钢锭的凝固
由
sK t
得K=5/0.11/2=15.81mm/min1/2 由
v ds 1 K dt 2 t
得V=15.81/2/0.11/2=25mm/min
图为10t上大下小 镇静钢钢锭凝固 期间温度变化曲 线。图上曲线表 示钢锭半高处的 锭表(S)、中间(M) 和中心(C)点三个 位置上的温度随 时间的变化曲线
(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。
• 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。
6.1.3 钢锭凝固温度场数值模拟
• 钢凝固传热的基本规律及特点首先是钢锭和钢锭 模在凝固过程中的温度场既随空间变化，又随时 间变化，即属于三维不稳定态传热；其次，它包 括钢锭模与钢锭凝固层间的传导传热，钢液内部 的传导及对流传热，流动的钢液与凝固前沿的对 流及传导传热，以及钢锭与锭模之间气隙中的辐 射、传导及对流传热等等，属于综合传热过程。
铸件凝固过程基本方程
求解凝固过程温度场要描述温度随空间和时间的变 化规律，要求助于导热偏微分方程：
•
c T ( T ) ( T ) ( T ) q
t x x y y z z
• λ --导热系数； • T--热力学温度； • q --单位体积物体单位时间内释放的热量； • c--比热容； • ρ --密度； • t--时间。
钢锭模 类型
1.9t钢锭模
2.8t钢锭模
1.9t钢锭冒头
钢锭的应用现状
• 模铸锭与连铸坯相比，所占比例逐年减少，最终将 减少到约占10％，其中合金钢和不锈钢将减少到20 ％，工具钢和特殊钢将减少到40％。这是由于连铸 坯可以多炉连浇、收得率高、不需初轧或开坯、能 耗低，质量甚至优于模铸锭。
• 但模铸镇静钢不可能完全被淘汰，因为锻造用钢、 一些小批量生产的高级合金钢及VAR(真空电弧重 熔)和ESR(电渣精炼)用的坯料仍需用模铸镇静钢来 生产。
钢锭的质量
• 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。
（3）S3、M3、C3(点虚线)为钢锭凝固到60min左右进行 脱模时的温度变化曲线。
一、钢锭凝固收缩
钢液在冷却和结晶过程中所发生的体积收缩。 • 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，为 总的冷凝体积收缩率，％；εL、εc、εs分 别为液、结晶和固态的体积收缩率，％。
2.3 铸件的凝固
2.3.1 模铸铸件（锭）的凝固 2.3.2 连铸坯的凝固
2.3.1 模铸铸件（锭）的凝固
• 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。 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。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于 前两者之间，接近于镇静钢。
2.3.1.1 钢锭的浇注工艺
浇注方法 按钢水进入钢锭模的方位可分为上注和 下注。
一般根据钢锭大小、钢种特点和车间生产条件等进 行选择。表面质量要求严格的不锈钢、硅钢、薄 板等钢种采用下注，内部质量要求较高的重轨、 炮管等钢种多采用上注；小钢锭只能下注，大钢 锭则适于上注。
2.3.2 钢锭(steel ingot)的凝固
模内钢水的凝固速度可用平方根定律表示：
sK t
根据上式可以求出凝固速度 v ds 1 K dt 2 t
其中：K为凝固系数
K
2bm (T f T0 )
s [H cs (T jiao T f )]
s为凝固层厚度，mm；t为凝固时间，min；v为凝固速 度，mm/min。
例题
