連鑄坯低倍結構

由于二冷區(qū)冷卻的不均勻性導致柱狀晶的不穩(wěn)定生長，在鑄坯縱斷面中心常常出現(xiàn)每隔5～10cm有規(guī)則的凝固橋，并伴隨有疏松和縮孔(尤其是小方坯)形成，被稱為“小鋼錠凝固結構”(m_in_i-ingot)。

它的形成過程如圖2所示。圖中1為柱狀晶規(guī)則生長;2為柱狀晶不穩(wěn)定生長，導致局部區(qū)域柱狀晶優(yōu)先生長;3為在某一局部區(qū)域兩邊相對生長的柱狀晶相連接，或者等軸晶的下沉，被柱狀晶捕集而形成搭橋;4為液相穴鋼液被凝固橋隔開，橋下面的殘余鋼液凝固時要收縮，得不到上面鋼水的補充而形成疏松和縮孔，并伴隨有嚴重的中心偏析的區(qū)域;5為鋼液完全凝固。小方坯鑄坯凝固結構中m_in_i-ingot的形成，加劇了溶質元素(S、P、Mn、C)的中心偏析，在熱加工或熱處理時，導致不均勻的轉變產物，會產生脆性和斷裂，這對于鑄坯用于軋制棒、絲產品是一個特殊問題。

鑄坯縱斷面的中心等軸晶區(qū)，在硫印圖上還可觀察到V形偏析區(qū)，有時把這種偏析叫做半宏觀偏析，它會在產品上形成點狀的中心偏析。其形成過程如圖3所示。

圖中1區(qū);柱狀晶生長，在凝固前沿的晶體迅速消失，使過熱度消除。2區(qū)液相穴處于過冷狀態(tài)，自由等軸晶可以在液體中存在，并沿凝固前沿下沉;3區(qū)柱狀晶開始向等軸晶過渡，在兩相區(qū)含有由對流運動帶來的自由晶體作為核心，等軸晶生長;4區(qū)中心區(qū)液體成為糊狀;5區(qū)中心區(qū)的糊狀液體失去流動性，樹枝晶間液體開始滲漏;6區(qū)開始出現(xiàn)偏析通道;7區(qū)糊狀液體沿中心通道流動;8區(qū)中心殘余液相完全凝固。從圖中的3區(qū)到7區(qū)可稱做鑄坯中心區(qū)的區(qū)域凝固時間。碳含量越高，兩相區(qū)越寬，區(qū)域凝固時間越長，形成中心偏析越嚴重。板坯鼓肚變形也會把最后凝固階段的濃化鋼液抽引到板坯中心而形成中心偏析。

連鑄坯的低倍結構與鋼錠的相比無本質差別，也是由3區(qū)組成(見圖1)：

(1)表面細小等軸晶(激冷層)。厚度約2～5mm，它是在結晶器彎月面處最快冷卻速度(100℃/s)下形成的，澆注溫度高時薄一些，澆注溫度低時厚一些。

(2)柱狀晶區(qū)。從縱斷面看，柱狀晶并不完全垂直于鑄坯表面而是向上傾斜一定角度(如10°)，這說明在液相穴內的凝固前沿有向上的液體流動。從橫斷面看，樹枝晶呈竹林狀，即柱狀晶的發(fā)展是不規(guī)則的，在某些部位可能會貫穿鑄坯中心形成穿晶結構。對于弧形連鑄，其鑄坯低倍結構具有不對稱性。由于重力作用液相穴內晶體下沉阻止了外弧側柱狀晶生長，故內弧側柱狀晶比外弧側要長，以致鑄坯內裂紋常集中在內弧側。

(3)中心等軸晶區(qū)。樹枝晶較粗大無規(guī)則排列，中心區(qū)有可見的不致密的縮孔和疏松。雖然連鑄坯的低倍結構與鋼錠的無本質上的差別，但也不盡相同。首先是連鑄坯液相穴很長，鋼水補縮不好易產生中心疏松和縮孔;其次，鑄坯在二冷區(qū)接受噴水冷卻，坯殼溫度梯度大，柱狀晶發(fā)達，但冷卻速度快，樹枝晶較細。

