第8章 铸锭的凝固.ppt

8.1 铸（钢）锭 将炼成的金属液浇注到砂型（金属型等）铸型内，凝固后形成的锭子称为铸锭。 根据浇注金属材料的不同分为钢锭、铝锭、铜锭等。 若浇注的是钢液，形成的锭子称为钢锭。钢锭经轧制或锻压成为钢材后方能使用。钢锭通常在铸铁模中凝固。 根据浇注方法分为上（顶）注钢锭和下（底）注钢锭。下注锭的表面质量优于上注锭。 根据脱氧程度的不同又有沸腾钢钢锭、半镇静钢钢锭和镇静钢钢锭三种。沸腾钢是脱氧不完全的钢，镇静钢是脱氧完全的钢，半镇静钢的脱氧程度介于前两者之间，接近于镇静钢。 钢锭的应用现状 模铸锭与连铸坯相比，所占比例逐年减少，目前已减少到5％以内，其中合金钢和不锈钢将减少到20％，工具钢和特殊钢将减少到40％。这是由于连铸坯可以多炉连浇、收得率高、不需初轧或开坯、能耗低，质量优于模铸锭。 模铸镇静钢不可能完全被淘汰，因为锻造用钢、一些小批量生产的高级合金钢及VAR(真空电弧重熔)和ESR(电渣精炼)用的坯料仍需用模铸镇静钢来生产。 小型钢锭纵截面宏观组织照片 钢锭的质量 钢锭的质量有表面质量和内部质量之分。 表面质量：结疤、翻皮、裂纹、表皮的致密度。 内部质量：钢锭内部的纯净度、致密度、低倍非金属夹杂物数量和宏观偏析的程度。 沸腾钢的表面质量好，但由于锭心偏析大，内部质量不如镇静钢。 8.2 钢锭(steel ingot)的凝固 模内钢水的凝固速度可用平方根定律表示： s为凝固层厚度，mm； t为凝固时间，min； 例题 铸件凝固层厚度为5mm，凝固时间为0.1min，求该铸件的凝固系数。 由 得K=5/0.11/2=15.81mm/min1/2 （1）S1、M1、C1（点划线）为钢锭凝固到40min(中间点尚未凝固)开始脱模入炉时锭表、中间点及中心点的温度变化曲线。 （2）S2、M2、C2三条长虚线为中心点凝固后立即脱模并装炉时三个位置的温度随时间的变化曲线。 （3）S3、M3、C3(点虚线)为钢锭凝固到60min左右进行脱模时的温度变化曲线。 一、钢锭凝固收缩 钢液在冷却和结晶过程中所发生的体积收缩 凝固收缩量 钢锭的凝固收缩包括液态收缩、结晶收缩和固态收缩三部分。即为总的冷凝体积收缩率，％； εL、εc、εs分别为液态、结晶和固态的体积收缩率，％。 以35钢为例，由1725℃至室温的全部体积收缩率为：εv=εL+εc+εs=4％+3％+7.2％=14.2％。 钢的凝固收缩量主要随含碳量的变化而变化。钢中含碳量提高，直到0.5％时结晶收缩量逐渐增加，继续提高时反而减小。 而钢的固态收缩则随含碳量的增加而减小。 因此，含碳量在0.2％～0.5％的钢冷凝的总收缩率最大。 钢液在冷却和结晶过程中所伴随发生的体积收缩，对钢锭的质量及物理、化学均匀性有重要影响： (1)产生缩孔与疏松 由于钢液的冷凝收缩，在浇注补缩不充分的条件下将会造成钢锭或铸件内部的缩孔和疏松缺陷，其容积最大可达浇钢容积的5％。 缩孔产生于最后凝固的地方。 钢锭缩孔(shrinkage cavity) 为了防止产生缩孔缺陷，主要是控制钢锭的传热，以促使缩孔尽可能集中在钢锭的最上端，便于切除。最有效的技术措施有： 选择合理的钢锭形状和尺寸； 采用绝热板保温帽（冒口）； 控制合适的注温、注速和正确的补缩操作等。 (2)产生裂纹 钢在冷凝过程中产生的收缩一旦受阻，便产生应力。当此应力超过钢在当时温度条件下的强度极限或塑性极限时，就会造成裂纹。钢在红热状态下产生的裂纹称热裂纹，常温状态下产生的裂纹称冷裂纹。 实践表明，热裂倾向主要取决于钢的收缩特性和高温塑性。对钢锭热裂倾向起决定作用的是它在某一时刻的最大收缩速度。在钢锭开始凝固的前5～10min内(钢锭的相应表面温度为1500～1200℃)是产生表面热裂纹的最危险时期。 二、钢锭宏观偏析(macrosegregation) 在钢锭中存在的限于钢锭尺寸数量级的浓度差别，又称区域偏析。通常指沿钢锭纵断面和横断面上化学成分不均匀分布情况。 宏观偏析与各结晶带的形成密切相关，往往在特定区域成条带状分布。可用钻样分析方法进行鉴定，又可借助硫印、酸浸等低倍检验方法判明。 按偏析带形态可分为带状偏析和通道偏析(如V形、倒V形偏析等)；按偏析的直接成因可分为正常偏析、逆（反常）偏析、比重偏析等。 铸锭宏观组织比例的数值模拟 消除钢锭偏析的方法 (1)均匀化退火可以消除微观偏析 (2)搅拌可以减小偏析 (3)快速凝固可以减小偏析 (4) 对于V型偏析可以通过加入孕育剂和形核剂，在铸件中先形成形成一定的枝晶网阻止晶体的下沉或上浮。 8.4 钢锭凝固过程数值模拟 钢凝固传热的基本规律及特点: 首先是钢锭和钢