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一连铸基础理论.pptx
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1、2024/4/242024/4/24周三周三连铸连轧新技术主讲:崔春娟2024/4/242024/4/24周三周三英文名称:英文名称:NewTechnologyofContinuousCastingandDirectRolling课程编号:课程编号:041066课程类型:课程类型:学位选修课学学 时:时:40学分:2适应对象:适应对象:材料加工工程专业,冶金工程专业硕士研究生先修课程:先修课程:材料科学基础、金属塑性加工原理课程概况2024/4/242024/4/24周三周三参考书:连续铸钢,贺道中等编著.冶金工业出社,2007连铸连轧理论与实践,任吉堂朱立光等编著.冶金工业出版社2002带钢
2、热连轧模型与控制,孙一康主编.冶金工业出版社20022024/4/242024/4/24周三周三课程性质和任务本课程是材料加工工程专业和冶金工程专业硕士研究生的学位选修课,主要介紹连铸连轧技术的发展概况、基本知识、工艺基础与关键技术、典型的生产工艺以及产品质量控制等内容通过学习可以正确运用连铸连轧的相关理论和技术,去解决影响和制约生产顺利进行的因素,正确制定加工工艺,有效控制产品的组织,为改进和开发新加工工艺指明方向,进一步推动我国连铸连轧工艺的发展2024/4/242024/4/24周三周三主要内容连铸机设备连铸机设备连铸基础理论连铸基础理论连铸工艺与操作连铸工艺与操作 保护浇注保护浇注连铸
3、坯质量连铸坯质量 连铸工艺实践与新技术连铸工艺实践与新技术连铸坯热装与直接轧制连铸坯热装与直接轧制连铸连轧的速度匹配和温度匹配连铸连轧的速度匹配和温度匹配轧钢理论薄板坯的连铸连轧2024/4/242024/4/24周三周三授课和考试方法采用课堂讲授和讨论结合方式进行。除教师集中上课外,安排部分研究生自学、讲座、讨论,教师点评为使课程教学更生动,应尽可能在课堂教学中,增加实例的分析与讨论采用考试成绩和平时成绩相结合的方式进行。平时成绩按15%计入总成绩2024/4/242024/4/24周三周三连铸连轧新技术第一讲连铸基础理论2024/4/242024/4/24周三周三大纲大纲钢液凝固结晶理论钢
4、液凝固结晶理论连铸坯凝固传热特点连铸坯凝固传热特点连铸坯凝固过程热平衡连铸坯凝固过程热平衡结晶器传热与凝固结晶器传热与凝固二冷区的传热与凝固二冷区的传热与凝固连铸坯凝固组织结构及控制连铸坯凝固组织结构及控制2024/4/242024/4/24周三周三第一节钢液凝固结晶理论钢液凝固结晶理论2024/4/242024/4/24周三周三凝固结晶一切物质由液态转变为固态的过程。一切物质从原子不规则排列的液态转变为原子规则排列的晶体状态的过程。结晶是凝固的一个分支一、一、凝固与结晶凝固与结晶2024/4/242024/4/24周三周三1200时液态金属原子的状态金属钾的晶胞一定规律周期性重复长程无序短程
5、有序2024/4/242024/4/24周三周三 金属由液态转变为固态的过程金属由液态转变为固态的过程,实质上实质上就是就是原子由近程有序状态过渡为长程有原子由近程有序状态过渡为长程有序状态的过程序状态的过程。只有满足一定的。只有满足一定的热力学热力学与与动力学动力学条件,他们才能形成可以稳定条件,他们才能形成可以稳定长大成为宏观金属的晶核。长大成为宏观金属的晶核。2024/4/242024/4/24周三周三纯金属液、固两相自由能随温度的变化二、二、钢液结晶的热力学条件钢液结晶的热力学条件2024/4/242024/4/24周三周三当温度当温度T=Tm时,液相和固相的自由能相等,处时,液相和固
