鋼的結(jié)晶與鑄胚凝固結(jié)構(gòu)2023/4/11第一頁，共四十四頁，2022年，8月28日內(nèi)容大綱鋼的結(jié)晶過程(p.3)–結(jié)晶的熱力學條件、結(jié)晶的動力學條件鋼液結(jié)晶的特點(p.10)–結(jié)晶溫度範圍、偏析、成份過冷、化學成份偏析

、顯微偏析&宏觀偏析、凝固夾雜物&凝固氣泡、凝固收縮連鑄胚凝固特徵(p.25)–彎月面&氣隙的形成連鑄胚的凝固結(jié)構(gòu)(p.29)–細小等軸晶帶、柱狀晶帶、中心等軸晶帶、小鋼錠結(jié)構(gòu)凝固結(jié)構(gòu)的控制(p.32)連鑄胚冷卻過程中受到的應(yīng)力(p.34)2023/4/12第二頁，共四十四頁，2022年，8月28日鋼的結(jié)晶鋼的凝固結(jié)晶需要兩個條件：

1.熱力學條件–一定的過冷度

2.動力學條件–必要的晶核2023/4/13第三頁，共四十四頁，2022年，8月28日結(jié)晶的熱力學條件根據(jù)熱力學，自由焓G的定義為G＝H－T．S，H為焓，S為熵，T為絕對溫度。若今系統(tǒng)在等溫過程下反應(yīng)，上式可改寫成ΔG＝ΔH－T．ΔS。晶核的形成會引起系統(tǒng)自由焓的變化，根據(jù)熱力學最小自由焓定理，系統(tǒng)的相變與能量轉(zhuǎn)換會自動往降低自由焓的方向移動，因此結(jié)晶的熱力學條件為固相自由焓GS需低於液相自由焓GL，也就是：GS－GL＝ΔG＜0。在相變溫度T0時，系統(tǒng)處於平衡狀態(tài)，也就是ΔG＝0，即：ΔG＝ΔH－T0．ΔS＝0(A式)今系統(tǒng)在任一溫度T1為不平衡狀態(tài)，也就是ΔG≠0，所以ΔG＝ΔH－T1．ΔS，與A式合併，消去ΔS，整理可得：

ΔG＝ΔH．(T0－T1)/T0。今相變欲自發(fā)性反應(yīng)，需ΔG＜0，即ΔH．(T0－T1)/T0＜0。2023/4/14第四頁，共四十四頁，2022年，8月28日結(jié)晶的熱力學條件今系統(tǒng)如果要自發(fā)性反應(yīng)，要ΔG＜0，即ΔH．(T0－T1)/T0＜0。如果系統(tǒng)自發(fā)性反應(yīng)為蒸發(fā)、熔融，過程屬吸熱反應(yīng)，即ΔH＞0，也就是要T0＜T1，也就是反應(yīng)發(fā)生的溫度T1要大於相變溫度T0，也就是說該反應(yīng)條件要求過熱。如果系統(tǒng)自發(fā)性反應(yīng)為結(jié)晶、凝固，過程屬放熱反應(yīng)，即ΔH＜0，也就是要T0＞T1，也就是反應(yīng)發(fā)生的溫度T1要小於相變溫度T0，也就是說該反應(yīng)條件要求過冷。過熱度或過冷度是反應(yīng)進行的驅(qū)動力。2023/4/15第五頁，共四十四頁，2022年，8月28日結(jié)晶的動力學條件結(jié)晶要在過冷條件下進行，結(jié)晶過程分為形成穩(wěn)定晶核的形核過程與晶核成長為晶粒的晶核成長過程。形核：液體的結(jié)晶需要有成長的核心，而成長核可分為均質(zhì)形核與非均質(zhì)形核。均質(zhì)形核：在足夠的過冷度條件下，晶核能從液相中的原子團(晶胚)直接形成。2023/4/16第六頁，共四十四頁，2022年，8月28日結(jié)晶的動力學條件(均質(zhì)形核)當溫度下降到液相溫度以下，原子為形成晶態(tài)而逐漸規(guī)則排列，即凝固過程中，原子由在液相中的聚集狀態(tài)變成固相的排列狀態(tài)，由於固、液兩相的自由能不同，液相往固相轉(zhuǎn)變會使系統(tǒng)的體積自由能降低，且因新界面的形成也會使系統(tǒng)的表面自由能增加，因此系統(tǒng)的總自由能變化ΔG為：ΔG＝體積自由能的變化＋表面形成的自由能＝V．ΔGV＋A．σ符號說明：V為晶胚的體積，A為晶胚的表面積，ΔGV為固、液兩相的單位體積自由能差，σ為表面自由能。

