第三讲连铸坯宏观组织及控制课件

关于连铸：关于连铸：1,Ladle2,Tundish3,Mold4,PlasmaTorch5,Stopper6,StraightPartminimum2Meters1,Ladle第三讲连铸坯宏观组织及控制第三讲连铸坯宏观组织及控制第一节铸坯（锭）的宏观组织第二节表面激冷区及柱状晶区的形成第三节内部等轴晶的形成机理第四节铸坯宏观结晶组织的控制第五节焊接熔池凝固及控制第一节铸坯（锭）的宏观组织第一节铸坯(锭)的宏观组织1-激冷晶区的细小等轴晶;2-晶粒垂直于型壁排列的柱状晶区，且平行于热流方向.3-晶粒较为粗大的内部等轴晶区第一节铸坯(锭)的宏观组织几种不同类型的铸件宏观组织示意图（a）只有柱状晶;（b）表面细等轴晶加柱状晶;（c）三个晶区都有;（d）只有等轴晶几种不同类型的铸件宏观组织示意图

一般情况下，连铸坯从边缘到中心也是由激冷层、柱状晶带和锭心带组成，与钢锭无本质区别。只是由于冷却强度大，连铸坯的激冷层往往要厚些，柱状晶较发达但不如钢锭那么粗大，锭心带也是粗大等轴晶组成。连铸坯整个结构比钢锭致密，晶粒也要细一些，且液相穴很长的铸坯凝固，钢水补缩困难，易产生中心疏松。铸坯与钢锭组织区别：铸坯与钢锭组织区别：①激冷层：铸坯表皮由细小等轴晶组成，叫激冷层，是在结晶器弯月面处冷却速度最高的条件下形成的。宽度一般为2～5mm，主要决定于钢水过热度，浇注温度越高，激冷层就越薄；温度越低，激冷层就厚一些。②柱状晶区：铸坯激冷层形成过程中的收缩，使结晶器弯月面以下约100～150mm的器壁处产生了气隙，降低了传热速度。同时，钢液内部向外散热使激冷层温度升高，不再产生新的晶核。在钢液定向传热得到发展的条件下，柱状晶带开始形成。靠近激冷层的柱状晶很细，基本上不分叉。从纵断面看，柱状晶并不完全垂直于表面而是向上倾斜一定角度（约10°），从外缘向中心，柱状晶个数由多变少呈竹林状。柱状晶的发展是不规则的，在某些部位可能会贯穿铸坯中心形成穿晶结构。对于弧形连铸机，铸坯低倍结构具有不对称性。由于重力作用，晶体下沉，抑制了外弧柱状晶生长，故内弧侧柱状晶比外弧侧要长些，且铸坯内裂纹也常常集中在内弧侧。③中心等轴晶区：随着凝固前沿的推移，凝固层和凝固前沿的温度梯度逐渐减小，两相区宽度不断扩大，铸坯心部钢水温度降至液相线温度后，大量等轴晶产生并迅速长大，形成无规则排列的等轴晶带。中心区有可见的不致密的疏松和缩孔并伴随有元素的偏析（如S、P、C、Mn）。与钢锭比较，由于连铸坯柱状晶的发展，中心等轴晶区要窄得多，晶粒也细一些。三个晶区的特征①激冷层：铸坯表皮由细小等轴晶组成，叫激冷层，是在结晶器弯月柱状晶的特点是各向异性，对于诸如磁性材料、发动机和螺旋浆叶片等这些强调单方向性能的情况，采用定向凝固获得全部柱状晶的零件反而更具优点。如何在技术上有效地控制铸件的宏观组织十分重要。因此有必要了解各晶区组织的形成机理。柱状晶的特点是各向异性，对于诸如磁性材料、发动第三讲连铸坯宏观组织及控制第二节表面激冷区及柱状晶区的形成一、表面激冷区的形成二、柱状晶区的形成第二节表面激冷区及柱状晶区的形成一、表面激冷区的形成一、表面激冷区的形成一、表面激冷区的形成一、表面激冷区的形成

一旦型壁附近的晶粒互相连结而构成稳定的凝固壳层，凝固将转为柱状晶区由外向内的生长，表面激冷细晶粒区将不再发展。因此稳定的凝固壳层形成得越早，表面细晶粒区向柱状晶区转变得也就越快，表面激冷区也就越窄。一、表面激冷区的形成一旦型壁附近的晶粒互相连结

当表层细晶区形成后，模壁的温度也随之升高，细晶区前面的液体散热能力下降，过冷度也下降。但是在各方向上散热能力的下降是不同的。垂直于模壁的方向显出散热优势，有利于晶粒逆着传热方向不断地向液相区生长。而在平行模壁方向散热能力较差，并且晶粒径向仅能长大较短距离相邻晶粒就互相接触，停止生长。因此在细晶区形成后，接着形成了一个柱状晶区。柱状晶区金属较致密，沿柱状晶轴向强度很高，但近于平行的柱状晶晶粒之间的径向结合强度却较低。柱状晶区有明显的各向异性。当对铸锭进行塑性变形时柱状晶区易出现晶间开裂。当表层细晶区形成后，模壁的温度也随之升高，细晶区

另外，当不同方位上的柱状晶区相遇时，会产生一个柱状晶区的交界。此处的杂质、气泡、缩松等较多，成为铸锭的脆弱结合面。当铸锭接受塑性变形时此处也易开裂。因此，除塑性极好的一些有色金属的铸锭外，并不希望获得柱状晶区。在铸造工艺上，常采用振动方法来破坏柱状晶区的形成和长大，也常采用变质处理来阻碍柱状晶长大，并促进中心等轴晶区的扩大来减少柱状晶区。另外，避免金属液过热浇注也会防止柱状晶区过大。另外，当不同方位上的柱状晶区相遇时，会产生一个柱

当柱状晶向液相中生长到一定深度后，垂直于模壁方向的散热优热将不再明显。尤其是当已凝固区随温度下降而使体积收缩与模壁之间出现间隙时传热速度降低，剩余液相金属的冷却速度也会进一步降低，温度梯度减小，趋于均匀冷却，柱状晶的生长将会变慢。此时剩余液体中也会有一些新晶粒的形成并长大。因无散热优势方向，新晶粒将会长成等轴晶粒。又因剩余液体散热慢，过冷度较小，产生的自发晶核数量有限，故晶粒长得较大(但若有非自发晶核存在，晶粒不会长得很大)。从而在相邻柱状晶区的铸锭心部地区形成一个晶粒较粗的等轴晶区。由于此区是最后凝固的，因此，一些低熔点的杂质或合金元素可能偏多些，以及液体补充不足而出现中心偏析及疏松。当柱状晶向液相中生长到一定深度后，垂直于模壁方向二、柱状晶区的形成稳定的凝固壳层一旦形成，柱状晶就直接由表面细等轴晶凝固层某些晶粒为基底向内生长，发展成由外向内生长的柱状晶区。枝晶主干取向与热流方向平行的枝晶生长迅速。柱状晶区开始于稳定凝固壳层的产生，而结束于内部等轴晶区的形成。因此柱状晶区的存在与否及宽窄程度取决于上述两个因素综合作用的结果。如果在凝固初期就使得内部产生等轴晶的晶核，将会有效地抑制柱状晶的形成。柱状晶生长过程的动态演示二、柱状晶区的形成稳定的凝固壳层一旦形成，柱铸型液态金属柱状晶生长过程的动态演示铸液态金属柱状晶生长过程的动态演示柱状晶结构有以下弱点：①柱状晶的枝干较纯，而枝晶偏析较严重，热变形后由于枝晶偏析区被延伸，组织具有带状特性。这样使钢的力学性能具有明显的方向性，特别是使钢的横向性能和韧性降低；②在柱状晶交界面，由于杂质（硫、磷夹杂物）的沉积，构成了薄弱面，是裂纹容易扩展的地方，加工时易脆裂；③柱状晶充分发展时，铸坯可形成穿晶结构，会造成中心疏松和缩孔，降低了致密度，增加了中心偏析。因此，抑制柱状晶生长而扩大等轴晶区，是改善铸坯质量的一个重要任务。连铸坯中柱状晶区和等轴晶区的相对大小主要决定于浇注温度。浇注温度高，柱状晶区就宽。低碳钢过热度大于20℃，柱状晶宽度就急剧增加，因此，接近钢种的液相线温度浇注是扩大等轴晶区的有效手段。但是，钢水过热度控制得很低（如小于10℃），在操作上有一定难度，易使水口冻结，且使铸坯夹杂物增加。因此，保持钢水在一定过热度下浇注（如30℃）。

