面导致表面自由能的形成晶核时产生固、液交界面导致表面自由能的增加。增加。7l系统获得的过冷度系统获得的过冷度 越大，临界半径越大，临界半径r rk k 越小，液态金属就越小，液态金属就 越容易结晶。越容易结晶。8 异质形核异质形核l依靠液体金属中已经存在的固、液相质点形依靠液体金属中已经存在的固、液相质点形成晶核的过程。成晶核的过程。l实际上金属中或多或少都含有异相杂质，故实际上金属中或多或少都含有异相杂质，故金属结晶时大

6、都为异质形核。金属结晶时大都为异质形核。9102.2.晶体的长大晶体的长大晶体的生长方式晶体的生长方式A.A.平面生长（正温度梯度条件下）平面生长（正温度梯度条件下）固体表面在宏观上看起来是平滑的，即固、液界固体表面在宏观上看起来是平滑的，即固、液界面呈平面状向液相推进。面呈平面状向液相推进。B.B.树枝晶生长（负温度梯度条件下）树枝晶生长（负温度梯度条件下）固体表面上的偶然凸起便可深入到液体中过冷度固体表面上的偶然凸起便可深入到液体中过冷度较大的地方生长，形成一些伸长的晶柱并在侧面较大的地方生长，形成一些伸长的晶柱并在侧面产生分枝，形成树枝状晶体。产生分枝，形成树枝状晶体。C.C.胞状生长（

7、过冷度较小）胞状生长（过冷度较小）固相表面某些偶然凸出的部分可能会伸入过冷区固相表面某些偶然凸出的部分可能会伸入过冷区长大，但不能向纵深发展，使生长的界面介于平长大，但不能向纵深发展，使生长的界面介于平面和树枝状之间，形成一种凹凸不平的类似胞状面和树枝状之间，形成一种凹凸不平的类似胞状的结构。的结构。1112树枝晶长大树枝晶长大一般结晶总是在溶质偏析最小和散热最快的地方优先一般结晶总是在溶质偏析最小和散热最快的地方优先生长。由于棱角比其他方向导热性好，且离未被溶生长。由于棱角比其他方向导热性好，且离未被溶质富集的液体最近，因此棱角方向的长大速度比其质富集的液体最近，因此棱角方向的长大速度比其他

8、方向要快。铁为立方晶格，呈正六面体结构，从他方向要快。铁为立方晶格，呈正六面体结构，从八个角长成为菱锥体的尖端，就构成了树枝晶主轴八个角长成为菱锥体的尖端，就构成了树枝晶主轴（一次轴），然后在主轴侧面长出分叉叫二次轴，（一次轴），然后在主轴侧面长出分叉叫二次轴，再生出三次轴，依次发展下去，直到晶枝彼此相遇，再生出三次轴，依次发展下去，直到晶枝彼此相遇，形成一个树枝状晶体。各方向的主轴都得到较均匀形成一个树枝状晶体。各方向的主轴都得到较均匀发展的树枝晶称等轴晶；只有某一方向的主轴得到发展的树枝晶称等轴晶；只有某一方向的主轴得到突出发展的树枝晶称柱状晶。突出发展的树枝晶称柱状晶。在实际钢锭或铸坯中

9、，晶体有两种长大情况：在实际钢锭或铸坯中，晶体有两种长大情况：A.A.定向生长定向生长柱状晶柱状晶B.B.等轴生长等轴生长等轴晶等轴晶13l树枝晶生长示意图：树枝晶生长示意图：14结晶后的晶粒大小结晶后的晶粒大小取决于晶核的生成速率（成核数目取决于晶核的生成速率（成核数目m m3 3s s）和长大速率和长大速率V V（cmscms）。成核率）。成核率N N愈大，长愈大，长大速率大速率V V愈小，则晶粒愈细。愈小，则晶粒愈细。lN N、V V与与TT的关系：的关系：151622 22 钢液的结晶钢液的结晶l 钢是以铁为基础的合金，含有多种元素。钢的凝钢是以铁为基础的合金，含有多种元素。钢的凝固属

