讲座2一中心偏析

中心偏析的形成，大体上可分为四个阶段。 首先是柱状晶的生长，其次是．由于某些工 艺因素的影响，柱状晶的生长变得很不稳定， 即某些柱状晶生长快：而另一些柱状晶生长 慢；在这种情况下，优先生长的柱状晶在铸 坯中心相遇，形成了所谓的“晶桥 晶桥”；“晶 晶桥 桥”形成后上部钢水受阻不能对下部的钢水 凝固收缩进行及时补充因而在“晶桥”下边， 钢水按一般钢锭凝固的模式凝固。其结果如 图2中最下部的结构图所示，形成了上部有 缩孔疏松和正偏析带，而下部有V形偏析或 负偏析带，这正是连铸坯的中心偏析带。
2） 轻压下技术减轻或消除铸坯中心偏析的机理 如前所述，在连铸坯液相穴末端的浓化钢液不断地 沿拉坯方向流动，形成中心偏析．若对液相穴终点 附近的一段铸坯用夹辊以微小的压下量进行压缩， 即施加轻压下，以弥补铸坯凝固收缩量，从而制止 上述的钢液流动，达到减轻或防止中心偏析的目的。 3) 静态轻压下与动态轻压下 静态轻压下：是浇铸前预先设定好辊缝,按照设定的 拉速和工艺条件进行浇注。 动态轻压下：概念出现于90年代中后期,是在浇铸过 程中能够跟踪凝固终点并能够随凝固终点的变化调 整辊缝及辊缝收缩程度的一种浇注方法。 液压夹紧式远程调整辊缝的扇形段是实现动态轻压 下技术的设备基础和基本条件。动态轻压下只适用 于板坯连铸机。
图9 偏析区域率与铸机锥度的关系
2、 轻压下速率
轻压下速率=铸机锥度×浇铸速度(mm/min or mm/m)。 过快，可能损坏支承辊。新日铁君律厂2号板坯连铸 机上最佳轻压下速率0.78-0.86mm／min，其板坯厚 度为210、240、300mm。 最佳轻压下速率因不同连铸机而异，可补偿铸坯凝 固收缩量时的数值，即不产生V形偏析，就是最佳压 下速率。一般连铸普碳钢板坯时，压下速率在0.5-1.5mm／min之间。 君津1号连铸机是圆弧形板坯和方坯兼用机，采用的 压 下 辊 为 6 根 。 浇 铸 速 度 为 0 . 6 m/min。 钢 种 为 SWRll72A，断面300mm×500mm，过热度20-27℃， 冷却水量0.53l/kg，不产生V形偏析。其适当压下速 度为1.2mm／min以上，最大的全压下量为5.3mm。偏 析颗粒大小随压下量的增加而变小并明显改善了中 心偏析。
图2 小钢锭凝固模式示意图 1一柱状晶生长 2一某些柱状晶生长加快 3一凝固桥形成 4一小钢锭凝固，缩孔形成 5一实际的低倍结构
2）机械因素： 鼓肚 鼓肚理论，铸坯凝固过程中坯壳的鼓胀 (如图3所示),造成树枝晶间富集溶质液体的流动,或者凝 图 固末期由于铸坯收缩使凝固末端富集溶质液体流动,导 致中心偏析。 在板坯（或大方坯）情况下，有时柱状晶并未发展到铸 坯中心，即并无“晶桥”的形成，但是仍然发生了中心 偏析。这说明中心偏析的形成除了上述冶金因素外，还 有其它方面的原因。已经查明，这是因为铸坯“鼓肚” （铸坯宽面向外凸起的现象）所引起的，即通常所说的 机械因素。因为铸坯的“鼓肚”，一般都是机械方面的 原因引起的。当连铸机二冷区辊距较大，连铸坯凝壳较 薄，或者是铸坯液心静压力过大时，都会导致铸坯鼓肚 变形。而当铸坯发生鼓肚时，铸坯中心产生了相当于负 压的抽力作用。此时二相区内被偏析元素富集的不纯钢 液，被吸向心部形成了中心偏析带。而中心正偏析带周 围，往往还伴有负偏析带。图表明，随着铸坯鼓肚量的 增大，中心偏析指数也随之增加。
3) 日本钢管公司 日本钢管公司发明了一种静态“人为鼓肚轻 压下(简称IBSR)”生产工艺，即将辊缝的前面 部分人为放大,然后再实施轻压下。 4) 丹尼利(戴维)公司 丹尼利开发了比例阀控制的能够进行动态轻 压下的扇形段，生产钢种为包晶钢和低合金 高强度钢,这台连铸机能够全程轻压下。
§4 影响偏析区域率的因素
图5 新日铁大分厂5号机面压轻压下装置的配置
图6 可控面压轻压下装置示意
图7 步进面压下动作示意
§2 两种方式的对比
