連鑄鋼中心偏析形成機(jī)理及改善對(duì)策

顧小龍 熊國智 安平 李小東 杜海霞

摘 要：中心偏析是中、高碳鋼多發(fā)或易發(fā)的主要宏觀缺陷，且嚴(yán)重影響連鑄鋼材的質(zhì)量和綜合性能。本文通過對(duì)48MnV鋼材出現(xiàn)的中心偏析缺陷進(jìn)行進(jìn)一步檢驗(yàn)，結(jié)合連鑄坯中心偏析的形成機(jī)理和生產(chǎn)工藝參數(shù)變化時(shí)對(duì)缺陷的影響，統(tǒng)計(jì)并分析連鑄工藝參數(shù)與中心偏析缺陷的關(guān)系，討論后提出改善對(duì)策。

關(guān)鍵詞：中心偏析 機(jī)理 對(duì)策

1.前言

連鑄鋼材的中心偏析缺陷，一直是連鑄鋼材生產(chǎn)中較常見的宏觀缺陷，由于鋼水凝固時(shí)成份的選分結(jié)晶，產(chǎn)生中心偏析，在后續(xù)的加工過程中也無法改善，因此帶有中心偏析缺陷的連鑄鋼材在使用中不但會(huì)導(dǎo)致材料的熱應(yīng)力不均，板材分層，甚至嚴(yán)重影響鋼材的焊接性能和力學(xué)性能，且在某公司不合格缺陷中，占比62.2%，是連鑄鋼材的主要缺陷，也是鋼材中不允許存在的缺陷，改善中心偏析缺陷有重要意義。

2.中心偏析宏觀低倍組織形貌[1]

在橫向宏觀低倍酸浸檢驗(yàn)[2]試樣的中心部位呈現(xiàn)出顏色較深的暗色斑點(diǎn)，有時(shí)在周圍還會(huì)伴有白亮帶和和疏松（圖1，圖2）。

3.中心偏析的形成機(jī)理

鋼材心部位置的碳、磷、硫等元素含量高于邊緣部位的不均勻現(xiàn)象稱為中心偏析。鋼材的中心偏析缺陷是由連鑄坯遺傳而來[3]（圖3），因此現(xiàn)以連鑄坯為研究對(duì)象進(jìn)行討論，其形成機(jī)理大致有三種[4]。

3.1“空穴抽吸”理論

連鑄坯在凝固末端，由于鋼液靜壓力和冷卻不良導(dǎo)致連鑄坯鼓肚或鑄坯內(nèi)部液相穴因冷凝導(dǎo)致的體積收縮，使鑄坯心部產(chǎn)生負(fù)壓抽吸作用，此時(shí)未凝固的低熔點(diǎn)組分就被吸入心部的空穴中導(dǎo)致中心偏析。

3.2“凝固晶橋”理論

連鑄坯因冷卻不良時(shí)導(dǎo)致柱狀晶過于發(fā)達(dá)，甚至在鑄坯心部產(chǎn)生柱狀晶穿晶“搭橋”現(xiàn)象。此時(shí)晶橋下部的鋼液因冷縮而產(chǎn)生的縮孔、疏松等空隙因晶橋的阻礙而得不到上部鋼液填充，就形成了縮孔，疏松和中心偏析。

3.3溶質(zhì)富集理論

鋼液中低熔點(diǎn)的溶質(zhì)元素在柱狀晶生長時(shí)析出并不斷被凝固前沿排擠，隨著鑄坯的冷卻，固相中析出的溶質(zhì)元素會(huì)不斷在液心中富集，最后集中到心部導(dǎo)致中心偏析。

4.影響中心偏析的工藝因素

4.1鋼液澆鑄時(shí)的過熱度

過熱度是鋼液澆鑄時(shí)的實(shí)際溫度超過其液相線溫度的溫度值。是連鑄坯生產(chǎn)工藝的重要參數(shù)之一，過熱度較高時(shí)，連鑄坯柱狀晶會(huì)更為發(fā)達(dá)，極易形成柱狀晶“搭橋”，從而形成縮孔、疏松和中心偏析，且柱狀晶發(fā)達(dá)，相應(yīng)等軸晶較少，易偏析元素在等軸晶中相對(duì)集中。若過熱度太低，則不利于夾雜物在鋼液中上浮，且容易使水口堵塞，對(duì)生產(chǎn)不利。

4.2連鑄坯拉速

連鑄坯的拉速對(duì)中心偏析缺陷有較大影響，因?yàn)閷?duì)于成分和尺寸已定的連鑄坯在拉坯時(shí)，增大拉速意味著鋼液在結(jié)晶器內(nèi)停留的時(shí)間較短，留給夾雜物上浮的時(shí)間也相對(duì)減少，而且過熱量轉(zhuǎn)移需要更長的時(shí)間，液相穴深度增大，因此延后了中心等軸晶的形成，易造成中心偏析。

