1 中心偏析與中心疏松形成原因
鑄坯中元素分布不均勻，鑄坯中心部位的C、S、P等元素含量明顯高于其它部位。在鑄坯厚度中心凝固末端區(qū)域常表現(xiàn)為“V”偏析。中心疏松是指鋼液在凝固末期，在鑄坯厚度中心的枝晶間產(chǎn)生微小空隙。導致中心偏析和中心疏松產(chǎn)生的原因很多，且這兩種缺陷往往相伴而生。
1.1 鑄坯凝固組織中柱狀晶過于發(fā)達
中心偏析和中心疏松形成機理之一是“凝固晶橋”理論，即鑄坯凝固過程中，鑄坯傳熱的不穩(wěn)定性導致柱狀晶生長速度快慢不一，優(yōu)先生長的柱狀晶在鑄坯中心相遇形成“搭橋”，液相穴內(nèi)鋼液被“凝固晶橋”分開，晶橋下部鋼液在凝固收縮時得不到上部鋼水補充而形成疏松或縮孔，并伴隨中心偏析。當凝固組織中柱狀晶過于發(fā)達時，越容易形成“凝固晶橋”，鑄坯中也越容易產(chǎn)生中心偏析和中心疏松。
1.2 鋼液中易偏析溶質(zhì)元素含量過高
中心偏析和中心疏松形成機理之二是鋼液中易偏析溶質(zhì)元素析出與富集理論，即鑄坯從表殼往中心結(jié)晶過程中，鋼液中的溶質(zhì)元素在固液相界上具有溶解平衡移動，C、S、P等易偏析元素以柱狀晶粒析出，排到尚未凝固的金屬液中，隨結(jié)晶的繼續(xù)進行，這些易偏析元素被富集到鑄坯中心或凝固末端區(qū)域，由此產(chǎn)生中心偏析和中心疏松。
1.3 坯殼發(fā)生鼓肚
中心偏析形成機理之三是空穴抽吸理論，即鑄坯在凝固過程中若發(fā)生坯殼鼓脹，在鑄坯中心就會產(chǎn)生空穴，這些空穴具有負壓抽吸作用，使富集了溶質(zhì)元素的鋼液被吸入鑄坯中心而導致中心偏析；在凝固末期由十液體向固體轉(zhuǎn)變發(fā)生體積收縮而產(chǎn)生一定空穴，也使凝固末端富集溶質(zhì)元素的鋼液被吸入鑄坯中心，導致產(chǎn)生中心偏析。因此，鑄坯鼓肚量越大，中心偏析就會越嚴重。
2 中心偏析與中心疏松預防對策
由中心偏析與中心疏松形成原因分析，若能采取措施促進鑄坯中心凝固組織等軸晶化，減少鋼液中易偏析元素含量，控制鑄坯鼓肚量，就可以減緩中心偏析和中心疏松的產(chǎn)生。
2.1 提高鋼水純凈度
鋼中含碳量與凝固組織關(guān)系密切，影響柱狀晶和等軸晶的生長比率，必然對鑄坯中心偏析和中心疏松的產(chǎn)生起決定性作用。有研究表明[1]，在其它條件相同的情況下對含碳量分別為0.3%、0.1%和0.6%的一種鋼進行澆注，發(fā)現(xiàn)其柱狀晶長度、中心偏析寬度和中心疏松空穴按含碳為0.3%~0.1%和0.6%的順序依次增加。因此，必須提高轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)中碳的命中率，準確控制鋼液中的碳含量。
鋼液中S、P等是易偏析元素，它們在鋼液中的含量和分布形態(tài)影響鑄坯的中心偏析和中心疏松。通過冶煉潔凈鋼，如采用鐵水預處理或鋼包脫硫等技術(shù)，降低鋼液中S、P等易偏析元素含量，提高鋼水純凈度，可有效防止中心偏析和中心疏松的產(chǎn)生。
2.2 控制鑄坯鼓肚量
控制鑄坯鼓肚量，可以有效減緩中心偏析產(chǎn)生。鑄坯鼓肚量的大小主要與二冷區(qū)輥間距、坯殼厚度、鋼水靜壓力等有關(guān)。輥間距越小，坯殼越厚，鋼水靜壓力越小，鼓肚量就越小。因此，在設計連鑄機時，盡可能設計采用小輥徑密排輥列布置，縮小輥間距；采用剛性多節(jié)輥，防止支承輥變形；連鑄機不宜過高，以便于降低液相穴高度，減小鋼水靜壓力；在生產(chǎn)中對二冷區(qū)夾輥需嚴格對弧。
2.3 控制澆注溫度和拉坯速度
