中心偏析与中心疏松的形成与预防

析和中心疏松产生的原因很多，且这两种缺陷往往 相伴而生。 2.1 铸坯凝固组织中柱状晶过于发达
中心偏析和中心疏松形成机理之一是“凝固 晶桥”理论，即铸坯凝固过程中，铸坯传热的不稳 定性导致柱状晶生长速度快慢不一，优先生长的柱 状晶在铸坯中心相遇形成“搭桥”，液相穴内钢液
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中心偏析形成机理之三是空穴抽吸理论，即铸 坯在凝固过程中若发生坯壳鼓胀，在铸坯中心就会 产生空穴，这些空穴具有负压抽吸作用，使富集了 溶质元素的钢液被吸入铸坯中心而导致中心偏析； 在凝固末期由于液体向固体转变发生体积收缩而 产生一定空穴，也使凝固末端富集溶质元素的钢液 被吸入铸坯中心，导致产生中心偏析。因此，铸坯 鼓肚量越大，中心偏析就会越严重。
浇注温度是影响柱状晶生长的重要因素。浇注 温度高，铸坯柱状晶发达；浇注温度低，铸坯等轴 晶发达。因此，在不引起水口冻结的情况下，应尽 可能采用低过热度浇注。在生产操作中，可根据各 厂经验，对不同钢钟制定相应的钢水罐和中间罐目 标过热度基准。国内某厂的经验是：在生产低碳钢 （[C]≤0.08％）时，钢水罐和中间罐内钢水目标 过热度最好分别控制在 60℃、30℃之内；生产包晶 钢和中碳钢（≤0.08％[C]≤0.30％）时，钢水罐 和中间罐内钢水目标过热度最好分别控制在 55℃、 25℃之内。
钢液中 S、P 等是易偏析元素，它们在钢液中 的含量和分布形态影响铸坯的中心偏析和中心疏 松。通过冶炼洁净钢，如采用铁水预处理或钢包脱 硫等技术，降低钢液中 S、P 等易偏析元素含量， 提高钢水纯净度，可有效防止中心偏析和中心疏松
的产生。 3.2 控制铸坯鼓肚量
控制铸坯鼓肚量，可以有效减缓中心偏析产 生。铸坯鼓肚量的大小主要与二冷区辊间距、坯壳 厚度、钢水静压力等有关。辊间距越小，坯壳越厚， 钢水静压力越小，鼓肚量就越小。因此，在设计连 铸机时，尽可能设计采用小辊径密排辊列布置，缩 小辊间距；采用刚性多节辊，防止支承辊变形；连 铸机不宜过高，以便于降低液相穴高度，减小钢水 静压力；在生产中对二冷区夹辊需严格对弧。 3.3 控制浇注温度和拉坯速度
铸坯规格 （mm） 250×1550 250×1550 250×1550 250×1550 250×1550 250×1550 250×1550 250×1550 250×1550 250×1550 250×1550 250×1550 250×1550
表 1 某钢铁（集团）公司炼钢厂铸坯低倍检验报告
板坯连铸机，设计铸坯规格为厚 200 mm、220 mm、 250 mm，宽 1400 mm～1800 mm。试运行期间生产了 断面为 250 mm×1550 mm 的 Q235、Q345 钢板坯， 低倍组织检验结果中心偏析和中心疏松较严重。我 们摘录了 13 个炉批号的低倍检验报告，进行对比
检查（如表 1），发现中心偏析一般为 B2.5 级，中 心疏松为 2 级左右。当铸坯轧制成材后，做两个断 面相互垂直的焊接试验时，在氧割或切口上出现局 部分层。根据该厂生产实际情况，为尽可能减少中 心偏析与中心疏松，生产高质量的铸坯，分析了中 心偏析与中心疏松缺陷的形成原因，提出了具体的 预防对策。
连铸生产是一个连续动态的过程，因钢水温 度、铸坯厚度、钢种、拉坯速度和喷水条件等因素 不断变化，铸坯液芯的凝固位置也不断变化。静态 轻压下技术要求铸坯凝固终点位置基本保持不变， 需预先设定好轻压下区域，并调整好相应扇形段辊 缝。为发挥轻压下的最佳效果，找准凝固点，轻压 下技术的应用从静态发展到了动态。动态轻压下可 根据拉坯速度变化、铸坯凝固终点的位置变化，对 轻压下位置和压下量进行动态控制。VAI 开发的动 态轻压下系统由三个核心部分组成[7, 8]：带有远程 控制装置、4 个位置调整液压缸的 SMART 扇形段， 可在支撑框架上自动定位，驱动辊的升降由一个传 动液压缸实现，夹紧由配有内装式位置变送器的 4 个位置液压缸完成。对 SMART 扇形段进行计算机远 程控制的锥度自动调整 ASTC 系统，可根据不同钢 种自动选择目标辊缝，自动调整开浇和出尾坯状态 各扇形段的辊缝设定值；动态计算模型 DYNACS 系 统，能根据实际水流量、拉坯速度、钢种和过热度， 准确控制和确定铸坯的凝固点。VAI 的动态轻压下 技术已经在梅钢、武钢、芬兰的 Rautaruukki 和 AvestaPolarit 钢厂、意大利的 ILVA 钢厂、韩国的 POSCO 公司、奥地利的 Voestalpinestahl 钢公司以 及美国的 Bethlehem Steel 钢公司成功投入使用， 并且效果不错。