其中S、M、C三条实线分别为钢锭在凝固和模内保温期间 三个点的温度变化曲线。
（1）S1、M1、C1三条点划线为钢锭凝固到40min(中间点 尚未凝固)开始脱模入炉时锭表、中间点及中心点的温度 变化曲线。
（2）S2、M2、C2三条长虚线则为中心点凝固后立即脱模 并装炉时三个位置的温度随时间的变化曲线。
1.9t钢锭Pro/E模型
2.8t钢锭Pro/E模型
1.9t模型面网格
2.8t模型面网格
1.9t钢锭模外表面 温度场峰值
2.8t钢锭模 外表面温度场峰值
1.9t钢锭的凝固时间 2.8t钢锭的凝固时间
1.9t钢锭的凝固分数 2.8t钢锭的凝固分数
1.9t钢锭疏松 缩孔缺陷预报
2.8t钢锭疏松 缩孔缺陷预报
模拟6.3t钢锭帽 口头部形状
实际生产的钢锭 冒口头部形状
思考题
图为6.3吨钢锭的缩 松预报结果。
试分析缩孔的位置 是否合理，为什么？ 缩孔在什么位置是 合理的，怎样使缩 孔在合理的位置。
6.3t钢锭缩孔疏松预报
• 以35钢为例，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0.2％～0.5％的钢冷 凝的总收缩率最大。
数值模拟方法
（1）有限差分法（Finite Difference Method，简称FDM） 是数值方法中最经典的方法。它是将求解域划分为差分网 格，用有限个网格节点代替连续的求解域，然后将偏微分 方程（控制方程）的 导数用差商代替，推导出含有离散 点上有限个未知数的差分方程组。用它求解边界条件复杂， 尤其是椭圆型问题 不如有限元法或有限体积法方便。
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％。缩孔产生于最 后凝固的地方。
钢锭缩孔(shrinkage cavity)
镇静钢钢锭头部中心部位的漏斗状空腔。它是钢 液冷凝收缩的结果。缩孔应控制在钢锭冒口线 以上，以便开坯或轧制后切除。有时因浇注工 艺不当会使缩孔尖细的底部伸入锭身，在加工 成材后的该部位横向低倍试片上，呈现出形状 不规则的中心小孔洞，称为缩孔残余。
• 为了防止产生缩孔缺陷，主要是控制钢锭 的传热，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，控制合适的注温、注速和正确的 补缩操作等。
假设条件
为了求解导热微分方程式，必须对实际钢锭凝固过 程作如下的必要简化和假设：
(1)忽略液相内的流动和垂直方向的传热； (2)凝固过程中放出的过热显热和结晶潜热，主要通
过凝固层的传导传热传出；
(3)对于扁锭或板坯忽略宽度方向的传热，简化为一 维传热；对于方锭、圆锭或多角锭，可简化为二 维传热；
(4)钢的热物理参数(λ、ρ、c等)各向同性，即仅为温 度的函数，而与空间位置无关。
二、钢锭宏观偏析(macrosegregation)
在钢锭中存在的限于钢锭尺寸数量级的浓度差别， 又称区域偏析。通常指沿钢锭纵断面和横断面上 化学成分不均匀分布情况。宏观偏析与各结晶 带的形成密切相关，往往在特定区域成条带状分 布。它既可用钻样分析方法进行鉴定，又可借助 硫印、酸浸等低倍检验方法判明。按偏析带形态 可分为带状偏析和通道偏析(如V形、倒V形偏析 等)；按偏析的直接成因可分为正常偏析、逆 （反常）偏析、比重偏析等。
（2）有限元法（Finite Element Method，简称FEM）是将 一个连续的求解域任意分成适当形状的许多微小单元，并 于各小单元分片构造插值函数，然后根据极值原理（变分 或加权余量法），将问题的控制方程转化为所有单元上的 有限元方程，把总体的极值作为个单元极值之和，即将局 部 单元总体合成，形成嵌入了指定边界条件的代数方程 组，求解该方程组就得到各节点上待求的函数值。
凝固原理
r*取决于系统自由能变化和界面 能，自由能变化愈大(过冷度愈 大)，界面能愈小，临界半径r* 愈小。
