工程科学学报.第44卷，第2期：189-197.2022年2月 Chinese Journal of Engineering,Vol.44,No.2:189-197,February 2022 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.09.03.001;http://cje.ustb.edu.cn 胀断连杆用高碳微合金钢连铸大方坯的铸态组织 夏勇，李亮，王璞，铁占鹏，兰鹏，唐海燕，张家泉四 北京科技大学治金与生态工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:iqzhang@metall..ustb.edu.cn 摘要胀断连杆是汽车精密传动用高端产品，需具高强高韧和裂解加工脆性解理断裂特性.连铸化生产高碳易切削胀断连 杆用微合金非调质钢是当前的发展方向.基于大方坯连铸生产典型工艺及其铸态组织、成分均匀性分析，研究了胀断连杆加 工过程常见断口形貌不合的钢坯遗传性因素.以常用德系C70S6钢为例.采用250mm×280mm断面弧形连铸机，解析其在 一定结晶器电磁搅拌条件下所浇铸大方坯的铸态低倍结构和枝晶形貌，并分析其不同晶区的成分分布特点.结果表明，当前 连铸条件下大方坯中心缩孔和后续热轧棒材探伤合格率可控，但铸坯初凝坯壳凝固前沿发生明显的C、S负偏析白亮带区及 其柱状晶偏转现象.金相试样图像分析和相场法凝固模拟表明.铸坯中柱状品具有逆流生长特征，其偏转角是一次枝晶尖端 向旋流方向逆向生长的结果.自铸坯角部至宽、窄面中心，实测柱状晶区的一次枝晶偏转角约在-7到27°之间.利用X射线 能谱分析(EDS)进一步检测了钢中主要合金元素Si、M、Mo在铸坯不同晶区的分布，揭示了其铸态偏析特征与差异性.据 此，探讨了这种铸态组织和成分偏析对后续热轧棒材和连杆成品组织的遗传性，以及对其胀断加工断口不合的影响，可为源 头铸态质量的控制提供依据 关键词高碳非调质钢：大方坯连铸：白亮带：枝晶偏转：宏观偏析 分类号TF777.2 Characteristics of the as-cast high-carbon microalloyed continuous casting bloom steel for expansion-break connecting rods XIA Yong,LI Liang.WANG Pu.Tie Zhan-peng,LAN Peng,TANG Hai-yan,ZHANG Jia-quan School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:jqzhang @metall.ustb.edu.cn ABSTRACT Expansion-break connecting rods are high-end products for automotive precision transmission.They need to have high strength,high toughness,and brittle cleavage fracture characteristics during cracking processing.Continuous casting production of nonguenched and tempered steel for high-carbon,sulfur-containing,free-cutting,and expanding connecting rods is the current trend for efficient production.Based on the typical bloom continuous casting process and analysis of the as-cast structure and composition uniformity,the common unqualified fracture morphology due to as-cast hereditary factors were studied.Taking the typical German C70S6 steel as an example,a 250 mm x 280 mm section-curved continuous caster was adopted to study the as-cast macrostructure and dendrite morphology of the bloom casting with popular mold electromagnetic stirring.Moreover,the chemical distribution at different crystal regions was studied.Results show that the common center shrinkage defects of high-carbon steel continuous casting blooms are under control,which are beneficial to improve the qualified rate of internal flaw detection for their subsequent hot-rolled bars.However, it is found that there are obvious negative segregation white bands of carbon and sulfur and the deflection of columnar crystals in the solidification front of the initial solidified shell.Both the image analysis of the metallographic sample and solidification simulation by a phase-field method show that this columnar crystal has countercurrent growth characteristics.In addition,its deflection angle is the result 收稿日期：2020-09-03 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51874033.U1860111)
