[科普中国]-连铸坯中心缺陷

简介

根据钢种和产品用途不同，对连铸坯中心缺陷有严格要求，板坯中心缺陷严重会引起中厚板横向性能尤其是冲击韧性不合格，管线钢抵抗，氢脆（HIC）裂纹能力恶化。对于中高碳大方坯轧制棒材或线材产品常常会因中心缺陷严重使大方坯低倍检验不合格而导致产品合格率降低。因此减轻铸坯中心缺陷至不使产品产生废品，这是提高连铸坯内部质量的一个重要任务1。

连铸坯中心缺陷概念从结晶器拉出来带有液芯的坯壳，在连铸机内边传热、边凝固、边运行而形成很长液相穴的铸坯（少则几米多则十几或二十几米），由于受凝固、传热、传质和工艺的限制，沿液相穴路径常常发生钢水补缩不好，在铸坯完全凝固后，沿铸坯轴向（拉坯方向）某些局部区域常常发现疏松、缩孔和偏析，常称为中心缺陷。

内部缺陷包括：

1.中心疏松

2.中心缩孔

3.中心宏观偏析

4.V形偏析（半宏观偏析）

这些缺陷会对轧制产品，尤其是对中厚板性能带来危害：

1.制对铸坯中心硫化物夹杂物延伸使横向性能变坏；

2.板材冲击韧性下降造成钢材断裂；

3.中心偏析易形成低温转变产物（马氏体和硫化物），造成管线钢氢致裂纹（HIC）；

4.高碳钢铸坯中心C、Mn偏析会发生碳化物和马氏体沉淀，引起抗拔脆断；

5.铸坯中心疏松和偏析会引起钢轨呈“S”型断裂；

6.中心疏松缩孔偏析会使合金钢铸坯低倍检验不合格2。

连铸坯凝固低倍结构铸坯低倍结构形成连铸坯低倍结构对产品质量有重要影响。钢是树枝晶凝固。铸坯的低倍结构呈树枝形状。如果从铸坯上切取试样，用硫印或酸浸方法在铸坯横断面或纵断面上就可显示内部组织结构，铸坯低倍结构由三带组成：

1.激冷层

钢水浇入水冷结晶器，在弯月面区有高的温度梯度和快的冷却速度（>100℃/S），提供极大的过冷度，形成细小等轴晶。其厚度2-5mm。

2.柱状晶区

从纵断面看，柱状晶并不是完全垂直于铸坯表面而是向上倾一定角度（约10度）这说明液相穴有向上的液体流动。从横断面看，树枝晶呈竹林状分布，由于冷却的不均匀性柱状晶的发展是不规则，有时形成穿晶结构。

形成柱状晶结构的原因

（1）结晶学上择优生长方向：铁晶体生长的优先方向是，当方向垂直于等温面时，就给方向晶体生长优先权而吞并其他方向晶体发展为柱状晶。

（2）单方向传热：结晶器水平方向散热最快。铸坯出结晶器，在二冷区接受喷水冷却，在表面与中心形成大的温度梯度散热最快。主轴垂直于铸坯表面的晶体以最大凝固速度生长形成了单方向柱状晶。

3.中心等轴晶区

在液相穴固液界面，由于钢液对流运动把树枝晶打断，一部分熔化加速了过热度消除，另一部分枝晶下沉到液相穴底部作为等轴晶核心，此时由逐渐结晶过渡到体积结晶，生长的柱状晶与沉积在液相穴底部等轴晶相连接柱状晶停止生长而形成等轴晶区。铸坯中心区等轴晶较粗大且呈不规则排列。有的甚至于无等轴晶而呈柱状晶穿晶结构（如不锈钢）。铸坯中心有不同程度的缩孔疏松和偏析。

铸坯低倍结构模型由于二冷区冷却的不均匀性导致柱状晶不均匀生长，在铸坯中心常出现每隔5-10cm有规则的“凝固桥”形成，并伴随有疏松缩孔和中心宏观偏析的宏观结构，叫“mini-ingot”结构。它形成如下：

1.“小钢锭”(Mini-ingot)凝固模型

2.柱状晶均匀生长

3.某些柱状晶优先生长

4.柱状晶搭接成“桥”

5.桥下钢液凝固产生缩孔

6.形成低倍结构

7.铸坯凝固中心流动模型

在铸坯纵断面中心等轴晶区附近，在硫印图上还可以观察到V偏析区（尤其是高碳钢），有时把这种偏析现象叫半宏观偏析。

凝固结构与产品性能工业用钢约75%都要经过热加工后使用的。而铸态的等轴晶和柱状晶既影响钢的热加工性能也影响钢力学性能，然而它的影响程度是不一样的。等轴晶的特点：

1.结构致密，各个等轴晶彼此相互嵌入结合牢固；

2.热加工性能好；

3.材力学性呈各向同性。

因此，除了某些特殊用途产品如电工钢，汽轮叶片外等，为改善磁性，耐磨、耐腐蚀性能而要柱状晶发达外，一般的钢都希望得到等轴晶结构的连铸坯3。

铸坯中心缺陷评价1.宏观评级

零级相当于中心结构致密，5级为中心疏松尺寸大且连续。在高过热度浇铸时，约80%铸坯相当于1、2、3级，而20%铸坯相当于4、5级。

2.中心微孔率

在凝固末端补缩不好，在树枝晶间产生了显微孔洞（Microcavities），尤其是在铸坯中心更为严重。可从铸坯宽面边上到中心取试样，加工后，采用超声波（10MHZ）探测铸坯中孔洞的尺寸（几个μm－几百μm）和数量。

3.化学元素分布

从铸坯横断面从内弧到外弧隔一定距离钻样，分析C、Si、Mn、S、P元素以表征铸坯表面至中心的成分差异。从铸坯纵向轴线剖开沿中心线隔一定距离钻样，分析C、Si、Mn、S、P成分，以表征铸坯中心线区域成分差异。

4.偏析比

连铸坯宏观偏析主要表现为铸坯中心偏析。说明成分均匀无偏析，但铸坯中心值高，说明元素偏析严重。

5.微观元素分布

元素在微观范围内（μm级）分布不均匀（也就是显微偏析）对钢的组织与性能有重要影响。采用金相、电镜检验方法来决定树枝干和树枝晶间的元素分布。也可用SEM （Scanning

Electron Microscope）来描述铸坯或轧材试样上Mn偏析图谱，以表征微观偏析状况。

高C钢（C=0.8%）在相同工艺条件下，过热度7℃比31℃偏析有明显的改善。

6.碳化物（渗碳体）指数

从方坯边部、中间和中心处取试样测定铁素体、珠光体晶界的碳化物，碳化物增加说明从铸坯边缘到中心碳偏析严重。热轧之后轧材中心晶界有渗碳体存在，说明C正偏也存在。

对于高碳钢（C=0.8%， 220×220mm），如把晶界无渗碳体的指数定为100，钢水过热度的差异，对铸坯中心碳偏析有十分重要影响2。