2钢液凝固的基本理论

钢液凝固的基本原理1 钢液的凝固与结晶众所周知，在不同的温度条件下,物质都具有不同的状态。

钢也一样，在加热到一定的温度时，可从固态转化成液态；钢液冷却到某个温度时，将从液态转化为固态。

钢从液态转化成固态称为凝固；从固态转化成液态叫熔化。

钢水凝固的过程主要是晶体或晶粒的生成和长大的过程,所以也叫做结晶。

1.1 钢液的结晶条件（钢液凝固的热力学条件)通常把固体转变为液态的下限温度称为熔点；把液态转变为固态的上限温度叫凝固点,又称理论结晶温度。

凝固点即物质在冷却过程中开始凝固的温度，钢液的结晶只有降温到凝固点以下才能发生。

因为钢液的液相温度在冶炼和浇注操作中是一个关键参数，因此，准确知道要生产的钢的液相线温度对整个炼钢过程至关重要.出于操作安全性和希望得到尽量多的等轴晶凝固组织而采用低过热度浇铸等因素考虑,一般要求浇注温度确定在液相线以上的一个合适的值。

一般根据钢中元素含量可以计算出该钢的液相线温度值。

通常用T S表示钢的凝固点或理论结晶温度。

对某一具体的钢种，凝固点通常可用以下公式理论计算出：T S=1536℃－（78C％+7。

6Si％+4.9Mn％+34P%+30S％+5Cu％+3。

1Ni％+2Mo%+2V%+1。

3Cr%+3。

6Al%+18Ti％）℃降温到T S以下某温度T叫过冷，并把T S与T的温度差值△T叫过冷度,即：△T=T S－T过冷是钢液结晶的必要条件，过冷度的大小决定结晶趋势的大小,即过冷度越大，结晶速度越快;反之，过冷度越小，结晶速度越慢。

1。

2 晶核的形成（1）自发形核在过冷钢液中，有一些呈规则排列的原子集团，其中尺寸最大的集团，就是晶体产生的胚，称之为晶胚。

晶胚时而长大，时而缩小,但最终必有一些晶胚达到某一规定的临界尺寸以上，它就能够稳定成长而不再缩小了，这就形成晶核。

（2）非自发开核因在钢液的凝固过程中，液相中非自发形核比自发形核所要求的过冷度小得多,只要几度到20℃过冷度就可形核，这是因为钢液中存在悬浮质点和表面不光滑的器壁，均可作为非均质形核的核心。

钢水的浇铸1 什么是钢水的浇铸作业?钢的生产包括炼钢、浇铸两大环节。

浇铸作业是将合格钢水铸成适合于轧制或锻压加工所需要的一定形状、尺寸和单重的铸坯(或钢锭)。

钢水的浇铸有两种工艺方式。

一种是钢锭模浇铸，也称模铸工艺，成品为钢锭；另一种是连续铸钢，也称连铸工艺，产品为连铸坯。

2 钢液的结晶条件是什么?物质原子从不太规则排列的液态转化为有规则排列的固态，这个过程就是结晶，也称凝固。

钢液结晶需要两个条件：一是热力学条件，一是动力学条件，两者缺一不可。

A 热力学条件金属处在熔化温度时，液相与固相处于平衡状态；排出或供给热量，平衡向不同的方向移动；当排出热量时，液相金属转变为固相金属。

钢是合金，钢液的冷凝过程是非平衡过程：钢液在快速冷却至理论结晶温度以下一定程度时，才开始结晶。

由此可见，实际结晶温度比理论结晶温度要低，两者之差称为“过冷度”。

钢液只有处于过冷态下才可能结晶，具有一定的过冷度是钢液结晶的热力学条件。

B 动力学条件钢液必须在过冷条件下才能结晶，其过程为形成核心和晶核长大。

钢是合金，钢液中悬浮着许多高熔点的固相质点，是自然的结晶核心，这属于异质形核(即非均质形核)。

所以，钢液在过冷度很小的情况下，就可以形成晶核开始结晶。

钢液形成核心后即迅速长大，晶核开始生长时具有与金属晶体结构相同的规则外形；随后，由于排出的热量不均衡，使晶体向着排出热量最快的方向优先生长，于是便形成了树枝状晶体。

