【正文】 連鑄坯質(zhì)量及其控制基礎(chǔ)知識 ? 鋼水中常見元素及基本概念 ? 鋼中殘留元素及其控制 ? 鋼水結(jié)晶基礎(chǔ)理論 ? 結(jié)晶器傳熱與凝固 ? 二冷區(qū)的傳熱與凝固 ? 連鑄坯凝固結(jié)構(gòu)及控制 主要內(nèi)容（一） 碳（ C）：碳是鋼中最基本的對鋼的組織性能影響最大的元素，鋼中含碳量增加，屈服點和抗拉強度升高，但塑性和沖擊性降低，當碳量%超過時，鋼的焊接性能變壞，因此用于焊接的低合金結(jié)構(gòu)鋼，含碳量一般不超過%。碳鋼的含碳量為 ~%，超過此值稱為鐵。此外，碳能增加鋼的冷脆性和時效敏感性。 硅（ Si）：在煉鋼過程中加硅作為還原劑和脫氧劑，所以鎮(zhèn)靜鋼含有 %~%的硅。如果鋼中含硅量超過 %~%,硅就算合金元素。硅能顯著提高鋼的彈性極限，屈服點和抗拉強度，故廣泛用于作彈簧鋼。在調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼中加入 %~%的硅，強度可提高 15%~20%。硅和鉬、鎢、鉻等結(jié)合，有提高抗腐蝕性和抗氧化的作用，可制造耐熱鋼。含硅 1%~4%的低碳鋼，具有極高的導(dǎo)磁率，用于電器工業(yè)做矽鋼片。硅量增加，會降低鋼的焊接性能。 錳（ Mn）：在煉鋼過程中，錳是良好的脫氧劑和脫硫劑，一般鋼中含錳 %~%。在碳素鋼中加入 %以上時就算“錳鋼”，較一般鋼量的鋼不但有足夠的韌性，且有較高的強度和硬度，提高鋼的淬性，改善鋼的熱加工性能。含錳 11%~14%的鋼有極高的耐磨性，用于挖土機鏟斗，球磨機襯板等。錳量增高，減弱鋼的抗腐蝕能力，降低焊接性能。 磷（ P）：在一般情況下，磷是鋼中有害元素，增加鋼的冷脆性，使焊接性能變壞，降低塑性，使冷彎性能變壞。因此通常要求鋼中含磷量小于 %，優(yōu)質(zhì)鋼要求更低些。 硫（ S）：硫在通常情況下也是有害元素。使鋼產(chǎn)生熱脆性，降低鋼的延展性和韌性，在鍛造和軋制時造成裂紋。硫?qū)附有阅芤膊焕档湍透g性。所以通常要求硫含量小于 %，優(yōu)質(zhì)鋼要求小 %。在鋼中加入 ~%的硫，可以改善切削加工性，通常稱易切削鋼。 鉻（ Cr）：在結(jié)構(gòu)鋼和工具鋼中，鉻能顯著提高強度、硬度和耐磨性，但同時降低塑性和韌性。鉻又能提高鋼的抗氧化性和耐腐蝕性，因而是不銹鋼，耐熱鋼的重要合金元素。 鎳 (Ni)：鎳能提高鋼的強度，而又保持良好的塑性和韌性。鎳對酸堿有較高的耐腐蝕能力，在高溫下有防銹和耐熱能力。但由于鎳是較稀缺的資源，故應(yīng)盡量采用其他合金元素代用鎳鉻鋼。 鉬 (Mo)：鉬能使鋼的晶粒細化，提高淬透性和熱強性能，在高溫時保持足夠的強度和抗蠕變能力 (長期在高溫下受到應(yīng)力，發(fā)生變形，稱蠕變 )。結(jié)構(gòu)鋼中加入鉬，能提高機械性能。 在工具鋼中可提高紅性。 鈦 (Ti)：鈦是鋼中強脫氧劑。它能使鋼的內(nèi)部組織致密，細化晶粒；降低時效敏感性和冷脆性。改善焊接性能。在鉻 18鎳 9奧氏體不銹鋼中加入適當?shù)拟?，可避免晶間腐蝕。 釩 (V)：釩是鋼的優(yōu)良脫氧劑。鋼中加 %的釩可細化組織晶粒，提高強度和韌性。釩與碳形成的碳化物，在高溫高壓下可提高抗氫腐蝕能力。 鎢 (W)：鎢熔點高，比重大，是貴生的合金元素。鎢與碳形成碳化鎢有很高的硬度和耐磨性。在工具鋼加鎢，可顯著提高紅硬性和熱強性，作切削工具及鍛模具用。 鈮 (Nb)：鈮能細化晶粒和降低鋼的過熱敏感性及回火脆性，提高強度，但塑性和韌性有所下降。在普通低合金鋼中加鈮，可提高抗大氣腐蝕及高溫下抗氫、氮、氨腐蝕能力。鈮可改善焊接性能。在奧氏體不銹鋼中加鈮，可防止晶間腐蝕現(xiàn)象。 鈷 (Co)：鈷是稀有的貴重金屬，多用于特殊鋼和合金中，如熱強鋼和磁性材料。 ? 銅 (Cu)：銅能提高強度和韌性，特別是大氣腐蝕性能。缺點是在熱加工時容易產(chǎn)生熱脆，銅含量超過%塑性顯著降低。當銅含量小于 %對焊接性無影響。 ? 鋁 (Al)：鋁是鋼中常用的脫氧劑。鋼中加入少量的鋁，可細化晶粒，提高沖擊韌性，如作深沖薄板的08Al鋼。鋁還具有抗氧化性和抗腐蝕性能，鋁與鉻、硅合用，可顯著提高鋼的高溫不起皮性能和耐高溫腐蝕的能力。鋁的缺點是影響鋼的熱加工性能、焊接性能和切削加工性能。 ? 