《特殊钢加压凝固原理》概述压力在钢铁冶金中的应用现状,分析加压对特殊钢凝固热力学与动力学参数、凝固组织以及凝固缺陷等的影响机制。《特殊钢加压凝固原理》内容共分为9章：第1章概述压力在钢铁冶金中的作用以及加压钢铁冶金装备的发展历程和主要种类；第2章详细阐述加压对凝固热力学和动力学参数的影响规律；第3章介绍铸锭与铸型间界面换热方式，详细阐述加压强化界面换热的机理；第4章介绍枝晶组织的演变规律，详细阐述加压对枝晶生长速率以及枝晶间距的影响；第5章从气孔缺陷形成机制以及加压对气泡形核和生长等方面的影响，阐述加压消除气孔缺陷的机制；第6章详细阐述疏松缩孔形成过程、预测方法以及加压抑制疏松缩孔形成的机制；第7章从微观偏析和宏观偏析等方面，详细阐述元素偏析行为以及压力对偏析形成的影响；第8章介绍夹杂物运动轨迹及宏观分布状态，详细阐述压力对夹杂物宏观分布状态的影响；第9章介绍压力对典型钢种析出相形态特征演变规律的影响。

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 压力在钢铁冶金中的作用 1
1.2 加压钢铁冶金装备的发展历程和主要种类 5
1.2.1 发展历程 5
1.2.2 主要种类 6
参考文献 19
第2章 凝固热力学与动力学参数 24
2.1 相图 24
2.1.1 相图的相关概念 24
2.1.2 相图的类型 26
2.1.3 压力的影响 28
2.2 凝固模式 35
2.2.1 凝固模式的类型 35
2.2.2 压力的影响 37
2.3 活度系数 39
2.3.1 活度系数的相关概念 39
2.3.2 压力的影响 39
2.4 界面自由能 40
2.4.1 界面自由能的相关概念 40
2.4.2 压力的影响 40
2.5 溶解度 41
2.5.1 溶解度的相关概念 41
2.5.2 压力的影响 42
2.6 形核参数 45
2.6.1 形核的相关概念 45
2.6.2 压力对临界形核半径的影响 46
2.6.3 压力对形核率的影响 47
2.7 分配系数 48
2.7.1 分配系数的相关概念 48
2.7.2 压力的影响 48
2.8 扩散系数 52
2.8.1 扩散系数的相关概念 52
2.8.2 压力的影响 53
2.9 物性参数 55
2.9.1 压力对固/液相线温度的影响 55
2.9.2 压力对密度的影响 56
2.9.3 压力对热焓的影响 58
参考文献 60
第3章 铸锭与铸型间界面换热机制 66
3.1 铸锭与铸型间界面换热方式的演变 66
3.1.1 典型换热方式 66
3.1.2 铸锭凝固过程换热机制 69
3.2 界面换热系数的变化规律 72
3.2.1 传热正问题和反问题 72
3.2.2 界面换热系数反算模型 74
3.2.3 界面换热系数结果 84
3.3 压力强化界面换热的机制 91
3.3.1 界面换热机制的演变 91
3.3.2 界面当量换热系数的组成 94
3.3.3 界面气隙宏观平均宽度 95
3.3.4 加压影响宏观气隙尺寸 96
参考文献 100
第4章 枝晶组织的演变规律 106
4.1 铸锭晶区分布特征 106
4.1.1 胞晶组织 107
4.1.2 柱状晶 109
4.1.3 等轴晶 110
4.1.4 柱状晶向等轴晶转变 110
4.2 压力对枝晶特征的影响规律 113
4.2.1 枝晶间距 113
4.2.2 晶粒数 123
4.3 压力对枝晶生长速率的影响规律 126
4.3.1 枝晶生长速率计算模型 126
4.3.2 枝晶生长过程 131
4.4 压力抑制柱状晶向等轴晶转变 141
4.4.1 压力的影响 141