连铸生产中的电磁搅拌技术，就是把按一定规 律排列的线圈安装在连铸机某一部位，当给线圈中 通定向电流时，会产生对钢水有强烈搅拌作用的定 向电磁力。该电磁力推动铸坯坯壳内未凝固的钢液 沿一定方向循环运动，破坏了钢液凝固组织中已形 成的粗大的柱状晶，使晶粒细化；阻碍了柱状晶的 进一步形成，增加了等轴晶率；改善了铸坯中心部 位碳成分和硫化物等夹杂物分布不均的特点，增加 了夹杂物相互碰撞和聚合的机会，使夹杂物尺寸增 大易于上浮，以减缓中心偏析和中心疏松的产生。
轻压下技术，就是通过在连铸坯液芯末端附近 施加均匀外力，使铸坯产生一定的压缩量，以补偿 铸坯的凝固收缩量[5]。采用轻压下技术可消除或减 少铸坯收缩形成的内部空隙，防止晶间富集溶质元 素的钢液向铸坯中心横向流动；同时轻压下所产生 的挤压作用还可以促使液芯中富集溶质元素的钢 液沿拉坯方向反向流动，使溶质元素在钢液中重新 分配，从而使铸坯的凝固组织更加均匀致密，起到 改善中心偏析和减少中心疏松的作用[6]。
中心偏 析(级) B2.5 B2.5
B3 B3 B>3 B0.5 B1.5 B1 B1 B0.5 B1.0 B0.5 B1.0
中心疏 松(级)
1.5 1.5 1.5 ﹤3 1.5 2 3
2 2 1 0.5 1 1
中间裂 纹(级)
0.5 0.5
1 1.5 0.5 0 0 0 0 0 0 ﹥3 2.5
角部裂 纹(级)
二次冷却水量、气量及压力，须根据铸坯规格、 钢种、产品质量要求和生产经验来确定。二次冷却 水量总的分配原则是沿拉坯方向从上到下逐渐减 少，铸机内弧与外弧的总配水比约为 2:3。对裂纹 不敏感的钢种，二冷区上部强冷、下部缓冷；对裂 纹敏感的钢种，二冷区从上到下全区缓冷；对内部 裂纹比表面裂纹敏感的钢种，二冷区上部缓冷、下 部强冷[2]。在连铸机的设计过程中，一般根据产品 大纲中钢种的高温力学性能及其质量要求和铸坯 规格设计相应的二冷水表。二冷水表的制定要保证 冷却强度足够、冷却水量合理分配。若二冷强度不 够，铸坯表面温度就会偏高，铸坯液芯加长，等轴 晶区扩大，坯壳抵抗因钢水静压力引起的鼓肚变形 能力减弱，会促进中心偏析和中心疏松的形成和扩 展。有文献[3]研究某钢厂 1350 mm 板坯连铸机的二 次冷却制度时，发现从二冷段 IV 区出口到 V 区出 口，铸坯表面温度回升幅度较大，导致坯壳抵抗鼓 肚变形的能力下降，而且因热膨胀作用使得铸坯中 心产生抽吸作用，加剧了中心偏析的严重程度。 3.5 采用电磁搅拌技术
备注
0 角部皮下气泡 5 个
0
1.5
1.5 有 4 mm×8 mm 缩孔
1.5
0 有皮下气泡 2 级
0 有皮下气泡 1 级
0
0
0
0
0
0
2 中心偏析与中心疏松形成原因 中心偏析是指钢液在凝固过程中，溶质元素在
固液相中进行再分配时，表现为铸坯中元素分布不 均匀，铸坯中心部位的 C、S、P 等元素含量明显高 于其它部位。在铸坯厚度中心凝固末端区域常表现 为“V”偏析。中心疏松是指钢液在凝固末期，在 铸坯厚度中心的枝晶间产生微小空隙。导致中心偏
二次冷却技术对铸坯的表面质量和内部质量 有重要影响，中心偏析和中心疏松等缺陷的形成与 之有紧密的联系。二次冷却技术包括二冷区分段、 二冷区喷嘴选择及配置、喷水条件（如流量、压力） 的确定等。
二冷区分段应根据连铸机的辊列排布，沿拉坯 方向从上到下按各冷却段长度逐渐增加的原则划 分，一般板坯连铸机为 7～9 个冷却段。
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二冷区喷嘴结构决定了冷却水的水流密度分 布、水滴速度和水滴直径。气－水喷嘴相对于压力 水喷嘴，具有喷水流量调节范围大、冷却强度大、 冷却均匀、不易堵塞等优点，但使用时消耗的动力 较大。各种喷嘴都存在一个能维持其良好雾化性能 的水量调节范围，因此，各二冷段喷嘴型号的选择 及数量的确定应保证喷嘴的实际工作水量变化范 围经常处于其正常的调节范围之内。
