連鑄坯中心缺陷是指從結晶器拉出來帶有液芯的坯殼，在連鑄機內邊傳熱、邊凝固、邊運行而形成很長液相穴的鑄坯（少則幾米多則十幾或二十幾米），由於受凝固、傳熱、傳質和工藝的限制，沿液相穴路徑常常發生鋼水補縮不好，在鑄坯完全凝固後，沿鑄坯軸向（拉坯方向）某些局部區域常常發現疏鬆、縮孔和偏析。
基本介紹
- 中文名：連鑄坯中心缺陷
- 外文名：Casting billet center defects
- 學科：冶金工程
- 領域：冶煉
- 原因：受凝固、傳熱、傳質和工藝的限制
- 包括：疏鬆、縮孔和偏析等
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簡介
根據鋼種和產品用途不同，對連鑄坯中心缺陷有嚴格要求，板坯中心缺陷嚴重會引起中厚板橫向性能尤其是衝擊韌性不合格，管線鋼抵抗，氫脆（HIC）裂紋能力惡化。對於中高碳大方坯軋制棒材或線材產品常常會因中心缺陷嚴重使大方坯低倍檢驗不合格而導致產品合格率降低。因此減輕鑄坯中心缺陷至不使產品產生廢品，這是提高連鑄坯內部質量的一個重要任務。
連鑄坯中心缺陷概念
從結晶器拉出來帶有液芯的坯殼，在連鑄機內邊傳熱、邊凝固、邊運行而形成很長液相穴的鑄坯（少則幾米多則十幾或二十幾米），由於受凝固、傳熱、傳質和工藝的限制，沿液相穴路徑常常發生鋼水補縮不好，在鑄坯完全凝固後，沿鑄坯軸向（拉坯方向）某些局部區域常常發現疏鬆、縮孔和偏析，常稱為中心缺陷。
內部缺陷包括：
1.中心疏鬆
2.中心縮孔
3.中心巨觀偏析
4.V形偏析（半巨觀偏析）
這些缺陷會對軋制產品，尤其是對中厚板性能帶來危害：
1.制對鑄坯中心硫化物夾雜物延伸使橫向性能變壞；
2.板材衝擊韌性下降造成鋼材斷裂；
3.中心偏析易形成低溫轉變產物（馬氏體和硫化物），造成管線鋼氫致裂紋（HIC）；
4.高碳鋼鑄坯中心C、Mn偏析會發生碳化物和馬氏體沉澱，引起抗拔脆斷；
5.鑄坯中心疏鬆和偏析會引起鋼軌呈“S”型斷裂；
6.中心疏鬆縮孔偏析會使合金鋼鑄坯低倍檢驗不合格。
連鑄坯凝固低倍結構
鑄坯低倍結構形成
連鑄坯低倍結構對產品質量有重要影響。鋼是樹枝晶凝固。鑄坯的低倍結構呈樹枝形狀。如果從鑄坯上切取試樣，用硫印或酸浸方法在鑄坯橫斷面或縱斷面上就可顯示內部組織結構，鑄坯低倍結構由三帶組成：
1.激冷層
鋼水澆入水冷結晶器，在彎月面區有高的溫度梯度和快的冷卻速度（>100℃/S），提供極大的過冷度，形成細小等軸晶。其厚度2-5mm。
2.柱狀晶區
從縱斷面看，柱狀晶並不是完全垂直於鑄坯表面而是向上傾一定角度（約10度）這說明液相穴有向上的液體流動。從橫斷面看，樹枝晶呈竹林狀分布，由於冷卻的不均勻性柱狀晶的發展是不規則，有時形成穿晶結構。
形成柱狀晶結構的原因
（1）結晶學上擇優生長方向：鐵晶體生長的優先方向是<100>，當<100>方向垂直於等溫面時，就給<100>方向晶體生長優先權而吞併其他方向晶體發展為柱狀晶。
（2）單方向傳熱：結晶器水平方向散熱最快。鑄坯出結晶器，在二冷區接受噴水冷卻，在表面與中心形成大的溫度梯度散熱最快。主軸垂直於鑄坯表面的晶體以最大凝固速度生長形成了單方向柱狀晶。
