鎮(zhèn)靜鋼鋼錠鋼錠質(zhì)量與缺陷

合格的鎮(zhèn)靜鋼鋼錠除化學(xué)成分必須保證符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求外，還應(yīng)滿足：（1）達(dá)到規(guī)定澆高，頭部一次縮孔呈碟形，不深入到鋼錠本體；（2）成分偏析小，非金屬夾雜少；（3）鋼中氣體含量少，鋼錠無(wú)皮下氣泡和內(nèi)部氣泡；（4）鋼錠表面質(zhì)量好，無(wú)表面缺陷或雖有缺陷可通過(guò)修磨或火焰清理消除。

鎮(zhèn)靜鋼鋼錠缺陷分內(nèi)部缺陷和表面缺陷兩類。內(nèi)部缺陷有縮孔、疏松、偏析、裂紋、非金屬夾雜等，這類缺陷往往只能在開(kāi)坯和軋制成材之后通過(guò)低倍檢驗(yàn)才能判定；表面缺陷有裂紋、結(jié)疤、翻皮、重接、夾渣等，在鋼錠精整時(shí)即可發(fā)現(xiàn)，輕者可通過(guò)清理消除。鋼錠的缺陷可通過(guò)確定合理的工藝制度和嚴(yán)格的技術(shù)操作加以防止或減輕。

激冷層由無(wú)取向的細(xì)小等軸晶組成。注入模內(nèi)的鋼水受到模壁的激冷，表層鋼水獲得較大的過(guò)冷度，在這里雜質(zhì)及粗糙的模壁都可成為現(xiàn)成的結(jié)晶核心，幾乎同時(shí)形成大量的晶核，彼此妨礙各自的長(zhǎng)大，因而得到不同取向的細(xì)小等軸晶帶。其厚度通常為幾毫米到十幾毫米。激冷層形成后，熱阻增加，熱流減小，特別是鋼錠與模壁間形成氣隙后，未凝鋼水的散熱強(qiáng)度顯著降低。此時(shí)鋼水的過(guò)熱熱量和結(jié)晶潛熱主要通過(guò)凝固層傳出，發(fā)生向模壁的定向傳熱。

由于晶體長(zhǎng)大所需要的過(guò)冷比形核要小得多，于是結(jié)晶表現(xiàn)為已有晶核的繼續(xù)長(zhǎng)大。激冷層的內(nèi)緣，樹枝晶的一次軸朝著不同的方向，其中一次軸與模壁垂直的晶體，通過(guò)它散熱路徑最短，散熱最快，加之該處凝固前沿略為突出，離成分未變鋼水最近，過(guò)冷降低較小，所以這些晶體向錠心的長(zhǎng)大得到優(yōu)先發(fā)展，而其余的晶體和向其他方向的長(zhǎng)大則受到彼此的妨礙而被抑制。于是，在細(xì)小等軸晶帶之后，形成迎著熱流生長(zhǎng)的有明顯方向性的柱狀晶帶。受凝固前沿自然對(duì)流下降流股的影響，柱狀晶略為上傾。柱狀晶帶的寬度因鑄錠條件的不同，可從數(shù)十毫米到數(shù)百毫米。錠心的結(jié)晶過(guò)程至今還不十分清楚。一般認(rèn)為，隨著柱狀晶的發(fā)展，散熱強(qiáng)度逐漸減小，結(jié)晶速度減慢，雜質(zhì)元素（S、P、O等）的偏析過(guò)程得以發(fā)展，在凝固前沿產(chǎn)生富集雜質(zhì)元素的偏析層。