胀断连杆用高碳微合金钢连铸大方坯的铸态组织 夏 勇，李 亮，王 璞，铁占鹏，兰 鹏，唐海燕，张家泉苣 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083 苣通信作者， E-mail：jqzhang@metall.ustb.edu.cn 摘 要 胀断连杆是汽车精密传动用高端产品，需具高强高韧和裂解加工脆性解理断裂特性. 连铸化生产高碳易切削胀断连 杆用微合金非调质钢是当前的发展方向. 基于大方坯连铸生产典型工艺及其铸态组织、成分均匀性分析，研究了胀断连杆加 工过程常见断口形貌不合的钢坯遗传性因素. 以常用德系 C70S6 钢为例，采用 250 mm×280 mm 断面弧形连铸机，解析其在 一定结晶器电磁搅拌条件下所浇铸大方坯的铸态低倍结构和枝晶形貌，并分析其不同晶区的成分分布特点. 结果表明，当前 连铸条件下大方坯中心缩孔和后续热轧棒材探伤合格率可控，但铸坯初凝坯壳凝固前沿发生明显的 C、S 负偏析白亮带区及 其柱状晶偏转现象. 金相试样图像分析和相场法凝固模拟表明，铸坯中柱状晶具有逆流生长特征，其偏转角是一次枝晶尖端 向旋流方向逆向生长的结果. 自铸坯角部至宽、窄面中心，实测柱状晶区的一次枝晶偏转角约在−7°到 27°之间. 利用 X 射线 能谱分析（EDS）进一步检测了钢中主要合金元素 Si、Mn、Mo 在铸坯不同晶区的分布，揭示了其铸态偏析特征与差异性. 据 此，探讨了这种铸态组织和成分偏析对后续热轧棒材和连杆成品组织的遗传性，以及对其胀断加工断口不合的影响，可为源 头铸态质量的控制提供依据. 关键词 高碳非调质钢；大方坯连铸；白亮带；枝晶偏转；宏观偏析 分类号 TF777.2 Characteristics of the as-cast high-carbon microalloyed continuous casting bloom steel for expansion-break connecting rods XIA Yong，LI Liang，WANG Pu，Tie Zhan-peng，LAN Peng，TANG Hai-yan，ZHANG Jia-quan苣 School of Metallurgical and Ecological Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, E-mail: jqzhang@metall.ustb.edu.cn ABSTRACT Expansion-break connecting rods are high-end products for automotive precision transmission. They need to have high strength, high toughness, and brittle cleavage fracture characteristics during cracking processing. Continuous casting production of nonquenched and tempered steel for high-carbon, sulfur-containing, free-cutting, and expanding connecting rods is the current trend for efficient production. Based on the typical bloom continuous casting process and analysis of the as-cast structure and composition uniformity, the common unqualified fracture morphology due to as-cast hereditary factors were studied. Taking the typical German C70S6 steel as an example, a 250 mm × 280 mm section-curved continuous caster was adopted to study the as-cast macrostructure and dendrite morphology of the bloom casting with popular mold electromagnetic stirring. Moreover, the chemical distribution at different crystal regions was studied. Results show that the common center shrinkage defects of high-carbon steel continuous casting blooms are under control, which are beneficial to improve the qualified rate of internal flaw detection for their subsequent hot-rolled bars. However, it is found that there are obvious negative segregation white bands of carbon and sulfur and the deflection of columnar crystals in the solidification front of the initial solidified shell. Both the image analysis of the metallographic sample and solidification simulation by a phase-field method show that this columnar crystal has countercurrent growth characteristics. In addition, its deflection angle is the result 收稿日期: 2020−09−03 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（51874033，U1860111） 工程科学学报，第 44 卷，第 2 期：189−197，2022 年 2 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 44, No. 2: 189−197, February 2022 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.09.03.001; http://cje.ustb.edu.cn