8
形核功△G*
在r＝r*时，△G为正值，说 明形成临界晶核时，需要一定 能量，这个补充能量称为形核 功△G*;
必须获得大小相当于形核功的 额外能量才能形成临界晶核, 这部分能量由液态金属的能量 起伏来供给; 形核功△G*为：
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非均质形核
在连铸过程钢水凝固时，液相 中形核比均质形核所要求的过 冷度要小的多； 只要有几℃～20℃的过冷度 就可形核； 这是因为存在于液体中的悬浮 质点和表面不光滑的模壁，均 可作为核心的依托而发展成晶 核； 非均质形核的过冷度和形核功 比均质形核大大减少； 在实际生产过程中，主要是非 均质形核。
如r<r*：
晶核长大导致系统自由能增加，新相 不稳定；
如r>r*：
晶核长大导致系统自由能减少，新相 晶核能够稳定长大。
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晶核的临界半径r*
在r＝r*时：
(△G)/ r＝4r*2(GB－GA)＋8r* ＝0
△G＝4/3r3(GS－GL) ＋4r2
r*＝-2/(GB-GA)＝-2/△Gs ＝-2 Ts/△Hs/△T
3 2 NkT ΔE 16πρ TS D I exp 2 exp 2 h kT 3L ΔT kT S
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有效形核温度
某过冷度下形核速率显著 增加，该温度称为有效形核 温度；
~0.2Ts
有效形核过冷度大约为～ 0.2Ts； 在这种过冷度下，临界晶 核r*为～10-7cm。
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
树枝晶长大
金属快速凝固
电器产品结构的缩小和性能的提高受到较大的 限制
由上所述，常规凝固工艺存在的缺陷已经成为改 善现有合金的微观组织和性能、调整成分和研制 新型合金材料的严重障碍，这种状况迫使人们从 20世纪60年代前后开始快速凝固技术的探索。
金有关的论文数量呈指数上升；到1985年，每年 发表的有关论文已达1000余篇。
已经召开了6次急冷金属国际会议和3次快速凝固 国际会议；1985年，快速凝固学术期刊“Int. J Rapid Solidification”创刊
2.2 快速凝固技术的分类
急冷技术
急冷技术，即Rapid Quenching Technology，简 称RQT技术。急冷技术的核心是设法提高凝固过 程中金属熔体的冷却速度。
对于熔化熵⊿Sm >17J/molK的非金属，只 要熔化熵不是很大，晶体形貌也易于发展 为树枝晶，
对于熔化熵⊿Sm很大的非金属，晶体形貌 仍为规则的几何形状。
溶质再分配：
以固溶体金属为例，金属在凝固时，溶质元 素在固液相中的平衡浓度是有差别的，以下式 表示：
金属凝固时发生的溶质再分配现象会引起凝 固偏析和组成过冷。
（1）形核
从金属液中形成结晶核心，必须满足一定 的热力学和动力学条件。
热力学条件：
以纯金属或单相合金的均匀形核为例。从金 属液中形成晶核时，单位体积的自由能变化应该 满足下式：
如果忽略H、S随金属熔体温度而发生的变化，
同时假设纯金属或单相合金的晶核表面为平面， 当T=Tm时，下式成立：
将（3）式带入（1）式，得 :
连续铸造PPT课件
铸铁
第四节 薄板的连铸技术
铸钢液芯连铸连轧
优点：
大幅度节约能源 显著改变钢锭的质量 扩大连铸产品品种 节省轧制工艺和设备
铸钢液芯连铸连轧
钢锭液芯轧制与普通轧制 的区别：
➢ 变形在表面的凝固层， 内部钢液可以任意流动， 向各个方向等值传递压 力。
➢ 出现拉应力，可能导致 内裂纹，出现漏钢
➢ 部分抵消钢锭矫直过程 的拉应力，防止矫直裂 纹的形成