柱状晶结构有以下弱点：为扩大等轴晶区需采取以下措施：⑴结晶器加入微型冷却剂：在结晶器内加入钢带或微型钢块，以消除钢水过热度，使其迅速地在液相线温度凝固；⑵喷吹金属粉末：在结晶器内喷入不同尺寸的金属粉，以吸收过热和提供结晶核心，扩大等轴晶区；⑶控制二冷区冷却水量：二冷水量大，铸坯表面温度低，铸坯内外温度梯度大，有利于柱状晶生长，柱状晶区就宽；⑷加入形核剂。在结晶器内加入形核剂，以增加结晶核心数量，扩大等轴晶区；对形核剂要求：①在钢液温度下为固体；②在钢液温度下不分解为元素而进入钢中；③不上浮而存在于凝固前沿；④形核剂尽可能与钢水润湿，晶格彼此接近，使形核剂与钢液间有黏附作用。常用的形核剂物质有Al2O3、ZrO2、TiO2、V2O5、AlN、VN、ZrN等。为扩大等轴晶区需采取以下措施：⑸采用电磁搅拌：上述四种措施在实际应用中要么还不成熟，如材料制备、工艺参数选择、对结晶器液面干扰等问题还需探讨，要么效果有限，而电磁搅拌是最具实际应用价值的方法。电磁搅拌的作用是在电磁力作用下使钢水产生强制对流循环流动，使凝固前沿的树枝晶熔断或折断，而枝晶碎片作为等轴晶核心长大而扩大等轴晶区，同时消除了树枝晶搭桥，改善铸坯中心疏松和缩孔，减轻了中心偏析。电磁搅拌还可消除皮下气孔和皮下夹杂，改善表面质量，提高钢的纯净度，减小凝固前沿钢液温度梯度，即允许钢液有更高的过热度，促进坯壳厚度的均匀性，这将有利于防止铸坯产生裂纹和发生漏钢事故，可提高拉速。电磁搅拌器可以安装在结晶器（M-EMS）、二冷区（S-EMS）和凝固末端（F-EMS）。M-EMS除了改善铸坯中心疏松、中心偏析外几乎包括了电磁搅拌的所有功能，作用最明显，效果最好；S-EMS的作用是在接近凝固终点再次搅拌由等轴晶和钢液组成的两相区，可以进一步减轻包括高碳钢在内的铸坯中心偏析。可以采用单独搅拌，也可以是联合搅拌。⑸采用电磁搅拌：上述四种措施在实际应用中要么还不成熟，如材料第三节内部等轴晶的形成机理一、“成分过冷”理论二、激冷等轴晶型壁脱落与游离理论三、枝晶熔断及结晶雨理论四、单个等轴晶形成过程的动态演示第三节内部等轴晶的形成机理一、“成分过冷”理论一、“成分过冷”理论

该理论认为，随着凝固层向内推移，固相散热能力逐渐削弱，内部温度梯度趋于平缓，且液相中的溶质原子越来越富集，从而使界面前方成分过冷逐渐增大。当成分过冷大到足以发生非均质生核时，便导致内部等轴晶的形成。一、“成分过冷”理论该理论认为，随着凝固层向内成分过冷1111成分过冷1111二、激冷等轴晶型壁脱落与游离理论在浇注的过程中及凝固的初期激冷,等轴晶自型壁脱落与游离促使等轴晶形成,浇注温度低可以使柱状晶区变窄而扩大等轴晶区。二、激冷等轴晶型壁脱落与游离理论在浇注为什么纯金属几乎得不到等轴晶而溶质浓度大的合金容易得到等轴晶呢?图5-5型壁处形成的激冷晶向铸件内部的游离a)晶体密度比熔体小的情况;b)晶体密度比熔体大的情况为什么纯金属几乎得不到等轴晶而溶质浓度大的合金容易得到等轴晶

溶质的偏析容易使晶体在与型壁的交会处产生“脖颈”，具有“脖颈”的晶体不易于沿型壁方向与其相邻晶体连接形成凝固壳,另一方面，在浇注过程和凝固初期存在的对流容易冲断“脖颈”，使晶体脱落并游离出去。图5-6晶体与型壁交会处产生“脖颈”促使晶体发生脱落而游离溶质的偏析容易使晶体在与型壁的交会处产图5-7游离晶体的生长、局部熔化与增殖图5-7游离晶体的生长、局部熔化与增殖三、枝晶熔断及结晶雨理论生长着的柱状枝晶在凝固界面前方的熔断、游离和增殖导致了内部等轴晶晶核的形成，称为“枝晶熔断”理论。液面冷却产生的晶粒下雨似地沉积到柱状晶区前方的液体中，下落过程中也发生熔断和增殖，是铸锭凝固时内部等轴晶晶核的主要来源，称为“结晶雨”理论。三、枝晶熔断及结晶雨理论生长着的柱状目前比较统一的看法是内部等轴晶区的形成很可能是多种途径起作用。在一种情况下，可能是这种机理起主导作用，在另一种情况下，可能是另一种机理在起作用，或者是几种机理的综合作用，而各自作用的大小当由具体的凝固条件所决定。目前比较统一的看法是内部等轴晶区的形成很第三节铸件宏观结晶组织的控制思路:

晶区的形成和转变乃是过冷熔体独立生核的能力和各种形式晶粒游离、增殖或重熔的程度这两个基本条件综合作用的结果，铸件中各晶区的相对大小和晶粒的粗细就是由这个结果所决定的。凡能强化熔体独立生核，促进晶粒游离，以及有助于游离晶的残存与增殖的各种因素都将抑制柱状晶区的形成和发展，从而扩大等轴晶区的范围，并细化等轴晶组织。

第三节铸件宏观结晶组织的控制思路:第三节铸件宏观结晶组织的控制

以高碳钢为例：因为高碳钢固液两相区温度达到131℃，故中等过热度的钢液也有其柱状晶强烈增大趋势，在凝固后期由于连铸坯断面中心柱状树枝晶的搭桥而形成小钢锭的凝固结晶现象，铸坯产生中心偏析。过热度越低，中心偏析的评级越低。

两个需要注意的概念：

(1)由成分决定的固液相线宽度越大，柱状晶越发达；

(2)由温度梯度决定的两相区越宽，柱状晶不发达。具体到连铸二冷强度大时，温度梯度变大，凝固前沿糊状区（固液两相区）变窄，利于柱状晶生长。第三节铸件宏观结晶组织的控制以高碳钢为一、合理地控制浇注工艺和冷却条件二、孕育处理三、动力学细化一、合理地控制浇注工艺和冷却条件合理的浇注工艺冷却条件的控制合理的浇注工艺合理的浇注工艺浇注温度浇注方式合理降低浇注温度是减少柱状晶、获得及细化等轴晶的有效措施。但过低的浇注温度将降低液态金属的流动性，导致浇不足和冷隔等缺陷的产生。通过改变浇注方式强化对流对型壁激冷晶的冲刷作用，能有效地促进细等轴晶的形成。但必须注意不要因此而引起大量气体和夹杂的卷入而导致铸件产生相应的缺陷。合理的浇注工艺浇注温度合理降低浇注温度是减少柱铸型中间浇注单孔上注沿型壁六孔浇注图5-8不同浇注方法引起不同的铸件凝固组织铸型中间浇注单孔上注水流冷却的斜板浇注方法水流冷却的斜板浇注方法第三讲连铸坯宏观组织及控制冷却条件的控制控制冷却条件的目的是形成宽的凝固区域和获得大的过冷，从而促进熔体生核和晶粒游离。小的温度梯度GL和高的冷却速度R可以满足以上要求。但就铸型的冷却能力而言，除薄壁铸件外，这二者不可兼得。对薄壁铸件，可采用高蓄热、快热传导能力的铸型。对厚壁铸件，一般采用冷却能力小的铸型以确保等轴晶的形成，再辅以其他晶粒细化措施以得到满意的效果。悬浮浇注法可同时满足小的GL与高的R的要求。冷却条件的控制控制冷却条件的目的是形成宽的凝固区域和获得大的悬浮浇注用涡流导入法的浇注系统悬浮浇注法是在浇注过程中将一定量的固态金属颗粒加入到金属液中，从而改变金属液凝固过程，达到细化组织、减小偏析、减小铸造应力的目的的一种工艺方法。悬浮浇注用涡流导入法的浇注系统悬浮浇注法是在浇注过程中将一定悬浮浇注法的特点