10、于非平衡结晶。其特点如下：固属于非平衡结晶。其特点如下：A.A.结晶过程必须在一个温度范围内进行并完成；结晶过程必须在一个温度范围内进行并完成；B.B.结晶过程为选分结晶，最初结晶出的晶体比较纯，结晶过程为选分结晶，最初结晶出的晶体比较纯，溶质元素的含量较低，熔点较高，最后生成的晶溶质元素的含量较低，熔点较高，最后生成的晶体溶质元素的含量较多，熔点也较低，而且无论体溶质元素的含量较多，熔点也较低，而且无论是晶体或液体的成分，都随着温度的下降而不断是晶体或液体的成分，都随着温度的下降而不断地变化着，只有当结晶完毕后，并且达到平衡时，地变化着，只有当结晶完毕后，并且达到平衡时，晶体才有可能达到和原

11、始合金一样的成分。晶体才有可能达到和原始合金一样的成分。17一一.钢液结晶的温度范围和两相区构成钢液结晶的温度范围和两相区构成l结晶温度范围：结晶温度范围：TT结晶结晶T T液液T T固固l确定结晶温度范围的意义：确定结晶温度范围的意义：lT T液液是确定浇注温度乃至出钢温度的基础；是确定浇注温度乃至出钢温度的基础；lTT结晶结晶的大小对结晶组织有至关重要的影响。的大小对结晶组织有至关重要的影响。l钢液结晶的温度范围及结晶过程中固相和钢液结晶的温度范围及结晶过程中固相和液相的成分变化如图所示。液相的成分变化如图所示。18191.1.结晶温度范围：由液相线至固相线之间的温结晶温度范围：由液相线至

12、固相线之间的温度区间。用度区间。用TT结晶结晶表示。表示。TT结晶结晶T T液液-T-T固固2.2.三个结晶区域：固相区、两相区和液相区。三个结晶区域：固相区、两相区和液相区。l在两相区内进行着形核晶核的长大过程，在两相区内进行着形核晶核的长大过程，铸坯的凝固就是两相区由铸坯表面逐渐向铸坯的凝固就是两相区由铸坯表面逐渐向铸坯中心推移的过程。铸坯中心推移的过程。3.3.两相区的宽度两相区的宽度XX主要取决于钢液的结晶温主要取决于钢液的结晶温 度范围（度范围（TT结晶结晶 ）和凝固前沿熔体中的温）和凝固前沿熔体中的温度梯度（度梯度（dTdXdTdX）。）。l XX TT结晶结晶 dxdT120l结

13、晶温度范围越宽、钢液过热度越低和铸结晶温度范围越宽、钢液过热度越低和铸坯表面冷却强度越小，则两相区越宽坯表面冷却强度越小，则两相区越宽。当。当XX较大时，较大时，晶粒度较大，晶粒度较大，反之则小。晶粒反之则小。晶粒度大，意味着度大，意味着树枝晶发达，树枝晶发达，发达的树枝晶发达的树枝晶使使凝固组织疏松，易形成气孔，偏析也较凝固组织疏松，易形成气孔，偏析也较严重。严重。若要减小若要减小XX，应从加强冷却强度入，应从加强冷却强度入手并落实到具体的工艺措施之中。手并落实到具体的工艺措施之中。21二成分过冷二成分过冷1.1.选分结晶选分结晶l由于由于合金元素在固相中的溶解度小于在液合金元素在固相中的溶

14、解度小于在液相中的溶解度，相中的溶解度，因此合金元素在固相钢中因此合金元素在固相钢中分配的浓度要小，而在液相钢（母液）中分配的浓度要小，而在液相钢（母液）中分配的浓度要大。所以在钢水结晶过程中，分配的浓度要大。所以在钢水结晶过程中，结晶前沿会有溶质大量析出并积聚，围绕结晶前沿会有溶质大量析出并积聚，围绕凝固着的晶体积累了一层溶质富集层，凝固着的晶体积累了一层溶质富集层，使使固相中溶质浓度低于原始浓度。这种现象固相中溶质浓度低于原始浓度。这种现象即选分结晶。即选分结晶。222.2.成分过冷成分过冷l钢液的结晶不仅与温度过冷有关，还与结钢液的结晶不仅与温度过冷有关，还与结晶时液相成分的变化有关。结

