1.1.4 凝固结构
1.1.4.1 钢水凝固过程的冶金特点 （1）δ －γ相的转变
· 稳定的δ相（或γ相）凝固 例如： 铁素体的Cr钢
· δ相凝固后转变为奥氏体 例如：Ni-Cr奥氏体不锈钢
· δ相凝固后转变为γ，再转变为α 相
例如：低碳钢
（2）钢液的流动 （3）凝固收缩 （4）裂纹敏感性 （5）凝固结构
试验指出，二次枝晶间距与区域凝固时间 tc 关系如图4－14。它
们的经验关系式：
l∏ = 0.00716tc0.5 (1.5%C,1.1%Mn)
l∏ = 0.0518tc0.44 (0.6%C,1.1%Mn)
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 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 法。图
3 连续铸钢的特点
· 高效凝固 · 优化成型 · 化学冶金 · 物理冶金 · 节能
连续铸钢的特点
（1）提高综合成材率：模铸从钢水到成坯的收 得率大约84～88％，连铸为95～96％；
（2）降低能耗：连铸节能主要是省去了开坯工 序，以及 提高成材率。生产一吨钢坯比 模铸可以节能627～1046kJ，相当于21.4～ 35.7kg标准煤。加上综合成材率的提高， 可 以节能约130kg标准煤；
技术特点：转炉、高炉的大型化；以模铸－初轧 为核心，生产外延扩大。
（2） 1974年－1989年：
技术特点：全连铸工艺，以连铸机为核心。
（3） 1989年－现在：
技术特点：连铸－连轧工艺，以薄板坯，连铸－ 连轧为代表，钢厂向紧凑化发展。
2. 21世纪钢铁工业发展趋势
（1） 产品更加纯洁化 （2） 生产工艺更加高效低耗 （3） 生产过程对环境更加友好
了结晶器振动装置，奠定了连铸的工业应用的基础； （3）本世纪30年代，连铸成功应用于有色金属； （4）1950年， S.Junghans和Mannesmann公司合作，建成
世界上第一台工业连铸机； （5）50年代，工业应用时期；
到50年代末，有连铸机30台，产量110t，连铸比0.34%. （6）60年代，稳步发展时期；
钢的凝固与连续铸造
•教学目的:
本部分课程从钢的凝固原理出发， 结 合钢的连铸工艺，使学生从理论上和实践上 掌握浇注和凝固过程中发生的主要的物理化 学现象，初步掌握连铸工艺与设备及其最新 发展，为将来从事冶金工程领域的工作，为 生产高质量的连铸坯，以及解决连铸生产中 的实际问题奠定理论基础。
课程大纲
−3cosθ
+ cos3 θ )
ΔG∑ =(2−3cosθ +cos3θ)(−13πr3ΔG+πr2σlc)
(4)求 ΔG ∗ 和 r ∗ :
∂ (Δ G ∑ ) = 0
[ ] ∂ r (2−3cosθ +cos3θ)2πr∗σlc −πr∗2ΔG =0
而
2 − 3cosθ + cos3 θ ≠ 0, 故： 2πr ∗σ lc − πr ∗2 ΔG = 0
－钢包 －中间包 －结晶器 －二次冷却区 －拉坯矫直机 －切割机 2.3 连铸新技术
参考书目
（1） 炼钢学原理 冶金工业出版社，曲英主编。
（2） 浇注与凝固 冶金工业出版社，蔡开科主编。
（3） 连续铸钢 科学出版社，蔡开科主编。
（4） 钢铁冶金学（炼钢部分） 冶金工业出版社， 陈家祥主编。
前言
1 现代炼钢技术的发展（连铸技术的作用） （1） 1947年－1974年：
r ∗ = 2 σ lc
ΔG
以 r ∗ 代入 ΔG∑ 得：
[ ] ΔG∗ = 4πσlc2 2−3cosθ +cos3θ （4－10） 3(ΔG)2
非均质形核功与均质形核功相差
1 (2 − 3cosθ + cos3 θ )
4
。由（4－10）式可知
— θ = 180o ，cos180o = 0 ，晶体独立于液体中，形核功与均质形核相同；
（3）中心等轴晶 · 伴随疏松、缩孔和 偏析
1.1.4.4 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 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。
（2）柱状晶的交界面，由于杂质（S、P、 夹杂 物）富集，是裂纹容易扩展的 地方，加工时易脆裂。
（3）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。
4－15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 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
人提出C < 0.88% 的炭钢中：
l∏ = 709ε −0.395 (ε : o C 分，l∏ : μ )