双带激冷连续铸造的工作原理
单带激冷连续铸造的工作原理
喷射沉积法带材连铸工作原理
反铸造法
O.C.C.连铸技术
O.C.C.连铸技术的原理与特点
原理：铸型加热 O.C.C.连铸技术的特点
➢得到完全单方向凝固的无限长的柱 状晶组织 ➢存在液相隔离，摩擦力小，牵引力 小，利于进行任意复杂形状截面型材 的连铸 ➢凸向液面，气体和杂质难以进入液 相 ➢缺陷少，组织致密，消除了横向晶 界，塑性加工性好
中间的固相对外层的 液相具有支撑作用。
凸出的凝固界面有利 于晶粒的淘汰。
温度太高或拉伸速度 太快、温度太低都不好。
凝固组织的形成
晶粒的淘汰速率 除了与晶粒的晶体学 取向有关外，还和凝 固界面的宏观形貌有 关。
写在最后
成功的基础在于好的学习习惯
The foundation of success lies in good habits
S搅拌
引起两相区内枝晶的破碎，并进入液相区，促进等轴晶凝固组织的形成，细 化等轴晶粒。
F搅拌
促使枝晶骨架的位置调整和促使等轴晶的形成，防止中心偏析和V型偏析
第三节 其他合金的连铸技术
铝合金的连续铸造
凝固组织的控制
凝固组织的控制
铸锭凝固组织
此时，四周温度梯度变缓，中心温度下降至结
过去的时间内，大量形核，形成细小等轴晶外
随着外壳形成收缩，形成气隙，传热变慢，枝
4.1铸锭/坯的凝固组织
•正常偏析
•按照异分结晶一般规律进行凝固，由此产生的偏析即为正常偏析
•分四种情况：
•平衡态凝固
•液态均匀，固态不发生扩散
•液态不均匀，固态也不扩散
•液态和固态均有一定程度但不达到平衡的扩散
4.1铸锭/坯的凝固组织
•原因：
•在出现树枝晶的条件下，枝晶尖端部分孤立深入正面液体中，正面的界面很小，而枝晶之间残留大量液
体，所以枝晶要依靠与枝晶主轴垂直的方向扩散而扩
展凝固界面。
相比之下，纵向的扩散较小，。
大锻件 第4部分 锻造用钢锭及铸锭技术
第四部分锻造用钢锭及铸锭技术一、 大型钢锭的组织结构及类型1．大型钢锭的组织结构z 激冷层：锭身表面的细小等轴晶区。
厚度仅6~8mm ；因过冷度较大，凝固速 度快，无偏析；有夹渣、气孔等缺陷。
z 柱状晶区：位于激冷层内侧；由径向呈细长的柱状晶粒组成；由于树枝状 晶沿温度梯度最大的方向生长，该方向恰为径向，因此形成了柱状晶区；其凝固速度较快，偏析较轻，夹杂物较少；厚度约50~120mm 。
z 分枝树枝晶区：从柱状晶区向内生长；主轴方向偏离柱状晶，倾斜，并出现 二次以上分枝；温差较小，固液两相区大，合金元素及杂质浓度较大。
z A 偏析区：枝状晶间存在残液，比锭内未凝固的钢液密度小，向上流动，形成A 偏析；在偏析区合金元素和杂质富集，存在较多的硫化物，易产生偏析裂纹。
z 等轴晶区：位于中心部位；温差很小，同时结晶，成等轴晶区。
钢液粘稠， 固相彼此搭桥，残液下流形成V 偏析，疏松增多。
z 沉积锥区：位于等轴晶区的底端；由顶面下落的结晶雨、熔断的枝状晶形成的自由晶组成，显示负偏析；等轴的自由晶上附着大量夹杂物，其组织疏松，且夹杂浓度很大；应切除。
z 冒口区：最后凝固的顶部；因钢液的选择性结晶，使后凝固的部分含有大量的低熔点物质，最后富集于上部中心区，其磷、硫类夹杂物多；若冒口保温不良，顶部先凝固，因无法补缩形成缩孔；质量最差，应予切除。
2． 大型钢锭的类型z 普通钢锭高径比：=+dD H 2 1.8~2.5；通常，10吨以下的钢锭：2.1~2.3，10吨以上的钢锭：1.5~2；锥度：=%100-D Hd 3~4% ； 横断面为8棱角形。
大钢锭为16，24，32棱角。
z 短粗型钢锭高径比： 0.5~2；锥度： 8~12%。
高宽比减小，锥度加大有利于钢锭实现自下而上顺序凝固，易于钢水补缩，中心较密实；有利于夹杂上浮，气体外溢，减少偏析；锭身较短，钢水压力小，侧表面不易产生裂纹；锥度大，易脱模；可增加拔长锻比。
锻造用大型中空钢锭的凝固与偏析.