.190 工程科学学报，第44卷.第2期 of the primary dendrite tip growing in the opposite direction to the swirling fluid flow.In the center of the narrow surface,the measured primary dendrite deflection angle of the columnar crystal region is between-7and 27.EDS was used to further detect the distribution of the main alloying elements Si,Mn,and Mo in the different crystal regions of the bloom casting,revealing the segregation characteristics of the as-cast product and differences of each solute element.Finally,the heredity of this as-cast structure and composition segregation on the structure of subsequent hot-rolled bars and connecting rods was discussed.Moreover,the influence of the fracture inconsistency of its expansion and fracture processing were explored.It is pointed out that the as-cast quality control from the very beginning of casting has special significance in meeting the requirement of both processing and service properties of these high- grade high strength low alloy steels. KEY WORDS high carbon nonquenched and tempered steel;bloom casting;white band;columnar crystal deflection;macro- segregation 连杆是连接曲轴和活塞的重要传动部件，对承载 程度越严重.也有研究发现，在凝固固液界面前存在 能力、安装与工作精度均有较高的要求.胀断连杆是 液体流动的情况下，柱状枝晶会发生偏离正常方向生 当前汽车行业先进的基于脆性胀断再连接、解决装配 长的现象6-认为其偏转角度是由于上游方向的溶 失圆问题的高精度连杆结构.为了获得严丝合缝的解 质耗竭和下游柱状晶体尖端因对流导致溶质浓度升高 理断口、避免塑性变形导致的连杆大头圆失真，对钢 造成的9-21！可见，揭示结晶器电磁搅拌作用下的柱 材的组织与均匀性有十分苛刻的要求山其中，非调质 状晶偏转角和白亮带状况可以间接反映搅拌强度的合 易切削高强钢C70S6为德系连杆用近共析微合金钢， 理性，对于优化连铸工艺改善铸态质量至关重要， 也是一种新型节能高效钢，具有高碳、微合金、硫含量 鉴于含硫易切削高碳非调质胀断连杆用大方 较高以及窄成分控制等要求，连铸生产难度大，仅从 坯铸态组织对后续棒材探伤合格率和胀断裂解组 成品的组织性能要求来看，一方面，高碳高硫钢连铸中 织一致性的重要影响，本研究基于该钢种连铸工 心缩孔、缩裂倾向大、极易发生轧材探伤不合缺陷：另 艺生产开发试验结果，对当前浇铸条件下其大方 ·方面，其成分偏析倾向大容易导致后续轧材组织与 坯凝固组织和成分偏析特征进行了系统的表征研 力学性能一致性差可见，认识并深入研究其铸态组 究.通过铸态低倍形貌、成分分布与偏析特点研 织与常见缺陷特征对于发展这类高等级特殊钢连铸技 究，以及全断面柱状品偏转生长的定量分析，以期 术具有十分重要的意义，也是近年来基于冶炼源头进 揭示可能影响该钢种产品加工过程胀断解理断裂 步提升优特钢加工与服役性能的热点问题3， 要求的铸态遗传缺陷，进而探讨优化连铸工艺、综 大方坯连铸是当前特殊钢棒材生产的主流基 合提升胀断连杆用大方坯铸态质量的工艺途径 础工序，其中涉及钢液流动、传热凝固、溶质再分 1试验条件与方法 配和凝固组织演变等复杂的物理过程连俦电 磁搅拌技术(EMS)对于控制连铸坯凝固组织、改 试验基于250mm×280mm大方坯弧形连铸 善夹杂物分布并促进成分均匀化具有重要作用们， 机，生产工艺流程为：110t电弧炉→钢包精炼 已经成为特殊钢连铸机的标配、得到广泛应用 (LF)→真空脱气(VD)→3流弧形大方坯连铸机. 国内外冶金工作者就电磁搅拌对俦坯质量的影响 依据标准要求，试验炉次钢水主要成分（质量分 做过大量研究.目前，低频率大电流结品器电磁搅拌 数，%)为：C0.70,Mn0.57,Si0.18,P0.017,S0.065, (M-EMS)已成为控制结品器内钢水过热波动、稳定连 Cr0.12.V0.04.Mo0.01等：可见.满足其非调质处 浇坯等轴晶率，进而控制大方坯中心缩孔缺陷的重要 理的强化机制主要是固溶强化和微合金沉淀强 措施8-0.同时也发现，钢水在电磁搅拌作用下的强制 化.此外，成分中保有的较高硫含量可以改善产品 流动将不同程度地影响铸坯凝固组织形貌，并可能对 的加工性能，热锻成形过程也具有促进先共析铁 后续轧材带来不利影响-☒比如，这种流动在半径 素体形核细化共析组织的作用.为了保证后续产 方向上的切向分量会将坯壳固/液界面上析出的溶质 品裂解加工解理断裂、严格控制断口塑性变形，该 元素输送到液相中心，影响铸态组织生长形貌乃至断 钢种要求窄成分控制、并从浇铸源头控制钢坯中 面偏析分布形态；同时还可能使铸坯皮下产生不同程 合金元素成分偏析和俦态组织致密性. 度的负偏析带（白亮带White band)3-l,研究结果显 生产试验铸机参数与主要连铸工艺如表1所 示结晶器电磁搅拌电流强度越大流速越大，负偏析带 示.其中，基于结晶器搅拌和二冷弱冷工艺，获得
