中碳鋁鎮(zhèn)靜鋼連鑄圓坯的原位統(tǒng)計(jì)分布分析

郭俊波 鄭福舟 陸 強(qiáng) 郭士光

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

0 引言

中碳鋁鎮(zhèn)靜鋼鑄坯的成分偏析對(duì)其產(chǎn)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(fù)雜、分析波動(dòng)性較大、分析位置局限且不能測(cè)定元素偏析的連續(xù)分布等問題[1-2]。原位統(tǒng)計(jì)分布分析技術(shù)以火花光譜無預(yù)燃連續(xù)激發(fā)高速采集解析技術(shù)為基礎(chǔ)，可實(shí)現(xiàn)在鋼鐵材料較大尺寸范圍內(nèi)連續(xù)測(cè)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(jì)定量分布、各元素偏析度以及材料疏松度的準(zhǔn)確定量表征等信息[3]。

前人利用原位統(tǒng)計(jì)分布分析技術(shù)對(duì)板坯或方坯中某一區(qū)域范圍內(nèi)的元素偏析情況研究較多[4-8]，而對(duì)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(duì)象，應(yīng)用原位統(tǒng)計(jì)分布分析技術(shù)對(duì)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(jìn)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(jìn)一步優(yōu)化中碳鋁鎮(zhèn)靜鋼的連鑄工藝，提高鑄坯質(zhì)量提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 樣品分析區(qū)域

分析試樣為某廠生產(chǎn)的中碳鋁鎮(zhèn)靜鋼圓坯，直徑為430 mm，其化學(xué)成分見表1。對(duì)圓坯進(jìn)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(jìn)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(shí)并未考慮圓坯中心部位，只對(duì)圓坯距離邊部5 mm 至205 mm 之間的區(qū)域進(jìn)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(yàn)用中碳鋁鎮(zhèn)靜鋼的主要化學(xué)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(shù)參數(shù)

使用OPA-100 金屬原位分析儀(鋼研納克檢測(cè)有限技術(shù)公司)對(duì)試樣進(jìn)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(cè)定元素波長(zhǎng)為C 193.1 nm、Mn 293.3 nm。

2 結(jié)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(shí)地反映元素含量的分布情況。金屬原位統(tǒng)計(jì)分布分析技術(shù)，通過對(duì)試樣沿X 軸方向進(jìn)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(shì)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(dòng)情況進(jìn)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(xiàn)“降低→升高→降低→升高”的趨勢(shì)。在距離鑄坯邊部5～35 mm 的區(qū)域內(nèi)，C 含量先降低再升高，在距離鑄坯邊部10 mm 處時(shí)C 含量達(dá)到最低值，這主要是由于受結(jié)晶器電磁攪拌和水口射流的影響，鋼水對(duì)凝固前沿的固液兩相區(qū)不斷進(jìn)行強(qiáng)烈沖刷，使未凝固的溶質(zhì)加速向中心區(qū)域流動(dòng)，從而造成坯殼附近的C 含量逐步降低，形成負(fù)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(duì)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(nèi)，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(shí)富集的溶質(zhì)主要集中在等軸晶與柱狀晶之間，向中心的擴(kuò)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(jìn)，因此此處的C 含量達(dá)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(bǔ)縮和溶質(zhì)的流動(dòng)，使C 含量逐漸降低。在鑄坯中心部位附近的區(qū)域內(nèi)，由于凝固收縮的作用而產(chǎn)生一定的空穴，這些在鑄坯芯部的空穴具有負(fù)壓，從而使富集了溶質(zhì)元素的鋼液被吸入芯部，這樣溶質(zhì)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(shì)與C 元素的基本一致。但由于Mn 元素的平衡分配系數(shù)k 為0.76～0.78，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于C 元素的0.19～0.34[10]，因此，Mn 含量的波動(dòng)程度沒有C 含量的明顯，分布相對(duì)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(xiàn)象。

2.2 元素偏析的定量分析

分別用統(tǒng)計(jì)偏析度和統(tǒng)計(jì)均勻度來定量表征C、Mn 元素的偏析情況。根據(jù)各元素的含量頻率統(tǒng)計(jì)分布可得到95%置信度的含量置信區(qū)間[C1，C2]，95%置信度時(shí)的中位值C0置信擴(kuò)展幅度Z=(C2-C1)/2，則該元素在95%置信度時(shí)的含量置信區(qū)間為C0±Z。考慮到試樣中元素含量差異的影響，采用中位值C0置信擴(kuò)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(jì)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(jì)偏析度越大，表明元素在鑄坯中的分布偏析越嚴(yán)重。

統(tǒng)計(jì)均勻度則是從符合平均成分的角度對(duì)偏析進(jìn)行表征，即將特定含量范圍所占的權(quán)重比率稱之為在特定含量范圍內(nèi)的元素分布的統(tǒng)計(jì)均勻度，其數(shù)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(jì)偏析度、統(tǒng)計(jì)均勻度的數(shù)據(jù)見表2。

表2 鑄坯截面各區(qū)域C、Mn 元素的統(tǒng)計(jì)偏析度、統(tǒng)計(jì)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(jì)均勻度，1#試樣達(dá)到最大值，分別為53.6%和73.7%，隨著向中心方向靠近，統(tǒng)計(jì)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(jì)偏析度的變化規(guī)律正好相反，1#試樣達(dá)到最小值，分別為18.2%和11.1%，隨著向中心方向靠近，統(tǒng)計(jì)偏析度逐漸變大，3#試樣的分別達(dá)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(yán)重。統(tǒng)計(jì)均勻度和統(tǒng)計(jì)偏析度兩者表征的偏析特征基本一致。

同時(shí)，通過對(duì)比各個(gè)試樣，可以看出C 元素的統(tǒng)計(jì)偏析度均大于Mn 元素的，其統(tǒng)計(jì)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(xiàn)象較Mn 元素更為嚴(yán)重。

2.3 致密度分析

對(duì)于低合金鋼鐵材料來說，在原位統(tǒng)計(jì)分布分析技術(shù)的基礎(chǔ)上，可以用鐵基體的光譜強(qiáng)度來統(tǒng)計(jì)不同位置處的表觀致密度。根據(jù)單次放電鐵元素光譜信號(hào)的強(qiáng)度與單次放電發(fā)生在致密位置處時(shí)其鐵光譜強(qiáng)度的比值可以得出近似于該位置處的表觀致密度。對(duì)試樣上所得到的數(shù)以萬計(jì)不同位置的表觀致密度統(tǒng)計(jì)平均，即為統(tǒng)計(jì)致密度[11]。

三塊試樣的統(tǒng)計(jì)致密度的對(duì)比結(jié)果如圖4 所示。

圖4 鑄坯橫斷面的表觀致密度統(tǒng)計(jì)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(jì)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(jì)致密度為0.8，說明存在一定程度的疏松現(xiàn)象。

3 結(jié)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(xiàn)降低→升高→降低→升高”的趨勢(shì)。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(nèi)C 含量達(dá)到最高值，這與此處為混晶區(qū)組織有關(guān)。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(chǎn)生的負(fù)壓作用，使富集溶質(zhì)的液相被吸入芯部，C 含量升高。Mn 含量的變化趨勢(shì)與C 含量的基本一致，但波動(dòng)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(jì)偏析度逐漸上升，統(tǒng)計(jì)均勻度逐漸下降，這表明元素的偏析越嚴(yán)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(xiàn)象。