空钢锭和Γ ∋普通钢锭在凝固末期 0 分钟内∃ − 锻件用的钢锭的收得率 , 减少加热时间和缩 , 残存钢水减少的情况完了前 0 分钟−水 , , 。
3− ∃中空钢锭在凝固 + + 短锻造工序。
实际的生产取得了预期的经济 , 大约残存−厚度的钢 , 效果例如大体上同一形状的汽缸用普通钢−锭和空心钢锭各作 1 个的情况来比较收得率提高巧 < , , 这些钢水以比较一致的速度减少。
直至锻造 , 凝固完了1−− Γ∋∃普通钢锭 , , 残存钢水直径为钢水量的减少速加热时间缩短了∋ < 。
锻 , 一− /+ + 期间凝固时。
, 造工时缩短了 3 < 由于工序简化 , 。
, 减少加度大体上是一致的上述结果表明但此后的凝固约在一分中空钢锭的凝固特征是 , 热次数又因为钢锭是中空的加热效率高大幅度地缩短了加热时间钟内急剧的凝固完了 , 不发生象普通钢锭那样的急剧变快的现象。
在凝固末期凝固 , 5 。
结论 , 这是因为内侧的凝固速度而不是象普通 , 。
# % 最终凝固位置靠内侧。
相当于钢位于冒口慢和最终凝固按单方向进行钢锭那样的双向凝固可以看出比大时, ’ 7 锭厚度的 6 、外最终凝固部位。
# 1 % 碳的偏析率为0 < − , , 在普通钢锭中 0 钢锭的高径。
, 中心部位的缩松程度大 , 。
在中空钢 # 0 % 倒 : 偏析产生的情况随钢种的不锭中高径比大于是非常大的但实际上中因为在最终凝固时。
同而不同Ε : , 内侧容易发生 , 。
倒 : 偏析的产生 # 1 % 空钢锭的缩松是微小的条件可用下式表示‘ 凝固的进行是平稳的在普通钢锭中话象 , , , 不引起急剧地加速, ”簇Ι + Φ Δ 如果凝固末期凝固加速的下部钢水凝固“ , 式中, Ε 为冷却速度 # ℃ 7 Δ 7+ Φ % ’> ‘ % ϑ : 为凝固残存钢水的上部先凝固结果使缩松显著地发生速度 # 9 数 #! + + > ϑΙ “> 为根据钢种而定的常“ 时得不到钢水的补充 , 引起所谓。
钢锭凝固过程温度场数值模拟
关键 词 ：钢锭 ；热物 性参数 ；发热 剂 ；温度场 ；数值模拟 中图分 类号 ：Ｔ Ｇ ２ ４ ４ ＋ ． １ 文献标 识码 ：Ａ 文章 编号 ：１ ０ ０ １ — ４ ９ ７ ７（ ２ ０ １ ３ ）０ ５ — ０ ４ １ ０ — ０ ６
过 程微观偏析模 型预测 钢锭凝 固过 程相 的变化 规律 ，并 根据钢锭凝 固过程钢 热物性参 数与相组成 之间 的关 系式来确 定 。随后采用红外测 温试验验证 了钢锭凝 固传热数 学模 型 ，并模 拟了钢锭凝 固过程温 度场变化 规律 以及不 同浇注温
度和 冒口保 温条件对钢锭 凝 固过程 的影响 。结果 表明 ：钢锭凝 固过程 由钢锭底部 向 冒口逐 渐凝 固，随着 钢锭 冒 口发 热剂 的加 入 ，钢锭凝 固末期 ，最后凝 固区域 逐渐从 无发热 剂情况 时位 于钢锭本 体 向冒 口区域 移动 。３ ８ ｔ Ｎ锭４ １ ２ ５ Ｖ ２
ｓ ｔ ｅ ｅ ｌ ｄ ｕｒ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｓ ｏｌ ｉ ｄｉ ｉｃ ｆ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ． Ｔｈｅ ｎ ｕｍｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｍｏｄ ｅ ｌ ｗａ ｓ ｖ ａ ｌ ｉ ｄａ ｔ ｅ ｄ ｂ ｙ ｔ ｈｅ ｔ ｅ ｍｐｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍｅ ｎｔ ａ ｎｄ
