連鑄鋼水質(zhì)量控制

連鑄鋼水質(zhì)量控制第1頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月要想使連鑄生產(chǎn)穩(wěn)定高效地進(jìn)行，并且保證鑄坯質(zhì)量，首先要準(zhǔn)備好成分、溫度、脫氧程度及純凈度都合格的鋼水。這里重點(diǎn)介紹鋼水溫度的要求。另外，煉鋼工序和連鑄工序要緊密配合，步調(diào)一致。第2頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)

鋼水溫度控制第3頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.液體與固體物質(zhì)的三種存在形態(tài)：固體、液體、氣體?固體：能夠抵抗來(lái)自外部的剪切力，能夠自己保持其原有形狀。在晶體物質(zhì)的結(jié)構(gòu)中，原子在空間上是按規(guī)則的幾何形狀排列的，遠(yuǎn)程有序。?氣體：原子或分子在空間上的排列是無(wú)序的。PV=RT第4頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.液體與固體?液體：只能抵抗很小的剪切力，其外形取決于容器形狀，可以流動(dòng)。?凝固：液態(tài)—固態(tài)的過(guò)程，因此液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)對(duì)凝固后的組織會(huì)有影響。?液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)？第5頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月液態(tài)的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：長(zhǎng)程無(wú)序而短程有序。特點(diǎn)：（與固態(tài)相比）原子間距較大、原子配位數(shù)較小、原子排列較混亂。1.液體與固體第6頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

常用金屬熔化時(shí)的體積變化1.液體與固體第7頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月常見(jiàn)金屬的熔化潛熱和汽化潛熱1.液體與固體第8頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月?潛熱主要是原子之間的鍵破壞需要的能量，可見(jiàn)原子之間的鍵的破壞主要發(fā)生在液－汽轉(zhuǎn)變。?液態(tài)更接近與固態(tài)的結(jié)構(gòu)。?關(guān)于液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)的研究表明：液態(tài)金屬是近程有序的。1.液體與固體第9頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

凝固過(guò)程發(fā)生放熱，液態(tài)金屬轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w金屬的過(guò)程，從而改變各相自由能，從而改變各相相對(duì)穩(wěn)定性，凝固象化學(xué)反應(yīng)一樣，也需要熱起伏來(lái)驅(qū)動(dòng)，即原子從母相遷移到新相的概率大于相反方向遷移的概率時(shí)，相變才能發(fā)生。從微觀(guān)來(lái)看，凝固是金屬原子從無(wú)序狀態(tài)到有序狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，也就是液體中無(wú)規(guī)則的原子集團(tuán)轉(zhuǎn)變?yōu)榘匆欢ㄒ?guī)則排列的固態(tài)結(jié)晶體。凝固過(guò)程主要是晶體或晶粒的生成和長(zhǎng)大過(guò)程，所以也稱(chēng)結(jié)晶。1.液體與固體第10頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月金屬在凝固過(guò)程存在兩個(gè)界面，固液界面、金屬鑄型界面，在兩個(gè)界面存在復(fù)雜的傳熱。凝固過(guò)程的液體由于溫差將引起對(duì)流，由于溫度不同造成熱膨脹的差異，從而引起密度的不同，在重力場(chǎng)中密度較小的流體受到浮力的作用。同樣，液體成份不均勻時(shí)也會(huì)因?yàn)槊芏鹊牟煌鸶×Γ芏炔煌a(chǎn)生的浮力是對(duì)流的驅(qū)動(dòng)力。當(dāng)浮力大于粘滯力時(shí)，即會(huì)產(chǎn)生對(duì)流（自然對(duì)流）。1.液體與固體第11頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.冷卻曲線(xiàn)與凝固溫度結(jié)晶過(guò)程的分析方法