面压下装置与铸坯是面接触并对铸坯进行 压缩，这与辊式轻压下有明显区别，见表 表 1。两种方式进行的轻压下效果见图6，图 图 中给出了半宏观偏析粒尺寸分布情况。 1)凝固末端施行面接触压下方式中心偏析 仅为树状晶枝间偏析。 2)凝固末端施行面轻压下，能够改善偏析 与中心疏松。
§1 中心偏析与轻压下技术
中心偏析是铸坯中常见的一种缺陷。浇铸高 碳钢铸坯时，中心碳偏析严重地影响着产品 质量。 1、 中心偏析的形成过程 、
1) 成因：由于选分结晶 选分结晶，固相内元素的扩散速度 选分结晶 又非常慢，故钢液在通常条件下凝固必然产生中心 偏析。中心偏析通常是指铸坯中心部分的宏观偏析， 一般以条点状形式存在于中心线附近。 方坯连铸中，液相穴末端形状相当尖，易产生“搭 桥”现象，生成“小锭 小锭”结构，从而产生周期性的 小锭 缩孔和偏析，造成中心疏松和中心偏析缺陷。板坯 连铸不会产生“搭桥”，中心偏析主要是由于凝固 坯壳冷凝收缩以及鼓肚引起负压，促使糊状区树枝 晶间富含有杂质元素的钢液流动而形成的中心疏松 和中心偏析。
图4
轻压下工艺原理
新日铁大分厂的5号连铸机在离弯月面34.0—36.5m区域 里设置了面压下设备。 图5是面压轻压下装置安装位置示意图 图 6 是可控面压轻压下装置示意。实施压下功能的部件 由两组步进块构成。压下长度2500mm，两组步进块构 成的总压下宽度是1560mm。 图7是对铸坯实施压下时的压下块的动作模式。
对加拿大IPSCO公司的连铸机来说，在 二冷区喷冷强度为0.75L／kg时，铸机锥 度为0.80mm／m，总轻压下量为5.60mm 的轻压下条件是最佳化的条件。 IPSCO板坯连铸机规格见表2。 表 。
表2 IPSCO板坯连铸机规格 IPSCO板坯连铸机规格
1、 铸机锥度
连铸机锥度对偏析区域率的影响见图9。 图 铸机锥度从0.33变到0.50mm／m时，偏 析区域率稍有降低，从0.50变到0.70mm ／m 时 ， 有 很 大 改 善 ， 甚 至 在 锥 度 为 0.80mm／m时继续降低。
表1 面压下法与辊式轻压下法的比较
图8 半宏观偏析粒尺寸分布情况（Mn偏析比≥1.32）
§3
国内外轻压下技术的最新发展
1、国内发展情况
(1)2001年国内板坯连铸机利用机械能够远程调整辊缝， 只能进行静态轻压下。 (2)国内板坯连铸机正在使用的液压夹紧式扇形段都是 垫块式结构,不能远距离快速调整辊缝。鞍钢的 300×2000的厚板坯连铸机利用此种机构实现静态轻压 下。 (3)武钢二炼钢于1985年在1～3号三台板坯连铸机上全 部采用了静态轻压下技术。 (4)重钢七厂于1996年实施了静态轻压下工艺。 (5)西宁钢厂正在大方坯连铸机上增加静态轻压下装置
4） 另一种分类方法 ① 辊轻压下 采用小辊径最小(230mm)的支承辊以线接触铸坯，目 的是通过减小凝固终期支撑辊之间的辊缝，尽量减 少铸坯出口端树枝晶间的钢液流动，补偿凝固收缩。 轻压下工艺原理如图4所示。日本福山钢厂安装的一 图 套由小间距组合式辊(S.P.S Small Pitch System))组成 的轻压下装置，减少了中心偏析和半宏观偏析。 如日本新日铁室兰厂、君津厂,日本钢管的京浜厂、 福山厂,德国Dilirger厂、Thyssen公司,美国惠林匹兹 堡厂,加拿大IPSCO公司等均采用辊压式。 ② 面轻压下 面轻压下是辊轻压下的进一步发展。该工艺通过使 用平面板条夹持和压缩板坯，更有效地防止板坯鼓 肚，连续补偿凝固收缩。
ａ)辊子对中不良的鼓肚 ｂ)支撑辊间反复鼓肚 图3 铸坯凝固壳变形示意图
3、 轻压下技术 、 超低碳钢和低碳钢不需要带液芯铸轧和轻压下。 1）简述 轻压下技术始于20世纪70年代末、80年代初,是在70 收缩辊缝技术的基础上发展而来。传统板坯连铸 年代收缩辊缝技术 收缩辊缝技术 机不进行轻压下，而是收缩辊缝。轻压下区域的辊缝 具有更大的收缩率，也叫做强收缩辊缝技术。 连铸坯的轻压下目前有两种含义： 第一种，对传统板坯连铸机是指凝固末端的轻压下, 第一种 可减轻铸坯的中心偏析和疏松。 第二种，对中厚板坯和薄板坯连铸机来讲,有的几乎 第二种 是凝固过程中的全程轻压下,又称带液芯轻压下。目 的在于减薄板坯厚度,减少结晶器液面控制的难度， 并能与轧机更好地匹配，也是减小中心疏松和中心偏 析的手段之一。