ｄ ｕ ｒ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ ｉ ｉ ｆ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｗｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｍｍ ｅ ｒ ｃ ｉ ａ ｌ ｓ ｏ ｔ ｆ ｗａ ｒ ｅ ＭＳ Ｃ． Ｍａ ｒ ｃ ． ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｔ ｈ ｅ ｒ ｍｏ ｐ ｈ ｙ ｓ ｉ ｃ ａ ｌ ｐ ｒ ｏ ｐ ｅ ｒ ｔ ｉ ｅ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ｅ ｅ ｌ ｉ ｎ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｗｅ ｒ ｅ ｄ ｅ ｔ ｅ ｒ ｍｉ ｎ ｅ ｄ ｂ ｙ ｔ ｈ ｅ ｍｉ ｃ ｒ ｏ ｓ ｅ ｇ ｒ ｅ ｇ ａ ｃ ａ ｎ ｐ ｒ ｅ ｄ ｉ ｃ ｔ ｔ ｈ ｅ ｐ ｈ ａ ｓ ｅ ｅ ｖ ｏ ｌ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ
硅含量对大型钢锭凝固时A形偏析的影响
硅含量对大型钢锭凝固时A形偏析的影响一、前言近年来，随着各种重型装备的发展迅速，对于大型锻件的需求越来越旺盛。
特别是在代表大型锻件最高水平的核电设备方面对大型锻件的质量要求是越来越高。
要想获得高质量的锻件，必须首先获得高质量的钢锭，必须钢锭中固有的质量缺陷，如偏析、缩孔、夹杂等进行控制。
A偏析是由钢水在凝固过程中因局部区域内溶质富集所形成的一重通道型宏观偏析，是钢锭中主要缺陷之一。
偏析物及疏松将导致偏析区的脆化，形成裂纹源，并降低材料的力学性能，因此，A偏析是我们不希望严重存在的一种缺陷，应尽量消除。
然而，在钢锭模中钢液凝固时所发生物理和化学过程是不可避免的。
液相和凝固的固相中，各种元素不同的溶解度，这种溶解度与温度的依存关系；金属、熔渣与气体之间的反应；水平的和垂直的温度梯度及其引起的对流以及凝固于进一步的冷却过程的物理收缩等，都具有特别的重要性。
钢锭凝固过程的这些现象都会引起偏析，即引起钢锭的宏观与微观区域含有不同的化学成分以及非金属夹杂物的聚集和疏松、缩孔等，因此，偏析是钢液选分结晶和钢锭凝固过程的必然结果。
但是这些过程的强烈程度可以改变。
二、硅含量对大型钢锭凝固时A形偏析的影响真空碳脱氧工艺（VCD）最初最为一种提高钢锭纯洁度的精炼技术，在上世纪70年代得到发展，目的是利用在减压下C和O反应能力的加强来进一步脱氧，并进一步提高钢水的去除氢气的效果。
并且由于其脱氧产物时候CO气体溢出不会污染钢水而得到应用。
真空碳脱氧工艺（VCD）为了达到C-O反应的激烈，需要钢水处于半镇静钢状态，即要求钢中Si要小于0.1%，否则C-O反应不激烈，影响脱气效果。
事实证明采用真空碳脱氧工艺（VCD）确实是产品的质量得到了提高。
在研究真空碳脱氧工艺（VCD）的过程中人们发现，Si含量降低同时还会明显改善钢锭凝固过程中的A偏析，并由此为锻件带来良好的均匀性和减少脆化倾向等好处，因此低Si钢的应用就更加广泛了。
表1列出了采用低硅钢和正常硅的性能对比（1）表1 低硅法用于不同钢号的效果那么，化学成分大钢锭A偏析有怎样的影响呢？众多的科学家进行了深入的研究。
大钢锭定向凝固技术研究
条件后尽量小，以减少投资。
设： 平均浇注温度 TP = 1 560℃ ； 脱模温度 TI = 1 100℃ ； 平均熔点 Tm = 1 510℃ 。