4.4.2 加压下浇注速率的影响 143
4.5 加压下元素对枝晶组织的影响规律 145
4.5.1 枝晶间距 145
4.5.2 晶粒数 146
4.5.3 柱状晶向等轴晶转变 148
参考文献 151
第5章 气孔缺陷形成机制及控制 159
5.1 气孔缺陷形成机制 159
5.1.1 钢中常见气孔缺陷来源 159
5.1.2 氮气孔的形成过程 160
5.1.3 气孔形成的压力平衡关系 161
5.2 氮气孔的形成对凝固组织的影响规律 167
5.2.1 气孔周围的相组成 167
5.2.2 枝晶组织 172
5.3 压力抑制气孔形成的机制 174
5.3.1 压力对氮气泡形核的影响 175
5.3.2 压力对氮气泡生长的影响 181
5.3.3 抑制氮气泡形成临界压力判据 183
5.3.4 压力对氮气泡上浮的影响机制 185
5.3.5 加压与合金元素协同抑制氮气孔的机制 192
参考文献 198
第6章 疏松缩孔形成机制及控制 203
6.1 疏松缩孔的形成过程 203
6.1.1 收缩的基本概念和检测手段 203
6.1.2 疏松缩孔的种类和形成机制 205
6.2 疏松缩孔的预测方法 208
6.3 加压抑制疏松缩孔形成的机制 211
6.3.1 加压下疏松缩孔的判据 211
6.3.2 压力对不同钢种疏松的影响规律 212
6.3.3 浇注速率对疏松缩孔的影响 221
6.3.4 铸型对疏松的影响 223
参考文献 224
第7章 元素偏析行为及控制 228
7.1 偏析的主要类型及形成过程 228
7.1.1 微观偏析 228
7.1.2 宏观偏析 230
7.1.3 凝固偏析的检测方法 231
7.2 偏析数值模型 233
7.2.1 微观偏析 233
7.2.2 宏观偏析 236
7.3 压力对偏析形成的影响 244
7.3.1 压力对微观偏析的影响 244
7.3.2 压力对宏观偏析的影响 248
7.3.3 加压下浇注速率对宏观偏析的影响 260
参考文献 266
第8章 夹杂物运动轨迹及宏观分布状态 272
8.1 夹杂物的形成及主要类型 272
8.1.1 夹杂物的分类 272
8.1.2 夹杂物的形成 280
8.2 夹杂物分布模型 287
8.2.1 基本数学模型 287
8.2.2 多模式数学模型 292
8.3 压力对夹杂物宏观分布状态的影响 293
8.3.1 加压凝固多相多物理场夹杂物运动模型 293
8.3.2 钢液凝固过程中夹杂物运动 300
8.3.3 压力对夹杂物分布的影响机制 303
参考文献 308
第9章 析出相形态特征的演变规律 314
9.1 析出相的主要类型及特征 314
9.2 压力对典型钢种析出相的影响 323
9.2.1 高速钢M42 323
9.2.2 高氮不锈轴承钢30Cr15Mo1N 335
9.2.3 模具钢H13 343
参考文献 345

第1章绪论
　　1.1压力在钢铁冶金中的作用
　　钢铁冶金是现代工业的基石，钢铁生产过程对材料的质量和性能有着决定性影响。在钢铁制备过程中，压力作为三个基本热力学参数（温度、化学成分和压力）之一，能够改变材料的熔点、导热性、导电性和黏度等物性参数，并影响凝固反应热力学和动力学，进而影响材料凝固过程的质量、能量和动量传输以及相变行为等。同时压力也是三个热力学参数中唯一可以发生数量级变化的参数，能够影响另外两个热力学参数，即化学成分和温度[1]。
