第8章 铸锭的凝固

1、Chapter8 Solidification of Ingots 8.1 8.1 铸（钢）锭铸（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。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。 根据浇注方法浇注方法分为上（顶）注钢锭上（顶）注钢锭和下（底）注钢锭下（底）注钢锭。下注锭的表面质量优于上注锭。 根据脱氧程度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。沸腾钢沸腾钢是脱氧不完全的钢，镇静钢镇静钢是脱氧完全的钢，半镇静钢半镇静钢的脱氧程度介

2、于前两者之间，接近于镇静钢。钢锭模类型下注钢锭充型过程数值模拟下注钢锭充型过程数值模拟1.9t钢锭模 2.8t钢锭模 1.9t钢锭冒头 （冒口模）（冒口模）多包（两包）合浇大型铸钢件多包（两包）合浇大型铸钢件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。这是由于连这是由于连铸坯可以多炉连浇、收得率高、不需初轧或开坯、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。能耗低，质量优于模铸锭。模铸镇静钢不可能完全被淘汰，因为锻造用钢锻造用钢、一些小批量生产的高级合金钢高级合金钢及VAR(真空电弧

3、重熔)和ESR(电渣精炼)用的坯料仍需用模铸镇静钢来生产。脱模后红热状态的方钢锭脱模后红热状态的方钢锭小型钢锭纵截面宏观组织照片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表面质量和内部质量内部质量之分。 表面质量表面质量：结疤、翻皮、裂纹、表皮的致密度。 内部质量内部质量：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；tKs 例题铸件凝固层厚度为5mm，凝固时间为0.1mi

4、n，求该铸件的凝固系数。由得K=5/0.11/2=15.81mm/min1/2tKs 钢锭半高处：钢锭半高处：锭表面锭表面(S)(S)锭中间锭中间(M)(M)锭中心锭中心(C) (C) 其中S、M、C三条实线分别为钢锭在凝固和模内保温期间三个点的温度变化曲线（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(1)产生缩孔与疏松(2)

5、产生裂纹二、钢锭宏观偏析8.3 钢锭凝固的缺陷一、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，； L、c、s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：v=L+c+s=4+3+7.2=14.2。 钢的凝固收缩凝固收缩量主要随含碳量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。 而钢的固态收缩固态收缩则随含碳量的增加而减小。 因此，含碳量在0.20.5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钢液

6、在冷却和结晶过程中所伴随发生的体积收体积收缩缩，对钢锭的质量及物理、化学均匀性有重要影，对钢锭的质量及物理、化学均匀性有重要影响：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。为了防止产生缩孔缺陷，主要是为了防止产生缩孔缺陷，主要是控制钢锭的传热控制钢锭的传热，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：除。最有效的技术措施有：选择合理的钢锭形状和尺寸；选择合理的钢锭形状和尺寸；采用绝热板保温帽（冒口）；采用绝热

7、板保温帽（冒口）；控制合适的注温、注速和正确的补缩操作等。控制合适的注温、注速和正确的补缩操作等。钢锭缩孔(shrinkage cavity)充型结束后钢锭内部的温度场分布充型结束后钢锭内部的温度场分布(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。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。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

8、决于钢的收缩特性和高温实践表明，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塑性。对钢锭热裂倾向起决定作用的是它在某一时刻某一时刻的最大收缩速度的最大收缩速度。在钢锭开始凝固的前。在钢锭开始凝固的前510min内内(钢锭的相应表面温度为钢锭的相应表面温度为15001200)是产生表面热是产生表面热裂纹的最危险时期。裂纹的最危险时期。 热裂纹热裂纹二、钢锭宏观偏析(macrosegregation)在钢锭中存在的限于在钢锭中存在的限于钢锭尺寸数量级钢锭尺寸数量级的浓度差别，又称区的浓度差别，又称区域偏析。通常指沿钢锭纵断面和横断面上域偏析。通常指沿钢锭纵断面和横断面

9、上化学成分不均化学成分不均匀分布匀分布情况。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。可用条带状分布。可用钻样分析钻样分析方法进行鉴定，又可借助方法进行鉴定，又可借助硫硫印、酸浸印、酸浸等低倍检验方法判明。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按偏析带形态可分为带状偏析和通道偏析(如如V形、倒形、倒V形形偏析等偏析等)；按偏析的直接成因可分为正常偏析、逆（反常）；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。偏析、比重偏析等。比重偏析比重偏析 （沉积锥）（沉积锥）倒倒V型偏析型偏析V型偏