4.3二次冷卻強(qiáng)度

連鑄坯的二次冷卻是對(duì)出結(jié)晶器段的帶液心鋼坯進(jìn)行噴水冷卻，使連鑄坯在合理的條件下均勻冷卻凝固。若二次冷卻不足會(huì)導(dǎo)致連鑄坯表面溫度回升，坯殼變軟，無法抵御內(nèi)部鋼液的靜壓力從而引起連鑄坯鼓肚。若二冷水強(qiáng)度過大，柱狀晶生長迅速，會(huì)增加穿晶的可能性。因此，合適的二次冷卻水強(qiáng)度也尤為重要。

5.檢驗(yàn)與工藝參數(shù)分析

5.1取48MnV試樣宏觀低倍酸蝕檢驗(yàn)試樣（圖2）半徑1/2處取2點(diǎn)做直讀光譜成分檢驗(yàn)，結(jié)果（見表1）。

取48MnV宏觀低倍酸蝕檢驗(yàn)試樣（圖2）中心偏析缺陷區(qū)域（20mm×20mm）做掃面電子顯微鏡成像分析

由電鏡成像（圖4）和能譜分析（圖5）得出結(jié)論：

酸蝕檢驗(yàn)后試樣表面出現(xiàn)大量夾雜物偏析元素流失導(dǎo)致的顯微孔隙，且中心偏析缺陷區(qū)域顯微孔隙最為密集（圖4）。

中心偏析區(qū)域碳元素含量整體高于鋼材試樣平均碳含量，碳元素為中心偏析缺陷主要偏析元素（表2）。

5.2現(xiàn)對(duì)2020年度48MnV中心偏析缺陷爐次中間包溫度參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。因全部爐次拉速與二次冷卻水依照工藝要求保持恒定，在此不做討論。在分別統(tǒng)計(jì)中心偏析出現(xiàn)爐次中間包溫度波動(dòng)（圖6）。

由溫度波動(dòng)與中心偏析出現(xiàn)爐次的統(tǒng)計(jì)關(guān)系可的出結(jié)論：

拉速與二冷水強(qiáng)度一定的條件下，中間包鋼液澆注溫度波動(dòng)大時(shí)易形成中心偏析缺陷。

6.討論

連鑄工藝在鋼液澆筑過程中，鋼液澆筑前期中間包溫度較低，澆筑后期由于溫度較高的鋼液注入，導(dǎo)致中間包內(nèi)溫度出現(xiàn)波動(dòng)。在此時(shí)拉速與二冷水恒定，會(huì)發(fā)生冷卻強(qiáng)度與拉速不匹配的現(xiàn)象，易產(chǎn)生“穿晶”。連鑄坯凝固液芯末端位置變化，也增加了工藝調(diào)整的困難。

中間包內(nèi)連續(xù)的溫度波動(dòng)，會(huì)使鋼液中的易偏析溶質(zhì)重復(fù)性的溶解析出，增加了溶質(zhì)的選分結(jié)晶作用，使偏析元素更易在柱狀晶凝固前沿析出富集形成中心偏析。

以上結(jié)論為依據(jù)，為避免連鑄坯中心偏析缺陷的出現(xiàn)，提出以下改善對(duì)策：

鋼水在冶煉時(shí)盡可能的去除雜質(zhì)，提高鋼液的潔凈度;

鋼液在澆注時(shí)，盡量減小中間包中鋼液的溫度波動(dòng)，或增加控溫調(diào)溫措施使中間包鋼液溫度和連鑄工況趨于穩(wěn)定，以便于連主工藝參數(shù)合理匹配。

連鑄工序中增加合理的電磁攪拌，中間包電磁攪拌可使中間包溫度均勻化，結(jié)晶器電磁攪拌能破碎鑄坯內(nèi)的枝晶，避免柱狀晶搭橋，使中心等軸晶成分更加均勻[5]，提升質(zhì)量。

穩(wěn)定的連鑄工況有利于確定連鑄坯液芯凝固末端位置，在適當(dāng)?shù)哪棠┒宋恢眉右暂p壓工藝，可將低熔點(diǎn)溶質(zhì)從連鑄坯凝固末端的中心區(qū)域的空隙中擠出，降低中心疏松和中心偏析缺陷[6]。

參考文獻(xiàn)：

[1]GB/T1979-2001 結(jié)構(gòu)鋼低倍組織評(píng)級(jí)圖

[2]GB/T226-2015 鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗(yàn)法

[3]YB/T153-2015 優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼連鑄坯低倍組織缺陷評(píng)級(jí)圖

[4]姚楨 梁兆華 李全智 李長榮 高碳鋼連鑄坯中心偏析的控制與改善 江西冶金 2011年2月 第31卷第1期

[5]于艷 劉俊江 徐海澄 結(jié)晶器電磁攪拌對(duì)連鑄坯質(zhì)量的影響 鋼鐵 2005年2月 第40卷第2期

[6]陳子宏 高文芳 王建民 陳國威 動(dòng)態(tài)輕壓下在中碳鋼鑄坯中心偏析控制中的應(yīng)用 鋼鐵研究2009年 10月 第37卷第5期