連鑄坯低倍結構是經歷了兩個階段的凝固形成的。

第一階段，鋼水在結晶器內形成初生坯殼。鋼水澆入水冷結晶器，在彎月面很快形成了一定厚度的初生坯殼，隨著坯殼厚度的繼續(xù)生長，高溫坯殼發(fā)生δ→γ的相變，坯殼向內收縮脫開銅壁，而鋼水靜壓力的作用又使坯殼向外鼓脹，當坯殼的收縮力與鋼水的鼓脹力處于平衡狀態(tài)時，在坯殼與銅壁之間形成了氣隙，使熱阻增加，傳熱減慢，凝固速度降低。不同研究者指出，氣隙熱阻占整個結晶器傳熱熱阻的70%～90%。要提高結晶器傳熱能力，重要的就是改善氣隙傳熱，而改善氣隙傳熱主要從結晶器設計和工藝操作兩方面著手。結晶器合適的材質、長度、厚度、錐度以及良好的保護渣，合適的水縫尺寸和水的流速以及良好的水質等，對改善結晶器傳熱，增加坯殼厚度是非常重要的。

第二階段，在二冷區(qū)凝固殼穩(wěn)定生長。結晶器內約有20%鋼水凝固，帶有液芯的坯殼從結晶器拉出來進入二冷區(qū)接受噴水冷卻，噴霧水滴在鑄坯表面帶走大量熱量，使表面溫度降低，這樣在鑄坯表面和中心之間形成了大的溫度梯度。垂直于鑄坯表面散熱最快，使樹枝晶平行生長而形成了柱狀晶。同時在液相穴內的固液交界面的樹枝晶被液體的強制對流運動而折斷，打碎的樹枝晶一部分可能重新熔化，加速了過熱度的消失，另一部分晶體可能下落到液相穴底部，作為等軸晶的核心而形成等軸晶。鑄坯在二冷區(qū)的凝固直到柱狀晶生長與沉積在液相穴底部的等軸晶相連接為止，此時鑄坯就完全凝固，構成了鑄坯的凝固結構，即低倍結構。

連鑄坯的低倍結構既影響鋼的加工性能也影響其機械性能，而等軸晶和柱狀晶這兩種結構對性能影響是不同的。等軸晶結構致密，各個等軸晶彼此互相嵌入，結合牢固，加工性能較好，鋼材機械性能呈各向同性;而柱狀晶的缺點是：柱狀晶間偏析較嚴重，熱變形后使組織具有帶狀特性(纖維狀組織)，使鋼的力學性能具有明顯的方向性。在柱狀晶的交界面，由于硫、磷等雜質的富集，構成了薄弱面，是裂紋容易擴展的地方，加工時易脆裂。柱狀晶充分發(fā)展，會在鑄坯中形成穿晶結構，造成中心疏松和縮孔，降低了致密度。連鑄坯柱狀晶發(fā)達，這是由連鑄的冷卻過程決定的。在連鑄坯凝固過程中，抑制柱狀晶生長而擴大中心等軸晶區(qū)，是改善連鑄坯質量的一個重要任務。常用的技術措施有：

(1)控制鋼水過熱度。澆注溫度高有利于柱狀晶生長;澆注溫度低能提供大量的晶核，較早的阻止柱狀晶生長而導致大的等軸晶區(qū)。因此接近鋼的液相線溫度澆注是擴大等軸晶區(qū)的有效手段。但是澆注溫度太低易使凍結水口。一般控制鋼水過熱度20～30℃為宜。

(2)采用電磁攪拌(EMS)。連鑄電磁攪拌器可以安裝在結晶器(M-EMS)、二冷區(qū)(S-EMS)和凝固末端(F-EMS)的位置上?？梢允菃为殧嚢?如M-EMS)，也可以是聯(lián)合攪拌(如M-EMS S-EMS F-EMS)。在電磁力作用下打碎樹枝晶，而樹枝晶的碎片作為等軸晶核心長大而擴大等軸晶區(qū);還可消除柱狀晶的搭橋，以消除中心疏松和縮孔;采用電磁攪拌可消除鑄坯皮下氣孔和皮下針孔，改善鑄坯表面質量;消除皮下夾雜和改善弧形連鑄機內弧夾雜物的集聚，提高鑄坯的潔凈度。