結(jié)晶速度降低到某一臨界值后，出現(xiàn)組成過(guò)冷區(qū)，阻止柱狀晶的繼續(xù)生長(zhǎng)，導(dǎo)致在偏析層前面成分較純、過(guò)冷度較大的鋼水中產(chǎn)生孤立的晶核。錠心的鋼水還存在一定的過(guò)熱度（大型鋼錠凝固情況）時(shí)，通過(guò)柱狀晶的定向傳熱仍很明顯，新的晶核仍然主要是沿大致與模壁垂直的主軸長(zhǎng)大，直至出現(xiàn)新的偏析層。其后，復(fù)又產(chǎn)生新的孤立晶核。這樣便形成等軸晶的過(guò)渡晶帶（或稱分枝柱狀晶帶）。當(dāng)錠心鋼水溫度達(dá)到或稍低于液相線時(shí)，定向傳熱消失，鋼水中的枝晶和非金屬夾雜物質(zhì)點(diǎn)都可成為非自發(fā)形核的晶核，在整個(gè)半凝固狀態(tài)的熔體中同時(shí)向各個(gè)方向長(zhǎng)大，形成無(wú)一定方向的等軸晶。與激冷層相比，因其過(guò)冷度小，晶核數(shù)目少，故晶粒比較粗大，也即形成了錠心粗大的等軸晶帶。對(duì)于大型鋼錠，由于自然對(duì)流較強(qiáng)，沿凝固前沿下降的兩相流達(dá)到鋼錠底部轉(zhuǎn)向時(shí)，把一些孤立的晶體和碎斷的枝晶帶到錠心，沉積成錠心下部的較小等軸晶的圓錐體（或稱沉積錐）。

等軸晶結(jié)構(gòu)致密，各個(gè)枝晶結(jié)合得比較牢固，且成分和結(jié)構(gòu)比較均勻一致，因而強(qiáng)度、塑性和韌性都較高，可加工性好，鋼材性能沒(méi)有明顯的方向性。柱狀晶則不同，它生長(zhǎng)方向一致，晶界特別是柱狀晶的角交面處，偏析元素濃度很高，成為高溫強(qiáng)度及塑性的薄弱面，當(dāng)鋼錠冷卻或熱加工時(shí)極易沿此面脆斷，造成鋼錠裂紋缺陷及降低可加工性，并且會(huì)造成鋼材的帶狀組織，引起各向異性。因此，除個(gè)別利用其各向異性的特殊鋼種（如電工鋼、汽輪機(jī)葉片用不銹鋼等）要求定向的粗晶粒柱狀晶結(jié)構(gòu)外，絕大多數(shù)鋼種都希望得到細(xì)晶粒的等軸晶結(jié)構(gòu)。抑制柱狀晶發(fā)展、擴(kuò)大等軸晶區(qū)的途徑是擴(kuò)大結(jié)晶兩相區(qū)和增加結(jié)晶核心。

主要的技術(shù)措施有：（1）降低冷卻強(qiáng)度。適當(dāng)提高模壁溫度，采用錠模涂料和性能良好的保護(hù)渣等都能擴(kuò)大等軸晶區(qū)。（2）降低注溫。降低鋼水過(guò)熱度，能有效地縮小柱狀晶區(qū)寬度。接近液相線澆注，可得到100%等軸晶結(jié)構(gòu)的鋼錠。在保證順利澆注的條件下，要盡量降低注溫，采取“低溫快注”。（3）施加外力攪拌，促使鋼水流動(dòng)。模內(nèi)鋼水加超聲波振動(dòng)或吹氣攪拌是細(xì)化晶粒、改善鋼錠結(jié)構(gòu)的有效手段。

鋼水成分和澆注條件都會(huì)影響鋼錠結(jié)構(gòu)。高碳鋼結(jié)晶溫度范圍較寬，形成柱狀晶傾向比低碳鋼??；鉻鎳不銹鋼和硅鋼等結(jié)晶溫度范圍窄，導(dǎo)熱性又差，柱狀晶特別發(fā)達(dá)，容易形成穿晶結(jié)構(gòu)，且一般不出現(xiàn)過(guò)渡晶帶。鋼中硫、磷、氧等元素含量增加，結(jié)晶時(shí)組成過(guò)冷區(qū)將較早出現(xiàn)，從而抑制柱狀晶的發(fā)展。如含硫易切削鋼錠易于獲得等軸晶結(jié)構(gòu)，而氬氣保護(hù)下澆注的合金鋼錠比大氣下澆注下的相同鋼錠具有較寬的柱狀晶帶。用鋁、鈦、氮等元素脫氧或合金化的鋼，生成A1N、Al₂O₃、TiN等非金屬夾雜微?？稍黾臃亲园l(fā)形核數(shù)目，能使鋼錠晶粒細(xì)化和擴(kuò)大等軸晶區(qū)。

