3.1 钢液洁净度与过冷度的关系
过冷度/K
55
45 35
25
15 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030
氧含量/%
氧化铝 氧化硅
图1 氧含量与过冷度的关系
本实验所用原料为电解
纯铁，除氧外其它元素均为 恒量，脱氧后铁液中的杂质 主要为氧化物夹杂。因此， 氧含量可以代表其洁净度。 可见：随氧含量的增加，铁 液洁净度下降，过冷度亦下 降 。洁净度越高 ， 过冷度就 越大。
3.4 钢液洁净度与临界晶核半径的关系
临界晶核半径是指在凝 固过程中恰好能形成稳定晶 核的晶核半径。结果根据图4 可 见 ： 随着洁净度的提高 ， 临界晶核半径减小。在其它 条件相同时 ， 临 界 晶 核 半 径 减小使可长大的晶胚增多， 凝固组织中晶粒数量增加， 晶粒细化。从而使金属的强 度和韧性都得到提高。
3 结果与讨论
试样 1# 2# 3# 4# 5# 6# 7# 8# 9# 10# 11#
表2 试样的氧含量与过冷度
脱氧剂
氧含量/%
0.020 0.022 0.029 Al 0.025 0.015 0.010
0.0081
0.010
Si
0.013
0.014
0.012
T / K
46.1 37.8 19.7 24.6 44.5 51.1 57.8 47.2 46.1 30.2 49.1
3.3 钢液洁净度与形核功的关系
形核功是指形成一个晶核 体系所需要克服的能量。形核 功越小，凝固越容易。由图3 可 见 ， 铁液凝固时洁净度越低 ， 其形核功就越大。这是因为洁 净度低时，过冷度小，所需要 的形核功增大。反之，洁净度 越高 ， 形核功就越小 ， 就越容 易形成晶核。
图3 氧含量与形核功的关系
图4 氧含量与临界晶核半径的关系
4 结论
1.随着氧含量的减小，铁液的洁净度增加，其过冷度和 所需形核驱动力随之增大，也就是在相同冷却速度下， 氧含量越低，铁液开始凝固的温度越低。 2.铁液洁净度越高，形核功越小，临界晶核半径亦越小 越容易形成晶核。
3.2 钢液洁净度与形核驱动力的关系
图2 氧含量与形核驱动力的关系
在本实验条件下，铁液中的夹
杂物主要是铝、硅的脱氧产物氧化 铝和氧化硅。从图2可以看出，随 着洁净度的提高，铁液凝固形核的 驱动力逐渐增加。这是因为洁净度 的提高使得过冷度增大，从而使得 形核驱动力增加。在相同的洁净度 条件下，夹杂物类型不同时凝固所 需的形核驱动力也不同。初生晶核 与形核质点之间的润湿角越小，铁 液越容易凝固，它所需要的形核驱 动力也就越小。
1.1 形核半径与形核功
系统总的自由能变化
ΔG ΔGV ΔGs ΔGm V A （1）
球形晶核自由能
G
Gm
4r 3
3
4r 2
（2）
临界晶核半径
均质最大形核功
r* 2
ΔGm
G*
16 3
3Gm2
（3） （4）
非均质最大形核功
G*
16 3
3Gm2
f
其中
f 1 2 3cos cos3 4
（5） （6）
1.2 凝固热力学驱动力
单位体积自由能计算公式
ΔGm H m TSm
当T TGm
Hm Tm
T
（7）
（8） （9）
表1 铁的各项物性参数
金属 熔点Tm（K） 凝固潜热 H m (kJ mol 1) 熔化熵Sm /(J mol 1 K 1) 固、液面张力 /(J m2 )
洁净度对钢液形核影响的热力学研究
热力学
过冷度
热力学驱动力
形核功
临界晶核半径
研究目的
探究钢液形核过程中洁净度与形核半径、形核功 以及热力学驱动力的联系，为高洁净钢连铸细晶技术 提供相关理论依据，
研究过程
理论分析
实验
结果与讨论
结论
1 理论分析
对于钢铁材料，洁净度主要是指钢铁材料 中杂质含量的多少。杂质含量越低, 钢铁材料的 洁净度就越高。钢铁材料中的杂质主要包括氮、 氢、氧、硫、磷、碳及其化合物和各种夹杂物 等。实际生产过程中，钢液以非均质形核方式 凝固，钢中的异质质点作为形核核心，其数量、 性质等会对凝固过程的热力学参数如过冷度、 形核率等产生影响。
2.2 差热分析
通过超高温DTA测定试验样品的熔化温度 和凝固温度，测定条件为99.999%的氩气氛， 升温速度2℃/min，降温速度20℃/min。采用 测定的熔化终了的温度和凝固的开始温度之差 作为试样的过冷度。
差热分析仪的结构如上图所示。一般的差热分析装置由加热系统、温度控 制系统、信号放大系统、差热系统和记录系统等组成。有些型号的产品也 包括气氛控制系统和压力控制系统。
Fe
1809
15.2
8.4
0.254
2实 验
2.1 高温熔化实验
使用电解纯铁作为实验原料，利用连续高温钼 丝炉进行加热，将装有电解纯铁的Al2O3坩埚放入钼 丝炉内加热，通氩气保护。并通过Pt-PtRh10热电偶 配合温度控制仪控制钼丝炉的温度，将铁料加热至 1600℃熔化后，加脱氧剂铝，硅进行脱氧。保温 10min，然后随炉冷却，熔炼后得到试样。经过加 工清洗，最后利用红外吸收法分析氧含量。