15、晶中的选分晶时液相成分的变化有关。结晶中的选分结晶现象使凝固前沿液相的成分发生了变结晶现象使凝固前沿液相的成分发生了变化，引起液相的凝固点改变，从而改变了化，引起液相的凝固点改变，从而改变了凝固前沿的过冷情况。凝固前沿的过冷情况。成分过冷的产生（如图）成分过冷的产生（如图）合金冷却钢结晶出固相时的示意图；合金冷却钢结晶出固相时的示意图；合金的结晶与散热方向示意图；合金的结晶与散热方向示意图；液相热量散出的温度分布示意图；液相热量散出的温度分布示意图；BB组元成分在液相中的分布曲线示意图；组元成分在液相中的分布曲线示意图；熔点与相界面距离的关系曲线示意图熔点与相界面距离的关系曲线示意图2324l

16、实际上钢液的结晶过程不可能达到平衡，实际上钢液的结晶过程不可能达到平衡，相界面上有过冷度存在，但此过冷度会因相界面上有过冷度存在，但此过冷度会因杂质含量高，液相熔点下降而降低。此外，杂质含量高，液相熔点下降而降低。此外，结晶过程中放出的潜热消散在界面两侧的结晶过程中放出的潜热消散在界面两侧的固体和液体中，这使界面液相实际温度稍固体和液体中，这使界面液相实际温度稍有升高，从而进一步降低了界面上的过冷有升高，从而进一步降低了界面上的过冷度，但过冷度决不会达到零，这种相界面度，但过冷度决不会达到零，这种相界面上过冷度下降的现象称为上过冷度下降的现象称为“过冷过冷”的降低。的降低。25l影响成分过冷的

17、因素影响成分过冷的因素l若增加凝固速度，减小溶质在液相中的扩若增加凝固速度，减小溶质在液相中的扩散系数，减少液相中的温度梯度以及增加散系数，减少液相中的温度梯度以及增加溶质浓度，将增加成分过冷。溶质浓度，将增加成分过冷。26成分过冷和温度过冷的区别成分过冷和温度过冷的区别A.A.温度过冷温度过冷 结晶中热量的散失使液体的实际温度下降到结晶中热量的散失使液体的实际温度下降到凝固点以下获得的过冷。凝固点以下获得的过冷。这种过冷完全受这种过冷完全受散热条件控制。散热条件控制。B.B.成分过冷成分过冷l结晶中纯粹由溶质成分偏析引起的过冷度结晶中纯粹由溶质成分偏析引起的过冷度变化。变化。溶质偏析越大，引

18、起的成分过冷变溶质偏析越大，引起的成分过冷变化也越大。化也越大。27成分过冷对结晶的影响成分过冷对结晶的影响l 钢液结晶时，成分过冷对晶体的生长方式有直接的钢液结晶时，成分过冷对晶体的生长方式有直接的影响。影响。l 如果溶质浓度的分布一定，即液相的熔点曲线一定如果溶质浓度的分布一定，即液相的熔点曲线一定时，成分过冷将随温度梯度而变化：温度梯度越小，时，成分过冷将随温度梯度而变化：温度梯度越小，实际温度曲线越平缓，则成分过冷度越大，过冷区实际温度曲线越平缓，则成分过冷度越大，过冷区也越宽；反之，温度梯度越大，即实际温度曲线越也越宽；反之，温度梯度越大，即实际温度曲线越陡，则成分过冷度便越小，过冷

