[科普中國(guó)]-鋼錠凝固收縮

鋼錠

將煉成的鋼水澆注到鑄鐵制成的鋼錠模內(nèi)，凝固后形成的錠子稱(chēng)為鋼錠。鋼錠經(jīng)軋制或鍛壓成為鋼材后方能使用，所以鋼錠是半成品。根據(jù)澆注方法的不同有上注鋼錠和下注鋼錠之分。上注法一次澆注一根鋼錠，下注法可以同時(shí)澆注許多根鋼錠。下注錠的表面質(zhì)量?jī)?yōu)于上注錠。根據(jù)脫氧程度的不同又有沸騰鋼鋼錠、半鎮(zhèn)靜鋼鋼錠和鎮(zhèn)靜鋼鋼錠三種，此外還有外沸內(nèi)鎮(zhèn)鋼錠。沸騰鋼是脫氧不完全的鋼，鎮(zhèn)靜鋼是脫氧完全的鋼，半鎮(zhèn)靜鋼的脫氧程度介乎前兩者之間，接近于鎮(zhèn)靜鋼。鋼錠的質(zhì)量有表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量之分。表面質(zhì)量以鋼錠表面是否有結(jié)疤和裂紋及表皮的純凈度和致密度來(lái)衡量。內(nèi)部質(zhì)量則以鋼錠內(nèi)部的純凈度、致密度、低倍非金屬夾雜物數(shù)量和宏觀偏析的程度來(lái)衡量。沸騰鋼的表面質(zhì)量好，但由于錠心偏析大，內(nèi)部質(zhì)量不如鎮(zhèn)靜鋼。

凝固收縮量鋼錠的凝固收縮包括液態(tài)收縮、結(jié)晶收縮和固態(tài)收縮三部分。即εv=εL+εc+εs，式中εV為總的冷凝體積收縮率，%；εL、εc、εs分別為液態(tài)、結(jié)晶和固態(tài)的體積收縮率，%。且有εL=αL（tt-tL），εc=αL+αs/2（tL-ts）+εp，εs=αs（tL-tc），式中αL、αs為液相和固相的平均體積收縮系數(shù)，%/K；εp為由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的純相變體積收縮率；tt、tL、ts、tc分別為鋼液的澆注溫度、液相線(xiàn)溫度、固相線(xiàn)溫度和環(huán)境溫度。以35鋼為例（圖1），由1725℃至室溫的全部體積收縮率為：εv=εL+εc+εs=4%+3%+7.2%=14.2%。鋼的凝固收縮量主要隨含碳量的變化而變化。鋼中含碳量提高，直到0.5%時(shí)結(jié)晶收縮量逐漸增加，繼續(xù)提高時(shí)反而減小。而鋼的固態(tài)收縮則隨含碳量的增加而減小。因此，含碳量在0.20%～0.50%的鋼冷凝的總收縮率最大。

1—0.35%C鋼； 2—0.25%C鋼；3—0.80%C鋼；4—純鐵

凝固收縮的影響鋼液在冷卻和結(jié)晶過(guò)程中所伴隨發(fā)生的體積收縮，對(duì)鋼錠的質(zhì)量及物理、化學(xué)均勻性有重要影響：

（1）產(chǎn)生縮孔與疏松。

由于鋼液的冷凝收縮，在澆注補(bǔ)縮不充分的條件下將會(huì)造成鋼錠或鑄件內(nèi)部的縮孔和疏松缺陷，其容積最大可達(dá)澆鋼容積的5%?？s孔產(chǎn)生于鋼錠最后凝固的地方。為了防止產(chǎn)生縮孔缺陷，最有效的措施是控制鋼錠的傳熱條件，以促使縮孔盡可能集中在鋼錠的最上端，便于切除。最有效的技術(shù)措施有：選擇合理的鋼錠形狀和尺寸，采用絕熱板保溫帽、發(fā)熱劑和防縮孔劑，控制合適的注溫、注速和正確的補(bǔ)縮操作等。

（2）產(chǎn)生裂紋。

鋼在冷凝過(guò)程中產(chǎn)生的收縮一旦受阻，便產(chǎn)生應(yīng)力。當(dāng)此應(yīng)力超過(guò)鋼在當(dāng)時(shí)溫度條件下的強(qiáng)度極限或塑性極限時(shí)，就會(huì)造成裂紋。鋼在紅熱狀態(tài)下產(chǎn)生的裂紋稱(chēng)熱裂紋，常溫狀態(tài)下產(chǎn)生的裂紋稱(chēng)冷裂紋。熱裂傾向主要取決于鋼的收縮特性和高溫塑性。收縮大而塑性差的鋼，具有大的熱裂傾向性。鋼的冷凝收縮在不同溫度的各凝固層間引起熱應(yīng)力、鼓脹應(yīng)力、懸掛應(yīng)力和組織應(yīng)力等多種應(yīng)力，一旦在凝固層薄弱處造成應(yīng)力集中，便會(huì)產(chǎn)生裂紋。實(shí)踐表明，對(duì)鋼錠熱裂傾向起決定作用的不是鋼錠在整個(gè)冷凝期間絕對(duì)收縮量的大小，而是它在某一時(shí)刻的最大收縮速度。在鋼錠開(kāi)始凝固的前5～10min內(nèi)（鋼錠的相應(yīng)表面溫度為1500～1200℃）是產(chǎn)生表面裂紋的最危險(xiǎn)時(shí)期。1

1—20鋼；2—10Ti鋼；3—40Cr鋼；4—18CrMnTi鋼；5—45Mn2鋼； 6—65Mn鋼

1—縮孔；2—柱狀晶區(qū)；3—等軸晶區(qū)；4—偏析區(qū)

（3）自然對(duì)流。

在鋼錠凝固過(guò)程中，處于凝固前沿兩相區(qū)的鋼液和晶體的混合物，由于溫度降低和產(chǎn)生固相晶核，密度明顯高于心部的過(guò)熱鋼液，因而出現(xiàn)自然對(duì)流。這是結(jié)晶過(guò)程冷凝收縮造成的又一種后果。8～10t鋼錠凝固過(guò)程中，發(fā)生自然對(duì)流的時(shí)間可達(dá)1h以上，金屬的最大遷移速度達(dá)0.5～0.6m/s。自然對(duì)流可強(qiáng)化固—液界面的傳熱、傳質(zhì)過(guò)程，促進(jìn)液相內(nèi)的均勻混合和加速鋼液過(guò)熱熱量的排散；可促成熔體垂直方向的溫度梯度，使迎著熱流方向生長(zhǎng)的柱狀晶略為向上傾斜，并明顯地影響鋼錠的晶體結(jié)構(gòu)（圖3）；還可以細(xì)化晶粒和促進(jìn)非金屬夾雜物的上浮排除等。2

凝固收縮速度鋼錠冷凝過(guò)程中，由于散熱條件的變化，凝固層的降溫速度也隨之變化，因此線(xiàn)收縮的速度在凝固的不同時(shí)期是很不相同的。在開(kāi)始凝固的5～7min內(nèi)平均線(xiàn)收縮速度最大，而經(jīng)過(guò)10～15min之后急劇減小。此外，最大收縮系數(shù)和最大收縮速度都隨含碳量的增加而減小。