鋼液的凝固過程及結晶特點

鋼液的凝固冷卻是由液態轉化為固態,再由高溫降至室溫的過程,在該過程中存在著收縮。低碳鋼在1600℃時的密度為7.06g/cm3,室溫固態鋼的密度為7.86g/cm3,凝固冷卻過程中鋼的體積縮小了(1/7.06-1/7.86)÷(1/7.06)×100%=10.18%。其中包括下列幾種收縮:

(1)液態收縮。從澆注溫度至液相線溫度的收縮,也是過熱度消失的收縮,收縮量約為1%,對nm400耐磨鋼板影響不大。

(2)凝固收縮。鋼液全部轉化為固態的收縮,即從液相線溫度至固相線溫度的收縮,收縮量為3%~4%。結晶溫度范圍越寬,收縮量也越大;從Fe-Fe3C相圖可以看出,隨鋼中碳含量增加,結晶溫度范圍加寬,所以高碳鋼比低碳鋼收縮量要大;凝固收縮表現為體積收縮,可形成縮孔。

(3)固態收縮。從固相線溫度降至室溫的收縮,收縮量最大在7%~8%,體現為線收縮。連鑄坯(或鋼錠)在降溫過程中會產生熱應力,在相變過程中會產生組織應力,這些應力如果控制不當就是連鑄坯(或鋼錠)形成裂紋的根源。

澆鑄鎮靜鋼鋼錠時,采用上大下小帶保溫帽的鋼錠模,目的是使保溫帽中的鋼液不斷地補充鋼錠本體的凝固收縮,以便縮孔集中于鋼錠頭部的保溫帽中,軋制時只切掉保溫帽部分,減少切頭率,提高成材率。連續鑄鋼是向結晶器內連續注入鋼水,隨時補充鋼液凝固的體積收縮,所以連鑄坯沒有集中縮孔。

鋼是合金,屬于非平衡結晶。開始結晶的溫度稱液相線溫度,結晶終了的溫度稱固相線溫度,鋼液結晶是在這個溫度范圍內完成的。同理,當鋼加熱至固相線溫度時開始熔化,到達液相線溫度時熔化完了。所以,對同一成分的鋼而言,凝固溫度與熔化溫度是相同的。鋼在這個溫度范圍內是固。液兩相并存。所以鋼液的結晶存在著如下現象:

(1)成分過冷。鋼液在結晶中存在選擇結晶現象,所以兩相區內固、液相界面凝固前沿液相成分有變化,必然引起凝固溫度的降低,從而改變凝固前沿的過冷度,這種現象稱為成分過冷。鋼的結晶不僅受溫度過冷的影響還受成分過冷的影響。

(2)化學成分不均勻。鋼液結晶存在著選擇結晶,最先凝固部分鋼中溶質含量較低,后凝固部分溶質含量較高;顯然,最終在整個凝固結構中溶質分布是不均勻的,這種現象稱為化學偏析。由于選擇結晶,在凝固過程中產生化學變化,形成的化合物來不及排出滯留于鋼中,便產生了凝固夾雜,其分布也是不均勻的。

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