of the primary dendrite tip growing in the opposite direction to the swirling fluid flow. In the center of the narrow surface, the measured primary dendrite deflection angle of the columnar crystal region is between −7° and 27°. EDS was used to further detect the distribution of the main alloying elements Si, Mn, and Mo in the different crystal regions of the bloom casting, revealing the segregation characteristics of the as-cast product and differences of each solute element. Finally, the heredity of this as-cast structure and composition segregation on the structure of subsequent hot-rolled bars and connecting rods was discussed. Moreover, the influence of the fracture inconsistency of its expansion and fracture processing were explored. It is pointed out that the as-cast quality control from the very beginning of casting has special significance in meeting the requirement of both processing and service properties of these highgrade high strength low alloy steels. KEY WORDS high carbon nonquenched and tempered steel； bloom casting； white band； columnar crystal deflection； macrosegregation 连杆是连接曲轴和活塞的重要传动部件，对承载 能力、安装与工作精度均有较高的要求. 胀断连杆是 当前汽车行业先进的基于脆性胀断再连接、解决装配 失圆问题的高精度连杆结构. 为了获得严丝合缝的解 理断口、避免塑性变形导致的连杆大头圆失真，对钢 材的组织与均匀性有十分苛刻的要求[1] . 其中，非调质 易切削高强钢 C70S6 为德系连杆用近共析微合金钢， 也是一种新型节能高效钢，具有高碳、微合金、硫含量 较高以及窄成分控制等要求，连铸生产难度大. 仅从 成品的组织性能要求来看，一方面，高碳高硫钢连铸中 心缩孔、缩裂倾向大、极易发生轧材探伤不合缺陷；另 一方面，其成分偏析倾向大容易导致后续轧材组织与 力学性能一致性差[2] . 可见，认识并深入研究其铸态组 织与常见缺陷特征对于发展这类高等级特殊钢连铸技 术具有十分重要的意义，也是近年来基于冶炼源头进 一步提升优特钢加工与服役性能的热点问题[3−4] . 大方坯连铸是当前特殊钢棒材生产的主流基 础工序，其中涉及钢液流动、传热凝固、溶质再分 配和凝固组织演变等复杂的物理过程[5−6] . 连铸电 磁搅拌技术 (EMS) 对于控制连铸坯凝固组织、改 善夹杂物分布并促进成分均匀化具有重要作用[7] ， 已经成为特殊钢连铸机的标配、得到广泛应用. 国内外冶金工作者就电磁搅拌对铸坯质量的影响 做过大量研究. 目前，低频率大电流结晶器电磁搅拌 （M-EMS）已成为控制结晶器内钢水过热波动、稳定连 浇坯等轴晶率，进而控制大方坯中心缩孔缺陷的重要 措施[8−10] . 同时也发现，钢水在电磁搅拌作用下的强制 流动将不同程度地影响铸坯凝固组织形貌，并可能对 后续轧材带来不利影响[11−12] . 比如，这种流动在半径 方向上的切向分量会将坯壳固/液界面上析出的溶质 元素输送到液相中心，影响铸态组织生长形貌乃至断 面偏析分布形态；同时还可能使铸坯皮下产生不同程 度的负偏析带 (白亮带/White band)[13−15] ，研究结果显 示结晶器电磁搅拌电流强度越大流速越大，负偏析带 程度越严重. 也有研究发现，在凝固固液界面前存在 液体流动的情况下，柱状枝晶会发生偏离正常方向生 长的现象[16−18] . 认为其偏转角度是由于上游方向的溶 质耗竭和下游柱状晶体尖端因对流导致溶质浓度升高 造成的[19−21] . 可见，揭示结晶器电磁搅拌作用下的柱 状晶偏转角和白亮带状况可以间接反映搅拌强度的合 理性，对于优化连铸工艺改善铸态质量至关重要. 鉴于含硫易切削高碳非调质胀断连杆用大方 坯铸态组织对后续棒材探伤合格率和胀断裂解组 织一致性的重要影响，本研究基于该钢种连铸工 艺生产开发试验结果，对当前浇铸条件下其大方 坯凝固组织和成分偏析特征进行了系统的表征研 究. 通过铸态低倍形貌、成分分布与偏析特点研 究，以及全断面柱状晶偏转生长的定量分析，以期 揭示可能影响该钢种产品加工过程胀断解理断裂 要求的铸态遗传缺陷，进而探讨优化连铸工艺、综 合提升胀断连杆用大方坯铸态质量的工艺途径. 1 试验条件与方法 试验基于 250 mm×280 mm 大方坯弧形连铸 机 ，生产工艺流程为 ： 110 t 电弧炉 →钢包精 炼 (LF)→真空脱气（VD）→3 流弧形大方坯连铸机. 依据标准要求，试验炉次钢水主要成分（质量分 数，%）为：C 0.70，Mn 0.57，Si 0.18，P 0.017，S 0.065， Cr 0.12，V 0.04，Mo 0.01 等；可见，满足其非调质处 理的强化机制主要是固溶强化和微合金沉淀强 化. 此外，成分中保有的较高硫含量可以改善产品 的加工性能，热锻成形过程也具有促进先共析铁 素体形核细化共析组织的作用. 为了保证后续产 品裂解加工解理断裂、严格控制断口塑性变形，该 钢种要求窄成分控制、并从浇铸源头控制钢坯中 合金元素成分偏析和铸态组织致密性. 生产试验铸机参数与主要连铸工艺如表 1 所 示. 其中，基于结晶器搅拌和二冷弱冷工艺，获得 · 190 · 工程科学学报，第 44 卷，第 2 期