假設(shè)均質(zhì)形核的晶胚外形為球形，半徑為r，整理上式後如下所示：ΔG＝(4πr3/3)ΔGV＋4πr2．σ

(B式)

2023/4/17第七頁，共四十四頁，2022年，8月28日結(jié)晶的動力學條件(均質(zhì)形核)今假設(shè)ΔGV與σ皆為確定的常數(shù)，則(B式)就是ΔG與r的關(guān)係式，而ΔG隨r的變化曲線如下圖所示：將(B式)對r微分，可得到極值得位置rk。0＝r(r．ΔGV＋2σ)→rk＝-2σ/ΔGV當r＜rk時，晶核的形成會使系統(tǒng)的自由能上升，晶胚不能形成晶核，晶胚會不穩(wěn)定而消失。當r＝rk時，可能熔化消失或可以形成晶核，而形成臨界晶核需要一定的能量，將rk代回(B式)，其大小約為臨界晶核表面自由能的1/3，稱為形核功。當r＞rk時，晶核長大可以使系統(tǒng)自由能降低，凝固反應(yīng)自動進行。ΔGk2023/4/18第八頁，共四十四頁，2022年，8月28日結(jié)晶的動力學條件(均質(zhì)形核)rk＝-2σ/ΔGV=-2σ/[ΔH．(ΔT)/T液]=(-2σ．T液)/(ΔH．ΔT)→過冷度ΔT越大，形成晶核的臨界半徑rk也越小，而形成晶核所需要最小的能量也越小，也就是晶核形成要求較小的形核功。2023/4/19第九頁，共四十四頁，2022年，8月28日結(jié)晶的動力學條件(非均質(zhì)形核)非均質(zhì)形核：液相中存在著高熔點微小固體夾雜物或是在表面不光滑的器壁，晶胚可依附在其界面而形成晶核。非均質(zhì)成核要求比均質(zhì)成核較小的過冷度。純金屬的結(jié)晶只能靠均質(zhì)成核，鋼液含有不同熔點的夾雜物，因此鋼液的結(jié)晶以非均質(zhì)成核較容易。2023/4/110第十頁，共四十四頁，2022年，8月28日晶核成長過程晶核穩(wěn)定形成後隨即迅速長大，由於傳熱方向的不穩(wěn)定，晶粒會沿傳熱最快的方向成長，形成樹枝晶。

右圖為晶核長大速度與過冷度的關(guān)係圖，當過冷度增大時，晶核數(shù)量形成很快，也就是形核率增長很快，但晶核成長的速度卻增加較慢，因此可得知在過冷度較大時，可以得到均勻的細晶粒結(jié)晶組織，過冷度是影響晶粒成長的因素。另外添加異質(zhì)晶核，即形核劑，也可以增加晶核數(shù)量，得到細晶粒組織。2023/4/111第十一頁，共四十四頁，2022年，8月28日鋼液結(jié)晶特點(結(jié)晶溫度區(qū)間)結(jié)晶溫度範圍：鋼液不是純金屬，含有各種合金元素(C、Si、Mn等)，所以鋼液的結(jié)晶溫度不是在一個固定的溫度點上，而是在一個溫度範圍內(nèi)完成結(jié)晶。當鋼液溫度下降至液相線溫度T液時，結(jié)晶開始，溫度持續(xù)下降至固相線溫度T固時，結(jié)晶完成。T液與T固的溫度差即為結(jié)晶溫度區(qū)間。結(jié)晶溫度範圍重要性：