隨著鋼錠重量增加，澆注時(shí)間加長(zhǎng)，鋼水凝固過(guò)程中向模壁定向傳熱的時(shí)間增長(zhǎng)，故柱狀晶區(qū)的寬度增加，但由于凝固速度減慢，促使錠心區(qū)的等軸晶區(qū)較早的形成，因而可使柱狀晶區(qū)所占比例減小。模壁溫度決定著鋼錠凝固初期的冷卻強(qiáng)度。模溫高時(shí)，有利于抑制柱狀晶發(fā)展。注溫高和注速快，相當(dāng)于提高鋼水過(guò)熱度，增加定向傳熱時(shí)間，促使柱狀晶發(fā)展。澆注過(guò)程中對(duì)鋼水特別是對(duì)液面施加振動(dòng)或攪拌，可明顯地?cái)U(kuò)大等軸晶區(qū)。

典型的鎮(zhèn)靜鋼鋼錠結(jié)構(gòu)由表面至中心分別為細(xì)小等軸晶的激冷層、柱狀晶帶和錠心粗大的等軸晶帶等三個(gè)結(jié)晶帶。鋼錠各結(jié)晶帶的形成主要取決于凝固前沿的冷卻強(qiáng)度。5t以上大型碳素鋼鋼錠在柱狀晶帶與錠心等軸晶帶之間，還可以區(qū)分出過(guò)渡晶帶。圖1為大型鎮(zhèn)靜鋼鋼錠結(jié)構(gòu)及偏析示意圖。

1—激冷層；2—柱狀晶帶，3—過(guò)渡晶帶；4—錠心粗大的等軸晶帶；5—沉積錐；6—倒V形偏析；7—V形偏析；8—冒口疏松；9—冒口縮孔

鎮(zhèn)靜鋼鋼錠錠型及澆注方法選擇

鎮(zhèn)靜鋼傳統(tǒng)上采用上大下小帶保溫帽鋼錠模澆注。20世紀(jì)70年代后，一般鋼種的鎮(zhèn)靜鋼普遍改為上小下大敞口模上口掛絕熱板澆注，使鋼錠成坯率提高約8%～10%。在中國(guó)為提高鋼錠的表面質(zhì)量，鎮(zhèn)靜鋼普遍采取下注法。大、中型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)多半采用車鑄方式的下注法，小型鋼廠和特殊鋼廠都采用坑鑄方式的下注法。

鎮(zhèn)靜鋼鋼錠注溫、注速控制

合適的注溫是順利澆注的前提，又是獲得良好鋼錠質(zhì)量的基礎(chǔ)。注溫過(guò)低會(huì)造成短錠廢品和表面夾砂、重接、翻皮等鋼錠缺陷；注溫過(guò)高易造成熔斷塞棒或燒穿滑板、底板跑鋼、鋼錠焊模等事故，并助長(zhǎng)鋼錠裂紋、縮孔、偏析等缺陷。合適的注溫要根據(jù)鋼種、盛鋼桶容量及熱工狀況、錠型、澆注方法等綜合確定。一般要求高出鋼種液相線溫度（即過(guò)熱度）60～100K。小鋼錠、下注趨高限；合適的注溫應(yīng)靠嚴(yán)格控制出鋼溫度來(lái)保證，并經(jīng)爐外精煉或盛鋼桶吹氬攪拌精確調(diào)整。注速是調(diào)節(jié)注溫的輔助手段。注溫高宜慢注。鎮(zhèn)靜鋼下注速度一般為0.2～0.4m/min。小鋼錠和含易氧化元素（Re、Ti、Al等）的鋼種趨高限。澆注過(guò)程中要在滿足平均注速要求的前提下，按照開(kāi)流、跟流、增流、充填4個(gè)階段控制注速的變化。開(kāi)澆后向模內(nèi)加保護(hù)渣，澆至帽口線位置時(shí)要收流慢注，并向鋼水面加發(fā)熱型防縮孔劑。帽部充填時(shí)間應(yīng)為鋼錠本體澆注時(shí)間的0.5～1.0倍。對(duì)于純凈度要求嚴(yán)格的鋼種，還應(yīng)采取注流保護(hù)措施。小型鎮(zhèn)靜鋼鋼錠，通常采用上小下大敞口模澆注。澆注至預(yù)定高度時(shí)，收流減速，并立即用冷水封頂，細(xì)流充填。充填時(shí)間應(yīng)不少于錠身的澆注時(shí)間。 2100433B

