1、连铸坯结晶过程介绍1、晶核的形成从液态金属中产生晶核一般有两种形式，即均质（自发）形核和异质（非自发）形核。均质形核是从液相直接产生晶核，异质形核是依附于液相中的外来相（固体粒子）产生晶核。（1）均质形核液态金属中存在许多与固态金属结构相似、体积很小、近程有序排列的“ 原子集团” ，当液态金属达到一定过冷度时，这些“原子集团”变成规则排列并稳定下来成为胚胎晶核，这一过程叫均质形核。那么，这些“原子集团”的尺寸到底有多大才是能够长大起来的晶核呢？在过冷钢液中也存在一些规则排列的“原子集团”不易被冲散，能起到晶核作用。而原子数目少、尺寸较小的“原子集团” ，在周围原子碰撞运动作用下时聚时散，难以起
2、到晶核作用。这样，我们把能起晶核作用而尺寸最小的原子集团称为临界晶核，并用 rk 表示它的半径，叫临界半径。 rk与液、固之间的表面张力系数 、凝固点 Ts 成正比，而与结晶潜热 H 及过冷度T 成反比，即：THsrk 2式中 r K 界晶核的半径； 液、固之间的表面张力系数；H 结晶潜热；T 钢液的过冷。对于一定成分的钢液来说，、Ts 及 H 基本上都是常数。因此，临界半径 rk 的大小主要取决于过冷度 T，过冷度 T 越大，临界半径 rk 越小，即原来由于尺寸较小不可能成为晶核的“原子集团” ，随着过冷度的增加，也可以成为晶核了；反之，降低过冷度，临界半径加大，晶核就难以形成。如果钢液不过
3、冷，即 T 越近于零时，临界半径越近于无穷大，晶核就不能形成，所以说过冷是钢液结晶的必要条件。用小液滴技术测定某些纯金属的均质形核所需要的过冷度数值为（ 0.15 0.20 ) Ts 。例如铁在 Ts= 1803K 时，均质形核所需要的过冷度 T 为 295，这样大的过冷度在实际生产中是不能得到的，故生产中钢液结晶主要依靠异质形核。（2）异质形核借助于外来物质的帮助，依附在已存在于液相中的那些晶体结构与钢的晶体结构相类似的固体微粒或结晶器壁界面上而形核，这种形核方式叫异质形核。实际上钢液中杂质较多，又有结晶器壁的作用，钢液可以在较小的过冷度下结晶，而不需要均质形核那样大的过冷度。因此，异质形核
4、在实际金属的结晶过程中起着主导作用。形核速率是单位时间内形成晶核的个数，简称形核率。均质形核和异质形核的形核率均随过冷度的增大而增大。异质形核所需的过冷度远比均质形核所需的过冷度小。异质形核速率除了过冷度影响小，还受液体内部悬浮着的固体质点的性质和数量多少、钢液与结晶器壁接触面积的大小等因素的影响。液体金属中通常有两类小质点，一类是其晶体结构与金属的晶体结构相似的质点，称为活性质点；另一类是其晶体结构与金属的晶体结构相差很大的质点，称为非活性质点。非活性质点如果预先与液态金属接触过，使质点表面的细微凹坑或裂缝中含有未熔化的金属，这样的质点也能成为异质形核的核心，故将这类质点称为活性质点。在过冷
5、度相同的情况下，液体内部悬浮的固体质点（活性质点和活性化质点）数量越多，液体结晶器壁接触面积越大，则形核率越高。2、晶核的长大液体金属中形成稳定晶核后，随即迅速长大，晶核长大的实质就是原子由液相向固相的扩散转移过程，也是固相界面向液相推移的过程。因此，晶核长大必须具备的条件是：第一、液相能连续不断地向晶体扩散供应原子；第二、晶体表面能够不断地接纳原子，一般来说原子的扩散供应不怎么困难，而晶体界面上接纳原子的条件就决定了晶体的长大方式和长大速度，我们把单位时间内晶体长度的增加量叫晶体长大线速度，简称晶体长大速度，实际上液体中原子有的扩散转移到晶体表面上，有的离开晶体表面回到液体中。只有当结合在晶
6、体表面的原子数多于离开的原子数时，晶体才长大。晶体的长大速度也取决于过冷度，增大过冷度，也就增大了晶体的长大速度。因为随着钢液过冷度的增大，原子的热动力减弱，原子结合在晶体表面上更容易，而被搅扰拉扯使离开的机会更少。所以增加过冷度，就增加晶体的长大速度。金属晶体长大后的外形，按晶体结构来说，应是规则的多面体，但这只是在过冷度和长大速度非常小的情况下才能得到，而在通常的过冷度下得到的晶体都是树枝状。晶体呈树枝状成长的原因，一是晶体生长有潜热放出，突出部分比平面散热更有利；二 晶轴突出液体中，有更大的表面积取得原子供应；三是顶角及棱边上晶体缺陷较多，更有利于将添加上来的原子嵌住；四是溶解在液体金属原子向晶体表面堆积，但在晶体的枝边和顶角部位，杂质原子容易被液体冲刷除掉，因而使它们成长速度快。钢是多元合金，钢液是以铁液为溶剂以其他元索为溶质的溶液，结晶过程中的固相和液相成分会有所不。因此，需要不同种原子的相对扩散，长晶轴的尖端向最远的钢液中获取所需原子的扩散路程最短，发展最快。晶体位向和散热方向对晶轴的发展有影响，所以一个晶体的许多晶枝往往有长有短。