夏勇等：胀断连杆用高碳微合金钢连铸大方坯的铸态组织 191· 的连铸坯中心缩孔1.0级、气体质量分数小于2× 为了揭示大方坯铸态组织特征和成分偏析状 10,均满足标准及后续热轧棒材探伤要求 况，锯切厚度30mm的铸坯横断面试样.低倍试样 表1大方坯连铸机及生产工艺基本参数 观察面经铣床加工至表面粗糙度不大于1.6um后 Table I Bloom continuous casting machine and its basic production 用酒精清洗吹干，然后依据GBT226低倍缺陷酸 parameters 蚀方法的热酸法，将试样加工面浸入用水浴加热 Continuous casting machine parameters Value 至60~80℃的酸蚀液中.浸蚀约15min后取出试 Number of castings three streams 样用清水冲洗吹干拍摄.关于铸坯碳、硫等元素 Cross section 250mm×280mm 偏析信息，如图1所示，沿用该低倍切片试样，用 Radius of continuous caster 11m 直径5mm合金钢钻头在铸坯横截面厚度方向取 Mould length 780mm 钻屑样，利用碳硫分析仪测定，此外，在试样自表 Maximum metallurgical length 23m 至中心的激冷层、柱状晶区、中心疏松区切取10mm× Nozzle type Immersion straight-through l0mm×7mm的金相试样进行铸态枝晶形貌观察. Middle-electromagnetic stirring(M-EMS) 500A,3Hz 金相样经过粗磨、细磨、抛光后，进行枝晶浸蚀， First-electromagnetic stirring(F-EMS) 530A,8Hz 其中腐蚀试剂选用苦味酸6g+洗涤剂4mL+H20 Water flow rate at the mold 2750 L'min 500mL的75℃恒温溶液.采用电子显微镜进行 Superheat 11K-24K 显微组织观察，用图像分析处理软件ImageJ测量 Casting speed 0.75 m-min 枝晶偏转角度，并通过EDS对不同晶区试样进行 Second cooling specific water 0.224Lkg1 Mn、Mo、Si等其他合金元素的线扫描分析. Chill layer 1.5 Columnar dendrite regior 1-6 Mixed dendrite zone 1-7 Equiaxed dendrite zone 1-8 123456789012340-0 Sampling 2-1 2-2 2-3 2-4 2.5 Drill cuttings 280mm 困1铸坯横截面品区特征及钻屑与金相试样切取示意图 Fig.I Schematic of the as-cast bloom structure and sampling for chemistry and metallographic analysis 2实验结果分析讨论 求.然而，在距离铸坯四面表皮下15~20mm处发 现有明显的皮下白亮带组织，如图2(c)所示.这种 2.1铸坯低倍形貌 白亮带一般与结晶器搅拌强度过大有关，为偏离 铸坯横截面酸浸后低倍形貌如图2所示.可 共析点的溶质贫乏负偏析组织、也将成为后续轧 见，当前连铸工艺条件下，大方坯中心缩孔级别不 材当地铁素体比例超标的主要原因.在负偏析带 超过1.0级，能得到较好的控制并满足后续轧制要 与中心疏松区之间为粗大的柱状晶区，如图2(b)
的连铸坯中心缩孔 1.0 级、气体质量分数小于 2× 10−6，均满足标准及后续热轧棒材探伤要求. 表 1 大方坯连铸机及生产工艺基本参数 Table 1 Bloom continuous casting machine and its basic production parameters Continuous casting machine parameters Value Number of castings three streams Cross section 250 mm × 280 mm Radius of continuous caster 11 m Mould length 780 mm Maximum metallurgical length 23 m Nozzle type Immersion straight-through Middle- electromagnetic stirring（M-EMS） 500 A, 3 Hz First-electromagnetic stirring（F-EMS） 530 A, 8 Hz Water flow rate at the mold 2750 L·min−1 Superheat 11 K–24 K Casting speed 0.75 m·min−1 Second cooling specific water 0.224 L·kg−1 为了揭示大方坯铸态组织特征和成分偏析状 况，锯切厚度 30 mm 的铸坯横断面试样. 低倍试样 观察面经铣床加工至表面粗糙度不大于 1.6 μm 后 用酒精清洗吹干，然后依据 GB/T226 低倍缺陷酸 蚀方法的热酸法，将试样加工面浸入用水浴加热 至 60～80 ℃ 的酸蚀液中. 浸蚀约 15 min 后取出试 样用清水冲洗吹干拍摄. 关于铸坯碳、硫等元素 偏析信息，如图 1 所示，沿用该低倍切片试样，用 直径 5 mm 合金钢钻头在铸坯横截面厚度方向取 钻屑样，利用碳硫分析仪测定. 此外，在试样自表 至中心的激冷层、柱状晶区、中心疏松区切取 10 mm× 10 mm×7 mm 的金相试样进行铸态枝晶形貌观察. 金相样经过粗磨、细磨、抛光后，进行枝晶浸蚀， 其中腐蚀试剂选用苦味酸 6 g+洗涤剂 4 mL+H2O 500 mL 的 75 ℃ 恒温溶液. 采用电子显微镜进行 显微组织观察，用图像分析处理软件 ImageJ 测量 枝晶偏转角度，并通过 EDS 对不同晶区试样进行 Mn、Mo、Si 等其他合金元素的线扫描分析. 1 2 3 4 5 Sampling Chill layer Columnar dendrite region Mixed dendrite zone Equiaxed dendrite zone Drill cuttings 280 mm 250 mm 30 mm 6 7 8 9 10 10 mm×10 mm×7 mm 11 12 13 14 1-1 1-2 1-3 1-4 1-5 1-6 1-7 1-8 2-1 0-0 2-2 2-3 2-4 2-5 2-6 2-7 2-8 图 1 铸坯横截面晶区特征及钻屑与金相试样切取示意图 Fig.1 Schematic of the as-cast bloom structure and sampling for chemistry and metallographic analysis 2 实验结果分析讨论 2.1 铸坯低倍形貌 铸坯横截面酸浸后低倍形貌如图 2 所示. 可 见，当前连铸工艺条件下，大方坯中心缩孔级别不 超过 1.0 级，能得到较好的控制并满足后续轧制要 求. 然而，在距离铸坯四面表皮下 15～20 mm 处发 现有明显的皮下白亮带组织，如图 2（c）所示. 这种 白亮带一般与结晶器搅拌强度过大有关，为偏离 共析点的溶质贫乏负偏析组织、也将成为后续轧 材当地铁素体比例超标的主要原因. 在负偏析带 与中心疏松区之间为粗大的柱状晶区，如图 2（b） 夏 勇等： 胀断连杆用高碳微合金钢连铸大方坯的铸态组织 · 191 ·
