連鑄方坯中心偏析

連鑄方坯中心偏析是指鑄坯中心區域C，Mn，P和S等溶質元素的不均勻分布，在鑄坯橫剖面上表現為鑄坯中心處溶質元素的濃度出現峰值，而在兩邊濃度最低；在鑄坯縱剖面上則以V形偏析、U形偏析、點狀偏析、線狀偏析以及縮孔等表觀形態存在，溶質元素沿中心線呈近似周期性波動。

引言

通常，連鑄方坯中心偏析不足以影響終極產品的質量，是答應存在的。但在某些鋼種如含碳量較高的硬線、鋼簾線鋼種及對C，Mn，S偏析敏感的抗氫致開裂管線鋼種等的情況下，中心偏析則會影響終極產品的質量和加工性能，是一種典型的鑄坯內部缺陷。隨著連鑄方坯鋼種檔次的不斷進步，鑄坯中心偏析的題目也日益突出。

鄰近凝固終了的粘稠狀區域內，晶間富集溶質元素的液體活動和固體漂移是引起中心偏析的根本原因。與板坯相比，連鑄方坯的液芯末端比較狹長，輕易產生“搭橋”而形成“小鋼錠”現象，因此連鑄方坯中心偏析的形成機理與板坯有所不同，偏析的形態也有所區別。V型偏析是連鑄方坯最常見的中心偏析，在這方面所作的研究也相對較多。有兩種不同的V型偏析。一種以等軸晶結構形式出現，裡面含有很多偏析“通道”密布在一起，被稱之為“密布型”V偏析。此類V型偏析的成因被解釋為：等軸晶形成了一骨骼，它在因凝固收縮而不斷增加的負壓的作用下被壓碎，然後，來自晶間富集溶質元素的液體被吸收來補充凝固收縮，從而在被壓碎的骨骼碎晶之間形成了很多偏析“通道”的“密布型”V偏析。另一種則主要以柱狀晶形式出現，為單一的大型的V偏析。此類V型偏析的成因則被解釋為：兩邊向內推進的凝固前沿之間產生了“搭橋”現象，並漸漸長大，終極阻隔了液體向下傳送。這意味著“橋”下面區域的液體將要在沒有新的液體補充情況下凝固，於是，凝固和冷卻收縮將在“橋”下產生孔***或很多微小通道（“小鋼錠”成因），晶間富集溶質元素的液體將被向下、向中心吸收，形成了“單個大型”V偏析。顯然，消除“單個大型”V偏析、抑制“密布型”V偏析是減少方坯中心偏析的主要著手點。

鑄坯中心偏析與拉速、過熱度等工藝參數及鋼種條件有關，同時也與鑄機的設計有關。通過鑄機的公道設計、藉助於某些輔助手段可以將中心偏析控制在答應的範圍之內,如：為了破碎或抑制柱狀晶的生長，更多地產生等軸晶，以利於將V型偏析的結構形式由大型單一轉變為細小密布型，引進了各種位置上的電磁攪拌（EMS）技術；為了消除凝固收縮引起的中心區域空隙，避免富集溶質的殘餘液相補縮現象的發生，引進了機械應力輕壓下和熱應力壓下技術等。可以說，鑄機設計的公道與否、上述輔助手段選擇是否恰當，決定了方坯中心偏析的總體水平。

形成原因

產生中心偏析的根源是選分結晶。重軌鋼澆鑄時，存在柱狀晶強烈增長的趨勢，而在柱狀晶長大過程中，由於選分結晶，凝固前沿產生富集雜質元素的偏析層，其熔點低，當結晶速度減少到某一臨界值時，出現組成過冷區，結晶將越過偏析層，躍進到溫度較高但實際過冷度較大的成分未變的鋼水中進行，當熔體溫度達到偏析層母液的凝固點時，便使其凝固，形成偏析。

另一方面，由於柱狀晶的增長，易形成枝晶“搭橋”，使上部鋼水因受晶橋阻隔而不能對下部凝固收縮進行及時補充，到了凝固末期，由於液相向固相的轉變，伴隨著體積收縮或產生鑄坯鼓肚，致使柱狀晶枝晶間富集溶質的殘液向中心流動從而形成中心偏析。

