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(dǎo)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(guò)于發(fā)達(dá)
中心偏析和中心疏松形成機(jī)理之一是“凝固晶橋”理論，即鑄坯凝固過(guò)程中，鑄坯傳熱的不穩(wěn)定性導(dǎo)致柱狀晶生長(zhǎng)速度快慢不一，優(yōu)先生長(zhǎng)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(shí)得不到上部鋼水補(bǔ)充而形成疏松或縮孔，并伴隨中心偏析。當(dāng)凝固組織中柱狀晶過(guò)于發(fā)達(dá)時(shí)，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(guò)高
中心偏析和中心疏松形成機(jī)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(guò)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(dòng)，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(jìn)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(jī)理之三是空穴抽吸理論，即鑄坯在凝固過(guò)程中若發(fā)生坯殼鼓脹，在鑄坯中心就會(huì)產(chǎn)生空穴，這些空穴具有負(fù)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(dǎo)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(dǎo)致產(chǎn)生中心偏析。因此，鑄坯鼓肚量越大，中心偏析就會(huì)越嚴(yán)重。
2 中心偏析與中心疏松預(yù)防對(duì)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(jìn)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(zhǎng)比率，必然對(duì)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(duì)含碳量分別為0.3%、0.1%和0.6%的一種鋼進(jìn)行澆注，發(fā)現(xiàn)其柱狀晶長(zhǎng)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(zhǔn)確控制鋼液中的碳含量。
鋼液中S、P等是易偏析元素，它們?cè)阡撘褐械暮亢头植夹螒B(tài)影響鑄坯的中心偏析和中心疏松。通過(guò)冶煉潔凈鋼，如采用鐵水預(yù)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(shè)計(jì)連鑄機(jī)時(shí)，盡可能設(shè)計(jì)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?zhàn)冃危贿B鑄機(jī)不宜過(guò)高，以便于降低液相穴高度，減小鋼水靜壓力；在生產(chǎn)中對(duì)二冷區(qū)夾輥需嚴(yán)格對(duì)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(zhǎng)的重要因素。澆注溫度高，鑄坯柱狀晶發(fā)達(dá)：澆注溫度低，鑄坯等軸晶發(fā)達(dá)。因此，在不引起水口凍結(jié)的情況下，應(yīng)盡可能采用低過(guò)熱度澆注。在生產(chǎn)操作中，可根據(jù)各廠經(jīng)驗(yàn)，對(duì)不同鋼鐘制定相應(yīng)的鋼水罐和中間罐目標(biāo)過(guò)熱度基準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)某廠的經(jīng)驗(yàn)是：在生產(chǎn)低碳鋼([C]≤0.08%)時(shí)，鋼水罐和中間罐內(nèi)鋼水標(biāo)過(guò)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(shí)，鋼水罐和中間罐內(nèi)鋼水目標(biāo)過(guò)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(zhǎng)的重要因素。拉坯速度大，鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)停留時(shí)間短，鑄坯液芯延長(zhǎng)，這不但推遲了等軸晶的形核和長(zhǎng)大，擴(kuò)大了柱狀晶區(qū)，而且發(fā)生鑄坯鼓肚的危險(xiǎn)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(guò)大。在生產(chǎn)實(shí)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(hù)渣、異鋼種連澆時(shí)拉坯終了到拉坯開始過(guò)程、終止?jié)沧⒌?span face="">)下制定相應(yīng)的控制標(biāo)準(zhǔn)。具體標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)定可在生產(chǎn)中慢慢積累經(jīng)驗(yàn)，也可以參照有成功生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的鋼廠數(shù)據(jù)來(lái)設(shè)定。
2.4 優(yōu)化二次冷卻技術(shù)