19、区也越窄。陡，则成分过冷度便越小，过冷区也越窄。l 对钢液来说，在正温度梯度的条件下的晶体生长方对钢液来说，在正温度梯度的条件下的晶体生长方式：式：A.A.若凝固前沿没有成分过冷，晶体的生长方式为平面若凝固前沿没有成分过冷，晶体的生长方式为平面生长；生长；B.B.若有较小的成分过冷，则为胞状生长；若有较小的成分过冷，则为胞状生长；C.C.若凝固前沿的成分过冷很大，则以树枝状的方式生若凝固前沿的成分过冷很大，则以树枝状的方式生长。长。2829三三.化学成分不均匀现象化学成分不均匀现象1.1.偏析概念偏析概念偏析：偏析：铸坯中化学成分（溶质成分）不均铸坯中化学成分（溶质成分）不均匀的现象。匀的现象

20、。分类：分类：A.A.显微偏析：发生在一个或几个晶粒范围内显微偏析：发生在一个或几个晶粒范围内的偏析。的偏析。mmB.B.宏观偏析：在铸坯内大范围的偏析。宏观偏析：在铸坯内大范围的偏析。cmcm302.2.偏析产生的原因偏析产生的原因显微偏析的产生显微偏析的产生 与结晶的不平衡性（非平衡结晶）有关。如与结晶的不平衡性（非平衡结晶）有关。如图所示：图所示：31l实际生产中，钢液的结晶是一种非平衡结晶，实际生产中，钢液的结晶是一种非平衡结晶，必须在液相线温度以下才能开始，并在固相必须在液相线温度以下才能开始，并在固相线温度以下才能结束。由于冷却速度较大，线温度以下才能结束。由于冷却速度较大，钢液在

21、冷却到各个温度时，没有足够的时间钢液在冷却到各个温度时，没有足够的时间来完成结晶过程和扩散的均匀化，就继续往来完成结晶过程和扩散的均匀化，就继续往下冷却，致使在各温度下的结晶过程和扩散下冷却，致使在各温度下的结晶过程和扩散过程都不能进行到底。这样就使固相和液相过程都不能进行到底。这样就使固相和液相的平均成分线都偏离了平衡时的固相线和液的平均成分线都偏离了平衡时的固相线和液相线，所得固体先、后结晶的各部分具有不相线，所得固体先、后结晶的各部分具有不同的溶质元素浓度：同的溶质元素浓度：结晶初期形成的树枝晶结晶初期形成的树枝晶较纯，而后结晶的部分则含有较多的溶质元较纯，而后结晶的部分则含有较多的溶质

22、元素，造成了固体晶粒内部溶质浓度的不均匀素，造成了固体晶粒内部溶质浓度的不均匀性。性。32l显微偏析程度可用显微偏析度来衡量：显微偏析程度可用显微偏析度来衡量：lA AC C间间C C轴轴l当当A A 1 1时，正偏析；时，正偏析；l当当A A1 1时时,负偏析；负偏析；l当当A A0 0时，无偏析。时，无偏析。33l 影响显微偏析的因素：影响显微偏析的因素：A.A.冷却速度冷却速度l 加大冷却速度，缩短凝固时间，溶质元素没有足够加大冷却速度，缩短凝固时间，溶质元素没有足够时间析出，则树枝晶的间距小，枝杈多，可大大减时间析出，则树枝晶的间距小，枝杈多，可大大减轻合金的树枝偏析。轻合金的树枝偏析

23、。B.B.溶质元素的偏析倾向溶质元素的偏析倾向l 所有元素在铁中都能形成偏析，其中，所有元素在铁中都能形成偏析，其中，C C、P P、S S是是强偏析元素。强偏析元素。C.C.溶质元素原子在固体金属中的扩散速度。溶质元素原子在固体金属中的扩散速度。D.D.固态相变固态相变E.E.钢液流动钢液流动 引起钢液流动的因素：引起钢液流动的因素：注流的注入，钢水的温度差、密度差，铸坯鼓肚变注流的注入，钢水的温度差、密度差，铸坯鼓肚变形，气体、夹杂的上浮等。形，气体、夹杂的上浮等。34l树枝偏析的形成：树枝偏析的形成：35宏观偏析的产生宏观偏析的产生 由于凝固过程中由于凝固过程中选选分结晶的作用，使两相分