＊T液是決定出鋼溫度與澆鑄溫度的依據(jù)。

＊結(jié)晶溫度範圍的大小對結(jié)晶組織的形成有重要的影響。T液T固溫度T時間t2023/4/112第十二頁，共四十四頁，2022年，8月28日鋼液結(jié)晶特點(結(jié)晶溫度區(qū)間)碳元素對鋼液的結(jié)晶溫度範圍有較大的影響，當鋼液中碳成份的含量最多且其他合金元素較少時，可以直接查Fe-C平衡圖裡的液相線溫度與固相線溫度，得知結(jié)晶溫度範圍。鋼液在凝固過程中，靠近結(jié)晶器壁的固相(細小等軸晶帶或激冷層)，與鑄胚液心之間存在著一固、液兩相共存的過渡區(qū)。所以鑄胚內(nèi)存在著固相區(qū)、兩相共存區(qū)與液相區(qū)，如右圖所示，Δx即為兩相區(qū)寬度。2023/4/113第十三頁，共四十四頁，2022年，8月28日鋼液結(jié)晶特點(結(jié)晶溫度區(qū)間)兩相區(qū)的寬度與結(jié)晶溫度範圍的大小、溫降梯度有關(guān)。當冷卻速度慢或弱冷時，兩相區(qū)的寬度會較大，柱狀晶沿熱傳遞的方向成長會特別發(fā)達，所以適當?shù)睦鋮s方式可以抑制柱狀晶的成長，讓凝固條件有利於等軸晶的形成，也讓結(jié)晶組織較緻密。2023/4/114第十四頁，共四十四頁，2022年，8月28日鋼液結(jié)晶特點(偏析)偏析：結(jié)晶過程中，先前已凝固的合金濃度與最後凝固的合金濃度不同，此種合金濃度含量上的差異即為偏析現(xiàn)象。通常合金在固相中的溶解度小於在液相中的溶解度，所以在結(jié)晶過程中，晶緣前方會有溶質(zhì)的析出，析出的溶質(zhì)積聚著，且隨著凝固的進行，兩相區(qū)漸往鑄胚中心移動，也就形成鑄胚中心富集溶質(zhì)元素的現(xiàn)象。2023/4/115第十五頁，共四十四頁，2022年，8月28日鋼液結(jié)晶特點(成份過冷)由於合金元素在固相與液相中的溶解度不同，鋼液在凝固中會出現(xiàn)偏析的現(xiàn)象，也就是合金元素在凝固前緣的析出，且合金元素對固體的擴散較慢，因此聚集於液相中，特別是在固液相的交界面，該處合金濃度最高。成份過冷：在偏析層內(nèi)的液相溫度會較原鋼液的液相溫度低，原因是偏析層內(nèi)合金元素的濃度大於原鋼液中合金元素的濃度，造成熔點降低，也就是液相溫度的降低。2023/4/116第十六頁，共四十四頁，2022年，8月28日鋼液結(jié)晶特點(成份過冷)鋼液在結(jié)晶時，溶質(zhì)成份會在凝固前緣析出，所以鋼液的結(jié)晶除了受到強制冷卻形成溫度過冷的影響外，還會受到由溶質(zhì)元素引起的成份過冷的影響。過冷度會影響到晶粒成長的型態(tài)，如過冷度小，(粗)晶粒規(guī)則成長，等軸晶增加，反之，過冷度大，會形成樹枝狀晶。(看結(jié)晶位置在哪)2023/4/117第十七頁，共四十四頁，2022年，8月28日化學成份偏析在鋼液中最先凝固的部份，合金元素與其它溶質(zhì)的含量較低，溶質(zhì)富集於液心，而隨著凝固過程的進行，液心裡的溶質(zhì)濃度漸增，使得在最後凝固的部份裡，所含有的溶質(zhì)濃度很高。