二次冷卻技術(shù)對(duì)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(yīng)根據(jù)連鑄機(jī)的輥列排布，沿拉坯方向從上到下按各冷卻段長(zhǎng)度逐漸增加的原則劃分，一般板坯連鑄機(jī)為7~9個(gè)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(duì)于壓力水噴嘴，具有噴水流量調(diào)節(jié)范圍大、冷卻強(qiáng)度大、冷卻均勻、不易堵塞等優(yōu)點(diǎn)，但使用時(shí)消耗的動(dòng)力較大。各種噴嘴都存在一個(gè)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(hào)的選擇及數(shù)量的確定應(yīng)保證噴嘴的實(shí)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(yàn)來(lái)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(jī)內(nèi)弧與外弧的總配水比約為2:3。對(duì)裂紋不敏感的鋼種，二冷區(qū)上部強(qiáng)冷、下部緩冷；對(duì)裂紋敏感的鋼種，二冷區(qū)從上到下全區(qū)緩冷；對(duì)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(qiáng)冷[2]。在連鑄機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，一般根據(jù)產(chǎn)品大綱中鋼種的高溫力學(xué)性能及其質(zhì)量要求和鑄坯規(guī)格設(shè)計(jì)相應(yīng)的二冷水表。二冷水表的制定要保證冷卻強(qiáng)度足夠、冷卻水量合理分配。若二冷強(qiáng)度不夠，鑄坯表面溫度就會(huì)偏高，鑄坯液芯加長(zhǎng)，等軸晶區(qū)擴(kuò)大，坯殼抵抗因鋼水靜壓力引起的鼓肚變形能力減弱，會(huì)促進(jìn)中心偏析和中心疏松的形成和擴(kuò)展。有文獻(xiàn)[5]研究某鋼廠1350mm板坯連鑄機(jī)的二次冷卻制度時(shí)，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(dǎo)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(yán)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(jī)某一部位，當(dāng)給線圈中通定向電流時(shí)，會(huì)產(chǎn)生對(duì)鋼水有強(qiáng)烈攪拌作用的定向電磁力。該電磁力推動(dòng)鑄坯坯殼內(nèi)未凝固的鋼液沿一定方向循環(huán)運(yùn)動(dòng)，破壞了鋼液凝固組織中己形成的粗大的柱狀晶，使晶粒細(xì)化；阻礙了柱狀晶的進(jìn)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(diǎn)，增加了夾雜物相互碰撞和聚合的機(jī)會(huì)，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(jī)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(zhǔn)確計(jì)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(shí)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(guò)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(bǔ)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(dòng)；同時(shí)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(dòng)，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(gè)連續(xù)動(dòng)態(tài)的過(guò)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(diǎn)位置基本保持不變，需預(yù)先設(shè)定好輕壓下區(qū)域，并調(diào)整好相應(yīng)扇形段輥縫。為發(fā)揮輕壓下的最佳效果，找準(zhǔn)凝固點(diǎn)，輕壓下技術(shù)的應(yīng)用從靜態(tài)發(fā)展到了動(dòng)態(tài)。動(dòng)態(tài)輕壓下可根據(jù)拉坯速度變化、鑄坯凝固終點(diǎn)的位置變化，對(duì)輕壓下位置和壓下量進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制。VAI開發(fā)的動(dòng)態(tài)輕壓下系統(tǒng)由一個(gè)核心部分組成[7，8]：帶有遠(yuǎn)程控制裝置、4個(gè)位置調(diào)整液壓缸的SMART扇形段，可在支撐框架上自動(dòng)定位，驅(qū)動(dòng)輥的升降由一個(gè)傳動(dòng)液壓缸實(shí)現(xiàn)，夾緊由配有內(nèi)裝式位置變送器的4個(gè)位置液壓缸完成。對(duì)SMART扇形段進(jìn)行計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制的錐度自動(dòng)調(diào)整ASTC系統(tǒng)，可根據(jù)不同鋼種自動(dòng)選擇目標(biāo)輥縫，自動(dòng)調(diào)整開澆和出尾坯狀態(tài)各扇形段的輥縫設(shè)定值；動(dòng)態(tài)計(jì)算模型DYNACS系統(tǒng)，能根據(jù)實(shí)際水流量、拉坯速度、鋼種和過(guò)熱度，準(zhǔn)確控制和確定鑄坯的凝固點(diǎn)。VAI的動(dòng)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(guó)的POSCO公司、奧地利的Voestalpinestahl鋼公司以及美國(guó)的Bethlehem Steel鋼公司成功投入使用，并且效果不錯(cuò)。
3 結(jié)語(yǔ)
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(shè)計(jì)和生產(chǎn)中可采取如下預(yù)防對(duì)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(jī)設(shè)計(jì)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(guò)高，拉坯速度不宜過(guò)大。
4)優(yōu)化二次冷卻技術(shù)，選擇合適噴嘴，保證冷卻強(qiáng)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(dòng)態(tài)輕壓下技術(shù)。
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