[科普中国]-钢锭凝固收缩

钢锭

将炼成的钢水浇注到铸铁制成的钢锭模内，凝固后形成的锭子称为钢锭。钢锭经轧制或锻压成为钢材后方能使用，所以钢锭是半成品。根据浇注方法的不同有上注钢锭和下注钢锭之分。上注法一次浇注一根钢锭，下注法可以同时浇注许多根钢锭。下注锭的表面质量优于上注锭。根据脱氧程度的不同又有沸腾钢钢锭、半镇静钢钢锭和镇静钢钢锭三种，此外还有外沸内镇钢锭。沸腾钢是脱氧不完全的钢，镇静钢是脱氧完全的钢，半镇静钢的脱氧程度介乎前两者之间，接近于镇静钢。钢锭的质量有表面质量和内部质量之分。表面质量以钢锭表面是否有结疤和裂纹及表皮的纯净度和致密度来衡量。内部质量则以钢锭内部的纯净度、致密度、低倍非金属夹杂物数量和宏观偏析的程度来衡量。沸腾钢的表面质量好，但由于锭心偏析大，内部质量不如镇静钢。

凝固收缩量钢锭的凝固收缩包括液态收缩、结晶收缩和固态收缩三部分。即εv=εL+εc+εs，式中εV为总的冷凝体积收缩率，%；εL、εc、εs分别为液态、结晶和固态的体积收缩率，%。且有εL=αL（tt-tL），εc=αL+αs/2（tL-ts）+εp，εs=αs（tL-tc），式中αL、αs为液相和固相的平均体积收缩系数，%/K；εp为由液态转变为固态的纯相变体积收缩率；tt、tL、ts、tc分别为钢液的浇注温度、液相线温度、固相线温度和环境温度。以35钢为例（图1），由1725℃至室温的全部体积收缩率为：εv=εL+εc+εs=4%+3%+7.2%=14.2%。钢的凝固收缩量主要随含碳量的变化而变化。钢中含碳量提高，直到0.5%时结晶收缩量逐渐增加，继续提高时反而减小。而钢的固态收缩则随含碳量的增加而减小。因此，含碳量在0.20%～0.50%的钢冷凝的总收缩率最大。

1—0.35%C钢； 2—0.25%C钢；3—0.80%C钢；4—纯铁

凝固收缩的影响钢液在冷却和结晶过程中所伴随发生的体积收缩，对钢锭的质量及物理、化学均匀性有重要影响：

（1）产生缩孔与疏松。

由于钢液的冷凝收缩，在浇注补缩不充分的条件下将会造成钢锭或铸件内部的缩孔和疏松缺陷，其容积最大可达浇钢容积的5%。缩孔产生于钢锭最后凝固的地方。为了防止产生缩孔缺陷，最有效的措施是控制钢锭的传热条件，以促使缩孔尽可能集中在钢锭的最上端，便于切除。最有效的技术措施有：选择合理的钢锭形状和尺寸，采用绝热板保温帽、发热剂和防缩孔剂，控制合适的注温、注速和正确的补缩操作等。

（2）产生裂纹。

钢在冷凝过程中产生的收缩一旦受阻，便产生应力。当此应力超过钢在当时温度条件下的强度极限或塑性极限时，就会造成裂纹。钢在红热状态下产生的裂纹称热裂纹，常温状态下产生的裂纹称冷裂纹。热裂倾向主要取决于钢的收缩特性和高温塑性。收缩大而塑性差的钢，具有大的热裂倾向性。钢的冷凝收缩在不同温度的各凝固层间引起热应力、鼓胀应力、悬挂应力和组织应力等多种应力，一旦在凝固层薄弱处造成应力集中，便会产生裂纹。实践表明，对钢锭热裂倾向起决定作用的不是钢锭在整个冷凝期间绝对收缩量的大小，而是它在某一时刻的最大收缩速度。在钢锭开始凝固的前5～10min内（钢锭的相应表面温度为1500～1200℃）是产生表面裂纹的最危险时期。1

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

1—缩孔；2—柱状晶区；3—等轴晶区；4—偏析区

（3）自然对流。

在钢锭凝固过程中，处于凝固前沿两相区的钢液和晶体的混合物，由于温度降低和产生固相晶核，密度明显高于心部的过热钢液，因而出现自然对流。这是结晶过程冷凝收缩造成的又一种后果。8～10t钢锭凝固过程中，发生自然对流的时间可达1h以上，金属的最大迁移速度达0.5～0.6m/s。自然对流可强化固—液界面的传热、传质过程，促进液相内的均匀混合和加速钢液过热热量的排散；可促成熔体垂直方向的温度梯度，使迎着热流方向生长的柱状晶略为向上倾斜，并明显地影响钢锭的晶体结构（图3）；还可以细化晶粒和促进非金属夹杂物的上浮排除等。2

凝固收缩速度钢锭冷凝过程中，由于散热条件的变化，凝固层的降温速度也随之变化，因此线收缩的速度在凝固的不同时期是很不相同的。在开始凝固的5～7min内平均线收缩速度最大，而经过10～15min之后急剧减小。此外，最大收缩系数和最大收缩速度都随含碳量的增加而减小。