192 工程科学学报，第44卷，第2期 所示.不难发现，包括铸坯角部区域，铸态组织中 2.2柱状枝晶偏转及其特征 柱状晶均发生了不同程度的一次枝晶偏转现象 如图2(b)所示，大方坯柱状晶发生有明显的 偏转生长现象.说明在当前较强的结晶器电磁搅 (a) 1EA35S-3 拌作用下(500A、3Hz)坯壳凝固前沿发生切向流 动，且水口出流钢水电磁旋流在轴线方向上的有 效作用距离较长.采用相场法，以Fe-0.6%C二元 3 mm 合金为例模拟获得这种横向流动对柱状枝晶生长 及溶质分布的影响，如图4所示（其中V表示流 速；C表示碳质量分数).可见，在所设计的较小流 速下（如铸坯角部区域），凝固柱状晶均表现出向 20 mm 王17mm mm 旋流方向逆向倾斜生长的特性，且偏转角度随流 速而增加.这种现象与前人关于柱状晶上游（根 图2大方坯低倍试样.(a)全断面低倍形貌：(b)柱状品偏转：(c)皮下 部)溶质因切向流动而耗竭、导致柱状晶体尖端溶 白亮带 Fig.2 Low-magnification specimens of blooms:(a)full-section 质浓度升高而造成的枝晶偏转特征是一致的) morphology;(b)columnar crystal deflection;(c)subsurface white bright 其中，Wang等m及Takahashi等ug研究报道，随着 band 流速从0.1ms增加到0.4ms,偏转角从0增加 铸坯断面不同晶区枝晶浸蚀结果如图3所示， 到30°，Esaka等研究了碳含量的影响，发现碳 其中1#样为激冷层、3#样为皮下白亮带所在晶 质量分数从0.01%增加到0.1%，偏转角从15增加 区、6#样为柱状-等轴晶转变(CET)混晶区、12#样 到20°，在此浓度以上保持22左右不再变化.Wang 为中心等轴晶区，关于这些典型晶区的形成机理 等7报道了高碳钢小方坯连铸在450A、2.5Hz结 已很清楚，主要与过冷度和凝固前沿成分过冷有 晶器电磁搅拌下，其柱状晶偏转角达18°到23° 关，在此不再赘述，但需要指出的是，晶区过渡区 如图5所示，对于这种含硫高碳非调质胀断连 域以及中心斑点状疏松区往往是成分偏析波动较 杆用钢，测量其大方坯横截面上距离铸坯四周边 大的区域，影响钢材热处理性能的碳极差超标往 缘处相同距离的柱状晶区枝品偏转角，结果如图6 往与此有关四，从3#样枝晶形貌可见，在M-EMS 所示.图中表明，其柱状晶偏斜角度在铸坯宽、窄 作用下，此区域柱状晶已经明显地偏离了垂直表 面中部最大，约在23°~26°之间：铸坯角部柱状晶 面的最大温度梯度方向，偏转方向基本一致、偏转 偏转角最小，且在宽窄面过渡区域发生反向偏转， 角大约在20°~28°之间 这显然与角部二维传热且传热方向正交有关.受 钢液电磁旋流强度黏滞性衰减影响，铸坯窄面左 侧和外弧面柱状晶偏转角度均略大于其相对面上 柱状晶的偏转量.其中，基于数据拟合可获得窄面 侧柱状晶偏转角的如下回归式 0=26.3-53.26e-0.0546d (1) 其中：0为柱状品体偏转角，（°）；d为离窄面左侧 边缘距离，mm:该结果与文献[17刀中报道高碳钢 小方坯相近.宽面侧柱状品偏转角分布规律与大 小基本类似 2.3皮下负偏析白亮带 连铸坯低倍中出现的白亮带现象属于负偏析 区铁素体比例高耐酸蚀较强的表现.图2(a)可见， 铸坯横断面上白亮带具有侧面较重、而角部不明 显的特点，可能与当地凝固前沿的流动性差异有 关.由凝固前沿溶质冲刷机理)，可知白亮带一般 图3铸坯断面自表及里不同品区铸态枝品形貌(1#，3#，6#，12#) Fig.3 Morphology of as-cast dendrites in different crystal regions from 均与凝固前沿钢水流动对枝晶间偏析溶质的冲刷 surface inward (1#3#6#12#) 有关，白亮带位置与搅拌器安装位置或当地的凝
所示. 不难发现，包括铸坯角部区域，铸态组织中 柱状晶均发生了不同程度的一次枝晶偏转现象. 20 mm 17 mm (a) (b) (c) 3 mm 3 mm 图 2 大方坯低倍试样. （a）全断面低倍形貌；（b）柱状晶偏转；（c）皮下 白亮带 Fig.2 Low-magnification specimens of blooms: (a) full-section morphology; (b) columnar crystal deflection; (c) subsurface white bright band 铸坯断面不同晶区枝晶浸蚀结果如图 3 所示， 其中 1#样为激冷层、3#样为皮下白亮带所在晶 区、6#样为柱状−等轴晶转变（CET）混晶区、12#样 为中心等轴晶区. 关于这些典型晶区的形成机理 已很清楚，主要与过冷度和凝固前沿成分过冷有 关，在此不再赘述. 但需要指出的是，晶区过渡区 域以及中心斑点状疏松区往往是成分偏析波动较 大的区域，影响钢材热处理性能的碳极差超标往 往与此有关[22] . 从 3#样枝晶形貌可见，在 M-EMS 作用下，此区域柱状晶已经明显地偏离了垂直表 面的最大温度梯度方向，偏转方向基本一致、偏转 角大约在 20°～28°之间. 1# 3# 6# 12# 1 mm 图 3 铸坯断面自表及里不同晶区铸态枝晶形貌（1#, 3#, 6#, 12#） Fig.3 Morphology of as-cast dendrites in different crystal regions from surface inward (1#, 3#, 6#, 12#) 2.2 柱状枝晶偏转及其特征 如图 2（b）所示，大方坯柱状晶发生有明显的 偏转生长现象. 