柱狀晶帶是指在細小等軸晶帶形成之後，形成迎著熱流生長的有明顯方向性的晶帶，其呈現為柱狀，故晶帶區被稱為柱狀晶帶。
基本介紹
- 中文名：柱狀晶帶
- 外文名：The belt of the columnar crystal
- 學科：冶金工程
- 領域：能源
- 範圍：冶煉
- 形狀：柱狀
簡介,各結晶帶的形成,影響因素,技術措施,
簡介
柱狀晶帶是指在細小等軸晶帶形成之後，形成迎著熱流生長的有明顯方向性的晶帶，其呈現為柱狀，故晶帶區被稱為柱狀晶帶。
各結晶帶的形成
各結晶帶的形成激冷層由無取向的細小等軸晶組成。注入模內的鋼水受到模壁的激冷，表層鋼水獲得較大的過冷度，在這裡雜質及粗糙的模壁都可成為現成的結晶核心，幾乎同時形成大量的晶核，彼此妨礙各自的長大，因而得到不同取向的細小等軸晶帶。其厚度通常為幾毫米到十幾毫米。
激冷層形成後，熱阻增加，熱流減小，特別是鋼錠與模壁間形成氣隙後，未凝鋼水的散熱強度顯著降低。此時鋼水的過熱熱量和結晶潛熱主要通過凝固層傳出，發生向模壁的定向傳熱。由於晶體長大所需要的過冷比形核要小得多，於是結晶表現為已有晶核的繼續長大口激冷層的內緣，樹枝晶的一次軸朝著不同的方向，其中一次軸與模壁垂直的晶體，通過它散熱路徑最短，散熱最快，加之該處凝固前沿略為突出，離成分未變鋼水最近，過冷降低較小，所以這些晶體向錠心的長大得到優先發展，而其餘的晶體和向其他方向的長大則受到彼此的妨礙而被抑制。
於是，在細小等軸晶帶之後，形成迎著熱流生長的有明顯方向性的柱狀晶帶。受凝固前沿自然對流下降流股的影響，柱狀晶略為上傾。柱狀晶帶的寬度因鑄錠條件的不同，可從數十毫米到數百毫米。錠心的結晶過程至今還不十分清楚。一般認為，隨著柱狀晶的發展，散熱強度逐漸減小，結晶速度減慢，雜質元素(S、P、O等)的偏析過程得以發展，在凝固前沿產生富集雜質元素的偏析層。結晶速度降低到某一臨界值後，出現組成過冷區，阻止柱狀晶的繼續生長，導致在偏析層前面成分較純、過冷度較大的鋼水中產生孤立的晶核。錠心的鋼水還存在一定的過熱度(大型鋼錠凝固情況)時，通過柱狀晶的定向傳熱仍很明顯，新的晶核仍然主要是沿大致與模壁垂直的主軸長大，直至出現新的偏析層。其後，復又產生新的孤立晶核。這樣便形成等軸晶的過渡晶帶(或稱分枝柱狀晶帶)。當錠心鋼水溫度達到或稍低於液相線時，定向傳熱消失，鋼水中的枝晶和非金屬夾雜物質點都可成為非自發形核的晶核。
在整個半凝固狀態的熔體中同時向各個方向長大，形成無一定方向的等軸晶。與激冷層相比，因其過冷度小，晶核數目少，故晶粒比較粗大，也即形成了錠心粗大的等軸晶帶。對於大型鋼錠，由於白然對流較強，沿凝固前沿下降的兩相流達到鋼錠底部轉向時，把一些孤立的晶體和碎斷的枝晶帶到錠心，沉積成錠心下部的較小等軸晶的圓錐體(或稱沉積錐)。
影響因素
鋼水成分和澆注條件都會影響鋼錠結構。高碳鋼結晶溫度範圍較寬，形成柱狀晶傾向比低碳鋼小;鉻鎳不鏽鋼和矽鋼等結晶溫度範圍窄，導熱性又差，柱狀晶特別發達，容易形成穿晶結構，且一般不出現過渡晶帶。鋼中硫、磷、氧等元素含量增加，結晶時組成過冷區將較早出現，從而抑制柱狀晶的發展。如含硫易切削鋼錠易於獲得等軸晶結構，而顯氣保護下澆注的合金鉚錠比大氣下澆注下的相同鋼錠具有較寬的柱狀晶帶。用鋁、欽、氮等元素脫氧或合金化的鋼，生成AIN、TiN等非金屬夾雜微粒可增加非自發形核數目，能使鋼錠晶粒細化和擴大等軸晶區。
隨著鋼錠重量增加，澆注時間加長，鋼水凝固過程中向模壁定向傳熱的時間增長，故注狀晶區的寬度增加，但由於凝固速度減慢，促使錠心區的等軸晶區較早的形成，因面可使柱狀晶區所占比例減小。模壁溫度決定著鋼錠凝固初期的冷卻強度。模溫高時，有利於抑制柱狀晶發展。注溫高和注速快，相當於提高鋼水過熱度。增加定向傳熱時間，促使柱狀晶發展。澆注過程中對鋼水特別是對液面施加振動或攪拌。可明顯地擴大等軸晶區。
控制措施等軸晶結構緻密，各個枝晶結合得比較牢固，且成分和結構比較均勻一致，因而強度、塑性和韌性都較高，可加工性好，鋼材性能沒有明顯的方向性。柱狀晶則不同。它生長方向一致，晶界特別是柱狀晶的角交面處，偏析元素濃度很高，成為高溫強度及塑性的薄弱面，當鋼錠冷卻或熱加工時極易沿此面脆斷，造成鋼錠裂紋缺陷及降低可加工性，並且會造成鋼材的帶狀組織，引起各向異性，因此，除個別利用其各向異性的特殊鋼種(如電工鋼、汽輪機葉片用不鏽鋼等)要求定向的粗晶粒柱狀晶結構外，絕大多數鋼種都希望得到細晶粒的等軸晶結構。抑制柱狀晶發展、擴大等軸晶區的途徑是擴大結晶兩相區和增加結晶核心。
技術措施
主要的技術措施:
(1)降低冷卻強度。適當提高模壁溫度，採用錠模塗料和性能良好的保護渣等都能擴大等軸晶區。
(2)降低注溫。降低鋼水過熱度，能有效地縮小柱狀晶區寬度。接近液相線澆注，可得到100%等軸晶結構的鋼錠。在保證順利澆注的條件下，要儘量降低注溫，採取“低溫快注"。
(3)施加外力攪拌，促使鋼水流動。模內鋼水加超音波振動或吹氣攪拌是細化晶粒、改善鋼錠結構的有效手段。