6、相的自由能相等,处于平衡共存,所以称于平衡共存,所以称Tm为临界点,也就是理论凝为临界点,也就是理论凝固温度。当固温度。当T Tm时,从固体向液体的转变使吉布时,从固体向液体的转变使吉布斯自由能下降,是自发过程,发生熔化过程斯自由能下降,是自发过程,发生熔化过程结晶过程的结晶过程的热力学条件热力学条件就是温度在理论熔点以下就是温度在理论熔点以下2024/4/242024/4/24周三周三 在熔点附近凝固时,热焓和熵值随温度的变化可忽略不计,则有:2024/4/242024/4/24周三周三三、结晶的一般过程三、结晶的一般过程 温度变化规律:温度变化规律:材料的熔体在熔点以上不断材料的熔体在熔点
7、以上不断散热,温度不断下降,到理论结散热,温度不断下降,到理论结晶温度并不是马上变成固态的晶晶温度并不是马上变成固态的晶体,继续降温而出现过冷。过冷体,继续降温而出现过冷。过冷到某一程度开始结晶,放出结晶到某一程度开始结晶,放出结晶潜热,可能会使其温度回升。到潜热,可能会使其温度回升。到略低于熔点的温度时,放出的热略低于熔点的温度时,放出的热量和散热可达到平衡,这时处于量和散热可达到平衡,这时处于固定温度,在冷却曲线上出现平固定温度,在冷却曲线上出现平台。结晶过程完成,没有潜热的台。结晶过程完成,没有潜热的补充,温度将重新不断下降,直补充,温度将重新不断下降,直到室温。到室温。2024/4/2
8、42024/4/24周三周三组织的变化:组织的变化:在一定的过冷度下,在液态的在一定的过冷度下,在液态的熔体内首先有细小的晶体生成,这个过程称熔体内首先有细小的晶体生成,这个过程称为为形核形核。随后已形成的晶核不断的。随后已形成的晶核不断的长大长大,同,同时在未转变的液体中伴随新的核心的形成。时在未转变的液体中伴随新的核心的形成。生长过程到相邻的晶体互相接触,直到液体生长过程到相邻的晶体互相接触,直到液体全部转变完毕。全部转变完毕。每个成长的晶体就是一个晶每个成长的晶体就是一个晶粒,它们的接触分界面就形成晶界。粒,它们的接触分界面就形成晶界。三、结晶的一般过程三、结晶的一般过程2024/4/2
9、42024/4/24周三周三长大形核形成多晶体两个过程重叠交织2024/4/242024/4/24周三周三四四、结晶的动力学条件结晶的动力学条件 在一定的过冷度下,液体中若出在一定的过冷度下,液体中若出现一固态的晶体,该区域的能量将发现一固态的晶体,该区域的能量将发生变化,一方面一定体积的液体转变生变化,一方面一定体积的液体转变为固体,体积自由能会下降,另一方为固体,体积自由能会下降,另一方面增加了液固相界面,增加了表面面增加了液固相界面,增加了表面自由能,因此总的吉布斯自由能变化自由能,因此总的吉布斯自由能变化量为:量为:其中其中G Gv v为单位体积内固液吉布斯自由能之差,为单位体积内固液
10、吉布斯自由能之差,V V为晶体的体积,为晶体的体积,为界面能,为界面能,A A为界面的面积。一为界面的面积。一个细小的晶体出现后,是否能长个细小的晶体出现后,是否能长大,决定于在晶体的体积增加时,其自由能是否为下降。大,决定于在晶体的体积增加时,其自由能是否为下降。1.能量变化能量变化2024/4/242024/4/24周三周三在一定过冷度下,在一定过冷度下,GGV V为负值,而为负值,而恒恒为正值。可见晶体总是希望有最大的体为正值。可见晶体总是希望有最大的体积和最小的界面积。设积和最小的界面积。设GGV V和和为常数,为常数,最有利的形状为球。设球的半径为最有利的形状为球。设球的半径为r r