澆注溫度是影響柱狀晶生長的重要因素。澆注溫度高，鑄坯柱狀晶發(fā)達：澆注溫度低，鑄坯等軸晶發(fā)達。因此，在不引起水口凍結(jié)的情況下，應盡可能采用低過熱度澆注。在生產(chǎn)操作中，可根據(jù)各廠經(jīng)驗，對不同鋼鐘制定相應的鋼水罐和中間罐目標過熱度基準。國內(nèi)某廠的經(jīng)驗是：在生產(chǎn)低碳鋼([C]≤0.08%)時，鋼水罐和中間罐內(nèi)鋼水標過熱度最好分別控制在600℃、300℃之內(nèi)；生產(chǎn)包晶鋼和中碳鋼(0.08%≤[C]≤0.30%)時，鋼水罐和中間罐內(nèi)鋼水目標過熱度最好分別控制在550℃、250℃之內(nèi)。
拉坯速度也是影響柱狀晶生長的重要因素。拉坯速度大，鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)停留時間短，鑄坯液芯延長，這不但推遲了等軸晶的形核和長大，擴大了柱狀晶區(qū)，而且發(fā)生鑄坯鼓肚的危險系數(shù)也增大。因此，在不影響產(chǎn)量的前提下，拉坯速度不宜過大。在生產(chǎn)實踐中，需根據(jù)不同鋼種在不同的操作模式(如開始澆注、快速更換中間罐、快速更換浸入式水口、更換結(jié)晶器保護渣、異鋼種連澆時拉坯終了到拉坯開始過程、終止?jié)沧⒌?span face="">)下制定相應的控制標準。具體標準的設定可在生產(chǎn)中慢慢積累經(jīng)驗，也可以參照有成功生產(chǎn)經(jīng)驗的鋼廠數(shù)據(jù)來設定。
2.4 優(yōu)化二次冷卻技術(shù)
二次冷卻技術(shù)對鑄坯的表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量有重要影響，中心偏析和中心疏松等缺陷的形成與之有緊密的聯(lián)系。二次冷卻技術(shù)包括二冷區(qū)分段、二冷區(qū)噴嘴選擇及配置、噴水條件(如流量、壓力)的確定等。
二冷區(qū)分段應根據(jù)連鑄機的輥列排布，沿拉坯方向從上到下按各冷卻段長度逐漸增加的原則劃分，一般板坯連鑄機為7~9個冷卻段。
二冷區(qū)噴嘴結(jié)構(gòu)決定了冷卻水的水流密度分布、水滴速度和水滴直徑。氣-水噴嘴相對于壓力水噴嘴，具有噴水流量調(diào)節(jié)范圍大、冷卻強度大、冷卻均勻、不易堵塞等優(yōu)點，但使用時消耗的動力較大。各種噴嘴都存在一個能維持其良好霧化性能的水量調(diào)節(jié)范圍，因此，各二冷段噴嘴型號的選擇及數(shù)量的確定應保證噴嘴的實際工作水量變化范圍經(jīng)常處于其正常的調(diào)節(jié)范圍之內(nèi)。
二次冷卻水量、氣量及壓力，須根據(jù)鑄坯規(guī)格、鋼種、產(chǎn)品質(zhì)量要求和生產(chǎn)經(jīng)驗來確定。二次冷卻水量總的分配原則是沿拉坯方向從上到下逐漸減少，鑄機內(nèi)弧與外弧的總配水比約為2:3。對裂紋不敏感的鋼種，二冷區(qū)上部強冷、下部緩冷；對裂紋敏感的鋼種，二冷區(qū)從上到下全區(qū)緩冷；對內(nèi)部裂紋比表面裂紋敏感的鋼種，二冷區(qū)上部緩冷、下部強冷[2]。在連鑄機的設計過程中，一般根據(jù)產(chǎn)品大綱中鋼種的高溫力學性能及其質(zhì)量要求和鑄坯規(guī)格設計相應的二冷水表。二冷水表的制定要保證冷卻強度足夠、冷卻水量合理分配。若二冷強度不夠，鑄坯表面溫度就會偏高，鑄坯液芯加長，等軸晶區(qū)擴大，坯殼抵抗因鋼水靜壓力引起的鼓肚變形能力減弱，會促進中心偏析和中心疏松的形成和擴展。有文獻[5]研究某鋼廠1350mm板坯連鑄機的二次冷卻制度時，發(fā)現(xiàn)從二冷段IV區(qū)出口到V區(qū)出口，鑄坯表面溫度回升幅度較大，導致坯殼抵抗鼓肚變形的能力下降，而且因熱膨脹作用使得鑄坯中心產(chǎn)生抽吸作用，加劇了中心偏析的嚴重程度。
2.5 采用電磁攪拌技術(shù)
