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TS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：

TS=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TS与T的温度差值△T叫过冷度,即：△T=TS－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。由于钢水不可能达到100％的纯净，故生产中这种形核是主要的形核方式。

田　首钢科技　，　２００２年第５期　

钢液钙处理的理论分析　

龚坚刘建辉苏树红　

（第二炼钢厂）　

摘要通过热力学计算结果，分析了铝镇静钢钙处理时Ｆｅ—Ａｌ—Ｃａ—Ｏ一４Ｓ系中的各种平衡曲线、１　８７３　Ｋ时在　各种平衡态下的Ａ１一Ｏ、Ｃａ—Ａ１、Ｓ－Ａ１和Ｓ—ｃａ平衡曲线及温度对平衡曲线的影响，指出为避免生成固态铝酸钙和　ＣａＳ理论上应满足的条件。　关键词钙处理热力学分析　

ＴＨＥＯＲＥＴＩＣＡＬ　ＡＮＡＬＹＳＩＳ　ＯＦ　ＣＡＬＣＩＵＭ　ＴＲＥＡＴＭＥＮＴ　

ＧＯＮＧ　Ｊｉａｎ　ＬＩＵ　Ｊｉａｎｈｕｉ　ＳＵ　Ｓｈｕｈｏｎｇ　

（Ｔｈｅ　Ｎｏ．２　Ｓｔｅｅｌｍａｋｉｎｇ　Ｐｌａｎｔ）　

ＡＢＳＴＲＡＣＴ　Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｈｅｌｐ　ｏｆ　ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ．ｓｏｍｅ　ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ　ｌｉｎｅｓ　ｏｎ　Ｆｅ—Ａｌ—Ｃａ—Ｏ—Ｓ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎ　ｃａｌｃｉｕｍ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｏｆ　ａｌｕｍｉｎｉｕｍ　ｋｉｌｌｅｄ　ｓｔｅｅ１．Ｔｈｅ　ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ　ｌｉｎｅｓ　ｏｆ　Ａ１一Ｏ、Ｃａ．Ａｌ、Ｓ．Ａｌ　

ａｎｄ　Ｓ—Ｃａ　ａｔ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｐｈａｓｅｓ　ｉｎ　１　８７３　Ｋ．ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｏｎ　ｔｈｏｓｅ　ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ　ｌｉｎｅｓ　ａｔ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｐｈａｓｅｓ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｉｔ　ｐｏｉｎｔｓ　ｏｕｔ　ｔｈｅ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ａｖｏｉｄｉｎｇ　ｈｉｇｈ　ｍｅｌｔｉｎｇ　ｐｏｉｎｔ　

ｃａｌｃｉｕｍ—ａｌｕｍｉｎａ　ｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓ　ａｎｄ　ＣａＳ　ｆｏｒｍａｔｉｏｎ．　

ＫＥＹ　ＷＯＲＤＳ　ｃａｌｃｉｕｍ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ，ｔｒｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｓ，ａｎａｌｙｓｉｓ　

１　前　言　

钢液钙处理是目前炼钢厂广泛使用的一种　炉外精炼手段，其目的之一是生成液态铝酸　钙，避免铝镇静钢在连铸时发生水口堵塞。国　

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。

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TS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：

TS=1536℃－（78C%+%+%+34P%+30S%+5Cu%+%+

2Mo%+2V%+%+%+18Ti%）℃

降温到TS以下某温度T叫过冷，并把TS与T的温度差值△T叫过冷度， 即：△T=TS－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。

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。由于钢水不可能达到100％的纯净，故生产中这种形核是主要的形核方式。

第３１卷第６期　太原科技大学学报　Ｖｏ１．３１　Ｎｏ．６　

２０１０年１２月　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＴＡＩＹＵＡＮ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　ＯＦ　ＳＣＩＥＮＣＥ　ＡＮＤ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　Ｄｅｃ．２０１０　

文章编号：１６７３—２０５７（２０１０）０６—０４９３一Ｏ５　

浸入式水口电磁搅拌对钢液传热凝固的影响　

刘　凯　，崔凤兰　，崔小朝。，晋艳娟　

（１．上海第二工业大学，上海２０１２０９；２．上海飞熠软件技术有限公司，上海２００２３５；　

３．太原科技大学应用科学学院，太原０３００２４）　

摘要：在圆坯连铸浸入式水１２＂上施加电磁力，对水１：７内钢水产生电磁搅拌作用，对水口出流成螺　旋状态的液体的传热凝固过程进行数值模拟，结果表明：旋流出流使得铸坯内温度场明显均匀化，加快　钢液热量的释放，气隙厚度减小。温度的均匀化，使得固液相温度梯度减小，改善凝固组织、提高铸坯质量。　关键词：温度场；电磁搅拌；数值模拟；连铸　中图分类号：ＴＦ７７７　文献标志码：Ａ　

在连铸过程中，钢水从浸入式水口出流时会产　

生波动现象，这会导致结晶器内的钢水水面产生波　

动，保护渣卷入钢中，导致钢坯产生针孔等质量缺　

陷，其中保护渣的卷入和卷入后保护渣的再次上浮　

过程与浸入式水口出口的射流过大，造成钢水向上　

回流过强有关。基于此提成了旋流水口的概念。　

旋流水口是在浸入式水口安装电磁搅拌装置，这样　

以来，浸入式水口出流为旋流，产生离心力，使得钢　

水均匀化分布，和传统的水口相比，提高了连铸过　

程的生产率和质量。　

本文采用数值模拟的方法，对结晶器内钢水的　

温度分布进行分析计算，分析旋流水口对结晶器内　

钢水传热凝固过程的影响，从而优化合理的水口工　

艺参数，为改善铸坯质量提供依据。　

１数值计算方法　

１．１模型的建立　

计算模型及网格图如图１所示，（ａ）为模型图，　

（ｂ）、（Ｃ）为网格划分图。（　向为模型垂直方向且　流体方向沿　负方向）水口尺寸为：水口人口直径为