--熱分析第12頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月?完全熔化后的金屬在幾近絕熱的情況下冷卻，得到冷卻曲線(xiàn)。?液態(tài)金屬變成固態(tài)金屬過(guò)程中，固液并存，此時(shí)，液態(tài)金屬變成固態(tài)金屬時(shí)放出熱量，抵消了自然溫度的下降。?液態(tài)金屬完全凝固時(shí)，溫度繼續(xù)下降。?溫度不變化的數(shù)值，即凝固溫度-平衡凝固溫度。2.冷卻曲線(xiàn)與凝固溫度第13頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月過(guò)冷結(jié)晶潛熱2.冷卻曲線(xiàn)與凝固溫度第14頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.冷卻曲線(xiàn)與凝固溫度金屬凝固時(shí)的過(guò)冷過(guò)冷：金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度總是低于其理論結(jié)晶溫度的現(xiàn)象。過(guò)冷度：金屬材料的理論結(jié)晶溫度(Tm)與其實(shí)際結(jié)晶溫度To之差△T=Tm-To。注：過(guò)冷是結(jié)晶的必要條件，結(jié)晶過(guò)程總是在一定的過(guò)冷度下進(jìn)行。第15頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月原因：溫度冷卻過(guò)快，液態(tài)變成固態(tài)比較慢，液態(tài)金屬變成固態(tài)金屬釋放的能量來(lái)不及彌補(bǔ)溫度下降速度。冷卻條件不同，得出的冷卻曲線(xiàn)也不同。2.冷卻曲線(xiàn)與凝固溫度第16頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.冷卻曲線(xiàn)與凝固溫度凝固溫度

純金屬：熔點(diǎn)合金：液固相線(xiàn)溫度第17頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.過(guò)冷與形核結(jié)晶的基本過(guò)程液體中瞬時(shí)有許多規(guī)則排列的原子團(tuán)，時(shí)聚時(shí)散。結(jié)晶規(guī)律：結(jié)晶過(guò)程是晶核不斷形成和長(zhǎng)大的過(guò)程晶粒立體長(zhǎng)大形核晶核長(zhǎng)大不斷生成新晶核長(zhǎng)大相碰晶粒多晶體第18頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月形核長(zhǎng)大形成多晶體兩個(gè)過(guò)程重疊交織3.過(guò)冷與形核第19頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月描述結(jié)晶進(jìn)程的兩個(gè)參數(shù)形核率：?jiǎn)挝粫r(shí)間、單位體積液體中形成的晶核數(shù)量,用N表示。長(zhǎng)大速度：晶核生長(zhǎng)過(guò)程中，液固界面在垂直界面方向上單位時(shí)間內(nèi)遷移的距離,用G表示。3.過(guò)冷與形核第20頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.過(guò)冷與形核凝固的基本條件--固液相變的驅(qū)動(dòng)力在熔化溫度(Tf)下，金屬固、液相處于平衡狀態(tài)。T=Tf時(shí)，固液系統(tǒng)自由能：G=H-TSH為克分子焓、S為克分子熵當(dāng)金屬由液相向固相轉(zhuǎn)變時(shí)，單位體積自由能變化：在T與熔化溫度Tf相差不大時(shí)：第21頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.過(guò)冷與形核第22頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月由上式可知：?過(guò)冷度△T是鋼水結(jié)晶的必要條件。?過(guò)冷度△T越大，△G越負(fù)，結(jié)晶越容易。?要得到過(guò)冷度，系統(tǒng)自由能必須減少，而自由能減少就是內(nèi)能的減少，內(nèi)能是以潛熱形式放出的，結(jié)晶是個(gè)放熱過(guò)程。然而，一定的過(guò)冷度只是必要條件，并不是說(shuō)只要具有合適的過(guò)冷度，金屬結(jié)晶就必然發(fā)生。3.過(guò)冷與形核第23頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.過(guò)冷與形核凝固的基本條件--結(jié)構(gòu)條件液態(tài)結(jié)構(gòu)模型：微晶無(wú)序模型（準(zhǔn)晶體模型）結(jié)構(gòu)起伏（相起伏）：不斷變換著的近程有序原子集團(tuán)，大小不等，時(shí)而產(chǎn)生，時(shí)而消失，此起彼伏，與無(wú)序原子形成動(dòng)態(tài)平衡，這種結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定現(xiàn)象稱(chēng)為結(jié)構(gòu)起伏。第24頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.過(guò)冷與形核形核

--均質(zhì)形核分為均質(zhì)形核和非均質(zhì)形核?均質(zhì)形核：（Homogeneousnucleation)由游動(dòng)的原子團(tuán)簇自己逐漸長(zhǎng)大而形成晶核的過(guò)程，也稱(chēng)為自發(fā)形核。?非均質(zhì)形核：（Heterogeneousnucleation)在外來(lái)質(zhì)點(diǎn)的表面上生核的過(guò)程，也稱(chēng)為異質(zhì)生核或非自發(fā)形核。第25頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)均質(zhì)形核而言：

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達(dá)到一定過(guò)冷度后，液態(tài)金屬中結(jié)構(gòu)相似、體積微小、近程有序的“原子集團(tuán)”轉(zhuǎn)變成規(guī)則排列而穩(wěn)定下來(lái)成為晶核。