11、,有:有:这里这里r rc c称为临界尺寸,当细小晶体的半径大于临界尺寸,晶体称为临界尺寸,当细小晶体的半径大于临界尺寸,晶体长大时吉布斯自由能下降,这种可以长大的小晶体称为晶核。长大时吉布斯自由能下降,这种可以长大的小晶体称为晶核。如果它的半径小于临界尺寸,晶体长大时吉布斯自由能将上升,如果它的半径小于临界尺寸,晶体长大时吉布斯自由能将上升,自发过程为不断减小到消失。自发过程为不断减小到消失。2.临界大小临界大小2024/4/242024/4/24周三周三当当r=rr=rc c时,时,形成临界晶核所需要的能量称为临界形核功形成临界晶核所需要的能量称为临界形核功 过冷度愈大,临界形核功越小,熔
12、体也越容易形核。过冷度愈大,临界形核功越小,熔体也越容易形核。稳定形核过程的稳定形核过程的动力学条件动力学条件就是:有足够大小的能量起伏或涨落就是:有足够大小的能量起伏或涨落来克服临界形核功。来克服临界形核功。3.3.临界形核功临界形核功2024/4/242024/4/24周三周三二、非均匀形核依附于某些固体上所发生的形核叫非均匀形核或异质形核。2024/4/242024/4/24周三周三形成稳定的晶核时,总的能量变化为由几何学知,晶核(球冠)的体积为晶核的界面积为又有平衡关系式整理得,得2024/4/242024/4/24周三周三二、非均匀形核二、非均匀形核 1.能量变化能量变化2.作用效果
13、作用效果1)过冷度过冷度 均匀形核与非均匀形核的临界半径相同,随着过冷均匀形核与非均匀形核的临界半径相同,随着过冷度的增加临界半径减小,形核率将明显上升。度的增加临界半径减小,形核率将明显上升。2024/4/242024/4/24周三周三二、非均匀形核二、非均匀形核 2.作用效果作用效果2)2)基底性质基底性质 若若LBLB大于或等于(大于或等于(LSLSSBSB),则),则=0=0。说明不用形核,即可直接以基体为心形核。说明不用形核,即可直接以基体为心形核。若(若(LBLBLSLS)小于或等于)小于或等于SBSB,则,则=180=180。说明基底对形核无效果,即不能在基底上形核。说明基底对形
14、核无效果,即不能在基底上形核。一般情况下一般情况下00180255 225.4 20 90100 255 200 389 Cu-Ag 245 294 17 90100 245 350 376 Cu-Cr274.4353 392441 1820 110130 300400 475 355 CuZr-Cr 480 509.6 20 130 400 500 3552024/4/242024/4/24周三周三为提高结晶器内壁耐磨性,通常采用合金镀层。如果镀层导热系数低和镀层厚度大,结晶器热面温度将会提高。所以,镀层的特性对渣圈厚度、振痕深度和结晶器导热都有影响。实践表明,镀铬层的耐飞溅性好,耐磨性好,
15、但耐剥离性差。镀镍层的耐剥离性好,但导热性差。应用效果较好的是耐磨和耐热兼备的Ni-Cr、Ni-Fe镀层或Ni-W-Fe镀层。前者适用于低拉速(0.60.8mmin),后者适用于高拉速(1.420mmin)。2024/4/242024/4/24周三周三 5)热顶结晶器热顶结晶器铸坯表面质量很大程度上取决于弯月面处初生坯壳的均匀性,而初生坯壳的均匀性决定于弯月面处的热流密度和传热的均匀性。热流密度大,初生坯壳增长太快,会增加振痕深度,同时使坯壳提早收缩,增加了坯壳厚度的不均匀性。局部产生凹陷,组织粗化,产生明显的裂纹敏感性。为此,在结晶器弯月面区域镶嵌低导热性材料,以减小热流密度,延缓坯壳收缩。
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