電磁攪拌

根據攪拌位置的不同，電磁攪拌分為結晶器電磁攪拌（MEMS）、二冷電磁攪拌（SEMS）以及凝固末端電磁攪拌（FEMS）。

由於MEMS在改善鑄坯的表面質量和內部質量方面都有出色的實績，因此近年來倍受一些方坯連鑄機的青睞。實踐證實，MEMS對於促進“結晶雨”的形成、增加等軸晶區域、減少中心巨觀偏析有著明顯的作用。有人對比了使用和不使用MEMS的效果，不使用MEMS時，凝固組織僅有柱狀晶區且V偏析形式是“小鋼錠”模式下的單個大型V偏析，V偏析之間的間隔通常超過120mm；使用MEMS時，柱狀晶區長度減小，V偏析的間隙距縮短至20～30mm，等軸晶區比例增加，占10%～50%，同時，V偏析的形式也由單個大型轉變為接近於密布型[1]。圖1反映了MEMS對進步等軸晶率的明顯作用[2]。

SEMS的攪拌恰好在柱狀晶強勁生長的區域，對均勻液芯成分與溫度、破碎或抑制柱狀晶的生長也有一定的作用，特別是在與MEMS或/和FEMS聯合使用的情況下[2～4]。圖2對比了在大方坯連鑄高碳鋼的情況下，沒有EMS、只有SEMS以及SEMS+FEMS時鑄坯中心C偏析程度。由於SEMS工作條件比較惡劣，設備維護困難，加之使用效果也不夠穩定，有時甚至還會出現負面效果，因此其投進率受到了影響。在新建的方坯連鑄機中，SEMS較少採用。

FEMS的攪拌發生在凝固末整個糊狀區，通常對均勻殘餘液相的成分與溫度、抑制“搭橋”現象的產生有明顯的作用。FEMS位置的選擇十分關鍵，直接影響到其使用效果，一般設定在固相率fs為0.4～0.7區間內。假如凝固末端位置計算正確、FEMS位置選定合適加上連鑄工藝條件穩定，FEMS能夠有效地減少V型偏析和縮孔的產生[3、4]。假如FEMS與MEMS或/和SEMS聯合使用，對減少中心偏析的作用將更加明顯。有國外EMS廠商推薦，在寶鋼方坯連鑄機所用鋼種的條件下，MEMS+FEMS是比較理想的配置。

關於EMS的作用目前尚有不同的熟悉，在某些情況下EMS效果欠佳，甚至還有一些關於EMS負面作用的文獻報導。可以說，EMS在方坯連鑄套用方面的研究還有很長的路要走，目前單純依靠EMS尚難將中心偏析控制在一個理想的水平上。

機械應力壓下

可以構想，假如在鄰近凝固終了的粘稠狀區位置上對鑄坯施加一個外力，阻止其中心區域因凝固收縮而產生空***，並力圖形成一定的正壓以防止晶間富集溶質元素的殘液流向中心區域，那么，包括V偏析在內的各類中心偏析就可以得到有效的控制。在此思想上，產生了所謂的機械應力壓下和熱應力壓下技術。其中，輕壓下（Soft Reduction，以下簡稱SR）是比較經濟、有效和成功的一種機械應力壓下技術。

採用輕壓下技術時壓下量較小，通常在4～8mm之間，但也有大方坯連鑄機輕壓下量達14mm。壓下量的大小對其使用效果影響很大，適當地增加壓下量有利於減少中心偏析，但壓下量過大也會使鑄坯內裂的傾向加劇或使壓下輥損壞[5]。圖3、圖4是J.K.Park和S.H.Chang等人在250mm×330mm大方坯連鑄機上產業試驗的結果，可以看出，總壓下量增大有利於減少中心偏析，卻也帶來了內部裂紋增多的負作用。

此外，壓下率及壓下位置也是SR技術的兩個關鍵參數。通常，壓下位置需通過實驗或數模研究、根據粘稠狀區域的等固相率fs曲線來確定，而壓下量、壓下率則應根據斷面尺寸、鋼種特性、拉速等鑄機工藝參數來確定，以使得輕壓下參數與鑄坯凝固末真箇凝固收縮量、凝固收縮率基本相適應。為此Dr.Manfred、M.Wolf[6]及G.S.Sakaki[7]等人給出了壓下量、壓下率與方坯的寬厚比W/D、連鑄鋼種的臨界斷裂應變εo、兩相區寬度（TL－TS）及拉速V之間的關係公式。浦項的實踐表明，對於含碳量為0.82%的鋼種，250mm×330mm方坯，拉速為0.75m/min的情況下，最佳壓下量為6mm，壓下率為1.2mm/m，壓下位置在fs=0.3～0.8的區域內[5]。採用輕壓下技術後，浦項大方坯的C偏析比由原來的1.6降低到了1.1，P偏析比由原來的3.7降低到1.8，S偏析比由原來的1.5降低到1.25，效果是比較明顯的。SR技術在大方坯連鑄機上套用得較多，而在小方坯連鑄機上極少採用，僅見義大利Valbruna Bolzano一家報導，原因一方面與投資有關，另一方面可能也與小方坯連鑄過程中凝固末端位置不穩定有關。