24、结晶的作用，使两相区树枝晶间的液体富集了溶质元素。区树枝晶间的液体富集了溶质元素。同时同时钢液凝固时液体的温度差。密度差、体积钢液凝固时液体的温度差。密度差、体积收缩以及气体的排出等收缩以及气体的排出等引起了液体的对流引起了液体的对流运动，将富集溶质的液体带到未凝固的区运动，将富集溶质的液体带到未凝固的区域，域，从而导致了整个铸坯内溶质元素的不从而导致了整个铸坯内溶质元素的不均匀分布。均匀分布。宏观偏析程度可用宏观偏析量表示：宏观偏析程度可用宏观偏析量表示：B B（C C C Co o）C Co o 100100363 3偏析的控制偏析的控制增加钢液的冷凝速度。通过抑制选分结晶增加钢液的冷凝速

25、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。中溶质向母液深处的扩散来减小偏析。合适的铸坯断面。小断面可使凝固时间短，合适的铸坯断面。小断面可使凝固时间短，从而减轻偏析。从而减轻偏析。采用各种方法控制钢液的流动。如适宜的采用各种方法控制钢液的流动。如适宜的浸入式水口。浸入式水口。电磁搅拌。搅拌可打碎树枝晶、细化晶粒、电磁搅拌。搅拌可打碎树枝晶、细化晶粒、减小偏析。减小偏析。工艺因素。适当降低注温和拉速、防止铸工艺因素。适当降低注温和拉速、防止铸坯鼓肚等。坯鼓肚等。降低钢液中降低钢液中P P、S S含量。含量。37四四.夹杂物、气体的形成和排出夹杂物、气体的形成和排出1.1.凝固夹杂凝固

26、夹杂凝固夹杂的形成过程凝固夹杂的形成过程A A由于选分结晶，溶质在凝固前沿不断富集。由于选分结晶，溶质在凝固前沿不断富集。B B在凝固前沿浓度很高的元素之间发生反应形成在凝固前沿浓度很高的元素之间发生反应形成化合物。化合物。Me Me X X=(MeX)=(MeX)C.C.凝固前沿生成的化合物增多并聚集成为夹杂物。凝固前沿生成的化合物增多并聚集成为夹杂物。n(MeX)n(MeX)(MeX)(MeX)n n D.D.夹杂物部分上浮，未上浮部分滞留在钢中成为凝夹杂物部分上浮，未上浮部分滞留在钢中成为凝固夹杂物。固夹杂物。38减少夹杂物的措施减少夹杂物的措施A.A.减少钢中含氧量。减少钢中含氧量。防

27、止冶炼过程的过氧化，脱氧要完全，防止冶炼过程的过氧化，脱氧要完全，并可采用炉外精炼技术对钢液进行处理。并可采用炉外精炼技术对钢液进行处理。B.B.减少钢中硫含量。减少钢中硫含量。采用钢包处理或炉外精炼新技术，也可加入其它采用钢包处理或炉外精炼新技术，也可加入其它 合金元素来控制硫化物的形态和分布，以减少它合金元素来控制硫化物的形态和分布，以减少它 的危害。的危害。C.C.采取各种措施防止夹杂物进入钢液采取各种措施防止夹杂物进入钢液 出钢挡渣、防止钢包下渣、保护浇注、防止二次出钢挡渣、防止钢包下渣、保护浇注、防止二次氧化、使用性能合适的保护渣、采用高质量的氧化、使用性能合适的保护渣、采用高质量的