　　压力主要通过两种途径影响铸件凝固和组织形成：①在0.1～10MPa范围内，压力对宏观物理现象产生影响，包括弹性变形、塑性变形、铸件和模具之间热交换的加剧、冷却速率的变化、模具填充的控制等；②在大于10MPa甚至0.1GPa时，压力对微观热力学与传输行为产生影响，包括相图、材料物理性质、吉布斯自由能、化学势、比热容、表面张力、扩散系数等的变化。诺贝尔物理学奖得主P.W.Bridgman*早开展了压力对材料结构和性能影响的研究。20世纪20～30年代，P.W.Bridgman研制了能够进行高压实验（约10GPa）的设备，并研究了压力对材料导热性、导电性、熔点、反应动力学、黏度、可压缩性、抗拉强度及各种其他性质和现象的影响。P.W.Bridgman的工作证明了压力对于研究物质结构和性质连续或不连续变化的重要性，科学成果和工程解决方案已经得到了大量的实际应用[2-4]。
　　自20世纪20～30年代开展加压冶金相关研究以来，压力对材料质量和性能等方面的影响引起了广泛关注。对于冶金反应而言，压力的影响十分突出，能够改变反应吉布斯自由能、反应方向以及反应速率等，更甚者使一些常压下不可能发生的反应成为可能，尤其是有气相参与或者生成的冶金反应，如脱气、吹氧脱碳、气相渗氮、加压酸浸和Spon法等[5-9]。对金属凝固而言，压力能够提高金属材料的固/液相线温度和形核速率，减小溶质的扩散系数和改变晶粒生长速率等。从真空到常压，再到加压环境，压力对熔炼效率、产品洁净度以及*终产品性能有着不可忽视的影响。因而压力是冶金过程控制的重要参数之一。依照压力的大小，钢铁冶金可分为常压冶金、真空冶金以及加压冶金。
　　1.常压冶金
　　目前，大多数钢铁冶金反应多在常压条件下进行，高炉和转炉是钢铁常压冶炼*传统和广泛应用的工艺，在这两种冶炼工艺过程中，压力主要受大气压影响，其*大的优点在于相对稳定，而常压冶炼的另一些优点在于设备简单、操作简便以及生产成本低。然而，常压下气体发生大量溶解，导致钢中残留气体元素（氧、氮等）超标，恶化材料的质量和性能。
　　常压冶炼时，可通过喷吹空气、氧气、氮气、二氧化碳及氩气等气体，强化熔池搅拌，进而起到均匀熔池成分和温度以及提高冶炼效率的作用。其中，当空气作为搅拌气体时，喷吹空气可能导致钢液大量氧化，必须使用惰性气体进行保护，但是喷吹空气具有操作简单和成本低的优点。喷吹氧气时需要使用可燃物质（天然气、丙烷）保护喷吹元件，由于可燃物质分解与熔池中的氧发生碳氧反应，因此底吹氧气的搅拌力大于氮气或氩气，然而喷吹氧气会导致钢液溶解氧含量增加，进而增加发生缩孔和硫热脆等缺陷风险。氮气作为喷吹气体时，供气元件结构简单且服役寿命长，目前应用广泛，然而转炉喷吹氮气会导致钢液增氮，即使采用较小的氮气流量全程喷吹，钢液中氮含量也能达到0.003%～0.005%；若在吹炼终点到出钢阶段继续喷吹氮气，会进一步导致钢液中增氮。二氧化碳在炼钢条件下既不助燃，也不燃烧，且二氧化碳可与钢液中的碳反应生成一氧化碳，因此其底吹搅拌能力强于氩气和氮气[10]，此外喷吹二氧化碳还具有基本不影响钢液质量的优点。氩气是*为理想的炼钢喷吹气体，不仅搅拌效果强，且具备净化钢液的效果，然而氩气作为制氧过程的副产品，制备成本较高且产量小，因此大量吹氩会增大炼钢成本。虽然喷吹气体搅拌钢液能在一定程度上均匀钢液成分和温度以及强化脱氧脱碳反应，但对气体杂质元素的去除效果仍然十分有限。
　　2.真空冶金
　　随着对钢铁性能的认识不断深入，研究人员发现钢中的气体杂质元素氢、氧和氮等会恶化材料的质量和性能，是引起钢材服役失效的主要原因之一[11]。自20世纪50年代起，真空技术逐渐应用于制备高品质钢，通过降低冶炼压力能够显著降低气体杂质元素在钢液中的溶解度，有效去除了氢、氧和氮等气体元素，提高了材料的洁净度。真空度是真空冶炼的关键工艺参数之一，直接影响着钢液中气体含量。在较低的真空度下，钢液中过饱和气体析出、形成气泡，气泡不断上浮，在一定范围内能提高钢液的流动性。然而，气泡过多会阻碍钢液流动，降低钢液流动性[12]。因此，适宜的真空度在能确保钢液具有良好流动性的同时，减少钢液中气体含量，提高钢材质量[13]。真空技术的应用显著提升了特殊钢的洁净度[14]，解决了当时棘手的大型锻件氢致裂纹等问题[15，16]。