由以上知鋼液在凝固過程中，溶質(zhì)濃度會分佈不均勻，這種不均勻的成份分佈，即為偏析現(xiàn)象。偏析依觀察的尺度不同，可分成宏觀的鑄胚偏析與微觀的顯微晶粒偏析兩種。2023/4/118第十八頁，共四十四頁，2022年，8月28日顯微偏析鋼液是在快速冷卻的條件下結(jié)晶，最先結(jié)晶的中心成份最純，後結(jié)晶的部份含有較多的其它合金元素，因此在最後結(jié)晶的部份溶質(zhì)濃度會最高，也就是在結(jié)晶的外圍或前緣。所以在柱狀晶內(nèi)部與晶粒之間化學成份分佈不均的現(xiàn)象，即為顯微偏析。2023/4/119第十九頁，共四十四頁，2022年，8月28日影響顯微偏析的因素冷卻速度：加大冷卻速度，縮短凝固時間，會使溶質(zhì)元素沒有足夠時間析出，可以減少溶質(zhì)元素的偏析。溶質(zhì)元素的偏析傾向：若元素在液相中的濃度大於該元素在固相中的濃度，也就是該元素偏析的傾向大，偏析傾向甚至還跟第三元素的影響有關(guān)，例如碳的存在會加大某些元素偏析情形。溶質(zhì)元素在固體金屬中的擴散速度：在不同溫度下，溶質(zhì)元素在固體合金中的擴散速度不同，例如碳雖是強偏析元素(S、P也是偏析傾向強的元素)，但在冷卻過程中，碳在鐵中的擴散速度高於其它溶質(zhì)元素，因此在冷卻過程中，碳可以均勻的分佈，其它元素擴散速度慢就會不均勻分佈。2023/4/120第二十頁，共四十四頁，2022年，8月28日宏觀偏析鋼液在凝固過程中，樹枝狀晶間的鋼液裡含有較高濃度的溶質(zhì)元素，而凝固時鋼液的流動會將溶質(zhì)元素帶往未凝固的液心聚集，使得連鑄胚斷面中心的溶質(zhì)元素濃度高於其它部位，導致整體鑄胚內(nèi)溶質(zhì)分佈不均，即為宏觀偏析，也稱為低倍偏析。2023/4/121第二十一頁，共四十四頁，2022年，8月28日偏析的控制偏析對鑄胚品質(zhì)有不良影響，在生產(chǎn)中可採取以下方式改善偏析情形：增加鋼液的冷凝速度–加快冷卻速度，使結(jié)晶內(nèi)溶質(zhì)元素來不及析出合適的鑄胚斷面–小斷面鑄胚所需的冷卻時間較短，減輕偏析情形。控制鋼液的流動–使鋼液成份均勻，例如使用EMS、使用適當?shù)腟EN。電磁攪拌–打斷樹枝狀晶，細化晶粒，減少偏析。工藝因素–降低澆鑄溫度或過熱度，可以減輕偏析情形；防止鑄胚鼓凸變形，減少富集溶質(zhì)元素的鋼液流往中心間隙，降低中心偏析的情形。降低鋼液中S、P的含量–S、P是鋼中偏析傾向最大的元素，對鋼的品質(zhì)危害最大，因此在精煉時，要盡量減少鋼液中S、P的含量。2023/4/122第二十二頁，共四十四頁，2022年，8月28日凝固夾雜物鋼液中夾雜物的來源很多，在凝固過程中也會出現(xiàn)一些夾雜物，即凝固夾雜物。形成的過程如下︰1.由於偏析的關(guān)係，使得溶質(zhì)元素在凝固端前緣富集。

