连铸坯的宏观偏析及控制

连铸坯的中心偏析及控制
摘要:对连铸坯的中心偏析进行研究分析,并且分析影响中心偏析的因素,主要有过热度和鼓肚等因素,从而采用一些措施来降低中心偏析,主要有稳定和降低过热度,控制钢液中碳磷硫的含量,二次冷却工艺,稳定拉速,采用电磁搅拌等措施.
关键字:连铸坯, 过冷度, 中心偏析, 鼓肚成因
1 连铸坯的偏析
铸坯凝固过程中, 表层因激冷生成细小枝晶（激冷层）, 随着表层凝固厚度增加, 铸坯内部向外传热能力降低, 铸坯开始呈现定向凝固, 形成由外向内的长条状树枝晶(柱状晶)。

由于选分结晶的原因, 溶质元素向熔池(液相区)积聚, 当柱状晶增长而生成搭桥现象时, 富集溶质元素的钢液被封闭而不能与其它液体交换, 在该处形成C S等元素的正偏析同时, 上部钢液不能补充此处的凝固收缩, 从而伴随有残余缩孔。

图1为铸坯凝固过程此形成中心偏析的示意。

图1铸坯凝固形成宏观偏析示意
2 连铸坯的中心偏析形成的机理
1）钢锭中心凝固理论
该理论认为当浇注钢液碳含量超过0.45%(质量分数) 时，即使是中等过热
度的钢液也有柱状晶强烈增长的趋势，在凝固后期由于铸坯断面中心柱状晶的搭桥，当桥下面的钢液继续凝固时，得不到上部钢液的补充，下部区域就形成缩孔、疏松及中心偏析。

2）溶质元素析出与富集理论
该理论认为铸坯从表壳到中心结晶过程中由于钢中一些溶质元素( 如碳、锰、硼、硫或磷) 在固液边界上溶解并平衡移动，从柱状晶析出的溶质元素扩散到尚未凝固的中心，即产生铸坯的中心偏析。

3 影响中心偏析的因素
1）钢水的过热度
过热度是决定等轴晶率大小的一个重要参数。

过热度越低，断面上产生的等轴晶率就越大，从而偏析程度就越小,经过统计大量的试验数据表明等轴晶率与过热度的关系如图1所示
图2 等轴晶率与过热度的关系
过热度低时，能提供大量的等轴晶核，生成等轴晶，阻止凝固前期柱状晶的形成，并生成由细小等轴晶组成的大面积等轴晶区。

若过热度高，柱状晶区便扩大，甚至产生柱状晶搭桥现象，从而形成中心疏松或缩孔，随之产生严重的中心偏析。

2）电磁搅拌
实践证明，通过搅拌可以有效增加等轴晶区域宽度，不同的搅拌方式在同等过热度情况下等轴晶区域宽度明显不一样。

通过搅拌使钢液产生运动，一方面
溶解了凝固前沿的枝晶，使得液相穴底部变得宽大和圆滑，阻止了柱状晶生长和防止形成凝固桥,，从而减少了小钢锭结构的形成，降低了中心偏析。

另一方面通过增加钢液流动，提高了凝固相间的热传递，改善了传热效率，有利于降低过热度，减少凝固前沿的温度梯度，抑制了柱状晶的定向增大，因而促进了等轴晶的生成。

3）冷却强度
适当提高二次冷却强度除了能细化组织晶粒外，还能缩短液相深度，增加坯壳厚度。

但是，二冷区冷却强度过大，造成断面上温度梯度过大，会促进柱状晶的生成，减少等轴晶的比例，铸坯的角部裂纹严重，同时将加快铸坯中心树枝晶搭桥现象，使中心偏析更加严重。