拉坯速度也是影响柱状晶生长的重要因素。拉 坯速度大，铸坯在结晶器内停留时间短，铸坯液芯 延长，这不但推迟了等轴晶的形核和长大，扩大了 柱状晶区，而且发生铸坯鼓肚的危险系数也增大。 因此，在不影响产量的前提下，拉坯速度不宜过大。 在生产实践中，需根据不同钢种在不同的操作模式 （如开始浇注、快速更换中间罐、快速更换浸入式 水口、更换结晶器保护渣、异钢种连浇时拉坯终了 到拉坯开始过程、终止浇注等）下制定相应的控制 标准。具体标准的设定可在生产中慢慢积累经验， 也可以参照有成功生产经验的钢厂数据来设定。 3.4 优化二次冷却技术
3 中心偏析与中心疏松预防对策 由中心偏析与中心疏松形成原因分析，若能采
取措施促进铸坯中心凝固组织等轴晶化，减少钢液 中易偏析元素含量，控制铸坯鼓肚量，就可以减缓 中心偏析和中心疏松的产生。 3.1 提高钢水纯净度
钢中含碳量与凝固组织关系密切，影响柱状晶 和等轴晶的生长比率，必然对铸坯中心偏析和中心 疏松的产生起决定性作用。有研究表明[1]，在其它 条件相同的情况下对含碳量分别为 0.3％、0.1％和 0.6％的三种钢进行浇注，发现其柱状晶长度、中 心偏析宽度和中心疏松空穴按含碳为 0.3％、0.1 ％和 0.6％的顺序依次增加。因此，必须提高转炉 生产中碳的命中率，准确控制钢液中的碳含量。
炉批号
451-520 451-505 451-611 451-614 441-262 451-481 451-482 441-265 451-484 441-415 441-418 451-766 441-440
钢钟
Q345 Q345 Q345 Q345 Q345 Q235 Q235 Q345 Q235 Q235 Q235 Q235 Q235
在板坯连铸机上采用电磁搅拌技术，要使其充 分发挥搅拌作用，显著降低中心偏析和中心疏松， 需准确计算电磁搅拌装置的具体安装位置和铸坯 中心的电磁推力大小。有研究表明[4]，电磁搅拌装
置安装在钢水未凝固率为 25％～40％范围内较合 适，此时等轴晶率高；电磁推力控制在 65 mmFe～ 147 mmFe 范围内，搅拌效果较理想。 3.6 采用轻压下技术
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中心偏析与中心疏松的形成与预防
邹冰梅
(中冶赛迪公司炼钢设计室, 重庆 400013)
[摘 要]分析了连铸坯中心偏析与中心疏松缺陷的形成原因，提出了具体的预防对策。 [关键词]连铸坯 中心偏析 中心疏松 二次冷却 电磁搅拌 轻压下
1 前言 某钢铁（集团）公司炼钢厂新建了一台 1800 mm
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被“凝固晶桥”分开，晶桥下部钢液在凝固收缩时 得不到上部钢水补充而形成疏松或缩孔，并伴随中 心偏析。当凝固组织中柱状晶过于发达时，越容易 形成“凝固晶桥”，铸坯中也越容易产生中心偏析 和中心疏松。 2.2 钢液中易偏析溶质元素含量过高
中心偏析和中心疏松形成机理之二是钢液中 易偏析溶质元素析出与富集理论，即铸坯从表壳往 中心结晶过程中，钢液中的溶质元素在固液相界上 具有溶解平衡移动，C、S、P 等易偏析元素以柱状 晶粒析出，排到尚未凝固的金属液中，随结晶的继 续进行，这些易偏析元素被富集到铸坯中心或凝固 末端区域，由此产生中心偏析和中心疏松。 2.3 坯壳发生鼓肚
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.5 0.5 0
三角区裂 氧化铝夹 针孔状气 纹(级) 杂(级) 泡(级)
1
0
0
0.5
0
0
1
0
0
0.5
0
0
0.5
0
0
﹥1.5
0
0
0.5
0
0
1
0
0
1
0
0
1
0
0
1
0
0
0.5
0
0
1Hale Waihona Puke Baidu
0
0
蜂窝气 泡(级)
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
硅酸盐 夹杂(级)