連鑄生產(chǎn)中的電磁攪拌技術(shù)，就是把按一定規(guī)律排列的線圈安裝在連鑄機某一部位，當給線圈中通定向電流時，會產(chǎn)生對鋼水有強烈攪拌作用的定向電磁力。該電磁力推動鑄坯坯殼內(nèi)未凝固的鋼液沿一定方向循環(huán)運動，破壞了鋼液凝固組織中己形成的粗大的柱狀晶，使晶粒細化；阻礙了柱狀晶的進一步形成，增加了等軸晶率；改善了鑄坯中心部位碳成分和硫化物等夾雜物分布不均的特點，增加了夾雜物相互碰撞和聚合的機會，使夾雜物尺寸增大易于上浮，以減緩中心偏析和中心疏松的產(chǎn)生。
在板坯連鑄機上采用電磁攪拌技術(shù)，要使其充分發(fā)揮攪拌作用，顯著降低中心偏析和中心疏松，需準確計算電磁攪拌裝置的具體安裝位置和鑄坯中心的電磁推力大小。有研究表明[4]，電磁攪拌裝置安裝在鋼水未凝固率為25%~40%范圍內(nèi)較合適，此時等軸晶率高；電磁推力控制在65mmFe~147mmFe范圍內(nèi)，攪拌效果較理想。
2.6 采用輕壓下技術(shù)
輕壓下技術(shù)，就是通過在連鑄坯液芯末端附近施加均勻外力，使鑄坯產(chǎn)生一定的壓縮量，以補償鑄坯的凝固收縮量[6]。采用輕壓下技術(shù)可消除或減少鑄坯收縮形成的內(nèi)部空隙，防止晶間富集溶質(zhì)元素的鋼液向鑄坯中心橫向流動；同時輕壓下所產(chǎn)生的擠壓作用還可以促使液芯中富集溶質(zhì)元素的鋼液沿拉坯方向反向流動，使溶質(zhì)元素在鋼液中重新分配，從而使鑄坯的凝固組織更加均勻致密，起到改善中心偏析和減少中心疏松的作用。
連鑄生產(chǎn)是一個連續(xù)動態(tài)的過程，因鋼水溫度、鑄坯厚度、鋼種、拉坯速度和噴水條件等因素不斷變化，鑄坯液芯的凝固位置也不斷變化。靜態(tài)輕壓下技術(shù)要求鑄坯凝固終點位置基本保持不變，需預先設定好輕壓下區(qū)域，并調(diào)整好相應扇形段輥縫。為發(fā)揮輕壓下的最佳效果，找準凝固點，輕壓下技術(shù)的應用從靜態(tài)發(fā)展到了動態(tài)。動態(tài)輕壓下可根據(jù)拉坯速度變化、鑄坯凝固終點的位置變化，對輕壓下位置和壓下量進行動態(tài)控制。VAI開發(fā)的動態(tài)輕壓下系統(tǒng)由一個核心部分組成[7，8]：帶有遠程控制裝置、4個位置調(diào)整液壓缸的SMART扇形段，可在支撐框架上自動定位，驅(qū)動輥的升降由一個傳動液壓缸實現(xiàn)，夾緊由配有內(nèi)裝式位置變送器的4個位置液壓缸完成。對SMART扇形段進行計算機遠程控制的錐度自動調(diào)整ASMotor系統(tǒng)，可根據(jù)不同鋼種自動選擇目標輥縫，自動調(diào)整開澆和出尾坯狀態(tài)各扇形段的輥縫設定值；動態(tài)計算模型DYNACS系統(tǒng)，能根據(jù)實際水流量、拉坯速度、鋼種和過熱度，準確控制和確定鑄坯的凝固點。VAI的動態(tài)輕壓下技術(shù)己經(jīng)在梅鋼、武鋼、芬蘭的Rautaruukki和AvestaPolauit鋼廠、意大利的ILVA鋼廠、韓國的POSCO公司、奧地利的Voestalpinestahl鋼公司以及美國的Bethlehem Steel鋼公司成功投入使用，并且效果不錯。
3 結(jié)語
影響鑄坯中心偏析和中心疏松的因素很多，根據(jù)它們的形成原因，在設計和生產(chǎn)中可采取如下預防對策：
1)提高鋼水純凈度，控制鋼液中碳含量，降低S、P等易偏析元素含量。
2)連鑄機設計成小輥徑密排輥列、剛性多節(jié)輥等技術(shù)控制鑄坯鼓肚量。
3)生產(chǎn)中控制澆注溫度和拉坯速度，澆注溫度不宜過高，拉坯速度不宜過大。
4)優(yōu)化二次冷卻技術(shù)，選擇合適噴嘴，保證冷卻強度足夠、冷卻水量合理分配。
5)采用電磁攪拌技術(shù)，把電磁攪拌裝置安裝在鋼水未凝固率為25%~40%范圍內(nèi)的某一合適位置，電磁推力控制在65mmFe~147mmFe范圍內(nèi)。
6)采用成熟的動態(tài)輕壓下技術(shù)。
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