一般采用弱冷。

但是，冷却过弱，会造成凝固壳太薄，铸坯表面温度过高，铸坯在高温度下强度低,在钢水静压力作用下，坯壳会发生鼓肚。

4）拉速
一般来说，适当降低拉速对铸坯质量有利，尤其对大方坯连铸，可使铸坯在离开结晶器时，其坯壳有足够的厚度以承受内部钢液的静压力。

否则，容易产生鼓肚。

对于断面和成分确定的铸坯来说，若增大拉速会使液相穴延伸，从而增加了搭桥和形成小钢锭结构的几率，致使铸坯中心组织粗大，并带有缩孔和轴向偏析。

所以一般均希望得到较浅的液相穴，并使钢液易于补缩。

为此也需要限制拉速。

然而，过度限制拉速，又会影响铸机效率，因此应予综合考虑。

5）辊子间距，刚性及对中精度
鼓肚与辊子间距，刚性及对中精度有很大的关系，间距越大越容易产生鼓肚，为了减轻鼓肚，辊子要保持良好的刚性，不容易发生变形，并且对中要好，保持较高的精度。

因此，缩小辊子间距，特别是调整辊列系统的对中精度和保持夹棍的刚性,，对减轻鼓肚都十分有利。

4防止连铸坯中心偏析的对策
如图3显示，为防止连铸坯中心偏析，采用以下措施：
图3 采取措施示意图
1）包钢水过热度的控制
过热度高有利于柱状晶生长，中心等轴晶区小，中心偏析加重，控制低过热度，抑制柱状晶生长，扩大中心等轴晶区，是减轻铸坯中心偏析的有效措施。

2）碳、磷、硫的控制
碳、磷、硫3 种元素的偏析系数均较高。

钢中硫含量高，会降低钢的延展性，增加钢的热脆，容易引起铸坯的中心偏析和内部裂纹。

大幅度降低硫含量，既减轻了钢的热脆性，也有利于减少中心偏析和内部裂纹等缺陷。

3）二次工艺冷却
加大二冷区冷却强度，会增大铸坯断面内的温度梯度, 增加中心偏析和热裂倾向。

因此, 采用弱的二冷配水工艺, 且保证二冷配水均匀, 以达到减少中心偏析和裂纹的目的。

4）稳定拉速
控制升降拉速幅度，做到升降平稳，提高浇铸稳定性。

保证合适的结晶器水口浸入深度，结晶器液面自控系统稳定，避免结晶器液面紊乱，保证结晶器液面稳定。

制定合适的温度拉速制度，通过降低钢水过热度，稳定拉坯速度，缩短并稳定液相穴长度，减轻因拉速不稳定造成连铸坯液相穴钢液补缩不充分,生产中对控制中心偏析效果明显。

5）采用电磁搅拌
采用电磁搅拌，消除凝固桥，折断树枝晶，增加铸坯中心等轴晶区，中心
偏析明显改善甚至消失。

电磁搅拌装置可以分别安装在结晶器（M--EMS），二冷区(S--EMS)和凝固末端(F--EMS)，可以单独搅拌，也可组合搅拌，不搅拌，中心偏析度的平均值偏差都很大;进行S--EMS搅拌，平均值偏差有所改善;进行M—EMS进行搅拌，平均值偏差大为；进行M+S、M+F、M+F+S组合搅拌，平均值改善更明显。

所以对于浇小断面中高碳钢，为得到致密的由心结构，消除或减轻中心偏析，采用电磁搅拌是行之有效的。

采用电磁搅拌，改善中心偏析的效果主要是由于抑制了柱状晶的生长，增加了中心等轴晶区宽度，使偏析元素均匀分布在等轴晶之间，避免了溶质元素的集聚。

6）采用轻压下技术
连铸生产中应用最早的液芯压下技术为热轻压下技术( TSR, 也称软冷
却) 。

其机理为通过铸坯表面温降速度，补偿中心热收缩，减轻因为热收缩引起的钢水逆流，从而减轻中心偏析和中心疏松。

热轻压下技术主要在常规厚板坯和方坯机上采用。

目前所说的轻压下技术一般指机械轻压下技术( MSR) 。

轻压下技术的采用，有效地改善了铸坯中心的质量，降低了中心偏析与中心疏松;
并且有利于结晶器与铸坯的厚度匹配，扩大了结晶器厚度的可选择范围; 另外，还有节省能源。

用轻压下时注意铸坯内产生的应力不能超过铸坯固液相处的高温强度，以免铸坯出现内裂。

7）凝固末端强冷技术
铸坯中心偏析与液相穴末端糊状区的体积有关。

在凝固末端设置强冷区，能压实铸坯芯部，防止潜热骤然放出使坯壳鼓胀而导致液体流动，改善中心偏析。

参考文献
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