1)显著细化铸件组织，提高力学性能，改善铸件厚大断面力学性能均匀性；

2)减小凝固收缩，使冒口减小15～35%；

3)减少缩松，提高铸件致密性；

4)减小铸造应力，减小铸件热裂倾向；

5)改善宏观偏析；

6)提高凝固速度，改善铸型受热状况；

7)可以实现浇注过程合金化。悬浮浇注法的特点

1)显著细化铸件组织，提高力学性能，改善技术原理：通过加入金属颗粒与金属液的物理化学、晶体学和热作用，强制金属液生核，并改变铸型中金属液的温度分布，从而改变金属凝固方式。

适用范围：各种铸钢件、铸铁件、及有色合金件。不需要特殊设备，仅要求简单辅助工装。技术原理：通过加入金属颗粒与金属液的物理化学、晶体学和热作二、孕育处理孕育处理是浇注之前或浇注过程中向液态金属中添加少量物质以达到细化晶粒、改善宏观组织目的的一种工艺方法。澄清两个概念：孕育(Inoculation)主要是影响生核过程和促进晶粒游离以细化晶粒；而变质（Modification）则是改变晶体的生长机理，从而影响晶体形貌。变质在改变共晶合金的非金属相的结晶形貌上有着重要的应用，而在等轴晶组织的获得和细化中采用的则是孕育方法。二、孕育处理孕育处理是浇注之前或浇注过程中向孕育剂作用机理的两类观点孕育主要起非自发形核作用通过在生长界面前沿的成分富集而使晶粒根部和树枝晶分枝根部产生缩颈，促进枝晶熔断和游离而细化晶粒。孕育剂含有直接作为非自发生核的物质

孕育剂能与液相中某些元素反应生成较稳定的化合物而产生非自发生核在液相中造成很大的微区富集而迫使结晶相提前弥散析出而生核孕育剂作用机理的两类观点孕育主要起非自发形核作用通过在生长界合金种类孕育剂主要组元加入量wt%加入方法碳钢及合金钢Ti0.1~0.2铁合金V0.06~0.30B0.005~0.01铸铁Si-Fe，Ca,Ba,Sr0.1~1.0，与Si-Fe复合铁合金铝合金Ti,Zr,Ti+B,Ti+CTi:0.15;Zr:0.2；复合:Ti0.01B或C0.05;Al-Ti,Al-Zr,Al-Ti-B,Al-Ti-C中间合金过共晶Al-Si合金P≥0.02Al-P，Cu-P，Fe-P中间合金铜合金Zr,Zr+B,Zr+Mg,Zr+Mg+Fe+P0.02~0.04纯金属或中间合金镍基高温合金WC,NbC碳化物粉末表5-1合金常用孕育剂的主要元素情况合金种类孕育剂主要组元加入量wt%加入方法碳钢及合金钢Ti0孕育衰退（孕育效果逐渐减弱）孕育剂加入合金液后要经历一个孕育期和衰退期。在孕育期内，作为孕育剂的中间合金的某些组分完成熔化过程，或与合金液反应生成化合物，起细化作用的异质固相颗粒均匀分布并与合金液充分润湿，逐渐达到最佳的细化效果。当细化效果达到最佳值时浇注是最理想的，随合金熔化温度和孕育剂种类的不同，达到最佳细化效果所需要的时间也不同。几乎所有的孕育剂都有在孕育处理后一段时间出现孕育衰退现象，因此孕育效果不仅取决于孕育剂的本身，而且也与孕育处理工艺密切相关。一般处理温度越高，孕育衰退越快，在保证孕育剂均匀散开的前提下，应尽量降低处理温度。孕育剂的粒度也要根据处理温度、被处理合金液量和具体的处理方法来选择。孕育衰退（孕育效果逐渐减弱）孕育剂加入合金液后要经历一个孕育

高碳钢连铸坯存在的最大质量问题是中心缩松、中心偏析严重。解决这一问题的关键是扩大铸坯等轴晶区比例，细化晶粒。本文以Fe-C合金作为形核剂，研究了形核剂含碳量对高碳钢凝固过程的影响机理。研究结果表明，向钢液中加入形核剂可有效地扩大等轴晶区。对高碳钢，中碳铁合金形核剂既可扩大等轴晶区，又可细化晶粒；而低碳形核剂可以扩大等轴晶区，但细化晶粒效果差。为有效地发挥形核剂的作用，对不同钢种要合理地选择形核剂含碳量。Centralshrinkageporosityandsegregationaremaindefectsofhigh-carbonsteelbillets．ThekeytosolvetheseproblemsiSenlargingequiaxedgrainzoneandfininggrainsize．Fe-Calloysaretakenasnucleatingagentsandtheefectsofcarboncontentofnucleatingagentsonsolidificationprocessofhigh—carbonsteeIarestudied．Theresultsshowthataddingmediumcarbonnucleatingagentsintohighcarbonsteelgradecanefectivelyenlargeequiaxedgrainzoneandfinegrainsize；addinglowcarbonnucleatingagentsintohighcarbonsteelgradecanonlyenlargeequiaxedgrainzone．Inordertoexploitnucleatingagents’advantagestothealI，diferentnucleatingagentsmustbeselectedseriouslyaccordingtodiferentsteeIgrades．Themediumcarbonalloynucleatingagentsaresuitableforhigh-carbonsteelgrade．高碳钢连铸坯存在的最大质量问题是中心缩松、中心

还有一种孕育——电脉冲孕育：电脉冲孕育处理是指通过对合金熔体施加脉冲电场从而达到控制合金凝固，细化金属凝固组织的目的。研究发现，利用脉冲电流处理可以使金属的凝固温度升高，凝固时间缩短，温度梯度减小，使金属更趋向于体积凝固方式，凝固组织细化，力学性能得到改善；可以使凝固组织由粗大柱状晶转变为细小等轴晶，大幅度细化晶粒尺寸；使奥氏体不锈钢的柱状晶间距明显细，并增加凝固组织中奥氏体的相对含量；使高碳当量的过共晶灰口铸铁中出现大量D型过冷石墨和发达的奥氏体枝晶，细化共晶团尺寸。在温度较高的液相中，电脉冲对凝固组织细化无任何作用。在枝晶生长过程中，电脉冲无法使晶体熔化或折断，但它可以促使型壁上的晶粒脱落、游离，并在液相中自由移动，成为等轴晶生长的核心，从而达到了细化晶粒的目的，如图所示。还有一种孕育——电脉冲孕育：电脉冲孕育处理是指三、动力学细化

1．铸型振动2．超声波振动3．液相搅拌4．流变铸造三、动力学细化1．铸型振动1．铸型振动在凝固过程中振动铸型可使液相和固相发生相对运动，导致枝晶破碎形成结晶核心。离心铸造时若周期改变旋转方向可获得细小等轴晶，说明液相和固相发生相对运动所起的细化晶粒作用。振动还可引起局部的温度起伏，有利于枝晶熔断。振动铸型可促使“晶雨”的形成。立式离心铸造机1．铸型振动在凝固过程中振动铸型可使液相和固相发生相对运动，2．超声波振动

