中碳鋁鎮(zhèn)靜鋼連鑄圓坯的原位統(tǒng)計分布分析

郭俊波 鄭福舟 陸 強 郭士光

（1. 馬鞍山鋼鐵股份有限公司技術中心； 2. 軌道交通關鍵零部件安徽省技術創(chuàng)新中心）

0 引言

中碳鋁鎮(zhèn)靜鋼鑄坯的成分偏析對其產品性能影響較大。目前，為了分析鑄坯的成分分布情況，主要采取鉆孔取屑樣、低倍硫印等方法，但存在取樣偶然性、操作過程復雜、分析波動性較大、分析位置局限且不能測定元素偏析的連續(xù)分布等問題[1-2]。原位統(tǒng)計分布分析技術以火花光譜無預燃連續(xù)激發(fā)高速采集解析技術為基礎，可實現在鋼鐵材料較大尺寸范圍內連續(xù)測定多種元素的偏析分布，由此獲得各元素在不同位置含量的統(tǒng)計定量分布、各元素偏析度以及材料疏松度的準確定量表征等信息[3]。

前人利用原位統(tǒng)計分布分析技術對板坯或方坯中某一區(qū)域范圍內的元素偏析情況研究較多[4-8]，而對于中碳鋁鎮(zhèn)靜鋼的圓坯的研究比較少見。筆者以鋼中易偏析元素C、Mn 為研究對象，應用原位統(tǒng)計分布分析技術對中碳鋁鎮(zhèn)靜鋼Φ430 mm 圓坯距離邊部5 mm 至205 mm 之間的區(qū)域進行分析，研究了試樣中C、Mn 元素的含量分布情況、偏析情況和鑄坯表面的致密度情況，為進一步優(yōu)化中碳鋁鎮(zhèn)靜鋼的連鑄工藝，提高鑄坯質量提供參考。

1 實驗部分

1.1 樣品分析區(qū)域

分析試樣為某廠生產的中碳鋁鎮(zhèn)靜鋼圓坯，直徑為430 mm，其化學成分見表1。對圓坯進行合理的切割，加工后選取邊部到中心部位附近的三塊樣品進行金屬原位分析，取樣和分析區(qū)域如圖1 所示。由于圓坯中心存在明顯縮孔，因此加工試樣時并未考慮圓坯中心部位，只對圓坯距離邊部5 mm 至205 mm 之間的區(qū)域進行了研究。其中，1#試樣距離鑄坯邊部的距離為5 mm，掃描面積為30 mm×40 mm，2#試樣和3#試樣的掃描面積均為80 mm×40 mm，試樣之間的間隔距離為5 mm。

表1 試驗用中碳鋁鎮(zhèn)靜鋼的主要化學成分 %

圖1 連鑄圓坯橫截面取樣和分析區(qū)域

1.2 儀器和主要技術參數

使用OPA-100 金屬原位分析儀(鋼研納克檢測有限技術公司)對試樣進行分析。掃描方式為線性面掃描，掃描速度為1 mm/s。激發(fā)頻率為480 Hz，激發(fā)電容為7.0 μF，激發(fā)電阻為6.0 Ω，火花間隙為2.0 mm，氬氣純度為99.999%，氬氣流量為80 mL/s，電極材料為45°頂角純鎢電極，直徑為3 mm。測定元素波長為C 193.1 nm、Mn 293.3 nm。

2 結果與分析

2.1 元素含量分布情況

傳統(tǒng)的通過鉆孔取屑樣來分析元素含量的方法易受合金鉆頭直徑、取樣間隔距離等因素的影響，從而不能真實地反映元素含量的分布情況。金屬原位統(tǒng)計分布分析技術，通過對試樣沿X 軸方向進行逐行掃描后，可以得到試樣Y 方向上不同位置處的元素含量的連續(xù)分布情況。由于沿試樣Y方向不同位置處的變化趨勢基本一致，因此只選取了試樣中位線處(Y=20 mm)的C、Mn 元素的含量波動情況進行討論。Y=20 mm(試樣中位線)處C、Mn 含量在X 方向上的分布分別如圖2、圖3 所示。

圖2 C 元素含量的線分布

圖3 Mn 元素含量的線分布

從圖2 可以看出，在試樣中位線處（Y=20 mm），C 含量在鑄坯橫斷面上沿直徑方向呈現“降低→升高→降低→升高”的趨勢。在距離鑄坯邊部5～35 mm 的區(qū)域內，C 含量先降低再升高，在距離鑄坯邊部10 mm 處時C 含量達到最低值，這主要是由于受結晶器電磁攪拌和水口射流的影響，鋼水對凝固前沿的固液兩相區(qū)不斷進行強烈沖刷，使未凝固的溶質加速向中心區(qū)域流動，從而造成坯殼附近的C 含量逐步降低，形成負偏析[9]。

隨著向鑄坯中心靠近，電磁攪拌作用的影響逐漸減弱，鋼水對凝固前沿的沖刷作用也隨之減弱，凝固前沿的C 含量逐漸升高。在距離鑄坯邊部135～150 mm 的區(qū)域內，C 含量上升到最高值，這主要是由于此處為鑄坯柱狀晶和等軸晶的交界處，為混晶組織，此時富集的溶質主要集中在等軸晶與柱狀晶之間，向中心的擴散受到阻礙，無法在隨后的凝固過程中跟凝固界面一同推進，因此此處的C 含量達到最高值。

