連鑄坯低倍結(jié)構(gòu)鑄坯低倍結(jié)構(gòu)的控制

連鑄坯的低倍結(jié)構(gòu)既影響鋼的加工性能也影響其機(jī)械性能，而等軸晶和柱狀晶這兩種結(jié)構(gòu)對(duì)性能影響是不同的。等軸晶結(jié)構(gòu)致密，各個(gè)等軸晶彼此互相嵌入，結(jié)合牢固，加工性能較好，鋼材機(jī)械性能呈各向同性;而柱狀晶的缺點(diǎn)是：柱狀晶間偏析較嚴(yán)重，熱變形后使組織具有帶狀特性(纖維狀組織)，使鋼的力學(xué)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(zhì)的富集，構(gòu)成了薄弱面，是裂紋容易擴(kuò)展的地方，加工時(shí)易脆裂。柱狀晶充分發(fā)展，會(huì)在鑄坯中形成穿晶結(jié)構(gòu)，造成中心疏松和縮孔，降低了致密度。連鑄坯柱狀晶發(fā)達(dá)，這是由連鑄的冷卻過(guò)程決定的。在連鑄坯凝固過(guò)程中，抑制柱狀晶生長(zhǎng)而擴(kuò)大中心等軸晶區(qū)，是改善連鑄坯質(zhì)量的一個(gè)重要任務(wù)。常用的技術(shù)措施有：

(1)控制鋼水過(guò)熱度。澆注溫度高有利于柱狀晶生長(zhǎng);澆注溫度低能提供大量的晶核，較早的阻止柱狀晶生長(zhǎng)而導(dǎo)致大的等軸晶區(qū)。因此接近鋼的液相線溫度澆注是擴(kuò)大等軸晶區(qū)的有效手段。但是澆注溫度太低易使凍結(jié)水口。一般控制鋼水過(guò)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(jié)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?dú)攪拌(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(zhǎng)大而擴(kuò)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(zhì)量;消除皮下夾雜和改善弧形連鑄機(jī)內(nèi)弧夾雜物的集聚，提高鑄坯的潔凈度。

(3)在結(jié)晶器內(nèi)加入形核劑，以增加結(jié)晶核心的數(shù)量，擴(kuò)大等軸晶區(qū)。對(duì)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(jìn)入鋼中;不上浮而存在于凝固前沿;形核劑盡可能與鋼水潤(rùn)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(jié)晶器內(nèi)加入鐵粉或薄鋼帶等微型冷卻劑，消除鋼水的過(guò)熱度，使其在液相線溫度凝固，以增加等軸晶。

(5)在結(jié)晶器內(nèi)噴吹不同尺寸的金屬粉末，或從中間罐內(nèi)的塞棒加入金屬絲，以吸收過(guò)熱度和提供結(jié)晶核心，增加等軸晶區(qū)，改善產(chǎn)品性能。如在140mm方坯的結(jié)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(kuò)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(zhǎng)，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(zhǎng)的一個(gè)積極因素。 2100433B

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(shí)把這種偏析叫做半宏觀偏析，它會(huì)在產(chǎn)品上形成點(diǎn)狀的中心偏析。其形成過(guò)程如圖3所示。

圖中1區(qū);柱狀晶生長(zhǎng)，在凝固前沿的晶體迅速消失，使過(guò)熱度消除。2區(qū)液相穴處于過(guò)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(guò)渡，在兩相區(qū)含有由對(duì)流運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的自由晶體作為核心，等軸晶生長(zhǎng);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(dòng)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(dòng);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(shí)間。碳含量越高，兩相區(qū)越寬，區(qū)域凝固時(shí)間越長(zhǎng)，形成中心偏析越嚴(yán)重。板坯鼓肚變形也會(huì)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。

由于二冷區(qū)冷卻的不均勻性導(dǎo)致柱狀晶的不穩(wěn)定生長(zhǎng)，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(jié)構(gòu)”(m_in_i-ingot)。

它的形成過(guò)程如圖2所示。圖中1為柱狀晶規(guī)則生長(zhǎng);2為柱狀晶不穩(wěn)定生長(zhǎng)，導(dǎo)致局部區(qū)域柱狀晶優(yōu)先生長(zhǎng);3為在某一局部區(qū)域兩邊相對(duì)生長(zhǎng)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(shí)要收縮，得不到上面鋼水的補(bǔ)充而形成疏松和縮孔，并伴隨有嚴(yán)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(jié)構(gòu)中m_in_i-ingot的形成，加劇了溶質(zhì)元素(S、P、Mn、C)的中心偏析，在熱加工或熱處理時(shí)，導(dǎo)致不均勻的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，會(huì)產(chǎn)生脆性和斷裂，這對(duì)于鑄坯用于軋制棒、絲產(chǎn)品是一個(gè)特殊問(wèn)題。

連鑄坯低倍結(jié)構(gòu)是經(jīng)歷了兩個(gè)階段的凝固形成的。

第一階段，鋼水在結(jié)晶器內(nèi)形成初生坯殼。鋼水澆入水冷結(jié)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(zhǎng)，高溫坯殼發(fā)生δ→γ的相變，坯殼向內(nèi)收縮脫開銅壁，而鋼水靜壓力的作用又使坯殼向外鼓脹，當(dāng)坯殼的收縮力與鋼水的鼓脹力處于平衡狀態(tài)時(shí)，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(gè)結(jié)晶器傳熱熱阻的70%～90%。要提高結(jié)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(jié)晶器設(shè)計(jì)和工藝操作兩方面著手。結(jié)晶器合適的材質(zhì)、長(zhǎng)度、厚度、錐度以及良好的保護(hù)渣，合適的水縫尺寸和水的流速以及良好的水質(zhì)等，對(duì)改善結(jié)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(zhǎng)。結(jié)晶器內(nèi)約有20%鋼水凝固，帶有液芯的坯殼從結(jié)晶器拉出來(lái)進(jìn)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(zhǎng)而形成了柱狀晶。同時(shí)在液相穴內(nèi)的固液交界面的樹枝晶被液體的強(qiáng)制對(duì)流運(yùn)動(dòng)而折斷，打碎的樹枝晶一部分可能重新熔化，加速了過(guò)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(zhǎng)與沉積在液相穴底部的等軸晶相連接為止，此時(shí)鑄坯就完全凝固，構(gòu)成了鑄坯的凝固結(jié)構(gòu)，即低倍結(jié)構(gòu)。

