凝固缺陷5.doc

第五章 凝固质量 凝固收缩 钢从液态到固态的冷却过程中，所发生的体积减小现象称为收缩。收缩是钢本身的物理性质。收缩是造成铸坯中许多缺陷如缩孔、疏松、裂纹、应力、变形等根本原因。因此，它是铸坯质量的重要性能之一。 收缩特性： 钢从液态到常温的体积改变量称为体积收缩。钢在固态时的线性尺寸改变量，称为线性收缩。在设计结晶器锥度和断面尺寸时要考虑线性收缩。 在实际中，通常皆以相对收缩量表示钢的收缩特性，此相对收缩量称为收缩率。 当温度由→时，钢的体积收缩率和线性收缩率各为： 式中：、—钢在、时的体积；、—在、时的长度， 、—钢在（～）温度范围内的体积收缩系数和线性收缩系数。 由于值远小于1，因此，或（可以利用立方体推导）。 是某一温度区间时相对收缩量，是与温度差的乘积。因此，既与钢的性质有关，又与温度区间的大小有关。 铸坯凝固收缩： 钢水从浇注温度冷却到常温都要经历三个收缩阶段：①液态收缩阶段；②凝固收缩阶段；③固态收缩阶段。 钢在不同阶段的收缩特性是不同的，而且对铸坯质量也有不同的影响。 液态收缩 钢液从浇注温度冷却至开始凝固的液相线温度的体积收缩为液态收缩。在钢液每下降100℃，体积收缩率约为1.5~1.75%。 在连铸过程中，温度在液相线以上的钢液，完全处于液芯内。液态收缩发生在液芯内部，其带来的体积减少完全可以由连续浇入的钢水来补充。因此对铸坯质量几乎没有影响。 凝固收缩 钢的凝固是在两相区内进行，在凝固温度范围内产生的收缩为凝固收缩，包括由液态到固态的状态改变和温度降低两部分收缩。在包晶反应区内，状态改变还包括包晶反应带来的收缩。温度降低带来的收缩包括液相和固相两部分的收缩。钢的凝固收缩决定于其化学成分，对于碳钢来说，主要取决于％C。碳钢的凝固收缩率如下表： 碳钢的凝固体积收缩率，％ ％C 0.10 0.25 0.35 0.45 0.70 2.0 2.5 3.0 4.3 5.3 凝固收缩对铸坯的缩孔、疏松和裂纹有直接影响。 固态收缩 完全凝固后，钢由固相线温度到常温会发生固态收缩。碳钢的固态收缩分为三个阶段： 1）珠光体转变前收缩，发生在凝固终了到前的温度范围。 2）共折转变期的膨胀，发生在相变的温度范围内。 3）珠光体转变后收缩，发生在相变终了到室温的温度范围内。 整个固态收缩率为三者之和。在设计结晶器断面尺寸时很有用。 碳钢的线性收缩率与％C的关系 ％C 0.08 0.14 0.35 0.45 0.55 0.60 % 2.47 2.46 2.4 2.35 2.31 2.18 钢的固体收缩是铸坯中产生应力、变形和裂纹的根本原因。 线性收缩的开始温度 当钢液的温度稍低于液相线温度时，便开始凝固。但是，在凝固初期，枝晶还比较少，不能形成连续的骨架，仍表现为液态收缩性质。温度继续下降至某一温度时，枝晶数量增多，彼此相连构成连续的骨架，开始表现为固态的性质，即开始线性收缩。实验证明，此时液相率为0.20～0.45。 因此，在凝固过程中，线性收缩不是从完全凝固以后才开始，而是两相区中的某一温度开始，这对于铸坯中热裂的形成机理是个很重要的概念。 缩孔和疏松 铸坯在凝固过程中，由于钢的液态收缩和凝固收缩，往往在铸坯最后凝固的中心部位出现孔洞。容积大而集中的孔洞称为集中缩孔，简称为缩孔；断面上细小而分散的孔洞称为疏松。缩孔的形状不规则，表面不光滑，可以看到发达的树枝晶末梢，可以和气孔区别开来。 断面上的一般疏松和显微疏松在轧制中可以焊合，而铸坯中心缩孔和疏松即使在较大的压缩比下，也不会完全消除。由于应力集中作用，未消除的缺陷在钢材中成为裂纹源，疲劳和强度等机械性能降低；钢材拉拔、冷镦等深加工性能显著恶化；缩孔和疏松严重的铸坯，用于轧制钢管时，钢管内表面会出现裂纹。 钢锭中缩孔的形成： 针对下注法来说明钢锭中缩孔的形成过程。钢液由中注管经汤道，从底部进入钢锭模。 模壁对钢液形成强烈冷却，在模壁下部开始凝固。钢液温度下降，发生液态收缩和凝固收缩。但此时的收缩从不断进入钢锭模的钢液中得到补充。在持续的浇注过程中，钢锭模内钢液面稳定上升，钢液在模壁上不断凝固。 当液面充满钢锭模时，减小钢包注流，开始补缩过程。此时，钢锭表面已经凝固，凝壳厚度自下而上依次变薄。 进一步冷却中，凝壳内的钢液因温度降低发生液态收缩，凝壳不断生长带来凝固收缩，未凝固的钢液对液态收缩和凝固收缩不断进行补充。与此同时，通过钢流的补缩可以使液面保持不变。 补缩持续一定时间后，入口凝固，补缩浇注停止。在以后的凝固中，钢液已经无法得到浇注系统的补充，导致液面持续下降。 底盘对底部钢水冷却和晶粒沉积使钢锭底部凝固加快。待钢全部凝固后，在钢锭上部就形成了一个倒锥形的缩孔。 已经凝固钢锭的体积因温度下降至常温而不断缩小，使缩孔的绝对体积有所减小，但其值变化不大。 综上所