包 晶 钢 的 连 铸

包晶钢的连铸
（Continuous Casting of Peritectic Steel）
Samyon Royzmen works at Wheeling, Pittsburgh, Virginia, U.S.A.
众所周知，包晶钢在连铸中会造成开裂和漏钢，但是这种缺陷有办法可以避免。

包晶钢的范围包括碳含量为0.08~0.16%的碳素钢。

δ—铁素体是在钢水低于1538℃时才有小量形成。

在随后的冷却中，在δ—铁素体和液态钢之间发生包晶反应，在低于1493℃时，成固态γ-相。

因此，在包晶线温度以下，钢是处于包晶区的固态，只含有两种相，其相对含量随含碳量和温度而改变。

δ—铁素体是体心立方结构，是所谓α—铁素体的变态，γ-奥氏体为面心立方结构，包晶区的温度范围为1493~1401℃。

在包晶钢中的δ—铁素体和γ-奥氏体
这个计算是根据渗碳体Fe3C的相组成，即三个原子的Fe，每个原子量为56 和一个原子的C，（原子量为12）。

因此， Fe3C的分子量为Fe3C=3×56+1×12=180.渗碳体中的C%为(12/180)×100=6.67%。

已知渗碳体含有 6.67%C，室温时，在钢的显微组织中的渗碳体的量就可以计算出来。

例如，在共析碳含量（0.77%C）时，简单的计算是% Fe3C=（0.77/6.67）×100%=11.5%渗碳体。

此计算法也可反过来用于对一定碳含量钢的铁素体的量。

对于0.77%C的共析钢，计算结果为：%铁素体（6.77-0.77）/6.77×100%=88.5%铁素体。

或者对于一个含0.12%C 的包晶钢，计算结果为：%铁素体（6.77-0.12）/6.77×100%=98.2%铁素体。

其余的1.8%为奥氏体。

因为钢的强度取决于成份，要能估算出在包晶钢是凝固温度下的每个相的比例是很重要的。

钢中相的强度特性
图1是钢中遇到的三种不同相的强度特性。

铁素体在三种相中具有最低的强度值。

要记住在所有包晶钢中包晶区主要的相，这就很清楚，在此区域钢的强度取决于铁素体的强度。

一般δ—铁素体+γ-奥氏体的组合的强度取决于强度较低的组分，也就是取决于δ—铁素体，这对包晶钢整体在模（结晶器）中凝固时极为重要，这时形成的薄壳暴露于热应力、收缩应力、相变应力和其它应力之下，铁素体的低强度经受不住这些应力，就产生薄壳开裂，在某些情况下，甚至发生漏钢。

图1 一个正在凝固的板坯顶端薄壳中的温度
但是铁素体一般有明显的塑性，特别是在包晶区。

另一相γ-奥氏体比铁素体有较高的强度
和相应地较低的塑性。

这意味着在应力下这两种相有着不同的塑性，产生不同的‘流动’（leak），因而它们可能彼此分离而造成开裂或漏钢。

表1 铁素体，渗碳体及层状珠光体的力学性能
显微组织拉力强度psi 延伸率（%）硬度（HB）
铁素体40000-50000 40 90
层状珠光体125000-150000 15 275
渗碳体325000 可忽略不计650
因此，铁素体的低强度和δ—铁素体具有与γ-奥氏体的不同塑性值，在包晶体钢的整体中起决定性作用。

使板坯/钢锭开裂/漏钢的破坏性因素
相变应力
可由下式计算：
Spt=α×[1308250+42924C-44000C2+205255Si-5289Mn-120000P+17400S-225.6T+0.01379T2](1) 此处α—（δ-γ)相变收缩系数。

这是正在凝固的板坯金属由于相变造成的变形，α=0.0036。

在括号内的式子引入了正在凝固的钢在相变温度下的杨氏模量值。

C，Si，Mn，P，S—是钢中这些成分的相应百分数。

当在显微体积中δ—铁素体转变成γ-奥氏体呈现为阶段式时，对于一定的钢成分在全部δ—铁素体转变成γ-奥氏体之前，需有一定的冷却时间。

Spt值随着温度下降和薄壳的增厚而降低。

对于具有一定碳当量的钢，在δ-γ相变终结时终止。

收缩应力在冷却时，正在凝固的板坯的外层具有较低的温度，比板坯内部已凝固区收缩得快，这就在板坯的外层产生拉应力而在内层产生压应力。

这一机制随着连铸坯直到板坯心部和表面没有温度差时为止，而在正在凝固的板坯/钢锭壳层中的温度分布是非线性的，这可以用线性律[8-10]加以逼近。

于是，按照这一逼近，最大的收缩应力可以由下面的基本公式获得：
S sh=λ×E×(T sol- T sur ) （2）
此处λ—在一定温度下钢的热膨胀/收缩系数。