隨著繼續(xù)向中心方向靠近，凝固橋的形成阻止了鋼液的補縮和溶質的流動，使C 含量逐漸降低。在鑄坯中心部位附近的區(qū)域內，由于凝固收縮的作用而產生一定的空穴，這些在鑄坯芯部的空穴具有負壓，從而使富集了溶質元素的鋼液被吸入芯部，這樣溶質元素在中心聚集，C 含量逐漸升高。

從圖3 可以看出，試樣中位線(Y=20 mm)處Mn 元素的含量的變化趨勢與C 元素的基本一致。但由于Mn 元素的平衡分配系數k 為0.76～0.78，遠遠低于C 元素的0.19～0.34[10]，因此，Mn 含量的波動程度沒有C 含量的明顯，分布相對比較均勻。需要注意的是，3#試樣大部分區(qū)域的Mn 含量明顯比其他試樣的要高，這說明Mn 元素也存在一定的中心富集現象。

2.2 元素偏析的定量分析

分別用統(tǒng)計偏析度和統(tǒng)計均勻度來定量表征C、Mn 元素的偏析情況。根據各元素的含量頻率統(tǒng)計分布可得到95%置信度的含量置信區(qū)間[C1，C2]，95%置信度時的中位值C0置信擴展幅度Z=(C2-C1)/2，則該元素在95%置信度時的含量置信區(qū)間為C0±Z?？紤]到試樣中元素含量差異的影響，采用中位值C0置信擴展區(qū)間Z 與中位值C0的比值，即S=Z/C0作為某元素在材料中的偏析程度的表征，稱之為統(tǒng)計偏析度[11]。含量置信區(qū)間越小，表明元素在鑄坯中的分布越均勻。統(tǒng)計偏析度越大，表明元素在鑄坯中的分布偏析越嚴重。

統(tǒng)計均勻度則是從符合平均成分的角度對偏析進行表征，即將特定含量范圍所占的權重比率稱之為在特定含量范圍內的元素分布的統(tǒng)計均勻度，其數值越大，則表明元素在鑄坯中的分布越均勻。1#～3#試樣中C、Mn 元素的含量置信區(qū)間以及統(tǒng)計偏析度、統(tǒng)計均勻度的數據見表2。

表2 鑄坯截面各區(qū)域C、Mn 元素的統(tǒng)計偏析度、統(tǒng)計均勻度

從表2 可以看出，隨著從鑄坯邊部向中心方向靠近，C、Mn 元素的含量置信區(qū)間逐步變大。C、Mn 元素的統(tǒng)計均勻度，1#試樣達到最大值，分別為53.6%和73.7%，隨著向中心方向靠近，統(tǒng)計均勻度逐漸變小，說明從鑄坯邊部到中心C、Mn元素在鑄坯中的分布均勻性變差。統(tǒng)計偏析度的變化規(guī)律正好相反，1#試樣達到最小值，分別為18.2%和11.1%，隨著向中心方向靠近，統(tǒng)計偏析度逐漸變大，3#試樣的分別達到了19.8%和19.5%，說明C、Mn 元素在鑄坯中的分布偏析逐漸嚴重。統(tǒng)計均勻度和統(tǒng)計偏析度兩者表征的偏析特征基本一致。

同時，通過對比各個試樣，可以看出C 元素的統(tǒng)計偏析度均大于Mn 元素的，其統(tǒng)計均勻度均小于Mn 元素的，這是由于C 為易偏析元素，其偏析現象較Mn 元素更為嚴重。

2.3 致密度分析

對于低合金鋼鐵材料來說，在原位統(tǒng)計分布分析技術的基礎上，可以用鐵基體的光譜強度來統(tǒng)計不同位置處的表觀致密度。根據單次放電鐵元素光譜信號的強度與單次放電發(fā)生在致密位置處時其鐵光譜強度的比值可以得出近似于該位置處的表觀致密度。對試樣上所得到的數以萬計不同位置的表觀致密度統(tǒng)計平均，即為統(tǒng)計致密度[11]。

三塊試樣的統(tǒng)計致密度的對比結果如圖4 所示。

圖4 鑄坯橫斷面的表觀致密度統(tǒng)計值

從圖4 可以看出，鑄坯邊部的1#試樣的表面比較致密，統(tǒng)計致密度為0.92，隨著向中心方向靠近，試樣表面的致密度逐漸下降，在鑄坯中心附近的3#試樣的統(tǒng)計致密度為0.8，說明存在一定程度的疏松現象。

3 結語

（1） 隨著從鑄坯邊緣向中心方向靠近，C 元素的含量均呈現降低→升高→降低→升高”的趨勢。距離鑄坯邊部10 mm 處的C 含量為最低值，然后逐漸上升，在距離邊部135～150 mm 的區(qū)域內C 含量達到最高值，這與此處為混晶區(qū)組織有關。隨著繼續(xù)向中心靠近，凝固橋的形成使C 含量逐漸降低。在鑄坯中心部位附近，由于凝固收縮產生的負壓作用，使富集溶質的液相被吸入芯部，C 含量升高。Mn 含量的變化趨勢與C 含量的基本一致，但波動程度沒有C 元素的明顯。

（2）隨著從鑄坯邊緣向中心方向靠近，C、Mn元素的統(tǒng)計偏析度逐漸上升，統(tǒng)計均勻度逐漸下降，這表明元素的偏析越嚴重。

（3）隨著從鑄坯邊緣向中心方向靠近，試樣表面的表觀致密度逐漸下降，在鑄坯中心部位附近存在一定的疏松現象。