硼 (B)：鋼中加入微量的硼就可改善鋼的致密性和熱軋性能，提高強度。 ? 氮 (N):一般認為 ,鋼中的氮是有害元素 ,但是氮作為鋼中合金元素的應(yīng)用 ,已日益受到重視。氮能提高鋼的強度，低溫韌性和焊接性，增加時效敏感性。 ? 稀土 (Xt)：稀土元素是指元素周期表中原子序數(shù)為 5771的 15個鑭系元素。這些元素都是金屬，但他們的氧化物很象“土”，所以習(xí)慣上稱稀土。鋼中加入稀土，可以改變鋼中夾雜物的組成、形態(tài)、分布和性質(zhì)，從而改善了鋼的各種性能，如韌性、焊接性，冷加工性能。在犁鏵鋼中加入稀土，可提高耐磨性。 鋼中微量元素分為兩類：一類為有意加入的元 素，如為改善機械切削性能加入 S、 Pb、 Se、 Te，為抗腐蝕加 Cu等。另一類是由煉鋼爐料和澆注過程帶入的元素，如來自爐料的元素有 Cu、 As、 Sb、 Zn、 Sn、 S、 P，來自結(jié)晶器的 Cu，來自保護渣的 S等。 在鋼的成分中不是有意加入的元素，而是隨原料帶入的元素，在冶煉過程中又沒能去除而殘留于鋼中稱為殘留元素。如 Cu、 Sn、 Sb、 As等，其中 Cu、Sn的危害最大，因此殘留元素含量必須嚴格限制。Cu、 Sn含量限制在 %以下。 殘留元素的綜合作用比較復(fù)雜，通常以 Cu當量來表述這種復(fù)雜的作用，即： Cu′=(Cu+10Sn － Ni－ 2S)% 其中， 10Sn包括了 As和 Sb的隱蔽作用。 殘留元素對鋼的質(zhì)量影響主要有： 1)鑄坯表面裂紋； 2)鑄坯內(nèi)部裂紋； 3)鑄坯偏析加重； 為此，要提高鋼坯質(zhì)量，減少殘留元素的影響，可以從以兩個方面來控制。 ① 對入爐的廢鋼要嚴格管理，采用精選爐料或爐料搭配使用，以減少爐料帶入的微量元素，控制銅當量在 %以下。 ② 此外控制連鑄坯合適的表面溫度，避免熱應(yīng)力，減少鑄坯表面的氧化，以減輕銅的富集。 Pb 鉛 Se 硒 Te 碲 As 砷 Sb 銻 Zn 鋅 Sn 錫 ? 鋼液的結(jié)晶過程 ? 鋼液澆注的實質(zhì)就是完成鋼從液態(tài)向因態(tài)的轉(zhuǎn)變，也就是鋼的結(jié)晶過程，也稱為鋼的凝固。 ? 鋼液的結(jié)晶應(yīng)滿足的兩個條件： ① 一定的過冷度，此為熱力學(xué)條件。液態(tài)金屬是在理論結(jié)晶溫度 T0以下 Tn才開始結(jié)晶的， Tn就稱為實際結(jié)晶溫度，也稱為平衡結(jié)晶溫度。金屬在 T0以下仍保持液態(tài)的現(xiàn)象稱為過冷現(xiàn)象， T0與 Tn之差就稱為過冷度。具有一定過冷度是金屬結(jié)晶的必要條件，也是結(jié)晶的熱力學(xué)條件。過冷度越大，液相的結(jié)晶趨勢就越大，為得到結(jié)晶所必需的過冷度，必須使液態(tài)金屬的溫度降低，將結(jié)晶潛熱散發(fā)出去。 ? ② 必要的晶核，此為動力學(xué)條件。 ? 液態(tài)的結(jié)晶必須有核心。形核有均質(zhì)形核和非均質(zhì)形核兩部分。均質(zhì)形核，是在純金屬的液相中直接產(chǎn)生晶核。鋼液是合金，其內(nèi)部懸浮著許多高熔點的因態(tài)質(zhì)點，可能成為自然的核心，即異質(zhì)形核。 ? 鋼液形成晶核后即迅速長大，開始長大時具有與金屬晶體結(jié)構(gòu)相同的規(guī)則外形，隨后由于傳熱的不穩(wěn)定，使晶粒向傳熱最快的方向優(yōu)先生長，于是形成樹狀晶。我們希望鋼液在結(jié)晶過程中形成細晶粒組織，這就要求在形核數(shù)量和晶粒長大速度上加以控制。過熱度的大小是影響晶粒度的因素。另外通過人地加入異質(zhì)晶核的辦法來增加晶核數(shù)量也可以得到細晶粒組織。（如結(jié)晶器電磁攪拌、微量元素的加入等等技術(shù)。） ?選分結(jié)晶與偏析 ? 選分結(jié)晶又稱選擇結(jié)晶。合金元素在固、液相中的溶解度是有差異的，一般而言在固相中的溶解度小于在液相中的溶解度。因此合金元素在固相鋼中分配的濃度要小，而在液相鋼（母液）中分配的濃度要大，所以在鋼的結(jié)晶過程中，于結(jié)晶前沿會有溶質(zhì)大量析出并積聚，固相中溶質(zhì)濃度就低于原始濃度，這種現(xiàn)象即所謂選分結(jié)晶。隨著母液溶質(zhì)的不斷富集而使?jié)?