2.富集的溶質(zhì)元素產(chǎn)生反應(yīng)形成化合物。

3.生成的化合物聚集在一起形成夾雜物。

4.夾雜物上浮，部份夾雜物滯留於鋼液中，也就形成了凝固夾雜物。控制夾雜物的方法

1.使夾雜物盡量上浮。

2.控制夾雜物的形態(tài)：ㄧ般認為夾雜物粒度小，呈球狀且在鑄胚內(nèi)分佈均勻，對鑄胚的品質(zhì)危害較小。2023/4/123第二十三頁，共四十四頁，2022年，8月28日控制夾雜物的形態(tài)可採取措施如下︰a.添加Ca或稀土元素，使夾雜物結(jié)構(gòu)呈球狀。b.改變夾雜物的化學性質(zhì)，降低對鑄胚的影響。如添加Mn可生成MnS取代FeS，減小熱脆性。c.改善夾雜物的數(shù)量分佈，鋼中加入適當?shù)腁l，利用Al2O3作為夾雜物的成長核，既增加了夾雜物數(shù)量，也減小了粒度。d.加速凝固，減少凝固時間，也減少了偏析作用的時間。e.適當?shù)匿撘毫鲃?，使夾雜物分佈均勻，也增加夾雜物上浮的機會。

2023/4/124第二十四頁，共四十四頁，2022年，8月28日凝固氣泡凝固中主要形成的氣體：CO、H2、N2。CO形成的原因是鋼液脫氧不良，而物料潮濕所含水分熔入鋼液，會增加鋼中的氫、氧含量。存在於鋼液中的氣泡如果沒有上浮，會殘存於鋼中形成內(nèi)部凝固氣泡。離鑄胚表面很近的凝固氣泡，即皮下氣泡。“白點”即是氫在鋼液完全凝固後的氣泡析出。2023/4/125第二十五頁，共四十四頁，2022年，8月28日白點白點不好判斷，需配合酸浸試驗、宏觀斷口檢驗、金相觀察等檢驗方式。酸浸後，白點多分佈在斷面近中心處裂紋，呈放射狀同心圓或不規(guī)則形狀。在斷口的裂紋上進行低倍檢驗，呈圓形或橢圓形銀白色斑點有的呈鴨嘴形，尺寸變化大，多分佈在偏析區(qū)內(nèi)。形成原因：由於鋼中氫含量過多，與內(nèi)應(yīng)力共同作用造成。剛從奧氏體→面心立方→體心立方的轉(zhuǎn)變過程中，體心立方溶解更少的氫，(實驗顯示從1650℃到409℃，氫在鋼中的含量下降至1/80，也因此形成很大的壓力)。分佈區(qū)域：隨溫度降低，氫在鋼中的溶解度減小，如果快速冷卻，在柱狀晶內(nèi)的氫會來不及擴散出，而積聚在微小氣孔中結(jié)合成分子態(tài)，會讓氫擴散更困難，氣孔內(nèi)形成了巨大的局部壓力，甚至超過鋼的斷裂強度。所以白點多分佈在柱狀晶區(qū)以內(nèi)。溫度：白點的形成溫度在250℃～100℃，氫在650℃～300℃間的擴散係數(shù)最大，所以在300℃以下氫會來不及擴散出。2023/4/126第二十六頁，共四十四頁，2022年，8月28日白點有些鋼種對白點敏感，易出現(xiàn)白點，像是Cr鋼、Cr-Mo鋼、Mn鋼、Mn-Mo鋼、Cr-Mn鋼、Cr-Mn-Mo鋼、Cr-Ni-Mo鋼等，因此以上鋼種在冶煉時應(yīng)注意氫含量。鋼中的氫會降低力學性能，失去塑性，變脆，稱為鋼的氫脆。白點的預(yù)防：使用爐外精煉或真空處理要儘量脫氫。添加的原物料必須保持乾燥。熱加工後的鋼材進行緩冷。2023/4/127第二十七頁，共四十四頁，2022年，8月28日凝固收縮鋼液在凝固過程中的凝固行為稱為凝固收縮。通常1t重的鋼液冷卻到常溫固態(tài)鋼，體積收縮近12％(0.145m3→0.128m3)，且收縮量會隨成份不同與溫降差異而改變。鋼液的冷卻凝固收縮隨溫度下降與相變化可分為三個階段：

1.液態(tài)收縮：鋼液溫度由澆鑄溫度下降至液相溫度，也就是過熱度的降低發(fā)生的體積收縮，收縮量約1％。由液態(tài)溫度變化而引起的體積收縮，可被連續(xù)澆入的鋼液所填補，對已凝固鑄胚的尺寸外形影響極小。

2.凝固收縮：鋼液結(jié)晶溫度範圍越大，溫降越大，引起的體積收縮越大，收縮量約4％。由於被連續(xù)澆入的鋼液所填補，對已凝固鑄胚的尺寸外形影響也較小。

3.固態(tài)收縮：溫度由固相線下降至室溫，此過程為固態(tài)收縮，收縮量約7％。固態(tài)收縮量最大，對鑄胚品質(zhì)的影響也最大。

2023/4/128第二十八頁，共四十四頁，2022年，8月28日凝固收縮碳鋼的凝固收縮隨含碳量而變化，含碳量漸增至0.5%，收縮量隨著增加，含碳量持續(xù)增加收縮量會下降。2023/4/129第二十九頁，共四十四頁，2022年，8月28日連鑄胚的凝固特徵鑄胚的冷卻過程為強制冷卻，鑄胚的熱量絕大部分由水冷銅壁傳導出，幾乎可看成單向傳導的熱交換模式。凝固過程為分階段進行：結(jié)晶器–二次冷卻區(qū)–凝固末期凝固過程同時伴有體積收縮與溶質(zhì)元素偏析。連鑄胚在凝固過程有很長的液心長度。2023/4/130第三十頁，共四十四頁，2022年，8月28日胚殼的形成過程彎月面的形成–

由於鋼液的表面張力作用，在鋼液面與結(jié)晶器銅壁接觸處形成了一個小半徑的彎月面。在彎月面的根部，也就是與結(jié)晶器壁接觸的部份，會因水冷而形成初生胚殼，所以穩(wěn)定的彎月面，對形成良好的胚殼品質(zhì)有一定的幫助。但如果上浮的夾雜物沒被澆鑄粉所吸附，會降低彎月面處的表面張力，使彎月面破裂，夾雜物在破裂處隨鋼液而凝固，形成了表面夾渣缺陷。夾渣處導熱弱，胚殼較薄，易有漏鋼發(fā)生。2023/4/131第三十一頁，共四十四頁，2022年，8月28日氣隙的形成過程氣隙的形成–