　　真空冶炼目前已成为制备高品质洁净钢的主要手段。真空技术在钢铁制造领域的应用主要包括真空熔炼、真空二次精炼及真空浇注三种形式，其目的是利用真空条件避免冶炼过程中钢液氧化，同时脱除气体、减少夹杂物，实现高洁净度冶炼。真空条件下碳氧反应是实现真空脱碳、脱氧的重要化学反应，如真空感应熔炼（VIM）技术通过降低冶炼压力去除钢液中氧和氢等气体元素，减少钢中氧化物和氧硫化物等夹杂物含量，此外，由于高真空度，还能在一定程度上脱除氮化物等夹杂物，进而提高材料洁净度[17-20]。
　　针对铸锭凝固过程发展出真空浇注技术，钢液真空浇注工艺作为一种钢铁生产中的二次精炼技术，被广泛应用于特种大型合金以及精细合金部件的生产。钢液先在中间包内进行缓冲均匀化处理使钢液达到目的成分和温度，经由中间包出水口浇注至指定真空室内的钢锭模中（浇注流动过程中，钢液中的夹杂物被涡流带至中间包自由表面而被表面覆盖剂所吸收），然后在真空室内的钢锭模中凝固成锭；在浇注过程中真空室内真空度通过真空泵准确控制。由于浇注过程中氮气、氢气、氧气等有害气体在钢液中的溶解度逐渐减小，促使气体从钢液中逸出[21-24]。中间包工艺环节发挥均匀钢液流场与温度场及去除钢液中夹杂物的作用；真空室浇注环节达到脱除钢液有害气体的效果，避免了钢锭中氧化物夹杂的再生，并且减少了由钢液中氮、氢等元素所造成的裂纹、气孔等质量缺陷，*终获得无气孔、无夹杂、结构均匀的高质量钢制品[25-29]。
　　联合真空熔炼技术和真空浇注工艺等技术可实现坯料均质化，提高特殊钢与特种合金凝固质量[30-35]。如VIM及真空电弧重熔（VAR）双真空熔炼方法能够很好地控制钢液中的氧含量及夹杂物尺寸，进行多品种及多尺寸特殊钢与特种合金的高品质、高洁净度冶炼[36-38]。此外，真空冶炼在密闭环境下进行，便于收集和处理烟尘、废气等，能够减少对环境的污染[20]。
　　在真空二次精炼过程中，通过底吹氩气工艺，可以有效地促进钢液中大颗粒夹杂物上浮，提高钢液质量等。在真空二次精炼过程中喷吹氧气，可以实现真空氧脱碳，是RH（真空循环脱气法）制备高纯铁及VOD（真空吹氧脱碳法）制备不锈钢的主要生产方式[39，40]。真空技术在高品质钢制备过程中的作用*特，随着更多冶金工作者的长期关注，真空技术在钢铁领域得到了飞速发展，逐步形成了以真空技术为核心的三大高品质钢生产工艺路线：①以RH/VD（钢包真空脱气法）真空二次精炼处理为代表的连铸/大气模铸工艺路线[41，42]；②以VD真空二次精炼处理与VP（真空浇注）为代表的真空钢锭制备工艺路线[43，44]；③以VIM与VAR双真空熔炼为主的特殊冶炼工艺路线[45，46]。真空技术的应用显著提升了我国的钢铁冶金水平，目前高品质钢生产工艺已实现大型真空钢锭总氧含量（TO）低于10ppm[47]，结合后续合理热加工工艺，可实现高品质钢的制备，满足轨道交通、核电、航空、航天等重点领域对高性能特殊钢苛刻服役性能的要求。
　　3.加压冶金