連鑄坯的低倍結(jié)構(gòu)與鋼錠的相比無(wú)本質(zhì)差別，也是由3區(qū)組成(見圖1)：

(1)表面細(xì)小等軸晶(激冷層)。厚度約2～5mm，它是在結(jié)晶器彎月面處最快冷卻速度(100℃/s)下形成的，澆注溫度高時(shí)薄一些，澆注溫度低時(shí)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(shuō)明在液相穴內(nèi)的凝固前沿有向上的液體流動(dòng)。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(huì)貫穿鑄坯中心形成穿晶結(jié)構(gòu)。對(duì)于弧形連鑄，其鑄坯低倍結(jié)構(gòu)具有不對(duì)稱性。由于重力作用液相穴內(nèi)晶體下沉阻止了外弧側(cè)柱狀晶生長(zhǎng)，故內(nèi)弧側(cè)柱狀晶比外弧側(cè)要長(zhǎng)，以致鑄坯內(nèi)裂紋常集中在內(nèi)弧側(cè)。

(3)中心等軸晶區(qū)。樹枝晶較粗大無(wú)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(jié)構(gòu)與鋼錠的無(wú)本質(zhì)上的差別，但也不盡相同。首先是連鑄坯液相穴很長(zhǎng)，鋼水補(bǔ)縮不好易產(chǎn)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(dá)，但冷卻速度快，樹枝晶較細(xì)。

連鑄坯中心缺陷鑄坯低倍結(jié)構(gòu)形成

連鑄坯低倍結(jié)構(gòu)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有重要影響。鋼是樹枝晶凝固。鑄坯的低倍結(jié)構(gòu)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(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，鑄坯低倍結(jié)構(gòu)由三帶組成：

1.激冷層

鋼水澆入水冷結(jié)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(guò)冷度，形成細(xì)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(shuō)明液相穴有向上的液體流動(dòng)。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(shí)形成穿晶結(jié)構(gòu)。

形成柱狀晶結(jié)構(gòu)的原因

（1）結(jié)晶學(xué)上擇優(yōu)生長(zhǎng)方向：鐵晶體生長(zhǎng)的優(yōu)先方向是<100>，當(dāng)<100>方向垂直于等溫面時(shí)，就給<100>方向晶體生長(zhǎng)優(yōu)先權(quán)而吞并其他方向晶體發(fā)展為柱狀晶。

（2）單方向傳熱：結(jié)晶器水平方向散熱最快。鑄坯出結(jié)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(zhǎng)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(duì)流運(yùn)動(dòng)把樹枝晶打斷，一部分熔化加速了過(guò)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(shí)由逐漸結(jié)晶過(guò)渡到體積結(jié)晶，生長(zhǎng)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(zhǎng)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(wú)等軸晶而呈柱狀晶穿晶結(jié)構(gòu)（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(jié)構(gòu)模型

由于二冷區(qū)冷卻的不均勻性導(dǎo)致柱狀晶不均勻生長(zhǎng)，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(jié)構(gòu)，叫“mini-ingot”結(jié)構(gòu)。它形成如下：

1.“小鋼錠”(Mini-ingot)凝固模型

2.柱狀晶均勻生長(zhǎng)

3.某些柱狀晶優(yōu)先生長(zhǎng)

4.柱狀晶搭接成“橋”

5.橋下鋼液凝固產(chǎn)生縮孔

6.形成低倍結(jié)構(gòu)

7.鑄坯凝固中心流動(dòng)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(shí)把這種偏析現(xiàn)象叫半宏觀偏析。

連鑄坯中心缺陷凝固結(jié)構(gòu)與產(chǎn)品性能

工業(yè)用鋼約75%都要經(jīng)過(guò)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(xué)性能，然而它的影響程度是不一樣的。等軸晶的特點(diǎn)：

1.結(jié)構(gòu)致密，各個(gè)等軸晶彼此相互嵌入結(jié)合牢固；

2.熱加工性能好；

3.材力學(xué)性呈各向同性。

因此，除了某些特殊用途產(chǎn)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(dá)外，一般的鋼都希望得到等軸晶結(jié)構(gòu)的連鑄坯 。

低倍組織是反映連鑄坯(或稱矩形坯)內(nèi)在質(zhì)量的一項(xiàng)重要內(nèi)容，特別是對(duì)于優(yōu)質(zhì)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(nèi)在缺陷、提高鋼材使用性能的基礎(chǔ)保證。石鋼轉(zhuǎn)爐廠矩形坯連鑄機(jī)自2002年7月投產(chǎn)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(guān)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(zhì)量的穩(wěn)定。

(3)鋼水質(zhì)量直接影響鑄坯低倍質(zhì)量的提高。

(4)設(shè)備原因引起的外應(yīng)力作用于鑄坯會(huì)對(duì)鑄坯低倍的缺陷產(chǎn)生影響。

(5)二冷區(qū)各段冷卻強(qiáng)度的合理銜接是科學(xué)配水的基本依據(jù)。