28、耐火材料、保证浇注系统的清洁。耐火材料、保证浇注系统的清洁。39D.D.创造条件促使夹杂物上浮创造条件促使夹杂物上浮采用大容量深熔池的中间包、采用形状适宜的浸入式采用大容量深熔池的中间包、采用形状适宜的浸入式水口、结晶器内使用水口、结晶器内使用“电磁搅拌电磁搅拌”技术。技术。E.E.控制夹杂物的粒度、形态和分布控制夹杂物的粒度、形态和分布l 加钙或稀土加钙或稀土RERE等元素，对夹杂物进行变性处理；等元素，对夹杂物进行变性处理；l 加加MnMn，可提高，可提高Mn SiMn Si比值，以生成比值，以生成MnSMnS夹杂物夹杂物取代取代FeSFeS夹杂物，减小热脆性。夹杂物，减小热脆性。l 加入

29、适量的铝利用加入适量的铝利用AIAI2 2O O3 3作为夹杂物的核心，增加夹作为夹杂物的核心，增加夹杂物数量的同时减小其粒度。杂物数量的同时减小其粒度。F.F.加速凝固加速凝固l 缩小结晶时间，降低母液高浓度溶质聚集及其形成缩小结晶时间，降低母液高浓度溶质聚集及其形成的夹杂物。的夹杂物。G.G.抑制钢液的流动抑制钢液的流动402.2.凝固气泡凝固气泡l产生原因：产生原因：钢液在浇注过程中，由于气体在钢液中的溶钢液在浇注过程中，由于气体在钢液中的溶解度随钢液温度的降低而下降，并且在由液解度随钢液温度的降低而下降，并且在由液体凝固成固体时，溶解度会陡降，所以氢、体凝固成固体时，溶解度会陡降，所以

30、氢、氮、氧都会在这个过程中富集和析出。氮、氧都会在这个过程中富集和析出。lCOCO气泡：由于钢液脱氧不良而产生。气泡：由于钢液脱氧不良而产生。lH H2 2 、N N2 2气泡：由于物料潮湿、钢液吸气而产气泡：由于物料潮湿、钢液吸气而产生。生。l危害：皮下气泡、白点、甚至漏钢。危害：皮下气泡、白点、甚至漏钢。41五五.凝固收缩凝固收缩l钢液在凝固和冷却过程中所发生的体积和钢液在凝固和冷却过程中所发生的体积和线尺寸减小的现象。线尺寸减小的现象。1.1.液态收缩：钢液从过热度冷却到液相线温度液态收缩：钢液从过热度冷却到液相线温度时的收缩。时的收缩。1 1 取决于钢液成分和过热度。取决于钢液成分和过

31、热度。2.2.凝固收缩：钢液从液相线温度冷却到固相线凝固收缩：钢液从液相线温度冷却到固相线温度时的收缩。温度时的收缩。4 4 取决于钢的成分和凝固温度范围。凝固温取决于钢的成分和凝固温度范围。凝固温度范围越大，收缩量就越大。总的来看，度范围越大，收缩量就越大。总的来看，中、高碳钢的凝固收缩比低碳钢大，其缩中、高碳钢的凝固收缩比低碳钢大，其缩孔、疏松也比低碳钢严重。孔、疏松也比低碳钢严重。423.3.固态收缩：由固相线温度冷却到常温时产生固态收缩：由固相线温度冷却到常温时产生的收缩。的收缩。7 78 8l取决于固相线到室温这一段的温度变化以及取决于固相线到室温这一段的温度变化以及相组织的变化（例

32、如包晶反应引起体积收缩，相组织的变化（例如包晶反应引起体积收缩，奥氏体转变为珠光体时发生体积膨胀）。奥氏体转变为珠光体时发生体积膨胀）。l钢的总收缩钢的总收缩e e总总e e液液e e凝凝e e固固 l影响：缩孔、疏松、内裂。影响：缩孔、疏松、内裂。432323铸坯凝固、冷却过程应力铸坯凝固、冷却过程应力一一.热应力（收缩应力）热应力（收缩应力）l铸坯在凝固和冷却过程中发生的凝固收缩铸坯在凝固和冷却过程中发生的凝固收缩和固态收缩受到阻碍时（通常表现为线收和固态收缩受到阻碍时（通常表现为线收缩受阻时），将产生收缩应力。由于线收缩受阻时），将产生收缩应力。由于线收缩量缩量主要与温度有关主要与温度有