说明在当前较强的结晶器电磁搅 拌作用下（500 A、3 Hz）坯壳凝固前沿发生切向流 动，且水口出流钢水电磁旋流在轴线方向上的有 效作用距离较长. 采用相场法，以 Fe−0.6%C 二元 合金为例模拟获得这种横向流动对柱状枝晶生长 及溶质分布的影响，如图 4 所示（其中 V 表示流 速；C 表示碳质量分数）. 可见，在所设计的较小流 速下（如铸坯角部区域），凝固柱状晶均表现出向 旋流方向逆向倾斜生长的特性，且偏转角度随流 速而增加. 这种现象与前人关于柱状晶上游（根 部）溶质因切向流动而耗竭、导致柱状晶体尖端溶 质浓度升高而造成的枝晶偏转特征是一致的[23] . 其中，Wang 等[17] 及 Takahashi 等[19] 研究报道，随着 流速从 0.1 m·s−1 增加到 0.4 m·s−1，偏转角从 0°增加 到 30°. Esaka 等[24] 研究了碳含量的影响，发现碳 质量分数从 0.01% 增加到 0.1%，偏转角从 15°增加 到 20°，在此浓度以上保持 22°左右不再变化. Wang 等[17] 报道了高碳钢小方坯连铸在 450 A、2.5 Hz 结 晶器电磁搅拌下，其柱状晶偏转角达 18°到 23°. 如图 5 所示，对于这种含硫高碳非调质胀断连 杆用钢，测量其大方坯横截面上距离铸坯四周边 缘处相同距离的柱状晶区枝晶偏转角，结果如图 6 所示. 图中表明，其柱状晶偏斜角度在铸坯宽、窄 面中部最大，约在 23°～26°之间；铸坯角部柱状晶 偏转角最小，且在宽窄面过渡区域发生反向偏转， 这显然与角部二维传热且传热方向正交有关. 受 钢液电磁旋流强度黏滞性衰减影响，铸坯窄面左 侧和外弧面柱状晶偏转角度均略大于其相对面上 柱状晶的偏转量. 其中，基于数据拟合可获得窄面 侧柱状晶偏转角的如下回归式. θ=26.3−53.26e−0.0546d （1） 其中：θ 为柱状晶体偏转角，（°）；d 为离窄面左侧 边缘距离，mm；该结果与文献 [17] 中报道高碳钢 小方坯相近. 宽面侧柱状晶偏转角分布规律与大 小基本类似. 2.3 皮下负偏析白亮带 连铸坯低倍中出现的白亮带现象属于负偏析 区铁素体比例高耐酸蚀较强的表现. 图 2（a）可见， 铸坯横断面上白亮带具有侧面较重、而角部不明 显的特点，可能与当地凝固前沿的流动性差异有 关. 由凝固前沿溶质冲刷机理[15] ，可知白亮带一般 均与凝固前沿钢水流动对枝晶间偏析溶质的冲刷 有关，白亮带位置与搅拌器安装位置或当地的凝 · 192 · 工程科学学报，第 44 卷，第 2 期
夏勇等：胀断连杆用高碳微合金钢连铸大方坯的铸态组织 ·193· (a) (b) (c) 0=0° 0=3.4° =4.5° 0.0ms 0.04ms-1 0.06ms 0.020 0018 0.016 0.010 .008 8 .002 图4相场模拟横向流动下的枝晶逆流偏转及其溶质分布特征.(a)0ms:(b)0.04ms:(c)0.06ms1 Fig.4 Phase-field simulation of dendrite countercurrent deflection and its solute distribution characteristics:(a)the velocity is 0 m's;(b)the velocity is 0.04 m's;(c)the velocity is 0.06 m-s- 固坯壳厚度有关；负偏析带宽度则与拉速、搅拌器 有效长度等有关.在本实验工况500A、3Hz的结 晶器电磁搅拌作用下，较强的电磁力旋流对初凝 坯壳的冲刷应该是这种皮下白亮带的主要成因 表2所示钻屑样碳、硫元素分析结果也表明其为 负偏析带.如图7所示，结晶器区域的电磁搅拌， 不仅造成凝固前沿的负偏析带，枝晶间浓化钢水 向内部迁移也推高了柱状晶区域成分，铸坯中间 (Mid-way)呈现出C元素正偏析区.鉴于宏观偏析 在后续热加工中难以去除、在轧材和产品中具有 遗传效应，为了保证组织的一致性，一般希望铸坯 图5铸坯横断面中柱状品偏转生长形貌 断面碳、硫极差越小越好.也就是说铸坯皮下白 Fig.5 Morphology of the columnar crystal deflective growth in bloom casting 亮带或其程度与存在范围应该加以控制. 40 40 (a) --Narrow face left (b) -Wide outer arc 35 Narrow face right 35 Wide inner arc 30 20 20 10 ()e uonouad 5 5 0 0 -1 -10 0 100150200 250 0 50 100150200250 Distance/mm Distance/mm 图6铸坯宽窄面柱状品偏转角曲线.()窄面柱状晶偏转角分布：(b)宽面柱状品偏转角分布 Fig.6 Deflection angle curve of the wide and narrow side columnar crystals:(a)narrow side of the bloom casting;(b)wide side of the bloom casting 应该提出的是，在同样浇铸工况生产试验中， 2.4铸态不同晶区合金元素EDS分析 发现铸坯试样中心也有负偏析的结果，以及内外 选取不同铸态晶区位置金相试样(1#、3# 弧铸态结构或成分偏析不对称现象，这很可能与 12#),在试样中间部位进行合金元素Mn、Mo、 低过热浇铸或结品器强电磁搅拌条件下的高碳钢 Si线扫描EDS分析，结果如图8所示.可见，以上 发达枝晶的游离沉降有关 三种元素在铸坯不同位置分布特征基本相同.激
固坯壳厚度有关；负偏析带宽度则与拉速、搅拌器 有效长度等有关. 在本实验工况 500 A、3 Hz 的结 晶器电磁搅拌作用下，较强的电磁力旋流对初凝 坯壳的冲刷应该是这种皮下白亮带的主要成因[25] . 表 2 所示钻屑样碳、硫元素分析结果也表明其为 负偏析带. 如图 7 所示，结晶器区域的电磁搅拌， 不仅造成凝固前沿的负偏析带，枝晶间浓化钢水 向内部迁移也推高了柱状晶区域成分，铸坯中间 （Mid-way）呈现出 C 元素正偏析区. 鉴于宏观偏析 在后续热加工中难以去除、在轧材和产品中具有 遗传效应，为了保证组织的一致性，一般希望铸坯 断面碳、硫极差越小越好. 也就是说铸坯皮下白 亮带或其程度与存在范围应该加以控制. 应该提出的是，在同样浇铸工况生产试验中， 发现铸坯试样中心也有负偏析的结果，以及内外 弧铸态结构或成分偏析不对称现象，这很可能与 低过热浇铸或结晶器强电磁搅拌条件下的高碳钢 发达枝晶的游离沉降有关. 