　　由于常压和真空冶炼对材料质量和性能影响的系统性研究较多，众多研究者将注意力转移到研究较少的加压冶炼技术中，与常压和真空冶炼相比，加压冶炼通过提高环境压力，增加了气体在金属液中的溶解度。压力在有色冶金反应和凝固方面的研究和应用取得了长足发展，部分加压技术的工业化已经处于成熟阶段，如拜耳法的加压碱浸、锌精矿的加压酸浸以及金矿加压预氧化处理等[48-52]。此外，由于金属凝固过程中压力对物理化学性质、传热、晶粒的形核和长大、气体和易挥发元素的溶解度、凝固热力学和动力学、疏松缩孔以及氮气孔缺陷等均有显著影响，因此加压能够改变凝固组织，影响凝固顺序以及相组成等特点，并且已在吉帕（GPa）级压力下铝合金和镁合金等有色合金体系的凝固行为中得到了普遍证实和认同[53，54]。
　　加压这一特性对于某些特定的冶炼过程非常有利。如加压冶金可以促进合金元素之间的扩散，从而得到成分更加均匀的合金[55-57]。目前，大多数钢铁冶金反应多在常压或负压（真空）下进行，如真空感应熔炼等。与常压和负压（真空）相比，加压在钢铁冶金过程的研究和应用相对较少，主要是因为钢铁冶金温度（通常≥1550℃）比有色金属合金更高，对冶金设备提出了更高挑战，极大地增加了加压冶炼的安全风险。迄今为止，加压在钢铁冶金方面的应用主要集中在有气体或者易挥发元素参与的冶金反应过程，用于加快冶金反应速率或者提高钢液中气体或易挥发元素的溶解度。如在高压氧气炼钢过程中增大气相压力，其熔池内氧的质量分数不仅会超过与碳的质量分数平衡的氧的质量分数，而且可能达到过饱和析出的程度，根据反应过程[Fe]+[O]==[FeO]可知氧压升高可明显提高钢液中[FeO]含量，大量的[FeO]*终使脱碳速率加快[6]。这主要是因为对于有气相参与或者生成的冶金反应过程，较小范围的加压就能起到非常明显的作用；此外，加压冶炼还有助于改善金属的浇注性能和减少气孔，从而提高铸锭的致密性和机械性能等。
　　对金属凝固而言，压力与物理化学性质、传热、晶粒的形核和长大、气体和易挥发元素的溶解度、凝固热力学和动力学等密切相关。研究表明[58-60]，加压能够通过提高金属材料的固/液相线温度、溶解度和形核速率，减小溶质的扩散系数和改变晶粒生长速率等，从而改变金属材料相变顺序和凝固组织，以及抑制疏松缩孔以及氮气孔等凝固缺陷，有助于制备出新材料或者改善并提高其性能[61，62]。
　　近年来，加压技术在钢铁冶金方面的研究主要集中在含氮钢，尤其是高氮钢的加压熔炼技术（加压感应熔炼、加压电渣重熔、加压钢包氮气吹洗、加压等离子电弧熔炼和加压弧渣重熔等）以及含氮不锈钢的凝固过程等方面。加压通过提高钢液中气体元素氮的溶解度，强化其合金化效果，抑制气孔等凝固缺陷形成，并提高气体元素分布的均匀性，从而进一步提升含氮钢的性能。目前，国外加压制备高氮钢的技术已经实现了工业化生产，如德国研发出的熔炼压力达4.2MPa的20t加压电渣炉，其在制备大型发电机护环P900和P2000等高氮钢的工业化生产中得到了应用。东北大学绿色智能特殊钢冶金研究中心团队通过攻克动态水-气平衡、加压滑动密封、加压称重等技术难点，成功研制出具有*立自主知识产权的实验规模加压冶金关键装备：国内*台真空/加压感应炉（6MPa）、国内唯一加压电渣炉（7MPa）、多功能加压高温平衡实验装置以及中试规模加压感应炉和加压电渣炉，解决了加压冶金关键装备长期缺失的“卡脖子”难题。随着加压冶金关键设备的成功研发，我国加压技术在钢铁领域的研究与应用得到了快速发展，尤其是在高品质高氮不锈钢的冶炼和凝固等基础研究方面。目前研究表明，在兆帕（MPa）级压力下，钢的枝晶组织和析出相以及氮气孔、疏松和缩孔等凝固缺陷随着压力增大而发生明显转变，同时对钢铁材料也可细化凝固组织，改变凝固顺序以及组织相组成等。
　　1.2加压钢铁冶金装备的发展历程和主要种类
　　1.2.1发展历程
　　加压冶炼*初应用于有色冶金领域，*早的加压研究工作