控制適當(dāng)?shù)拿撗醵? 是決定半鎮(zhèn)靜鋼錠結(jié)構(gòu)和質(zhì)量的關(guān)鍵。但是單純控制鋼中含氧量, 還不能滿足半鎮(zhèn)靜鋼脫氧工藝的需要,不能把半鎮(zhèn)靜鋼的含氧量, 當(dāng)作決定鋼錠結(jié)構(gòu)的唯一因素。這是考慮到碳、氧之間的反應(yīng), 不但決定于氧含量, 而且與鋼中碳、氧、硅、錳和其它脫氧元素之間的平衡有關(guān), 與鋼水中的氫、氮含量也有影響。半鎮(zhèn)靜鋼脫氧時(shí), 硅的調(diào)整很重要。鋼中碳、錳含量增加, 硅的含量應(yīng)隨之降低, 當(dāng)鋼中碳、氫含量提高時(shí), 硅的含量應(yīng)適當(dāng)增加在慢速澆注的情況下, 硅的含量應(yīng)隨之提高, 采用雋禪澆注時(shí), 硅的含量應(yīng)適當(dāng)降低即, 這樣才能保持脫氧度的穩(wěn)定, 使鋼錠達(dá)到“ 平衡” 。

武鋼半鎮(zhèn)靜鋼脫氧時(shí), 考慮到澆注速度偏慢(約的澆注線速度在30mm/min左右), 為了控制鋼錠表皮氣泡, 保持軋后良好的表面, 鋼中含硅量控制稍高。但在實(shí)際操作中, 由于多種原因沒(méi)有嚴(yán)格控制硅含量, 往往使脫氧度不穩(wěn)定。隨著近年來(lái)注速逐漸加快, 硅含量應(yīng)進(jìn)一步降低。根據(jù)108罐B5b半鎮(zhèn)靜鋼初軋開(kāi)坯切損調(diào)查, 得出隨著硅含量的增加, 鋼坯切損率增加, 而鋼中適宜的硅含量應(yīng)控制在0.07%以下 。

按鋼錠?？v斷面形狀可分為上大下小帶保溫帽或豁口掛絕熱板鋼錠模和上小下大敞口或瓶口式鋼錠模。前者傳統(tǒng)上用于澆注鎮(zhèn)靜鋼鋼錠，習(xí)慣上稱為鎮(zhèn)靜鋼鋼錠模，現(xiàn)在也用于澆注沸騰鋼鋼錠，后者傳統(tǒng)上用于澆注沸騰鋼，習(xí)慣上稱為沸騰鋼鋼錠模，現(xiàn)在也廣泛用于澆注鎮(zhèn)靜鋼。按鋼錠模內(nèi)腔橫斷面形狀可分為方形、矩形、圓形和多角形等類型。按鋼錠模內(nèi)壁形狀可分為凸邊形、凹邊形、直邊形及波紋邊形等類型。圖1為幾種常用鋼錠模的實(shí)物照片。

半鎮(zhèn)靜鋼采用快速澆注, 有利于減少和防止模內(nèi)鋼液結(jié)膜翻皮, 便于控制鋼錠表皮氣泡, 使鋼錠達(dá)到“ 平衡” 狀態(tài)。

武鋼生產(chǎn)半鎮(zhèn)靜鋼, 初期曾采用40mm小水口, 以后逐漸擴(kuò)大為55mm、65mm。用65mm水口澆注, 前兩組模內(nèi)可以防止結(jié)膜翻皮現(xiàn)象, 后四組卻不能消除結(jié)膜翻皮, 說(shuō)明注速還不適應(yīng)半鎮(zhèn)靜鋼生產(chǎn)的需要。由于整罐鋼不能保證快速澆注, 使翻皮在鋼錠頭部容易形成夾渣, 造成鋼錠開(kāi)坯剪切頭部時(shí), 出現(xiàn)“ 流渣” 現(xiàn)象, 因而增加了切頭率。對(duì)這個(gè)問(wèn)題, 作過(guò)工藝性的研究,當(dāng)下注線速度控制大于400mm/min時(shí), 沒(méi)有出現(xiàn)“ 流渣” , 隨著注速減慢, “ 流渣” 廢品增加。