10、析型偏析缩孔缩孔冒口下缘偏析冒口下缘偏析富集区富集区铸锭宏观组织比例的数值模拟消除钢锭偏析的方法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钢凝固传热的基本规律及特点: 首先是钢锭和钢锭模在凝固过程中的温度场既随首先是钢锭和钢锭模在凝固过程中的温度场既随空间变化，又随时间变化，即属于空间变化，又随时间变化，即属于三维不稳定态三维不稳定态传热传热； 其次，它包括其次，它包括钢锭模与钢锭凝固层

11、间钢锭模与钢锭凝固层间的传导传热，的传导传热，钢液内部钢液内部的传导及对流传热，的传导及对流传热，流动的钢液与凝固流动的钢液与凝固前沿前沿的对流及传导传热，以及的对流及传导传热，以及钢锭与锭模之间气钢锭与锭模之间气隙中隙中的辐射、传导及对流传热等等，属于综合传的辐射、传导及对流传热等等，属于综合传热过程。热过程。数值模拟技术数值模拟技术铸件凝固数值模拟铸件凝固数值模拟：就是结合计算机技术和数值计算方法来定量描述铸件的凝固传热过程，从而揭示金属凝固的真实行为和规律，为预测铸造应力、微观及宏观偏析、铸件性能等提供必要的依据和分析计算的基础数据并优化铸造工艺。优点：优点：1.可以用模拟的方法完成实验

12、无法检测的工作；2.对科学研究进行预测或者对工艺参数进行优化3.缩短了研究周期，提高了工作效率；4.利于节能环保。缺点：缺点：其结果是近似的，需要实验验证。数值模拟方法（1）有限差分法有限差分法（Finite Difference Method，简称FDM）它是将求解域划分为差分网格，用有限个网格节点代替连续的求解域，然后将偏微分方程（控制方程）的导数用差商代替，推导出含有离散点上有限个未知数的差分方程组。（2）有限元法有限元法（Finite Element Method，简称FEM）是将一个连续的求解域任意分成适当形状的许多微小单元，并于各小单元分片构造插值函数，然后根据极值原理（变分或加权

13、余量法），将问题的控制方程转化为所有单元上的有限元方程，把总体的极值作为各单元极值之和，即将局部 单元总体合成，形成嵌入了指定边界条件的代数方程组，求解该方程组就得到各节点上待求的函数值。 铸件凝固传热过程基本方程求解凝固过程温度场要描述温度随空间和时间的变化规律，要求助于导热偏微分方程： -导热系数；T-热力学温度； -单位体积物体单位时间内释放的热量；c-比热容；-密度；t-时间。qzTzyTyxTxtTc)()()(q 假设条件为了求解导热微分方程式，必须对实际钢锭凝固过程作如下的必要简化和假设：(1)忽略液相内的流动和垂直方向的传热；(2)对于扁锭或板坯忽略宽度方向的传热，简化为一维传

14、热；对于方锭、圆锭或多角锭，可简化为二维传热；(3)钢的热物理参数(、c等)各向同性，即仅为温度的函数。几何模型建立几何模型建立冒口冒口 锭体锭体 1.9t模型面网格 2.8t模型面网格网格划分网格划分1.9t钢锭模外表面温度场峰值 2.8t钢锭模外表面温度场峰值温度场计算结果云图温度场计算结果云图 1.9t钢锭的凝固时间 2.8t钢锭的凝固时间凝固时间计算云图凝固时间计算云图 1.9t钢锭的凝固分数 2.8t钢锭的凝固分数固相率计算结果云图固相率计算结果云图1.9t钢锭疏松缩孔缺陷预报 2.8t钢锭疏松缩孔缺陷预报缩孔缩松预测缩孔缩松预测 模拟6.3t钢锭冒口头部形状 实际生产的钢锭冒口头部形状本章小结本章小结1.了解钢锭的应用现状、钢锭的分类。了解钢锭的应用现状、钢锭的分类。2.掌握铸锭的凝固特点，会用平方根定律估算凝固掌握铸锭的凝固特点，会用平方根定律估算凝固层厚度随凝固时间的变化。层厚度随凝固时间的变化。3.大型铸锭的质量控制涉及哪些方面？对于内部质大型铸锭的质量控制涉及哪些方面？对于内部质量包括缩孔、裂纹、偏析、气孔缺陷等是怎样形量包括缩孔、裂纹、偏析、气孔缺陷等是怎样形成的，分别应该怎样控制？成的，分别应该怎样控制？4.什么是数值模拟方法？数值模拟技术在凝固过程什么是数值模拟方法？数值模拟技术在