超声波振动可在液相中产生空化作用，形成空隙，当这些空隙崩溃时，液体迅速补充，液体流动的动量很大，产生很高的压力。当压力增加时凝固的合金熔点温度也要增加，从而提高了凝固过冷度，造成形核率的提高，使晶粒细化。2．超声波振动超声波振动可在液相中产生空化作用超声波通常是指1s内振动20000次以上的高频声波，在介质传导时，将会产生周期性的应力和声压变化，同时也会产生局部的高温高压效应。超声振动的高能量及其它的特殊效应，极大地提高了对凝固的作用效果。利用超声波冶金可以细化晶粒，去气除渣，细化枝晶网胞。功率超声是超声波的一个分支，应用于金属凝固过程中时有5个基本作用：（1）线性交变振动作用；（2）大振幅声波；（3）非线性振动；（4）声空化作用；（5）声流作用。这些作用应用于金属液中可以产生搅拌、雾化、分散、冲击破碎等作用可以促进合金形核并抑制其长大，还可提高温度和化学成分的均匀性，改善合金成分的偏析等。超声波通常是指1s内振动20000次以上的3.振动喂带技术向结晶器内的金属液中连续喂人接近母液成分的金属棒或带，在金属棒或带融化吸收钢水过热度的基础上，通过振动使金属棒或带的前端两相区内的枝晶以晶核的方式被弹射到钢液中，成为其后凝固形成等轴晶的晶核来源。通过将处于高频振动状态的钢带插入与其成分相同的钢液中，观察并分析钢带的熔化、形核及弹射至溶池内的动态过程，尤其是有无振动条件下钢带的完全熔化时间。当振动钢带持续不断地插入钢液熔池时，钢带在熔池中能够快速熔化产生细小枝晶，这不仅能够起到降低钢液中心过热度的作用，还可以借助于振动将细小破碎的晶粒弹射到金属液中，起到促进柱状晶向等轴晶转变的作用，从而提高铸坯组织中的等轴晶比例，改善内部质量。3.振动喂带技术4.振动激发金属液形核技术当一种带有冷却结构且高频振动的晶核发射器插入金属液时，金属液将在晶核发射器棒体的表面迅速凝固形核、长大，这就是振动激发形核技术。在棒体的高频振动作用下，其表面形成的晶粒将被折断或与基体剥离，并被连续不断地弹射到金属液中，成为凝固过程中抑制柱状晶生长、形成大量等轴晶的晶核来。4.振动激发金属液形核技术当一种带有冷却结构且5．液相搅拌

采用机械搅拌、电磁搅拌或气泡搅拌均可造成液相相对固相的运动，引起枝晶的折断、破碎与增殖，达到细化晶粒的目的。

连铸过程采用电磁搅拌的主要作用是提高连铸坯的质量，例如去除夹杂物、消除皮下气泡、减轻中心偏析、提高连铸坯的等轴晶率。在浇铸断面较大的铸坯以及浇铸质量要求较高时，电磁搅拌技术便成为首选。5．液相搅拌采用机械搅拌、电磁搅拌或气泡搅拌均可造成液相

电磁搅拌器(EMS)的实质是借助在铸坯液中感生的电磁力来强化钢水的运动。在钢水附近施加电磁搅拌以后，电磁搅拌器产生的低频交变电磁场穿透钢水，与钢水间产生相对运动，使得钢液的磁通量发生变化，相当于磁场以一定的速度切割钢液，使其内部产生感应电流。这种感应电流又与感应器产生的磁场相互作用产生电磁力，作用于钢液的每个体积元上，从而驱动钢液的运动。根据直流电动机原理、感应电动机原理、直线电动机原理和固定磁场下运动导体被感应受力的原理，电磁搅拌力的产生相应有4种类型：静止磁场与液芯通电型电磁搅拌的电磁力；感应旋转磁场型电磁搅拌的电磁力；行波磁场电磁搅拌的电磁力；钢水注流的电磁制动。根据电磁搅拌器安装形式和位置不同，EMS主要分为二冷区电磁搅拌(S—EMS)和结晶器电磁搅拌(M—EMS)，如图2所示。电磁搅拌技术的核心就是利用电磁力控制凝固过程的流动现象，改善铸坯的结构、质量和轧材性能。电磁搅拌器(EMS)的实质是借助在铸坯液电磁搅拌对铸坯等轴晶带的作用：

柱状晶特别发达，是铸坯的结构特点和弱点。扩大和细化等轴晶带，可以增加铸坯的抗裂性、减轻或消除中心疏松与中心偏析，并能改善铸坯的热加工性能和轧材质量。而等轴晶带的发展，主要取决于3个基本条件：液芯内有充分的晶核；凝固前沿的两相区范围尽量宽；两相区内有较大的成分过冷。电磁搅拌可通过流动母液对树枝晶前端的动力折断作用和熔蚀作用而产生大量晶枝碎片，供作晶核。同时，强力流动可大大加速液芯的传热而使过热度迅速消失、两相区迅速扩大。另外，强力流动加速传质，使凝固前沿扩散边界层减薄而浓度梯度增大，使两相区内成分过冷增强。这三者恰好是等轴晶发展的三要素，所以电磁搅拌是扩大铸坯等轴晶带的有效措施。电磁搅拌推动液芯流动而产生对凝固前沿树枝晶的冲刷和熔蚀，使得树枝晶前沿变得比较平齐光滑；同时，数学模拟表明，即使电磁搅拌安装在连铸机上部，由于它促使液芯过热度的迅速消失，也会使尖锐狭窄的液相穴底部变得圆滑而较宽。其结果就可以避免凝固前沿的树枝晶搭桥现象，从而避免液相穴底部形成“小钢锭缩孔”。加之电磁搅拌产生的大量碎枝晶核向液相穴底部沉淀充填和竞相长大，就可形成较致密的等轴晶结构，从而减轻缩孔、疏松的发生。电磁搅拌对铸坯等轴晶带的作用：6.轻压下技术

轻压下技术是从收缩辊缝技术的基础上发展而来，它是通过在连铸坯液芯末端附近施加适当压力，产生一定的压下量来补偿铸坯的凝固收缩量。一方面可以消除或减少铸坯收缩形成的内部空隙，防止晶间富集溶质元素的钢液向铸坯中心横向流动；另一方面，轻压下所产生的挤压作用还可以促进液芯中溶质元素富集的钢液沿拉坯方向反向流动，使溶质元素在钢液中重新分配，从而使铸坯的凝固组织更加均匀致密，起到改善中心偏析和减少中心疏松的目的。轻压下技术对铸坯的凝固组织也有一定的影响，在轻压下的作用下，心未凝固的液态钢液运动加剧，坯壳与液态交界面的初生枝晶被打断并重新融化成许多细小的破碎枝晶。这些细小的枝晶成为中心过冷钢液的形核核心，加速了中心钢液的形核速率，因此中心细小的等轴晶晶带比未使用轻压下技术的铸坯要高。6.轻压下技术第三讲连铸坯宏观组织及控制7．流变铸造

流变铸造又称半固态铸造，这种方法是当液体金属凝固达50～60％时，在氩气保护下进行高速搅拌，使金属成为半固态浆液，将半固态浆液凝固成坯料或挤压至铸型凝固成形。其固态晶体随搅拌转速的增加趋于细小而圆整，机械性能显著提高。这种细小圆整的半固态金属浆液由于具有较好的流动性而容易成形。因为它的温度远低于液相线温度，所以对于黑色金属的压铸件来说，能大大减轻金属对模具的热冲击，提高压铸模具的寿命，扩大黑色金属压铸的应用范围。7．流变铸造流变铸造又称半固态铸造，这种方法是当液体传统铸造a）和流变铸造b）所获得的显微组织

传统铸造a）和流变铸造b）所获得的显微组织第五节焊接熔池凝固及控制

一、熔池凝固条件二、熔池结晶特征三、熔池结晶组织的细化第五节焊接熔池凝固及控制一、熔池凝固条件一、熔池凝固条件体积小、冷速快温差大、过热度高动态凝固过程液态金属对流激烈一、熔池凝固条件体积小、冷速快1.熔池金属的体积小，冷却速度快在一般电弧焊条件下，熔池的体积最大也只有30cm3