我们希望钢液在结晶过程中形成细晶粒组织，这就要求对形成核心的数量与晶核长大速度加以控制。

增大过冷度，形成核心数量的增加很快，而晶核长大的速度增加较慢；由此可知，增大过冷度可形成细晶粒组织。

可见，过冷度的大小是影响晶粒度的因素。

此外通过人为加入异质晶核的办法，钢也可以得到细晶粒组织。

3 钢液结晶有哪些特点?钢是合金，属于非平衡结晶。

从本书第1-39题所示的Fe-Fe3C相图可知，开始结晶的温度称液相线温度，结晶终了的温度称固相线温度，钢液结晶是在这个温度范围内完成的。

理论教学大纲课程中文名称：炼钢学课程类别：必修课程学分： 5课程学时： 84授课对象：冶金技术专业先修课程：冶金原理、金属学与热处理一、课程的地位、作用及任务本课程是高等职业技术学院钢铁冶金专业的一门重要的职业技术课。

它的内容主要包括炼钢过程的基本反应和转炉炼钢、电炉炼钢、炉外精炼、连续铸钢等。

本课程的任务是通过学习，使学生了解炼钢生产发展的历史、现状和今后的方向，掌握转炉炼钢、电炉炼钢、炉外精炼及连续铸钢的基本理论和主要工艺操作，常见的问题及处理方法，并通过习题练习、实习和毕业实践，使学生初步具备高等技术人才应有的生产操作技能，以及独立分析问题和解决现场实际问题的能力。

二、教学目标（一）知识目标1、了解炼钢过程中的基本反应。

2、掌握转炉、电炉和精炼炉炼钢的冶炼特点、工艺流程和基本操作原理。

3、掌握钢液凝固理论的基本内容、连铸原理与工艺。

（二）能力目标1 、能运用物理化学等专业基础课的原理分析炼钢过程的一系列物理化学变化。

2 、能运用炼钢基本原理去分析判断、解决生产实际问题。

3 、掌握转炉、电炉、精炼炉炼钢和连铸的冶炼特点、工艺流程和基本操作原理。

4 、能根据原料情况及钢种要求制定转炉冶炼合理的工艺操作制度（包括装料、供氧、造渣及温度控制、脱氧合金化等），并具有冶炼终点的判断能力。

5 、能根据钢种的要求制订电炉冶炼的配料成分、配比，并能制订电炉冶炼各期的冶炼制度及供电制度，具备控制、调整终点成分和温度的能力。

6 、能根据钢种选择合理的炉外精炼类型，并具备该精炼设备的操作控制能力。

7 、能根据钢种特点制订合理的连铸工艺制度，掌握典型钢种浇注操作的要点，并了解铸坯的缺陷、产生原因、处理方法。

（三）德育目标1、初步具备辩证思维能力。

2、具有勇于探索、理论联系实际的优良学风。

3、加强职业道德教育，使学生立志为振兴祖国钢铁冶金工业而做出贡献。

三、基本教学内容和教学要求第一章：炼钢学概述基本要求：理解炼钢的任务；了解对原材料的要求；了解耐火材料的分类和各自用途。

钢锭凝固平方根定律(square radical sign law of solidification)钢锭凝固过程中凝固速度变化的基本规律——凝固层厚度S(mm)与凝固持续时间τ(min)的平方根成正比，即S=Kτ1/2(mm)。