由胚殼凝固引起的收縮，使胚殼面離開了結(jié)晶器壁，形成間隙，由於鑄胚導熱受到影響，且鑄胚面受高溫液心的影響而有回溫情形，使得部份胚殼又貼回結(jié)晶器壁，被包圍的間隙即為氣隙。如此反覆的發(fā)生會使鑄胚表面產(chǎn)生皺紋或凹陷等不良品質(zhì)。2023/4/132第三十二頁，共四十四頁，2022年，8月28日結(jié)晶器角落為什麼做圓角？胚殼因凝固收縮，使得胚殼面離開了結(jié)晶器壁，中間形成氣隙，使得導熱性能變差，因液心高溫的影響使鑄胚表面回溫，讓胚殼在鋼液靜壓力的作用下又貼回結(jié)晶器壁，如此反覆進行直到出結(jié)晶器。而在結(jié)晶器的角落部份，鋼液在這裡受到二維的導熱，會較快形成胚殼，因為收縮力大，形成的氣隙也較大，但鋼液靜壓力無法完全將角部胚殼貼回結(jié)晶器壁，使得在角落部份形成了永久性的氣隙。因為在角落會形成永久性的氣隙，使得該部位導熱性較差，在角部的胚殼也會最薄弱，因此在結(jié)晶器的角部都會做成圓角。2023/4/133第三十三頁，共四十四頁，2022年，8月28日連鑄胚的凝固結(jié)構(gòu)好的鋼液凝固過程應(yīng)達到：

1.正確的凝固結(jié)構(gòu)–等軸晶的形成

2.偏析小，合金元素分佈均勻–減少中心偏析，提高鑄胚的機械性能

3.最大氣泡&夾雜物上浮程度–減少鑄胚夾雜物與孔洞

4.表面&內(nèi)部品質(zhì)良好–保持有利彎月面穩(wěn)定的條件

5.合金收得率高–減少損失，降低成本2023/4/134第三十四頁，共四十四頁，2022年，8月28日連鑄胚的凝固結(jié)構(gòu)一般情形下，連鑄胚晶粒組織從表面下到鑄胚中心由細小等軸晶帶、柱狀晶帶與中心等軸晶帶組成。細小等軸晶帶：在彎月面處的冷卻速度最快，會形成細小軸晶帶(激冷層)，過熱度越小，等軸晶帶的寬度就越大。柱狀晶帶：由於氣隙的出現(xiàn)影響了鑄胚的導熱，而高溫液心仍繼續(xù)對胚殼傳熱，使得激冷層溫度回升，等軸晶不再形成，而在鑄胚對水冷銅壁單向?qū)嵯?，柱狀晶開始成形。而柱狀晶約有向上10°的傾角，表示在凝固時期鋼液是向上流動。柱狀晶的”搭橋”現(xiàn)象，會使得下方鋼液得不到上方鋼液的補充，體積漸凝固收縮而形成中心疏鬆缺陷。中心等軸晶帶：當液心溫度下降至液相線後開始結(jié)晶，由於結(jié)晶發(fā)生於鑄胚內(nèi)部深處，單向的導熱特性已不明顯，晶?？裳馗鞣较騻鳠?，因形成等軸晶，但傳熱速度慢，使得該處等軸晶成長較緩慢，粒度也較激冷層的等軸晶粗大。2023/4/135第三十五頁，共四十四頁，2022年，8月28日小鋼錠結(jié)構(gòu)在二冷區(qū)如果鑄胚的導熱不均勻，傳熱較快的局部區(qū)域，柱狀晶會成長較快，當來自兩邊的柱狀晶相連接時，或等軸晶被下沉鋼液往下帶，落在柱狀晶上，會出現(xiàn)柱狀晶的”搭橋”現(xiàn)象。搭橋現(xiàn)象會讓上方鋼液無法往下流動，也就是鋼液要經(jīng)過此”結(jié)晶橋”會被阻礙，會造成被阻隔在下方的鋼液，在凝固時產(chǎn)生的體積收縮無法得到上方鋼液的補充，會形成中心疏鬆和縮孔。從鑄胚的縱斷面來看，這種搭橋現(xiàn)象約每隔50～100mm就會出現(xiàn)一次。很像小鋼錠(小方胚)的凝固組織，因此稱之。小鋼錠結(jié)構(gòu)會使中心偏析情形加重，鑄胚在加工過程易產(chǎn)生脆斷性，所以在二冷區(qū)的均勻冷卻很重要。2023/4/136第三十六頁，共四十四頁，2022年，8月28日凝固結(jié)構(gòu)的控制等軸晶的凝固組織較柱狀晶緻密，強度、韌性也都較好，但柱狀晶的出現(xiàn)是一定的，發(fā)達的柱狀晶會影響鋼胚的機械性能，所以要控制其發(fā)展，柱狀晶特點如下：＊柱狀晶主枝幹成分較純，樹枝晶間偏析程度較大。＊S、P的夾雜物會在柱狀晶交界面沉積，形成了薄弱面，是裂紋易發(fā)生之處，對鑄胚的機械加工性也有不良影響。＊柱狀晶會形成搭橋現(xiàn)象，導致中心疏鬆。