重壓下（Heavy Reduction）與連續鍛壓（Continuous Forging）是另外兩種機械應力壓下技術，其原理是基本相似的，都是在鄰近凝固末端位置上施加一個更大的壓下量以達到消除中心縮孔、疏鬆和中心偏析的目的。重壓下與連續鍛壓的壓下量都很大，神戶制鐵所3#大方坯連鑄機採用5組大直徑壓下輥進行“重壓下”，總壓下量達20～30mm[8] ；而川崎制鐵的3#大方坯連鑄機則採用連續鍛壓技術，總壓下量更是高達40mm以上[9]。圖5反映了不同重壓條件下300mm×430mm大方坯的中心C偏析情況。可以看出，假如不採用重壓下，最大的中心C偏析可達1.35，均勻中心C偏析達1.17；採用二輥重壓下後，中心偏析明顯改善；採用三輥重壓下後，最大中心C偏析降到了1.05，均勻中心C偏析降到了1.02。套用連續鍛壓技術，川崎制鐵的3#大方坯連鑄機的鑄坯中心縮孔在連續鍛壓之後完全消除，中心區域甚至出現了明顯的負偏析白亮帶。

重壓下和連續鍛壓的主要缺點就是設備龐大、投資與本錢高，因此難以推廣。

熱應力壓下

熱應力壓下TSR（Thermal Soft Reduction）技術也被稱之為二冷強冷技術，其二冷比水量通常在1.5L/kg以上，甚至達到2.5L/kg。它的基本原理是：在鄰近凝固末真箇位置上，對鑄坯表面進行高強度冷卻，致使凝固坯殼向內收縮，產生與機械應力壓下相同的效果。

由於TSR使用效果很大程度上取決於強冷的位置是否合適，因此鑄坯凝固終點位置計算的正確性、連鑄工藝的穩定性是TSR成敗的關鍵。C.M.Raihle等人在小方坯連鑄機上的試驗表明：拉速小於1.3m/min時，使用TSR時的中心偏析明顯比不用TSR時的中心偏析要小，而且當拉速為1.2m/min左右時效果最好，C偏析比可以降到1.12；當拉速超過1.3m/min以後，TSR就失往了效果甚至產生了相反的作用，圖6所示。這一現象被解釋為：當TSR區域正好將凝固終點包含在內時，中心偏析明顯減小；反之，假如凝固終點落在TSR區域之後，則中心偏析反而更加嚴重[1]。

TSR的優點是投資少，不象機械應力壓下那樣需要很大的設備投進。同時，其占地面積小有利於與其它冶金手段如FEMS等聯合使用，以期取得更好的效果。另一方面，二冷採用強冷方式也會帶來一些負面影響，如出現鑄坯內外裂紋發生率增加、進矯直區鑄坯表面溫度偏低等題目。

需要特別指出的是，TSR的使用還受到鑄坯斷面尺寸的限制。一般以為，對於140mm×140mm以下的小方坯，TSR的效果比較明顯；而對於140mm×140mm以上的方坯，靠表面強冷所產生的收縮應力將很難驅使凝固坯殼向內收縮，TSR的作用也將迅速減弱。因此，TSR技術比較適用於一些生產高碳鋼種的小方坯連鑄機。

鑄坯斷面的影響

單純從選分結晶角度來看，斷面小則中心偏析的傾向也小，加上各類EMS和TSR技術的套用，使連鑄小方坯中心偏析狀況得到了不斷的改進，即使是高碳鋼種，連鑄小方坯中心C偏析也能控制在1.1左右。因此，現在有越來越多的線材鋼種轉向用連鑄小方坯生產。儘管如此，國外一些著名鋼廠卻仍堅持用大斷面方坯連鑄機來生產對中心偏析有嚴格限制的高碳鋼種，實際結果也證實由這種大方坯軋成的小方坯內部質量有著明顯的上風，其中心C偏析比可控制在1.05以內。出現這一結果不能簡單地回功於軋制過程中的偏析區域壓縮以及再加熱過程中偏析元素的擴散均化，事實上，還與大方坯連鑄工藝特點有關。