此比例常数K 称凝固系数，其量纲为mm•min -1/2。

凝固速度v=dS/dτ=1/2k τ1/2，可见凝固系数K 反映凝固速度的快慢。

它随钢液性质及铸锭的工艺和设备条件而在很大范围内变化。

K 值可由理论计算，但结果与实际偏离较大。

多数情况下，K 值靠实验方法测定。

测定凝固速度或K 的方法很多，常用的有：(1)翻倒法。

在相同的条件下浇注同样的几个钢锭，每隔一定时间连钢锭模翻倒一个，倒出未凝的钢液，测量相应的凝固层厚度，从而确定出凝固层厚度与凝固时间的定量关系；(2)示踪法。

每隔一定的时间间隔向模内钢液加入某种元素或化合物、利用它能在液相中均匀分布，但不能进入凝固层的性质，确定凝固前沿的具体位置。

加入物一类是异种物质，如FeS，通过硫印测定凝固层厚度；另一类是放射性同位素，如加Au 198、Fe 57等，通过测定钢锭断面上的放射强度确定凝固前沿；(3)测温法。

在钢锭模内不同位置上安装一系列热电偶，测定浇注过程中钢液的温度分布，根据温降曲线的变化趋势(找到拐点)，确定凝固前沿的位置，等等。

不同研究者在不同条件下测得的K 值，通常在20～30mm•min -1/2范围。

钢的结晶(steel crystallization)从钢液中产生晶体的过程，也称液态结晶或一次结晶。

随着热量的导出，晶体从无到有(形核)，由小变大(晶体长大)，直至液体全部转为固体(晶体)，完成结晶过程。

钢液的结晶过程决定着钢锭或铸件的结晶组织及物理、化学不均匀性，从而影响到钢的机械、物理和化学性能。

控制钢的结晶过程是提高钢的质量和性能的重要手段之一。

结晶温度范围钢液不是纯金属，而是以Fe 为基的含有一定量C、Si、Mn 及其他一些元素的多元合金。

钢液凝固得基本原理1 钢液得凝固与结晶众所周知,在不同得温度条件下,物质都具有不同得状态。

钢也一样,在加热到一定得温度时,可从固态转化成液态;钢液冷却到某个温度时,将从液态转化为固态。

钢从液态转化成固态称为凝固;从固态转化成液态叫熔化、钢水凝固得过程主要就是晶体或晶粒得生成与长大得过程,所以也叫做结晶。

1、１钢液得结晶条件(钢液凝固得热力学条件)通常把固体转变为液态得下限温度称为熔点;把液态转变为固态得上限温度叫凝固点,又称理论结晶温度。

凝固点即物质在冷却过程中开始凝固得温度,钢液得结晶只有降温到凝固点以下才能发生。

因为钢液得液相温度在冶炼与浇注操作中就是一个关键参数,因此,准确知道要生产得钢得液相线温度对整个炼钢过程至关重要。

出于操作安全性与希望得到尽量多得等轴晶凝固组织而采用低过热度浇铸等因素考虑,一般要求浇注温度确定在液相线以上得一个合适得值。

一般根据钢中元素含量可以计算出该钢得液相线温度值、通常用ＴS表示钢得凝固点或理论结晶温度。

对某一具体得钢种,凝固点通常可用以下公式理论计算出:T S＝1５3６℃－(７８Ｃ%+７。

６Si%＋４.９Mn％+３4Ｐ％+30S％＋5Cｕ％＋３.1Ｎi％＋2Mｏ%+2V％+1。

３Cｒ％+３。

6Al％+１８Tｉ％)℃降温到ＴS以下某温度Ｔ叫过冷,并把T S与T得温度差值△Ｔ叫过冷度, 即:△T＝Ｔ－TＳ过冷就是钢液结晶得必要条件,过冷度得大小决定结晶趋势得大小,即过冷度越大,结晶速度越快;反之,过冷度越小,结晶速度越慢。

1.2晶核得形成（1）自发形核在过冷钢液中,有一些呈规则排列得原子集团,其中尺寸最大得集团,就就是晶体产生得胚,称之为晶胚。

晶胚时而长大,时而缩小,但最终必有一些晶胚达到某一规定得临界尺寸以上,它就能够稳定成长而不再缩小了,这就形成晶核。

（2）非自发开核因在钢液得凝固过程中,液相中非自发形核比自发形核所要求得过冷度小得多,只要几度到２0℃过冷度就可形核,这就是因为钢液中存在悬浮质点与表面不光滑得器壁,均可作为非均质形核得核心。