33、关，故这种应力又称为，故这种应力又称为热应力。热应力。441.1.产生原因：产生原因：l铸坯表面与内部的温度差使线收缩量不等，铸坯表面与内部的温度差使线收缩量不等，产生相互的牵制而造成的。产生相互的牵制而造成的。l铸坯冷凝初期，表面温度远低于中心温度，铸坯冷凝初期，表面温度远低于中心温度，造成表面比中心收缩大，因此表面承受拉应造成表面比中心收缩大，因此表面承受拉应力，中心承受压应力。随着冷却的继续进行，力，中心承受压应力。随着冷却的继续进行，中心部分温度的降低，使中心收缩比表面大，中心部分温度的降低，使中心收缩比表面大，因此表面由承受拉应力转为承受压应力，而因此表面由承受拉应力转为承受压应力，

34、而中心部分则由开始的承受压应力转为承受拉中心部分则由开始的承受压应力转为承受拉应力。应力。45热应力变化示意图：热应力变化示意图：462.2.影响因素：影响因素：铸坯表面与内部的温度差铸坯表面与内部的温度差 温度差越大，线收缩量的差别愈大，铸坯截面上温度差越大，线收缩量的差别愈大，铸坯截面上各层间收缩的相互阻碍也愈严重，产生的热应力各层间收缩的相互阻碍也愈严重，产生的热应力也就愈大。也就愈大。钢中含碳量。钢中含碳量。高碳钢的固、液两相区宽，体积收缩量大，线收高碳钢的固、液两相区宽，体积收缩量大，线收缩量小，故热应力相对较小；低碳钢的两相区窄，缩量小，故热应力相对较小；低碳钢的两相区窄，体积收缩

35、量小而线收缩量大，故热应力相对较大。体积收缩量小而线收缩量大，故热应力相对较大。钢中合金元素的含量。钢中合金元素的含量。总的趋向是，凡使钢液凝固区间（固、液两相区）总的趋向是，凡使钢液凝固区间（固、液两相区）增大的合金元素（如镍、硅、磷）的含量增加，增大的合金元素（如镍、硅、磷）的含量增加，线收缩减少，从而使热应力减小；而使钢液凝固线收缩减少，从而使热应力减小；而使钢液凝固区间缩小的合金元素含量增加时，则线收缩增加，区间缩小的合金元素含量增加时，则线收缩增加，热应力也增加。热应力也增加。47二二.组织应力组织应力l固态钢在冷却过程中固态钢在冷却过程中因发生相变而引起的体因发生相变而引起的体积膨

36、胀受阻时所产生的应力称为组织应力积膨胀受阻时所产生的应力称为组织应力。481.1.产生原因：产生原因：l 铸坯冷却时的散热是由内向外进行的，表面温度铸坯冷却时的散热是由内向外进行的，表面温度低而中心温度高，因而铸坯表面与内部组织转变低而中心温度高，因而铸坯表面与内部组织转变的时间不同，发生体积膨胀的时间也不同，这样的时间不同，发生体积膨胀的时间也不同，这样就使铸坯截面上各层间的体积膨胀受到了相互的就使铸坯截面上各层间的体积膨胀受到了相互的制约，从而产生了组织应力。制约，从而产生了组织应力。l 组织应力的分布：组织应力的分布：l 当铸坯先凝固的表面发生奥氏体向珠光体（或马当铸坯先凝固的表面发生奥

37、氏体向珠光体（或马氏体）转变时，引起表面层体积增加，而心部的氏体）转变时，引起表面层体积增加，而心部的奥氏体未变，将阻碍表面体积的增大，使表面产奥氏体未变，将阻碍表面体积的增大，使表面产生压应力，心部产生拉应力。铸坯继续冷却，当生压应力，心部产生拉应力。铸坯继续冷却，当心部奥氏体向珠光体（或马氏体）转变时，表面心部奥氏体向珠光体（或马氏体）转变时，表面层已经完成了转变，内部体积的增大使表面受拉层已经完成了转变，内部体积的增大使表面受拉应力，而心部受压应力。应力，而心部受压应力。492.2.影响因素：影响因素：冷却速度冷却速度 在发生组织转变的温度范围内，冷却速度越在发生组织转变的温度范围内，冷