首先，大方坯連鑄過程中工藝參數比較穩定，有利於藉助末端冶金技術減少中心偏析。無論是FEMS、TSR還是SR、重壓下，其效果都與工作位置是否適當密切相關。由於工作位置基本上是固定的，目前尚難以實現真正的動態控制，因此，在連澆過程中各種工藝參數基本穩定、凝固終點位置的基本不變是至關重要的。大方坯連鑄生產中各類“變數”少，工藝參數輕易保持穩定甚至恆定，而小方坯連鑄要做到這一點則相對困難。另一方面，對質量的追求是無止境的，上述鋼廠都採用了多項末端冶金設備以進一步減少中心偏析，進步鑄坯內部質量，典型的組合就是FEMS+SR。不同的末端冶金技術的最佳工作位置固然有所不同，卻都擠在凝固末真箇粘稠狀區間內。連鑄大方坯時粘稠狀區間長，具備了同時布置FEMS+SR設備的條件；而連鑄小方坯時粘稠狀區間短，因此存在著設備布置空間方面的困難，比較經濟公道的組合是FEMS+TSR。

大方坯連鑄還在過熱度控制方面有著明顯的上風，中間包鋼水均勻過熱度可以穩定地保持在20℃以下，有的大斷面方坯連鑄機的均勻過熱度甚至達到15℃以下。相比之下，小方坯連鑄的鋼水過熱度偏高且波動較大。小方坯連鑄生產中，中間包鋼水過熱度均勻能保持在25～30℃之內就已屬不易了，很難實現穩定的低過熱度澆注。過熱度對連鑄方坯中心偏析有不可忽視的影響。高的過熱度有利於柱狀晶的生長和單個大型V偏析的形成，加劇了鑄坯中心偏析傾向，因此，低過熱度澆注是抑制中心偏析的重要措施。

此外，斷面大，拉速低，因此夾雜物上浮的機會多。國外某些大斷面的方坯連鑄機不但拉速低，而且還保持立彎式甚至立式機型，這就為鋼液中非金屬夾雜物的上浮排除提供了更多的機會，有利於改善鋼的純淨度，減少夾雜物在中心區域的聚集。

總之，由於一些末端冶金技術的成功套用及其低過熱度、低拉速的工藝特點，連鑄大方坯的中心偏析可以控制在很小的範圍內，由此軋成的小方坯與連鑄小方坯相比，至少在內部質量方面是有其優越性的。

結束語

寶鋼高線用坯目前很大一部分仍由模鑄生產，這一落後工藝的淘汰已是勢在必行，取而代之的將是連鑄坯。有兩種工藝路徑可以用來生產寶鋼高線用坯，即小方坯工藝路徑和大方坯工藝路徑。兩者對比，“小方坯路徑”在投資與本錢方面上風是顯而易見的，而“大方坯路徑”的優越性則體現在高碳鋼情況下的鑄坯內部質量方面。究竟選定何種路徑，應取決寶鋼高線的產品定位，以及鋼簾線、彈簧鋼絲等對中心偏析要求嚴格的高碳鋼種所占的比重。筆者僅從鑄坯內部質量角度出發，對擬建中的方坯連鑄機應配備的技術、設備提出以下想法：

假如選定“小方坯路徑”，則連鑄機可採用MEMS+FEMS+TSR三種技術組合，斷面應不超過140mm×140mm，以保證TSR技術的效果。選用這樣的“配置”，連鑄小方坯的中心偏析也可能控制在較低的水平上，有些設計商提出的保證值為C/Co<1.1，可以滿足寶鋼高線盡大部分鋼種（包括較低級別的鋼簾線鋼）的一般質量要求。當然，設計保證值總是有條件的，要求生產、工藝和設備狀態都十分穩定，這在高級硬線用小方坯連鑄的大產業生產中難度較大，往往難以實現預定的目標，有可能因此影響公司的效益，並造成市場上的被動。

假如選定“大方坯路徑”，則MEMS+SR（或FEMS）技術組合是比較理想和成熟的，考慮到後工序情況斷面可取在(200～230)mm×(200～230)mm之間。連鑄大方坯軋成小方坯後，中心偏析可以控制在1.05以內，有利於開發更高級別的高碳線材鋼種，如高級別的鋼簾線鋼種等，擠身國內外高附加值、高技術含量產品市場的競爭行列。假如能將寶鋼在鋼水質量、“大方坯路徑”工藝以及高線裝備水平三方面的上風發揮出來，相信寶鋼高線產品在市場上將是有強勁競爭力。