2023/4/137第三十七頁，共四十四頁，2022年，8月28日凝固結(jié)構(gòu)的控制控制柱狀晶成長的方式1.電磁攪拌技術(shù)–可折斷柱狀晶，樹枝晶碎片可作為等軸晶的成長核，鋼液的流動也可將晶核帶往液心深處，擴大等軸晶成長範圍。2.加速凝固工藝–添加冷卻劑，加速鋼液凝固，同時也降低了鋼液的過熱度。3.加入固體形核劑–增加成長晶核，可以擴大等軸晶帶，通常是使用稀土族元素來當形核劑。而形核計必須具有以下條件：

–在鋼液溫度下仍為固態(tài)，不能在鋼液中分解，而影響到鋼液成份。

–能穩(wěn)定的存在凝固前緣。

–形核劑盡量能均勻散佈於鋼液中。2023/4/138第三十八頁，共四十四頁，2022年，8月28日凝固結(jié)構(gòu)的控制2023/4/139第三十九頁，共四十四頁，2022年，8月28日鑄胚在冷卻過程中所受到的應(yīng)力1.熱應(yīng)力–鑄胚表面與內(nèi)部溫度不均，收縮不一致時而生的應(yīng)力。在二冷區(qū)之前或在二冷區(qū)，鑄胚表面溫度低，液心溫度高，所以表面對液心產(chǎn)生壓應(yīng)力，相對而言，液心對表面施予拉應(yīng)力，因此表面裂紋是在凝固初期時產(chǎn)生的。出二冷區(qū)之後，鑄胚在空氣中冷卻，鑄胚表面會因高溫液心而溫度回升，最後表面溫度與中心溫度會趨於一致，在此過程中，中心溫降速度會較表面快，而此時的中心的收縮要大於表面的收縮，中心會受到拉應(yīng)力，相對而言，液心對表面施予壓應(yīng)力，因此內(nèi)部裂紋是在完全凝固後產(chǎn)生的。2.組織應(yīng)力–由於相變，體積發(fā)生變化而產(chǎn)生的應(yīng)力。影響組織應(yīng)力最大的因素是溫度，冷卻速度快，造成鑄胚內(nèi)外溫差過大，體積變化所受到的阻力也越大，組織所受到的應(yīng)力也因此越大。組織應(yīng)力也與鋼種成份有關(guān)，不同鋼種成份產(chǎn)生的組織應(yīng)力有很大的差別。2023/4/140第四十頁，共四十四頁，2022年，8月28日鑄胚在冷卻過程中所受到的應(yīng)力3.機械應(yīng)力–鑄胚在移動、彎曲與矯直過程中受到的應(yīng)力。立彎式連鑄機的鑄胚在經(jīng)過扇形段時會受到彎曲應(yīng)力，而鑄胚進入矯直區(qū)會受到矯直應(yīng)力時，矯直時內(nèi)弧面會受到拉應(yīng)力，外弧面會受到壓應(yīng)力。當鑄胚斷面大、連鑄機半徑小(扇型段半徑小)、矯直點少，則鑄胚會受到較大的彎曲應(yīng)力與矯直應(yīng)力。另外像是在扇形段的segment對位不準、扇形段半徑小、二冷區(qū)輥縫不適當、鑄胚鼓凸與較厚的胚殼厚度都會使鑄胚受到較大的機械應(yīng)力。