連鑄鋼中心偏析形成機理及改善對策

顧小龍 熊國智 安平 李小東 杜海霞

摘 要：中心偏析是中、高碳鋼多發或易發的主要宏觀缺陷，且嚴重影響連鑄鋼材的質量和綜合性能。本文通過對48MnV鋼材出現的中心偏析缺陷進行進一步檢驗，結合連鑄坯中心偏析的形成機理和生產工藝參數變化時對缺陷的影響，統計并分析連鑄工藝參數與中心偏析缺陷的關系，討論后提出改善對策。

關鍵詞：中心偏析 機理 對策

1.前言

連鑄鋼材的中心偏析缺陷，一直是連鑄鋼材生產中較常見的宏觀缺陷，由于鋼水凝固時成份的選分結晶，產生中心偏析，在后續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導致材料的熱應力不均，板材分層，甚至嚴重影響鋼材的焊接性能和力學性能，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[2]試樣的中心部位呈現出顏色較深的暗色斑點，有時在周圍還會伴有白亮帶和和疏松（圖1，圖2）。

3.中心偏析的形成機理

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），因此現以連鑄坯為研究對象進行討論，其形成機理大致有三種[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致連鑄坯鼓肚或鑄坯內部液相穴因冷凝導致的體積收縮，使鑄坯心部產生負壓抽吸作用，此時未凝固的低熔點組分就被吸入心部的空穴中導致中心偏析。

3.2“凝固晶橋”理論

連鑄坯因冷卻不良時導致柱狀晶過于發達，甚至在鑄坯心部產生柱狀晶穿晶“搭橋”現象。此時晶橋下部的鋼液因冷縮而產生的縮孔、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溶質富集理論

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

4.影響中心偏析的工藝因素

4.1鋼液澆鑄時的過熱度

過熱度是鋼液澆鑄時的實際溫度超過其液相線溫度的溫度值。是連鑄坯生產工藝的重要參數之一，過熱度較高時，連鑄坯柱狀晶會更為發達，極易形成柱狀晶“搭橋”，從而形成縮孔、疏松和中心偏析，且柱狀晶發達，相應等軸晶較少，易偏析元素在等軸晶中相對集中。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，對生產不利。

4.2連鑄坯拉速

連鑄坯的拉速對中心偏析缺陷有較大影響，因為對于成分和尺寸已定的連鑄坯在拉坯時，增大拉速意味著鋼液在結晶器內停留的時間較短，留給夾雜物上浮的時間也相對減少，而且過熱量轉移需要更長的時間，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。

4.3二次冷卻強度

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

5.檢驗與工藝參數分析

5.1取48MnV試樣宏觀低倍酸蝕檢驗試樣（圖2）半徑1/2處取2點做直讀光譜成分檢驗，結果（見表1）。

取48MnV宏觀低倍酸蝕檢驗試樣（圖2）中心偏析缺陷區域（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）得出結論：

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

中心偏析區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現對2020年度48MnV中心偏析缺陷爐次中間包溫度參數進行統計分析。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。在分別統計中心偏析出現爐次中間包溫度波動（圖6）。

由溫度波動與中心偏析出現爐次的統計關系可的出結論：

拉速與二冷水強度一定的條件下，中間包鋼液澆注溫度波動大時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，導致中間包內溫度出現波動。在此時拉速與二冷水恒定，會發生冷卻強度與拉速不匹配的現象，易產生“穿晶”。連鑄坯凝固液芯末端位置變化，也增加了工藝調整的困難。

中間包內連續的溫度波動，會使鋼液中的易偏析溶質重復性的溶解析出，增加了溶質的選分結晶作用，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。

以上結論為依據，為避免連鑄坯中心偏析缺陷的出現，提出以下改善對策：

鋼水在冶煉時盡可能的去除雜質，提高鋼液的潔凈度;

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

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，結晶器電磁攪拌能破碎鑄坯內的枝晶，避免柱狀晶搭橋，使中心等軸晶成分更加均勻[5]，提升質量。

穩定的連鑄工況有利于確定連鑄坯液芯凝固末端位置，在適當的凝固末端位置加以輕壓工藝，可將低熔點溶質從連鑄坯凝固末端的中心區域的空隙中擠出，降低中心疏松和中心偏析缺陷[6]。

參考文獻：

[1]GB/T1979-2001 結構鋼低倍組織評級圖

[2]GB/T226-2015 鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗法

[3]YB/T153-2015 優質結構鋼連鑄坯低倍組織缺陷評級圖

[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 結晶器電磁攪拌對連鑄坯質量的影響 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 動態輕壓下在中碳鋼鑄坯中心偏析控制中的應用 鋼鐵研究2009年 10月 第37卷第5期