，重量不超过100g;周围被冷态金属所包围，所以熔池的冷却速度很大，通常可达4～100℃/s，远高于一般铸件的冷却速度;由于冷却快，温度梯度大，致使焊缝中柱状晶得到充分发展。这也是造成高碳、高合金钢以及铸铁材料焊接性差的主要原因之一。1.熔池金属的体积小，冷却速度快在一般电弧焊条件下，熔池2.温差大、过热温度高熔池金属中不同区域因加热与冷却速度很快，熔池中心和边缘存在较大的温度梯度，例如，对于电弧焊接低碳钢或低合金钢，熔池中心温度高达2100～2300℃，而熔池后部表面温度只有1600℃左右，熔池平均温度为1700±100℃。由于过热温度高，非自发形核的原始质点数大为减少，这也促使焊缝柱状晶的发展。2.温差大、过热温度高熔池金属中不同区域因加热与冷却速3.动态凝固过程处于热源移动方向前端的母材不断熔化，连同过渡到熔池中的熔融的焊接材料一起在电弧吹力作用下，对流至熔池后部。随着热源的离去，熔池后部的液态金属立即开始凝固。因此，凝固过程是连续进行并随熔池前进。图5-11熔池的运动状态下结晶3.动态凝固过程处于热源移动方向前端的母材不断熔化，连同4.液态金属对流激烈熔池中存在许多复杂的作用力，如电弧的机械力、气流吹力、电磁力，以及液态金属中密度差，使熔池金属产生强烈的搅拌和对流，在熔池上部其方向一般从熔池头部向尾部流动，而在熔池底部的流动方向与之正好相反，这一点有利于熔池金属成分分布的均匀化与纯净化。4.液态金属对流激烈熔池中存在许多复杂的作用力二、熔池结晶特征

联生结晶柱状晶生长方向与速度的变化熔池凝固组织形态的多样性二、熔池结晶特征联生结晶1.联生结晶在熔池中存在两种现成固相表面：一种是合金元素或杂质的悬浮质点（在正常情况下所起作用不大）；另一种就是熔池边界未熔母材晶粒表面，非自发形核就依附在这个表面，在较小的过冷度下以柱状晶的形态向焊缝中心生长，称为联生结晶(也称外延生长)。1.联生结晶在熔池中存在两种现成固相表面2.柱状晶生长方向与速度的变化典型的焊接熔池形状像不标准的半椭球。熔池的形状和大小，受母材的热物理性质、尺寸和焊接方法以及工艺参数等因素的影响。焊接速度增大,L增加,Bmax减小.2.柱状晶生长方向与速度的变化典型的焊接熔池的最大散热方向是液相等温线的法线方向,晶体生长方向与最大散热方向正好相反,因此在生长过程中不断改变方向,形成弯曲状柱状晶。生长速度R与焊接速度υ满足关系式:在熔合区上晶粒开始成长的瞬时（图中

H和F点）,晶粒生长线速度R为零，即焊缝边缘的生长速度最慢。而在热源移动后面的焊缝中心（D点），晶粒生长速度R与焊接速度υ相等，生长最快。一般情况下，由于等温线是弯曲的，其曲线上各点的法线方向不断地改变，因此晶粒生长的有利方向也随之变化，形成了特有的弯曲柱状晶的形态。熔池的最大散热方向是液相等温线的法线方向,晶体生长方向与最大焊接速度大时，焊接熔池长度增加,柱状晶趋向垂直于焊缝中心线生长;焊接速度越慢,柱状晶越弯曲。最后结晶的低熔点夹杂物易被推移到焊缝中心区域，形成脆弱的结合面，因此垂直于焊缝中心线的柱状晶，易导致纵向热裂纹的产生。焊接速度快焊接速度慢焊接速度大时，焊接熔池长度增加,柱状晶趋向垂直于焊缝中心线3.熔池凝固组织形态的多样性在熔池两侧翼边界，由于结晶速度R非常小，温度梯度G较大，G/R则很大，成分过冷接近于零，满足平面晶生长的条件。随着凝固界面远离熔合区边界向焊缝中心推进时,结晶速度R逐渐增大，而温度梯度G减小,G/R逐步减小，成分过冷逐渐增大，平面生长将转为胞状生长；随着成分过冷的进一步加大，树枝晶生长的方式逐渐占主导地位，在到达熔池尾端结束凝固时，成分过冷度最大，有可能形成等轴树枝晶区。3.熔池凝固组织形态的多样性在熔池两侧翼边界，由于结晶速三、熔池结晶组织的细化

通过提高形核率和抑制晶粒长大两个方面1．变质处理通过焊接材料向熔池加入一定量的合金元素(如B、Mo、V、Ti、Nb等),作为熔池中非自发晶核的质点,从而使焊缝晶粒细化。2．振动结晶采用振动的方法来打断正在成长的柱状晶，增大晶粒游离倾向，达到细化晶粒的目的。振动方式主要有机械振动、超声振动和电磁搅拌。3．焊接工艺采用恰当的焊接工艺措施，也可改善熔池凝固结晶。主要方法是小线能量、多层焊和锤击焊道表面等。三、熔池结晶组织的细化通过提高形核率和抑制作业1、描述表面细晶区的形成理论（思考题）2、描述柱状晶的形成理论3、描述等轴晶形成的理论（重点掌握）作业1、描述表面细晶区的形成理论（思考题）关于连铸：关于连铸：1,Ladle2,Tundish3,Mold4,PlasmaTorch5,Stopper6,StraightPartminimum2Meters1,Ladle第三讲连铸坯宏观组织及控制第三讲连铸坯宏观组织及控制第一节铸坯（锭）的宏观组织第二节表面激冷区及柱状晶区的形成第三节内部等轴晶的形成机理第四节铸坯宏观结晶组织的控制第五节焊接熔池凝固及控制第一节铸坯（锭）的宏观组织第一节铸坯(锭)的宏观组织1-激冷晶区的细小等轴晶;2-晶粒垂直于型壁排列的柱状晶区，且平行于热流方向.3-晶粒较为粗大的内部等轴晶区第一节铸坯(锭)的宏观组织几种不同类型的铸件宏观组织示意图（a）只有柱状晶;（b）表面细等轴晶加柱状晶;（c）三个晶区都有;（d）只有等轴晶几种不同类型的铸件宏观组织示意图

一般情况下，连铸坯从边缘到中心也是由激冷层、柱状晶带和锭心带组成，与钢锭无本质区别。只是由于冷却强度大，连铸坯的激冷层往往要厚些，柱状晶较发达但不如钢锭那么粗大，锭心带也是粗大等轴晶组成。连铸坯整个结构比钢锭致密，晶粒也要细一些，且液相穴很长的铸坯凝固，钢水补缩困难，易产生中心疏松。铸坯与钢锭组织区别：铸坯与钢锭组织区别：①激冷层：铸坯表皮由细小等轴晶组成，叫激冷层，是在结晶器弯月面处冷却速度最高的条件下形成的。宽度一般为2～5mm，主要决定于钢水过热度，浇注温度越高，激冷层就越薄；温度越低，激冷层就厚一些。②柱状晶区：铸坯激冷层形成过程中的收缩，使结晶器弯月面以下约100～150mm的器壁处产生了气隙，降低了传热速度。同时，钢液内部向外散热使激冷层温度升高，不再产生新的晶核。在钢液定向传热得到发展的条件下，柱状晶带开始形成。靠近激冷层的柱状晶很细，基本上不分叉。从纵断面看，柱状晶并不完全垂直于表面而是向上倾斜一定角度（约10°），从外缘向中心，柱状晶个数由多变少呈竹林状。柱状晶的发展是不规则的，在某些部位可能会贯穿铸坯中心形成穿晶结构。对于弧形连铸机，铸坯低倍结构具有不对称性。由于重力作用，晶体下沉，抑制了外弧柱状晶生长，故内弧侧柱状晶比外弧侧要长些，且铸坯内裂纹也常常集中在内弧侧。③中心等轴晶区：随着凝固前沿的推移，凝固层和凝固前沿的温度梯度逐渐减小，两相区宽度不断扩大，铸坯心部钢水温度降至液相线温度后，大量等轴晶产生并迅速长大，形成无规则排列的等轴晶带。中心区有可见的不致密的疏松和缩孔并伴随有元素的偏析（如S、P、C、Mn）。与钢锭比较，由于连铸坯柱状晶的发展，中心等轴晶区要窄得多，晶粒也细一些。三个晶区的特征①激冷层：铸坯表皮由细小等轴晶组成，叫激冷层，是在结晶器弯月柱状晶的特点是各向异性，对于诸如磁性材料、发动机和螺旋浆叶片等这些强调单方向性能的情况，采用定向凝固获得全部柱状晶的零件反而更具优点。如何在技术上有效地控制铸件的宏观组织十分重要。因此有必要了解各晶区组织的形成机理。柱状晶的特点是各向异性，对于诸如磁性材料、发动第三讲连铸坯宏观组织及控制第二节表面激冷区及柱状晶区的形成一、表面激冷区的形成二、柱状晶区的形成第二节表面激冷区及柱状晶区的形成一、表面激冷区的形成一、表面激冷区的形成一、表面激冷区的形成一、表面激冷区的形成