2、中心偏析形成的原因 、 连铸坯中心偏析的形成，有冶金因素和机械因素两 方面的原因。 1）冶金因素：“凝固桥”理论，铸坯凝固过程中凝 固桥的形成阻止了液体的补缩,形成中心缩孔和疏松, 导致中心偏析。 由铸坯发达的柱状晶所引起的。这可以用图2所示的 图 “小钢锭凝固模式”来说明。连铸坯由于“晶桥” 的形成是在连铸坯凝固过程中断续出现的，所以 “小钢锭”的凝固也是断续出现的。因此连铸坯的 整个凝固过程，可以看作是无数“小钢锭”断续凝 固的结果。这一说法已被连铸坯纵向中心部位每隔 5～10cm就出现一次中心偏析带的事实所证明。
图1 液相穴末端凝固收缩区示意图
V型偏析是连铸方坯最常见的中心偏析。 等轴晶结构形式的“密布型”V偏析。 柱状晶形式的单一大型的V偏析。 为避免富集溶质的残余液相补缩现象的发生，引入 机械应力轻压下（MSR） 热应力轻压下（TSR：Thermal Soft Reduction） 为减少铸坯中心偏析、中心疏松 采用最后凝固组织中增加等轴晶的低温浇铸技术 电磁搅拌技术(F-EMS)、 软冷却技术、轻压下技术、重压下技术、故意鼓肚 轻压下技术(I.B.S.R: Intentional Bulging and Dynamic Soft Reduction) 。
连铸坯质量控制
武汉科技大学材料与冶金 学院 于学斌 2004，11， 2004，11，15
一、连铸坯中心疏松、中心偏析 连铸坯中心疏松、 产生原因及防止措施 二、常见的铸坯缺陷 三、铸坯相关缺陷的产生原因 及防止技术
一、 连铸坯中心疏松、中心偏 连铸坯中心疏松、 析产生原因及防止措施
§1 中心偏析与轻压下技术 §2 两种方式的对比 §3 国内外轻压下技术的最新Leabharlann Baidu展 §4 影响偏析区域率的因素 §5 与轻压下技术相关的技术 §6 轻压下技术的效果 §7 其他方法 中心偏析产生的本质是选分结晶， 中心疏松产生的本质是未得到补缩的凝固收缩。
1) 奥钢联 奥钢联开发的采用比例阀控制的液压夹紧式 SMART○R扇形段可以远程调整辊缝,再加上ASTC 控制模型就可以达到动态轻压下的目的。在多个 厂家使用，包括中国武钢、济钢等7台连铸机。 据奥钢联介绍,如果采用了SMART○R扇形段和ASTC 控制模型(即动态轻压下),可使100%的板坯的中 心偏析达到0+1级水平。 2) 西马克/德马克公司 德马克开发的连杆式(Cyberlink)伺服阀控制液压 夹紧式动态轻压下扇形段,用于98年投产的德国 迪林根钢厂立弯型(铸坯凝固后弯曲)连铸机上。
2、 国外轻压下技术的最新发展 、
80年代。日本许多厂在大方坯和板坯连铸机上均采用 轻压下和重压下，如新日铁、日本钢管、住友金属、 神户制钢等。 轻压下常采用辊压式方式进行，重压下常采用锻压式 方式进行。据报道，锻压式在改善铸坯质量的效果和 适应铸坯凝固末端位置的变化方面均比辊压式效果好。 日本新日铁室兰厂、君津厂、日本钢管的京浜厂、福 山厂，德国DILLINGER厂、THYSSEN公司，美国惠 林匹兹堡厂，加拿大IPSCO公司等均采用辊压式。
引起中心偏析的凝固收缩区，是液相与固相并存 的非流动区。其固相率fs在0.5—1.0之间的钢液 区域。 固相率：钢液中固相所占的比率。 连铸坯内未凝固的钢液的粘性，随着图1中所示 图 的固相率fs增大而上升，并且当固相率fs大于某 一定值时，钢液就不能流动了，称为钢液流动的 极限固相率，以符号fsc表示。 普通碳素钢钢液fsc＝0.6。当fs≥0.6时，由于钢液 粘性很大，即使应用电磁搅拌技术，也很难使它 流动。
3、 总轻压下量(T.S.R) 总轻压下量(