38、却速度越快，铸坯内外温差越大，体积变化受到的阻快，铸坯内外温差越大，体积变化受到的阻力也越大。力也越大。钢种成分钢种成分 如如40Cr40Cr（珠光体钢）容易在冷却到（珠光体钢）容易在冷却到723723以下以下时产生裂纹。因为时产生裂纹。因为723723正是它的相变温度。正是它的相变温度。50三三.机械应力机械应力l指铸坯在下行和弯曲、矫直过程中受到的指铸坯在下行和弯曲、矫直过程中受到的应力。应力。l弯曲应力、矫直应力的大小取决于铸坯的弯曲应力、矫直应力的大小取决于铸坯的厚度和弯曲（或矫直）时的变形量。铸坯厚度和弯曲（或矫直）时的变形量。铸坯断面大、弯曲（或矫直）点少、连铸机曲断面大、弯曲（或

39、矫直）点少、连铸机曲率半径小，则弯曲（或矫直）应力大；反率半径小，则弯曲（或矫直）应力大；反之，弯曲（或矫直）应力则小些。另外，之，弯曲（或矫直）应力则小些。另外，设备对弧不准、辊缝不合理、铸坯鼓肚等设备对弧不准、辊缝不合理、铸坯鼓肚等均会使铸坯受到机械应力的作用。均会使铸坯受到机械应力的作用。51四四.铸坯应力的消除铸坯应力的消除1.1.对于某些合金钢、裂纹敏感性强的钢种，连对于某些合金钢、裂纹敏感性强的钢种，连铸时可采用较小的冷却强度，如采用干式铸时可采用较小的冷却强度，如采用干式冷却或干式冷却与喷水冷却相结合的方式。冷却或干式冷却与喷水冷却相结合的方式。干式冷却可使铸坯表面、心部温度趋于

40、一致，干式冷却可使铸坯表面、心部温度趋于一致，大大减少热应力的产生。大大减少热应力的产生。2.2.铸坯出拉矫机后，可根据不同的钢种相应地铸坯出拉矫机后，可根据不同的钢种相应地采用不同的缓冷方式，如空冷、坑冷、采用不同的缓冷方式，如空冷、坑冷、退火等，也可直接热送，以消除铸坯的内退火等，也可直接热送，以消除铸坯的内应力和组织应力，防止裂纹的产生。应力和组织应力，防止裂纹的产生。523.3.减少机械应力：减少机械应力：l 机械应力对铸坯的影响集中于两相区，在铸坯承受机械应力对铸坯的影响集中于两相区，在铸坯承受各种机械应力的作用时，铸坯尚未完全凝固，凝固各种机械应力的作用时，铸坯尚未完全凝固，凝固前

41、沿两相区内的柱状晶晶间还存在少量的低熔点液前沿两相区内的柱状晶晶间还存在少量的低熔点液体，此时柱状晶之间的结合力很小，强度很低，如体，此时柱状晶之间的结合力很小，强度很低，如超过铸坯缩能承受的变形量，则必然会使铸坯的凝超过铸坯缩能承受的变形量，则必然会使铸坯的凝固前沿产生裂纹。减小变形量的措施：固前沿产生裂纹。减小变形量的措施：l 采用多点弯曲、多点矫直、连续矫直技术，准确对采用多点弯曲、多点矫直、连续矫直技术，准确对弧、合理的二冷区辊缝量等。弧、合理的二冷区辊缝量等。4.4.减少铸坯热裂的倾向性：减少铸坯热裂的倾向性：控制钢液成分、降低钢中有害元素含量、降低浇注控制钢液成分、降低钢中有害元素含量、降低浇注温度和拉速等。温度和拉速等。