一旦型壁附近的晶粒互相连结而构成稳定的凝固壳层，凝固将转为柱状晶区由外向内的生长，表面激冷细晶粒区将不再发展。因此稳定的凝固壳层形成得越早，表面细晶粒区向柱状晶区转变得也就越快，表面激冷区也就越窄。一、表面激冷区的形成一旦型壁附近的晶粒互相连结

当表层细晶区形成后，模壁的温度也随之升高，细晶区前面的液体散热能力下降，过冷度也下降。但是在各方向上散热能力的下降是不同的。垂直于模壁的方向显出散热优势，有利于晶粒逆着传热方向不断地向液相区生长。而在平行模壁方向散热能力较差，并且晶粒径向仅能长大较短距离相邻晶粒就互相接触，停止生长。因此在细晶区形成后，接着形成了一个柱状晶区。柱状晶区金属较致密，沿柱状晶轴向强度很高，但近于平行的柱状晶晶粒之间的径向结合强度却较低。柱状晶区有明显的各向异性。当对铸锭进行塑性变形时柱状晶区易出现晶间开裂。当表层细晶区形成后，模壁的温度也随之升高，细晶区

另外，当不同方位上的柱状晶区相遇时，会产生一个柱状晶区的交界。此处的杂质、气泡、缩松等较多，成为铸锭的脆弱结合面。当铸锭接受塑性变形时此处也易开裂。因此，除塑性极好的一些有色金属的铸锭外，并不希望获得柱状晶区。在铸造工艺上，常采用振动方法来破坏柱状晶区的形成和长大，也常采用变质处理来阻碍柱状晶长大，并促进中心等轴晶区的扩大来减少柱状晶区。另外，避免金属液过热浇注也会防止柱状晶区过大。另外，当不同方位上的柱状晶区相遇时，会产生一个柱

当柱状晶向液相中生长到一定深度后，垂直于模壁方向的散热优热将不再明显。尤其是当已凝固区随温度下降而使体积收缩与模壁之间出现间隙时传热速度降低，剩余液相金属的冷却速度也会进一步降低，温度梯度减小，趋于均匀冷却，柱状晶的生长将会变慢。此时剩余液体中也会有一些新晶粒的形成并长大。因无散热优势方向，新晶粒将会长成等轴晶粒。又因剩余液体散热慢，过冷度较小，产生的自发晶核数量有限，故晶粒长得较大(但若有非自发晶核存在，晶粒不会长得很大)。从而在相邻柱状晶区的铸锭心部地区形成一个晶粒较粗的等轴晶区。由于此区是最后凝固的，因此，一些低熔点的杂质或合金元素可能偏多些，以及液体补充不足而出现中心偏析及疏松。当柱状晶向液相中生长到一定深度后，垂直于模壁方向二、柱状晶区的形成稳定的凝固壳层一旦形成，柱状晶就直接由表面细等轴晶凝固层某些晶粒为基底向内生长，发展成由外向内生长的柱状晶区。枝晶主干取向与热流方向平行的枝晶生长迅速。柱状晶区开始于稳定凝固壳层的产生，而结束于内部等轴晶区的形成。因此柱状晶区的存在与否及宽窄程度取决于上述两个因素综合作用的结果。如果在凝固初期就使得内部产生等轴晶的晶核，将会有效地抑制柱状晶的形成。柱状晶生长过程的动态演示二、柱状晶区的形成稳定的凝固壳层一旦形成，柱铸型液态金属柱状晶生长过程的动态演示铸液态金属柱状晶生长过程的动态演示柱状晶结构有以下弱点：①柱状晶的枝干较纯，而枝晶偏析较严重，热变形后由于枝晶偏析区被延伸，组织具有带状特性。这样使钢的力学性能具有明显的方向性，特别是使钢的横向性能和韧性降低；②在柱状晶交界面，由于杂质（硫、磷夹杂物）的沉积，构成了薄弱面，是裂纹容易扩展的地方，加工时易脆裂；③柱状晶充分发展时，铸坯可形成穿晶结构，会造成中心疏松和缩孔，降低了致密度，增加了中心偏析。因此，抑制柱状晶生长而扩大等轴晶区，是改善铸坯质量的一个重要任务。连铸坯中柱状晶区和等轴晶区的相对大小主要决定于浇注温度。浇注温度高，柱状晶区就宽。低碳钢过热度大于20℃，柱状晶宽度就急剧增加，因此，接近钢种的液相线温度浇注是扩大等轴晶区的有效手段。但是，钢水过热度控制得很低（如小于10℃），在操作上有一定难度，易使水口冻结，且使铸坯夹杂物增加。因此，保持钢水在一定过热度下浇注（如30℃）。

柱状晶结构有以下弱点：为扩大等轴晶区需采取以下措施：⑴结晶器加入微型冷却剂：在结晶器内加入钢带或微型钢块，以消除钢水过热度，使其迅速地在液相线温度凝固；⑵喷吹金属粉末：在结晶器内喷入不同尺寸的金属粉，以吸收过热和提供结晶核心，扩大等轴晶区；⑶控制二冷区冷却水量：二冷水量大，铸坯表面温度低，铸坯内外温度梯度大，有利于柱状晶生长，柱状晶区就宽；⑷加入形核剂。在结晶器内加入形核剂，以增加结晶核心数量，扩大等轴晶区；对形核剂要求：①在钢液温度下为固体；②在钢液温度下不分解为元素而进入钢中；③不上浮而存在于凝固前沿；④形核剂尽可能与钢水润湿，晶格彼此接近，使形核剂与钢液间有黏附作用。常用的形核剂物质有Al2O3、ZrO2、TiO2、V2O5、AlN、VN、ZrN等。为扩大等轴晶区需采取以下措施：⑸采用电磁搅拌：上述四种措施在实际应用中要么还不成熟，如材料制备、工艺参数选择、对结晶器液面干扰等问题还需探讨，要么效果有限，而电磁搅拌是最具实际应用价值的方法。电磁搅拌的作用是在电磁力作用下使钢水产生强制对流循环流动，使凝固前沿的树枝晶熔断或折断，而枝晶碎片作为等轴晶核心长大而扩大等轴晶区，同时消除了树枝晶搭桥，改善铸坯中心疏松和缩孔，减轻了中心偏析。电磁搅拌还可消除皮下气孔和皮下夹杂，改善表面质量，提高钢的纯净度，减小凝固前沿钢液温度梯度，即允许钢液有更高的过热度，促进坯壳厚度的均匀性，这将有利于防止铸坯产生裂纹和发生漏钢事故，可提高拉速。电磁搅拌器可以安装在结晶器（M-EMS）、二冷区（S-EMS）和凝固末端（F-EMS）。M-EMS除了改善铸坯中心疏松、中心偏析外几乎包括了电磁搅拌的所有功能，作用最明显，效果最好；S-EMS的作用是在接近凝固终点再次搅拌由等轴晶和钢液组成的两相区，可以进一步减轻包括高碳钢在内的铸坯中心偏析。可以采用单独搅拌，也可以是联合搅拌。⑸采用电磁搅拌：上述四种措施在实际应用中要么还不成熟，如材料第三节内部等轴晶的形成机理一、“成分过冷”理论二、激冷等轴晶型壁脱落与游离理论三、枝晶熔断及结晶雨理论四、单个等轴晶形成过程的动态演示第三节内部等轴晶的形成机理一、“成分过冷”理论一、“成分过冷”理论