于是钢锭从浇注到脱模散失的热量为：
Qi = WI［Hm + CP △Tm + CP （ Tm － TI ］
（ 4）
冷板整个凝固过程吸收热量为：
QB = WB［CP △TB ］
图 4 有限元模拟过程图 Figure 4 The diagram of finite
element simulation process
图 5 测试点 Figure 5 Test point
图 6 模拟和测试结果对比 Figure 6 Result comparison between simulation and test
长期以来，对这些缺陷形成机理的研究与探 索推动了凝固理论的发展。而定性与定量地分析 钢锭的凝固过程，则涉及到“三传”和“三场”等前 沿学科的理论。对凝固过程中正、负偏析及缩松 形成机理的 研 究 也 是 一 个 前 沿 课 题［4］。 尽 管 如 此，科技人员在试图改善大钢锭缺陷的研究、试验 及生产实践中认识了许多定量或定性的规律，为 定向凝固工艺的研究与应用打下了基础。如：
在试验中，我们仅对锭模周边的材料进行了 更换，A 锭模周边有保温材料，B 锭周边为铸铁， 以便于充分了解定向凝固钢锭本体的原始质量状 况并观察不同边界条件下定向凝固钢锭内部结构 以 及 钢 锭 内 部 偏 析 和 夹 杂 物 分 布 的 变 化 状 况。 A、B 两支钢锭各重 5 600 kg，同炉钢水材质为 45# 钢（ 平炉冶炼） ，在相同条件下浇注而成。炉后成 分如表 1 所示。
本研究课题正是在重大技术装备需求不断递 增的背景，在多学科前沿理论研究成果的支持 下展 开 的，它 对 揭 示 钢 锭 偏 析 形 成 机 理，改 进 工 艺，提高质量，降低成本有着极为重要的意义。
钢锭浇铸
钢锭浇铸-钢锭浇铸钢液（又称钢水）经盛钢桶（又称钢包）注入铸模凝固成钢锭的过程。
钢液在炼钢炉中冶炼完成后，必须铸成一定形状的锭或坯才能进行加工。
用铸模铸成钢锭的工艺过程简称为铸锭或模铸；用连续铸钢方法铸成坯的工艺过程简称连铸。
钢锭的种类钢锭因浇铸前钢液中含氧量的不同，分为镇静钢、沸腾钢和半镇静钢三种基本类型。
三种类型的特征见图1。
钢锭浇铸镇静钢又称全脱氧钢,是凝固过程中钢液内氧含量低到不会与钢中碳反应生成一氧化碳气泡的钢。
铸前钢液须经充分脱氧（如用硅和铝脱氧,钢中硅含量在0.3％左右,铝含量在(0.02～0.06％)。
镇静钢锭均有缩孔,必须用带保温帽的锭模浇铸。
轧制后经过切头，钢锭成坯率为85～89％。
要求成分均匀、组织致密的钢材采用这种钢锭。
镇静钢采用上大下小带保温帽的铸模。
近年广泛采用发热保温帽和隔热板保温帽等以提高成坯率。
沸腾钢钢液中含氧量较高(0.02～0.04％)、在锭模中发生强烈碳氧反应、生成一氧化碳气泡，使钢液在模中沸腾而得名。
这种钢凝固一开始，气泡就形成并上浮。
钢锭表皮凝固成含铁较纯的壳层。
当表层达到所要求的厚度时，在钢锭顶部加上盖板，使顶部凝固，阻止气泡继续逸出；也可在顶部加入硅铁、铝等脱氧进行化学封顶；也有用瓶口式锭模进行封顶。
另一种方法是在钢液凝固成表面层后即向整体钢液中加铝脱氧，这种钢锭称为外沸内镇钢。
沸腾钢一般采用上小下大敞开式的瓶口式铸模。
沸腾钢锭成坯率高达90～92％，主要用于低碳钢。
半镇静钢介于镇静钢和沸腾钢之间的钢种。
这种钢内部气体少，结构接近于镇静钢。
半镇静钢浇铸初期不产生气泡，当顶部自然凝固封顶后（可采用瓶口模促进封顶），由于钢液中碳和氧的富集和温度降低，促使在钢锭顶部产生少量一氧化碳气泡，填充整个钢液的凝固收缩空间。
因此，可得到与沸腾钢相近的钢锭成坯率。
半镇静钢主要用于中等碳含量和中等质量的结构钢，所用铸模一般为敞开式上小下大型。
浇铸工艺和设备炼钢炉炼成的钢液先注入盛钢桶。