E—在温度t sur下的杨氏模量。

T sur —在估算收缩应力的横断面上的板坯表面温度。

T sol—所给定钢的凝固温度。

由于收缩应力，板坯凝固壳的强度条件为
S sh=λ×E×(T sol- T sur )＜S ult (3)
此处S ult —在给定温度下浇铸的钢的极限抗拉强度。

此不等式建立了强度条件，这就是凝固板坯整体与收缩应力相关的（强度）条件。

如果（3）式的符号变为正，板坯壳就可能开裂。

从强度条件可得到一个重要的概念。

因为当钢的成分和温度一定时，λ和E 是常数，一个正在凝固的板坯壳中的收缩应力基本上取决于（3）式中温度差[T sol- T sur ]，此差值愈大，收缩应力S sh就愈大，板坯由于收缩而开裂的可能性也愈大。

为了减少收缩应力和开裂的可能性，许多连铸机操作者采取“软”的冷却制度，将[T sol- T sur ]
保持在规定的水平。

在这方面，适当地选择和运用润滑渣粉就能起到重要的作用。

不等式（3）可以用△T的关系解出，规定
△T= T sol- T sur （4）
而且为了简化起见，将不等式（3）转变成等式
△T= S ult /（λ×E）（5）
因为对于给定的钢，凝固温度T sol已知为常数，对连铸坯任意断面的表面温度就可由（4）及（5）式单值地定义下来：
T sur=T sol—S ult /（λ×E）（6）
现在由（6）式计算出的T sur，就构成了连铸凝固的板坯在收缩过程中不会由于收缩应力而开裂的条件。

知道了由板坯强度条件确定的T sur，就很容易恰当地规定板坯冷却制度中的主要参数——冷却速率。

热应力连铸板坯薄壳中的温度分布可以用一线性律逼近。

在此情况下，可以假定薄壳中的温度分布如图示所示，其中板坯的一个表面具有较低的温度T1，而其相反的表面具有较高的温度T2，通过板厚的温度梯度为线性的，板的最低温度为T0。

这样一个板坯中的最大拉应力（在F点和G点）就可以从以下的基本公式得出：
S X =0.5×E×2×[T1+T2-2T0+(1-μ)( T1--T2 )/(3+μ)] (7)
此处T1---凝固中的板坯在所考虑的断面处的外表面温度
T2 ---凝固中的板坯在同一断面上内壳表面温度
T0---在连铸机的冶金长度内板坯最低外表面温度
换言之，此处T1= T sur；T2 =T so ；T0= T sur/min
此处T sur---在已估算出热应力的断面上的板坯表面温度
T sol ---凝固温度
T sur/min---在连铸机的冶金长度内板坯最低表面温度
将这些值代入（7）式，就得到
S X =0.5×E×γ×[T sur -2 T sur/min +(1-μ)( T sur -T soL)/(3+μ)] (8)
在（7）和（8）式中
E---T sur温度下的杨氏模量
γ—所铸钢的热膨胀/收缩系数
μ---所铸钢的泊松比(即横向变形系数)。

式(2)至(8)中的杨氏模量,可以按照等式(1)括号中所给出的式子计算出来。

硫化物的聚集当板坯连铸时，特别是在抖动纹处有硫化物堆积。

硫化物的聚集可以导致钢在其堆积处热脆，热脆现象与低熔点的Fe-FeS共晶在晶粒边界形成有关，其熔点为988℃，它削弱了晶体之间的连系。

当δ—铁素体转变成γ-奥氏体并随后冷却时，硫的溶解度下降，就形成了共晶薄膜，这个事实证明了洁净钢极为重要，特别是对于铸造包晶级的钢，为了连铸顺行，又十分经济，而且得到高质量的铸坯和最终成品更是如此。

将锰加到钢中，显著地降低了硫在铁中的溶解度，在铁中0.37%的锰就能使硫在1300℃的奥氏体中的溶解度降低10倍左右。

含锰钢的热脆性（HB）由于对硫化物成分，形状和物理性能
的影响而降低。

钢中的锰含量愈高，它在硫化物中存在得愈多，则硫化物的熔点愈高，其尺寸也愈小。

硫化物在钢中起应力集中源的作用。

尺寸愈大，在同样的应力（热应力，收缩应力等）下，连铸时钢坯开裂和漏钢的可能性也愈大。

在二十世纪八十年代，Mn/S比大于50就被认为足以防止热脆。

由于现代对钢的质量要求很高，并且需要增加连铸的经济效益，对包晶钢的Mn/S比已提高到大于180。

因此为了提高连铸的效益，建议如下：
z减少进入模（结晶器）中钢的过热度，这将减小钢与模子的温差和降低板坯壳层的热应力和收缩应力，而降低过热度本身又能增加凝固速率，这将进一步减少在薄壳中的应力和开裂可能性，从而可提高生产率。

z按照上述强度条件模型，调整二次冷却，以避免薄壳中过大的应力
z将使钢中硫含量降至极小，使Mn/S比成为最大。

这会减少钢的热脆，从而减少开裂和漏钢。

姚衛薰译自《Steel Technology International》2000,P 80
曹荫之校。