两类小质点：一类叫活性质点，如金属氧化物（Al2O3），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“依托”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”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。
前言
1 凝固理论
1.1 钢液结晶与凝固结构 · 钢液的结晶 · 晶体的长大 · 凝固结构 · 凝固结构控制
1.2 凝固偏析 · 凝固显微偏析 · 凝固宏观偏析
1.3 凝固收缩 1.4 钢的高温力学性能 1.5 凝固过程中气体和非金属夹杂物
2 连铸工艺与设备
2.1 连铸机机型及特点 2.2 连铸工艺与设备
1.1.4.2 凝固时晶体长大方式 （1）定向生长
（2） 等轴晶长大 · 爆发形核理论 · 固体质点理论 · 成分过冷理论 · 树枝晶熔断理论 · 结晶雨理论 · 晶体游离理论
1.1.4.3 连铸坯凝固结构
（1）表皮细小等轴晶 · 厚度一般2～5mm
（2）柱状晶区 · 穿晶结构 · 上倾一定角度： 例如10度
— θ = 0 o ， cos 0o = 1 液体中质点已是一个晶核，不需任何过冷度就可形核；
— 0o < θ < 180o ，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 θ 。越小θ ，形核功就越小，就易形核
，形核速率比较如图4-4。非均质形核的过冷度比均质形核大为减少。在实际生 产中主要是非均质形核，除模壁表面作为“依托”形成晶核外，液体金属中需含有
（2） 均质形核的条件： ΔGΣ＝ΔGv＋ΔGF＝－(4/3)(πγ3 (GA-GB))＋4πγ2σ
由在图r4－= 1r可∗ 时知，，求当：ΔGΣ达到最大值时的晶核大小叫临界半径，
由(4-4)式可知，临界晶核半径是与过冷度成反比。由图(4-1)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减少，新相能稳定生长； — 形核和晶核溶解处于平衡。
到60年代末，有连铸机200余台，产量4000万t. （7）70年代，迅猛发展时期；
1981年连铸比33.8%. （8）80年代，完全成熟时期；
1990年连铸比64.1%； （9）90年代，近终型连铸技术时代
1 凝固理论
1 凝固理论
1.1 钢液结晶与凝固结构
1.1.1 均质形核
（1）新核的形成引起系统的自由能的变化： · 体积自由能的下降： ΔGv＝－(4/3)(πγ3 (GA-GB)) 式中：γ：球形晶核的半径；GA：A相体积自由能； GB：A相体积自由能 · 表面自由能的增加： ΔGF＝4πγ2σ 式中：σ：A、B两相界面自由能
3
(2)产生新相界表面自由能 ΔGr ：
ΔGF = σlc 2πr2(1−cosθ) + (σcs −σls )πr2(1−cos2 θ)
=πr2σlc(2 −3c:
ΔG∑
=
− 1πr3 (2 − 3cosθ
3
+
cos2
θ)ΔG
+πr
σ2 lc
(2
(2) 成分过冷条件，由平衡相图可知：
dT = m dC dx dx
式中： dT 为凝固前沿液相线温度梯度； dC 为凝
dx
dx
固前沿浓度梯度； m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 区。那么不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：
G ≥ dT
O 0.92
3 连铸坯冷装炉 O 轧制CC－CCR
OO
O
O 1.34
4 连铸坯热送轧 O 制CC－HCR
O
O
O 0.878
5 连铸坯直接热 O 装 炉 轧 制 CC － DHCR
6 连铸坯直接轧 O 制CC－DR
O
O
O 0.334
O
角
O
部
补
热
4 连铸技术的发展历史
（1）19世纪中叶H.Bessemer提出了连续浇注金属的构想； （2）1933年，现代连铸的奠基人S.Junghans提出并发展
实验测定：
实验研究指出，树枝晶间距 l 与凝固速度 R 和温度梯度有关。
l = CR mG n
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 lΙ 和 l∏与 R 和 G 关系，如图4－13所示。由图可得出：
上述两经验式中，对一次晶间距，指数m、n值相差较大；对二次 晶间距，m、n值近似相等。不同作者得到的m、n值相差较大。
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。
表4－1纯液体金属结晶过冷度
金属
Sn Pb Al Cu Mn Fe Ni Co