该理论认为，随着凝固层向内推移，固相散热能力逐渐削弱，内部温度梯度趋于平缓，且液相中的溶质原子越来越富集，从而使界面前方成分过冷逐渐增大。当成分过冷大到足以发生非均质生核时，便导致内部等轴晶的形成。一、“成分过冷”理论该理论认为，随着凝固层向内成分过冷1111成分过冷1111二、激冷等轴晶型壁脱落与游离理论在浇注的过程中及凝固的初期激冷,等轴晶自型壁脱落与游离促使等轴晶形成,浇注温度低可以使柱状晶区变窄而扩大等轴晶区。二、激冷等轴晶型壁脱落与游离理论在浇注为什么纯金属几乎得不到等轴晶而溶质浓度大的合金容易得到等轴晶呢?图5-5型壁处形成的激冷晶向铸件内部的游离a)晶体密度比熔体小的情况;b)晶体密度比熔体大的情况为什么纯金属几乎得不到等轴晶而溶质浓度大的合金容易得到等轴晶

溶质的偏析容易使晶体在与型壁的交会处产生“脖颈”，具有“脖颈”的晶体不易于沿型壁方向与其相邻晶体连接形成凝固壳,另一方面，在浇注过程和凝固初期存在的对流容易冲断“脖颈”，使晶体脱落并游离出去。图5-6晶体与型壁交会处产生“脖颈”促使晶体发生脱落而游离溶质的偏析容易使晶体在与型壁的交会处产图5-7游离晶体的生长、局部熔化与增殖图5-7游离晶体的生长、局部熔化与增殖三、枝晶熔断及结晶雨理论生长着的柱状枝晶在凝固界面前方的熔断、游离和增殖导致了内部等轴晶晶核的形成，称为“枝晶熔断”理论。液面冷却产生的晶粒下雨似地沉积到柱状晶区前方的液体中，下落过程中也发生熔断和增殖，是铸锭凝固时内部等轴晶晶核的主要来源，称为“结晶雨”理论。三、枝晶熔断及结晶雨理论生长着的柱状目前比较统一的看法是内部等轴晶区的形成很可能是多种途径起作用。在一种情况下，可能是这种机理起主导作用，在另一种情况下，可能是另一种机理在起作用，或者是几种机理的综合作用，而各自作用的大小当由具体的凝固条件所决定。目前比较统一的看法是内部等轴晶区的形成很第三节铸件宏观结晶组织的控制思路:

晶区的形成和转变乃是过冷熔体独立生核的能力和各种形式晶粒游离、增殖或重熔的程度这两个基本条件综合作用的结果，铸件中各晶区的相对大小和晶粒的粗细就是由这个结果所决定的。凡能强化熔体独立生核，促进晶粒游离，以及有助于游离晶的残存与增殖的各种因素都将抑制柱状晶区的形成和发展，从而扩大等轴晶区的范围，并细化等轴晶组织。

第三节铸件宏观结晶组织的控制思路:第三节铸件宏观结晶组织的控制

以高碳钢为例：因为高碳钢固液两相区温度达到131℃，故中等过热度的钢液也有其柱状晶强烈增大趋势，在凝固后期由于连铸坯断面中心柱状树枝晶的搭桥而形成小钢锭的凝固结晶现象，铸坯产生中心偏析。过热度越低，中心偏析的评级越低。

两个需要注意的概念：

(1)由成分决定的固液相线宽度越大，柱状晶越发达；

(2)由温度梯度决定的两相区越宽，柱状晶不发达。具体到连铸二冷强度大时，温度梯度变大，凝固前沿糊状区（固液两相区）变窄，利于柱状晶生长。第三节铸件宏观结晶组织的控制以高碳钢为一、合理地控制浇注工艺和冷却条件二、孕育处理三、动力学细化一、合理地控制浇注工艺和冷却条件合理的浇注工艺冷却条件的控制合理的浇注工艺合理的浇注工艺浇注温度浇注方式合理降低浇注温度是减少柱状晶、获得及细化等轴晶的有效措施。但过低的浇注温度将降低液态金属的流动性，导致浇不足和冷隔等缺陷的产生。通过改变浇注方式强化对流对型壁激冷晶的冲刷作用，能有效地促进细等轴晶的形成。但必须注意不要因此而引起大量气体和夹杂的卷入而导致铸件产生相应的缺陷。合理的浇注工艺浇注温度合理降低浇注温度是减少柱铸型中间浇注单孔上注沿型壁六孔浇注图5-8不同浇注方法引起不同的铸件凝固组织铸型中间浇注单孔上注水流冷却的斜板浇注方法水流冷却的斜板浇注方法第三讲连铸坯宏观组织及控制冷却条件的控制控制冷却条件的目的是形成宽的凝固区域和获得大的过冷，从而促进熔体生核和晶粒游离。小的温度梯度GL和高的冷却速度R可以满足以上要求。但就铸型的冷却能力而言，除薄壁铸件外，这二者不可兼得。对薄壁铸件，可采用高蓄热、快热传导能力的铸型。对厚壁铸件，一般采用冷却能力小的铸型以确保等轴晶的形成，再辅以其他晶粒细化措施以得到满意的效果。悬浮浇注法可同时满足小的GL与高的R的要求。冷却条件的控制控制冷却条件的目的是形成宽的凝固区域和获得大的悬浮浇注用涡流导入法的浇注系统悬浮浇注法是在浇注过程中将一定量的固态金属颗粒加入到金属液中，从而改变金属液凝固过程，达到细化组织、减小偏析、减小铸造应力的目的的一种工艺方法。悬浮浇注用涡流导入法的浇注系统悬浮浇注法是在浇注过程中将一定悬浮浇注法的特点

1)显著细化铸件组织，提高力学性能，改善铸件厚大断面力学性能均匀性；

2)减小凝固收缩，使冒口减小15～35%；

3)减少缩松，提高铸件致密性；

4)减小铸造应力，减小铸件热裂倾向；

5)改善宏观偏析；

6)提高凝固速度，改善铸型受热状况；

7)可以实现浇注过程合金化。悬浮浇注法的特点

1)显著细化铸件组织，提高力学性能，改善技术原理：通过加入金属颗粒与金属液的物理化学、晶体学和热作用，强制金属液生核，并改变铸型中金属液的温度分布，从而改变金属凝固方式。

适用范围：各种铸钢件、铸铁件、及有色合金件。不需要特殊设备，仅要求简单辅助工装。技术原理：通过加入金属颗粒与金属液的物理化学、晶体学和热作二、孕育处理孕育处理是浇注之前或浇注过程中向液态金属中添加少量物质以达到细化晶粒、改善宏观组织目的的一种工艺方法。澄清两个概念：孕育(Inoculation)主要是影响生核过程和促进晶粒游离以细化晶粒；而变质（Modification）则是改变晶体的生长机理，从而影响晶体形貌。变质在改变共晶合金的非金属相的结晶形貌上有着重要的应用，而在等轴晶组织的获得和细化中采用的则是孕育方法。二、孕育处理孕育处理是浇注之前或浇注过程中向孕育剂作用机理的两类观点孕育主要起非自发形核作用通过在生长界面前沿的成分富集而使晶粒根部和树枝晶分枝根部产生缩颈，促进枝晶熔断和游离而细化晶粒。孕育剂含有直接作为非自发生核的物质

孕育剂能与液相中某些元素反应生成较稳定的化合物而产生非自发生核在液相中造成很大的微区富集而迫使结晶相提前弥散析出而生核孕育剂作用机理的两类观点孕育主要起非自发形核作用通过在生长界合金种类孕育剂主要组元加入量wt%加入方法碳钢及合金钢Ti0.1~0.2铁合金V0.06~0.30B0.005~0.01铸铁Si-Fe，Ca,Ba,Sr0.1~1.0，与Si-Fe复合铁合金铝合金Ti,Zr,Ti+B,Ti+CTi:0.15;Zr:0.2；复合:Ti0.01B或C0.05;Al-Ti,Al-Zr,Al-Ti-B,Al-Ti-C中间合金过共晶Al-Si合金P≥0.02Al-P，Cu-P，Fe-P中间合金铜合金Zr,Zr+B,Zr+Mg,Zr+Mg+Fe+P0.02~0.04纯金属或中间合金镍基高温合金WC,NbC碳化物粉末表5-1合金常用孕育剂的主要元素情况合金种类孕育剂主要组元加入量wt%加入方法碳钢及合金钢Ti0孕育衰退（孕育效果逐渐减弱）孕育剂加入合金液后要经历一个孕育期和衰退期。在孕育期内，作为孕育剂的中间合金的某些组分完成熔化过程，或与合金液反应生成化合物，起细化作用的异质固相颗粒均匀分布并与合金液充分润湿，逐渐达到最佳的细化效果。当细化效果达到最佳值时浇注是最理想的，随合金熔化温度和孕育剂种类的不同，达到最佳细化效果所需要的时间也不同。几乎所有的孕育剂都有在孕育处理后一段时间出现孕育衰退现象，因此孕育效果不仅取决于孕育剂的本身，而且也与孕育处理工艺密切相关。一般处理温度越高，孕育衰退越快，在保证孕育剂均匀散开的前提下，应尽量降低处理温度。孕育剂的粒度也要根据处理温度、被处理合金液量和具体的处理方法来选择。孕育衰退（孕育效果逐渐减弱）孕育剂加入合金液后要经历一个孕育

