1 凝固理论
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1 凝固理论
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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
（2） 均质形核的条件： ΔGΣ＝ΔGv＋ΔGF＝－(4/3)(πγ3 (GA-GB))＋4πγ2σ
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由 时图，r4求－：1r可知，当ΔGΣ达到最大值时的晶核大小叫临界半径，在
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。
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
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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
（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；
（3）连铸产品的均一性好，质量好；
（4）易于实现机械化和自动化。
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表：炼钢－轧钢不ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ生产流程的轧钢能耗比较
晶核与夹杂物接触面积：
r2(1co2s)
球缺体积： 球缺表面积：
1r3(23cosco3s)
3
2rh2r2(1co)s
形成晶核时系统自由能变化：
(1)体积自由能 G v： G v1 3r3(23co s co 3 )s G
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(2)产生新相界表面自由能 Gr ：
G Flc 2 r2(1c o) s(c sl)sr2(1c2 o )s
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
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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
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；
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 现代炼钢技术的发展（连铸技术的作用） （1） 1947年－1974年：
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。
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。
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课程大纲
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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
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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
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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％；
－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
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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。
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前言
工艺过程
炼铸均初
连钢
加
轧 轧钢燃
钢锭热轧
铸坯
热
制 料消耗
开
清
×109J/t
坯
理
1 模铸钢锭冷装 O O O O 轧制IC－CCR
O
O
O 2.01
2 模铸钢锭开坯 O O O O 后 直 接 轧 制 IC －DR
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
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。
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表4－1纯液体金属结晶过冷度
金属
Sn Pb Al Cu Mn Fe Ni Co
熔点
f (K)
505.7 605.7 931.7 1356 1493 1803 1725 1736
过冷度
ΔT(k)
103 80 130 130 308 295 319 330
T Tf
0.208 0.133 0.110 0.174 0.206 0.161 0.186 0.181
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1.1.2 非均质形核
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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：
cos ls cs lc
式中： 为界面张力； 表示晶体在夹杂物表面的润湿倾向。
r2 lc (23c oc s3 o )s
(3)总自由能变化 G :
G 1 3 r 3 ( 2 3 co c2 s o ) G sr 2l( c 2 3 co c3 s o ) s
G (2 3 co cs3 o ) s (1 3 r3 G r2 l)c