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液體的體積自由能大，固體的體積自由能小。

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但在液體中形成固體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生表面能。

即在形核過(guò)程中，體積自由能減小，表面能增大，只有體積自由能減小的趨勢(shì)大于表面能增大的趨勢(shì)時(shí)，晶核才能穩(wěn)定。3.過(guò)冷與形核第26頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.過(guò)冷與形核對(duì)均質(zhì)形核而言該過(guò)程的系統(tǒng)自由能變化為：該部分是結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力第27頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.過(guò)冷與形核但是，當(dāng)晶核形成以后，產(chǎn)生了液-固界面，出現(xiàn)界面自由能。A液固界面面積，界面能。這部分是結(jié)晶的阻力這樣，均質(zhì)形核的自由能變化實(shí)際是兩個(gè)自由能的代數(shù)和。即：第28頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月界面張力：作用在液體表面單位長(zhǎng)度上的力，它正好抵消相反方向使面積增加的外拉力，叫做界面張力。界面能3.過(guò)冷與形核第29頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.過(guò)冷與形核假設(shè)析出晶核為球形，有下式：則上述代數(shù)和為：第30頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月?如圖，ΔG總隨變化曲線(xiàn)有一最高值。相當(dāng)于曲線(xiàn)最高值對(duì)應(yīng)的r就是晶核的臨界尺寸以rc

來(lái)表示。?當(dāng)能量漲落，晶坯可能達(dá)到臨界尺寸時(shí)，晶核才可能出現(xiàn)，結(jié)晶才會(huì)開(kāi)始。否則，即使液體有了過(guò)冷度，也不會(huì)進(jìn)行結(jié)晶。3.過(guò)冷與形核第31頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月rc的大小可按照求最大值的方法對(duì)上式求解：3.過(guò)冷與形核令可得：另外即得到：第32頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.過(guò)冷與形核可以看出，過(guò)冷度越大，rc越小。另一方面，ΔT越大，最大尺寸的晶坯尺寸r’也越大。第33頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二者結(jié)合，得到兩曲線(xiàn)的交叉點(diǎn)NΔT*即為亞穩(wěn)極限過(guò)冷度。ΔT<ΔT*時(shí)，r’<rc，難于成核ΔT=ΔT*時(shí)，r’=rc，正好達(dá)到成核要求，結(jié)晶開(kāi)始ΔT>ΔT*時(shí)，r’>rc，結(jié)晶穩(wěn)定進(jìn)行ΔT越大，晶核形成速率越大，但形核也需要子的跳動(dòng)。ΔT太大時(shí)，原子的活動(dòng)能力太弱，反而利于形核。所以，晶核的形成速率和ΔT具有比較復(fù)雜的關(guān)系。3.過(guò)冷與形核第34頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月代入：將：得到：ΔGc為晶核的形成功，或形核功。依靠系統(tǒng)的能量漲落來(lái)提供，與ΔT成反比，ΔT越大，ΔGc越小，越有利于形核。3.過(guò)冷與形核第35頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)結(jié)構(gòu)起伏理論，液相中存在著大量的準(zhǔn)固態(tài)原子集團(tuán)，這些原子集團(tuán)是時(shí)聚時(shí)散的，但當(dāng)過(guò)冷液相中半徑為rc的原子集團(tuán)獲得一個(gè)新的原子后將變成穩(wěn)定的晶體。

均質(zhì)形核速率：?jiǎn)挝粫r(shí)間單位體積液相形成的晶核數(shù)目。3.過(guò)冷與形核第36頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月均質(zhì)形核速率：N—單位體積液相中的原子總數(shù)；k—玻耳茲曼常數(shù)；h—普朗特常數(shù)；a—晶核形狀因子，對(duì)于球形晶核ΔGA—原子躍遷穿透液固界面的激活能；ΔGV—體積變化自由能；I—形核速率，為單位時(shí)間、單位體積液相中形成的晶核數(shù)目。3.過(guò)冷與形核第37頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)非均質(zhì)形核而言：

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正常情況下，均質(zhì)形核很少見(jiàn)，在許多情下，形核依賴(lài)于液相中的固相質(zhì)點(diǎn)表面和各種界面進(jìn)行，發(fā)生異相形核。

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并非所有固相質(zhì)點(diǎn)表面都能使新相形核，必須以金屬新相能夠浸潤(rùn)質(zhì)點(diǎn)表面為前提。3.過(guò)冷與形核第38頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月為便于分析，假設(shè)作為生核