高碳钢连铸坯存在的最大质量问题是中心缩松、中心偏析严重。解决这一问题的关键是扩大铸坯等轴晶区比例，细化晶粒。本文以Fe-C合金作为形核剂，研究了形核剂含碳量对高碳钢凝固过程的影响机理。研究结果表明，向钢液中加入形核剂可有效地扩大等轴晶区。对高碳钢，中碳铁合金形核剂既可扩大等轴晶区，又可细化晶粒；而低碳形核剂可以扩大等轴晶区，但细化晶粒效果差。为有效地发挥形核剂的作用，对不同钢种要合理地选择形核剂含碳量。Centralshrinkageporosityandsegregationaremaindefectsofhigh-carbonsteelbillets．ThekeytosolvetheseproblemsiSenlargingequiaxedgrainzoneandfininggrainsize．Fe-Calloysaretakenasnucleatingagentsandtheefectsofcarboncontentofnucleatingagentsonsolidificationprocessofhigh—carbonsteeIarestudied．Theresultsshowthataddingmediumcarbonnucleatingagentsintohighcarbonsteelgradecanefectivelyenlargeequiaxedgrainzoneandfinegrainsize；addinglowcarbonnucleatingagentsintohighcarbonsteelgradecanonlyenlargeequiaxedgrainzone．Inordertoexploitnucleatingagents’advantagestothealI，diferentnucleatingagentsmustbeselectedseriouslyaccordingtodiferentsteeIgrades．Themediumcarbonalloynucleatingagentsaresuitableforhigh-carbonsteelgrade．高碳钢连铸坯存在的最大质量问题是中心缩松、中心

还有一种孕育——电脉冲孕育：电脉冲孕育处理是指通过对合金熔体施加脉冲电场从而达到控制合金凝固，细化金属凝固组织的目的。研究发现，利用脉冲电流处理可以使金属的凝固温度升高，凝固时间缩短，温度梯度减小，使金属更趋向于体积凝固方式，凝固组织细化，力学性能得到改善；可以使凝固组织由粗大柱状晶转变为细小等轴晶，大幅度细化晶粒尺寸；使奥氏体不锈钢的柱状晶间距明显细，并增加凝固组织中奥氏体的相对含量；使高碳当量的过共晶灰口铸铁中出现大量D型过冷石墨和发达的奥氏体枝晶，细化共晶团尺寸。在温度较高的液相中，电脉冲对凝固组织细化无任何作用。在枝晶生长过程中，电脉冲无法使晶体熔化或折断，但它可以促使型壁上的晶粒脱落、游离，并在液相中自由移动，成为等轴晶生长的核心，从而达到了细化晶粒的目的，如图所示。还有一种孕育——电脉冲孕育：电脉冲孕育处理是指三、动力学细化

1．铸型振动2．超声波振动3．液相搅拌4．流变铸造三、动力学细化1．铸型振动1．铸型振动在凝固过程中振动铸型可使液相和固相发生相对运动，导致枝晶破碎形成结晶核心。离心铸造时若周期改变旋转方向可获得细小等轴晶，说明液相和固相发生相对运动所起的细化晶粒作用。振动还可引起局部的温度起伏，有利于枝晶熔断。振动铸型可促使“晶雨”的形成。立式离心铸造机1．铸型振动在凝固过程中振动铸型可使液相和固相发生相对运动，2．超声波振动

超声波振动可在液相中产生空化作用，形成空隙，当这些空隙崩溃时，液体迅速补充，液体流动的动量很大，产生很高的压力。当压力增加时凝固的合金熔点温度也要增加，从而提高了凝固过冷度，造成形核率的提高，使晶粒细化。2．超声波振动超声波振动可在液相中产生空化作用超声波通常是指1s内振动20000次以上的高频声波，在介质传导时，将会产生周期性的应力和声压变化，同时也会产生局部的高温高压效应。超声振动的高能量及其它的特殊效应，极大地提高了对凝固的作用效果。利用超声波冶金可以细化晶粒，去气除渣，细化枝晶网胞。功率超声是超声波的一个分支，应用于金属凝固过程中时有5个基本作用：（1）线性交变振动作用；（2）大振幅声波；（3）非线性振动；（4）声空化作用；（5）声流作用。这些作用应用于金属液中可以产生搅拌、雾化、分散、冲击破碎等作用可以促进合金形核并抑制其长大，还可提高温度和化学成分的均匀性，改善合金成分的偏析等。超声波通常是指1s内振动20000次以上的3.振动喂带技术向结晶器内的金属液中连续喂人接近母液成分的金属棒或带，在金属棒或带融化吸收钢水过热度的基础上，通过振动使金属棒或带的前端两相区内的枝晶以晶核的方式被弹射到钢液中，成为其后凝固形成等轴晶的晶核来源。通过将处于高频振动状态的钢带插入与其成分相同的钢液中，观察并分析钢带的熔化、形核及弹射至溶池内的动态过程，尤其是有无振动条件下钢带的完全熔化时间。当振动钢带持续不断地插入钢液熔池时，钢带在熔池中能够快速熔化产生细小枝晶，这不仅能够起到降低钢液中心过热度的作用，还可以借助于振动将细小破碎的晶粒弹射到金属液中，起到促进柱状晶向等轴晶转变的作用，从而提高铸坯组织中的等轴晶比例，改善内部质量。3.振动喂带技术4.振动激发金属液形核技术当一种带有冷却结构且高频振动的晶核发射器插入金属液时，金属液将在晶核发射器棒体的表面迅速凝固形核、长大，这就是振动激发形核技术。在棒体的高频振动作用下，其表面形成的晶粒将被折断或与基体剥离，并被连续不断地弹射到金属液中，成为凝固过程中抑制柱状晶生长、形成大量等轴晶的晶核来。4.振动激发金属液形核技术当一种带有冷却结构且5．液相搅拌

采用机械搅拌、电磁搅拌或气泡搅拌均可造成液相相对固相的运动，引起枝晶的折断、破碎与增殖，达到细化晶粒的目的。

连铸过程采用电磁搅拌的主要作用是提高连铸坯的质量，例如去除夹杂物、消除皮下气泡、减轻中心偏析、提高连铸坯的等轴晶率。在浇铸断面较大的铸坯以及浇铸质量要求较高时，电磁搅拌技术便成为首选。5．液相搅拌采用机械搅拌、电磁搅拌或气泡搅拌均可造成液相

电磁搅拌器(EMS)的实质是借助在铸坯液中感生的电磁力来强化钢水的运动。在钢水附近施加电磁搅拌以后，电磁搅拌器产生的低频交变电磁场穿透钢水，与钢水间产生相对运动，使得钢液的磁通量发生变化，相当于磁场以一定的速度切割钢液，使其内部产生感应电流。这种感应电流又与感应器产生的磁场相互作用产生电磁力，作用于钢液的每个体积元上，从而驱动钢液的运动。根据直流电动机原理、感应电动机原理、直线电动机原理和固定磁场下运动导体被感应受力的原理，电磁搅拌力的产生相应有4种类型：静止磁场与液芯通电型电磁搅拌的电磁力；感应旋转磁场型电磁搅拌的电磁力；行波磁场电磁搅拌的电磁力；钢水注流的电磁制动。根据电磁搅拌器安装形式和位置不同，EMS主要分为二冷区电磁搅拌(S—EMS)和结晶器电磁搅拌(M—EMS)，如图2所示。电磁搅拌技术的核心就是利用电磁力控制凝固过程的流动现象，改善铸坯的结构、质量和轧材性能。电磁搅拌器(EMS