3.中心等軸晶區
在液相穴固液界面，由於鋼液對流運動把樹枝晶打斷，一部分熔化加速了過熱度消除，另一部分枝晶下沉到液相穴底部作為等軸晶核心，此時由逐漸結晶過渡到體積結晶，生長的柱狀晶與沉積在液相穴底部等軸晶相連線柱狀晶停止生長而形成等軸晶區。鑄坯中心區等軸晶較粗大且呈不規則排列。有的甚至於無等軸晶而呈柱狀晶穿晶結構（如不鏽鋼）。鑄坯中心有不同程度的縮孔疏鬆和偏析。
鑄坯低倍結構模型
由於二冷區冷卻的不均勻性導致柱狀晶不均勻生長，在鑄坯中心常出現每隔5-10cm有規則的“凝固橋”形成，並伴隨有疏鬆縮孔和中心巨觀偏析的巨觀結構，叫“mini-ingot”結構。它形成如下：
1.“小鋼錠”(Mini-ingot)凝固模型
2.柱狀晶均勻生長
3.某些柱狀晶優先生長
4.柱狀晶搭接成“橋”
5.橋下鋼液凝固產生縮孔
6.形成低倍結構
7.鑄坯凝固中心流動模型
在鑄坯縱斷面中心等軸晶區附近，在硫印圖上還可以觀察到V偏析區（尤其是高碳鋼），有時把這種偏析現象叫半巨觀偏析。
凝固結構與產品性能
工業用鋼約75%都要經過熱加工後使用的。而鑄態的等軸晶和柱狀晶既影響鋼的熱加工性能也影響鋼力學性能，然而它的影響程度是不一樣的。等軸晶的特點：
1.結構緻密，各個等軸晶彼此相互嵌入結合牢固；
2.熱加工性能好；
3.材力學性呈各向同性。
因此，除了某些特殊用途產品如電工鋼，汽輪葉片外等，為改善磁性，耐磨、耐腐蝕性能而要柱狀晶發達外，一般的鋼都希望得到等軸晶結構的連鑄坯。
鑄坯中心缺陷評價
1.巨觀評級
零級相當於中心結構緻密，5級為中心疏鬆尺寸大且連續。在高過熱度澆鑄時，約80%鑄坯相當於1、2、3級，而20%鑄坯相當於4、5級。
2.中心微孔率
在凝固末端補縮不好，在樹枝晶間產生了顯微孔洞（Microcavities），尤其是在鑄坯中心更為嚴重。可從鑄坯寬面邊上到中心取試樣，加工後，採用超音波（10MHZ）探測鑄坯中孔洞的尺寸（幾個μm－幾百μm）和數量。
3.化學元素分布
從鑄坯橫斷面從內弧到外弧隔一定距離鑽樣，分析C、Si、Mn、S、P元素以表征鑄坯表面至中心的成分差異。從鑄坯縱向軸線剖開沿中心線隔一定距離鑽樣，分析C、Si、Mn、S、P成分，以表征鑄坯中心線區域成分差異。
4.偏析比
連鑄坯巨觀偏析主要表現為鑄坯中心偏析。說明成分均勻無偏析，但鑄坯中心值高，說明元素偏析嚴重。
5.微觀元素分布
元素在微觀範圍內（μm級）分布不均勻（也就是顯微偏析）對鋼的組織與性能有重要影響。採用金相、電鏡檢驗方法來決定樹枝幹和樹枝晶間的元素分布。也可用SEM （Scanning
Electron Microscope）來描述鑄坯或軋材試樣上Mn偏析圖譜，以表征微觀偏析狀況。
高C鋼（C=0.8%）在相同工藝條件下，過熱度7℃比31℃偏析有明顯的改善。
6.碳化物（滲碳體）指數
從方坯邊部、中間和中心處取試樣測定鐵素體、珠光體晶界的碳化物，碳化物增加說明從鑄坯邊緣到中心碳偏析嚴重。熱軋之後軋材中心晶界有滲碳體存在，說明C正偏也存在。
對於高碳鋼（C=0.8%， 220×220mm），如把晶界無滲碳體的指數定為100，鋼水過熱度的差異，對鑄坯中心碳偏析有十分重要影響。