(3)在結晶器內加入形核劑，以增加結晶核心的數(shù)量，擴大等軸晶區(qū)。對形核劑要求是：在鋼液溫度下為固體;在鋼液溫度下不分解為元素而進入鋼中;不上浮而存在于凝固前沿;形核劑盡可能與鋼水潤濕，其晶格類型與金屬晶格相接近，與液體有黏附作用。常用形核劑有Al₂O₃、TiO₂、V₂O₅、AlN、VN、ZrN和ZrO₂等。

(4)在結晶器內加入鐵粉或薄鋼帶等微型冷卻劑，消除鋼水的過熱度，使其在液相線溫度凝固，以增加等軸晶。

(5)在結晶器內噴吹不同尺寸的金屬粉末，或從中間罐內的塞棒加入金屬絲，以吸收過熱度和提供結晶核心，增加等軸晶區(qū)，改善產品性能。如在140mm方坯的結晶器噴入金屬粉量為1%～1.5%，拉速可提高40%～50%，鑄坯等軸晶區(qū)擴大，中心疏松和偏析明顯減少。

(6)控制二冷區(qū)冷卻水量。二冷區(qū)水量大，鑄坯表面溫度低，橫斷面溫度梯度大，有利于柱狀晶生長，柱狀晶區(qū)就寬。降低二冷水量可使柱狀晶寬度減少，等軸晶區(qū)寬度增加。故二冷水量是控制柱狀晶生長的一個積極因素。 2100433B

連鑄坯中心缺陷鑄坯低倍結構形成

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(qū)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(qū)

從縱斷面看，柱狀晶并不是完全垂直于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，由于冷卻的不均勻性柱狀晶的發(fā)展是不規(guī)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(yōu)生長方向：鐵晶體生長的優(yōu)先方向是<100>，當<100>方向垂直于等溫面時，就給<100>方向晶體生長優(yōu)先權而吞并其他方向晶體發(fā)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(qū)接受噴水冷卻，在表面與中心形成大的溫度梯度散熱最快。主軸垂直于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(qū)

在液相穴固液界面，由于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接柱狀晶停止生長而形成等軸晶區(qū)。鑄坯中心區(qū)等軸晶較粗大且呈不規(guī)則排列。有的甚至于無等軸晶而呈柱狀晶穿晶結構（如不銹鋼）。鑄坯中心有不同程度的縮孔疏松和偏析。

連鑄坯中心缺陷鑄坯低倍結構模型

由于二冷區(qū)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(xiàn)每隔5-10cm有規(guī)則的“凝固橋”形成，并伴隨有疏松縮孔和中心宏觀偏析的宏觀結構，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(yōu)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(qū)附近，在硫印圖上還可以觀察到V偏析區(qū)（尤其是高碳鋼），有時把這種偏析現(xiàn)象叫半宏觀偏析。

連鑄坯中心缺陷凝固結構與產品性能

工業(yè)用鋼約75%都要經過熱加工后使用的。而鑄態(tài)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.結構致密，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(fā)達外，一般的鋼都希望得到等軸晶結構的連鑄坯 。

低倍組織是反映連鑄坯(或稱矩形坯)內在質量的一項重要內容，特別是對于優(yōu)質鋼連鑄坯尤為重要，均勻、致密的低倍組織是減少和杜絕鋼材內在缺陷、提高鋼材使用性能的基礎保證。石鋼轉爐廠矩形坯連鑄機自2002年7月投產以后，在連鑄坯低倍組織控制上做了很多積極的探索，取得了較好效果 。

(1)足輥區(qū)采用汽水霧化冷卻方式，使冷卻更為均勻，特別是能夠很好地解決與夾持段冷卻的銜接，是消除皮下裂紋的關鍵因素。

(2)二次冷卻區(qū)噴嘴的霧化狀態(tài)不良甚至堵塞，影響鑄坯低倍質量的穩(wěn)定。

(3)鋼水質量直接影響鑄坯低倍質量的提高。

(4)設備原因引起的外應力作用于鑄坯會對鑄坯低倍的缺陷產生影響。

(5)二冷區(qū)各段冷卻強度的合理銜接是科學配水的基本依據(jù)。