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钢锭凝固平方根定律(squareradical sign law of solidification) 钢锭凝固过程中凝固速度变化的基本规律——凝固层厚 S(mm)与凝固持续时间τ(min)的平方 1/2 -1/2 根成正比，即S=Kτ (mm)。此比例常数K称凝固系数，其量纲为mm•min 。凝固速 v=dS/dτ=1/2 1/2 k τ ，可见凝固系数K反映凝固速度的快慢。它随钢液性质及铸锭的工艺和设备条件而在很大范围 内变化。K值可由理论计算，但结果与实际偏离较大。多数情况下，K值靠实验方法测定。测定凝固速 度或K 的方法很多，常用的有：(1)翻倒法。在相同的条件下浇注同样的几个钢锭，每隔一定时间连钢 锭模翻倒一个，倒出未凝的钢液，测量相应的凝固层厚度，从而确定出凝固层厚度与凝固时间的定量 关系；(2)示踪法。每隔一定的时间间隔向模内钢液加入某种元素或化合物、利用它能在液相中均匀分 布，但不能进入凝固层的性质，确定凝固前沿的具体位置。加入物一类是异种物质，如FeS，通过硫 198 57 印测定凝固层厚度；另一类是放射性同位素，如加Au 、Fe 等，通过测定钢锭断面上的放射强度确 定凝固前沿；(3)测温法。在钢锭模内不同位置上安装一系列热电偶，测定浇注过程中钢液的温度分布， 根据温降曲线的变化趋势(找到拐点)，确定凝固前沿的位置，等等。不同研究者在不同条件下测得的 -1/2 K值，通常在20～30mm•min 范围。 钢的结晶(steel crystallization) 从钢液中产生晶体的过程，也称液态结晶或一次结晶。随着热量的导出，晶体从无到有(形核)， 由小变大(晶体长大)，直至液体全部转为固体(晶体)，完成结晶过程。钢液的结晶过程决定着钢锭或 铸件的结晶组织及物理、化学不均匀性，从而影响到钢的机械、物理和化学性能。控制钢的结晶过程 是提高钢的质量和性能的重要手段之一。 结晶温度范围 钢液不是纯金属，而是以Fe为基的含有一定量C、Si、Mn及其他一些元素的多 元合金。因此，它的结晶过程不是在某一固定的温 (熔点)进行，而是在一定的温度范围内完成的。 在平衡结晶条件下，钢液温度降至其液相线温 (tL)时开始出现晶体，而达到固相线温 (ts)时结晶 方告结束。此液相线和固相线间的温度区间，即t-t=Δt。便称为该合金的结晶温度范围。某一钢种L s c 的结晶温度范围主要取决于所含元素的性质及其含量，并可由铁与相应元素的二元或三元相图来确定。 各元素对结晶温度范围的影响可近似地看成可加和的。因此某一具体钢种的结晶温度范围 。 结晶两相区 钢液凝固时，在靠近模壁的固相(凝固层)与内部液相之间存在着一个过渡区—两 相区(图1)，即在凝固着的钢锭内，存在三个区域：固相区、两相区、液相区。钢液的结晶即形核和 晶核长大过程只在两相区进行。钢锭的凝固就是两相区由钢锭表面向锭心的推移过程：当液相等温线 到达钢锭内某一部位时，结晶开始；而固相等温线达到某一部位时，该处结晶便告结束，全部转变为 固体。液相等温线和固相等温线到达锭内某一指定点的时间间隔，即该点从液相线温度降至固相等温 线所经历的时间，称作该点的本地凝固时间，常以q表示之。本地凝固时间与该处的平均冷却速度成 反比。由于钢锭内不同部位的传热条件差异很大，因此不同部位的本地凝固时间会有很大的不同，从 而引起结晶组织的不同。钢锭内液相等温线和固相等温线间的距离称作两相区宽度，以△ 表示之。且x -1- 有 。两相区窄有利于柱状晶发展，而两相区宽有利于等轴晶发展。 选分结晶及组成过冷 合金凝固时，由于溶质在固相中和在液相中的溶解度不同，而产生选分 结晶(也称脱溶或液析)现象。即伴随结晶的进行，在凝固前沿不断有溶质析出(K1时)，使液相同溶 质浓度逐渐增加。在平衡结晶时，溶质在固、液两相中的均匀扩散都得以充分进行，因而并不产生偏 析。但在钢液的实际凝固过程中，溶质在两相，特别是在固相中的扩散不能充分进行。结果析出的溶 质不断在凝固前沿的母液中富集，形成浓度很高的溶质偏析层，此偏析层内熔体的液相线温度相对于 成分未变之母液的液相线温度有所降低，因