2.4 铸态不同晶区合金元素 EDS 分析 选取不同铸态晶区位置金相试样 （ 1#、 3#、 12#） ，在试样中间部位进行合金元 素 Mn、 Mo、 Si 线扫描 EDS 分析，结果如图 8 所示. 可见，以上 三种元素在铸坯不同位置分布特征基本相同. 激 (a) V=0.0 m·s−1 θ=0° 0.6 μm (b) V=0.04 m·s−1 θ=3.4° 0.6 μm (c) 0.022 0.020 0.018 0.016 0.014 0.012 0.010 C 0.008 0.006 0.004 0.002 V=0.06 m·s−1 θ=4.5° 0.6 μm 图 4 相场模拟横向流动下的枝晶逆流偏转及其溶质分布特征. （a）0 m·s−1；（b）0.04 m·s−1；（c）0.06 m·s−1 Fig.4 Phase-field simulation of dendrite countercurrent deflection and its solute distribution characteristics: (a) the velocity is 0 m·s−1; (b) the velocity is 0.04 m·s−1; (c) the velocity is 0.06 m·s−1 图 5 铸坯横断面中柱状晶偏转生长形貌 Fig.5 Morphology of the columnar crystal deflective growth in bloom casting 0 50 100 150 200 250 −10 −5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Narrow face left Narrow face right Deflection angle/(°) Distance/mm (a) 0 50 100 150 200 250 −10 −5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Deflection angle/(°) Distance/mm (b) Wide outer arc Wide inner arc 图 6 铸坯宽窄面柱状晶偏转角曲线. （a）窄面柱状晶偏转角分布；（b）宽面柱状晶偏转角分布 Fig.6 Deflection angle curve of the wide and narrow side columnar crystals: (a) narrow side of the bloom casting; (b) wide side of the bloom casting 夏 勇等： 胀断连杆用高碳微合金钢连铸大方坯的铸态组织 · 193 ·
194 工程科学学报，第44卷，第2期 表2铸坯断面钻屑点碳硫成分（质量分数） Si元素，如表3所示.无论是C、S,还是其它合金 Table 2 Carbon and sulfur concentration in the cross section 元素，其宏观偏析程度越大，后续热加工产品组织 of the bloom casting % 与性能的差异性也将越大 Numbering C Numbering 3分析讨论 1-1 0.728 0.0657 2-1 0.6980.0565 1-2 0.690 0.0625 2-2 0.7630.0700 用户调研表明，对于大方坯连铸含硫高碳非 1-3 0.689 0.0624 23 0.7540.0705 调质胀断连杆钢，其后一般要求以热轧棒材的形 1-4 0.719 0.0650 2-4 0.7630.0727 式供货，终端用户再通过热模锻控制成形、控制组 1-5 0.750 0.0678 2-5 0.736 0.0692 织.若要保证零件裂解加工过程塑性变形小、发 1-6 0.751 0.0696 2-6 0.7000.0628 生理想解理断裂（断口平整，无凸起和掉渣等），一 1-7 0.764 0.0745 2-7 0.690 0.0669 般要求产品要有90%以上的珠光体、不连续分布小 1-8 0.729 0.0604 2-8 0.7060.0673 于10%甚至5%的铁素体组织，且无异常组织，2询 0-0 0.891 0.0824 可见，为了以铸代锻，在开发胀断连杆钢大方 坯连铸生产工艺时采用结晶器强电磁搅拌确实可 以增加中间等轴晶区、控制中心缩孔缺陷，然而搅 0.90 -■-Measured ◆-Standard 拌工艺不当也会导致铸坯断面宏观偏析差异程度 0.85 较大的问题.其中不仅包括皮下白亮带、中心线 偏析，还包括粗大等轴晶区的斑点状半宏观偏析 众所周知，如上所述的这种宏观尺度成分不均匀 0.75 性，在后续热加工环节是难以消除的，很容易发生 产品异常组织，进而导致裂解断口不合.有研究表 0.70 明2-2，C与M血等合金元素宏观偏析程度大，连 杆锻造空冷后可能出现贝氏体与马氏体组织，不 0.65 10 15 仅造成材料硬度波动大，也会恶化切削加工性能； Distance/mm 而碳负偏析白亮带，则会产生较多的铁素体组织， 会降低材料拉伸强度、导致局部韧窝型凸起，从而 不利于裂解加工解理断口的保障.此外，含硫钢目 的是改善可加工性，但$偏析程度大，容易引发后 续产品模锻加工热脆 M 综上可见，含硫高碳非调质胀断连杆钢连铸 会 工艺的开发中，窄成分控制的关键是连铸宏观偏 析的控制.当前工艺条件下常见的皮下白亮带、 铸坯中心线偏析或粗大等轴晶区的点状半宏观偏 山 析将会对轧材组织有遗传性影响，应该从连铸源 头加以控制.依据所揭示的柱状晶偏转角反映的 112115614901卫0.5.7。号名1788 电磁搅拌强度，进而通过弱化结晶器搅拌、恒温恒 图7铸坯纵剖低倍及其不同区域碳偏析特征 拉速稳定凝固终点，再实施凝固末端轻压下等措 Fig.7 As-cast macrostructure at the longitudinal section of the bloom 施，可望综合提升其铸态质量、保障后续连杆锻材 casting and its cross-sectional carbon segregation 裂解性能 冷层1#样溶质元素含量适中、中心等轴晶区12# 样中溶质元素相对富集，而白亮带所在晶区的 4结论 3#样溶质元素含量均明显比较贫乏.也就是说，合 基于典型大方坯连铸生产工艺及其铸态组 金元素的分布与前述碳、硫分布特征是一致的 织、成分均匀性分析，研究了连铸工艺开发胀断连 但同时可见，白亮带区域合金元素Mn、Mo贫乏更 杆用钢后续加工过程常见断口形貌不合的钢坯遗 为突出，其在不同位置分布不均匀程度明显大于 传性因素.通过对德系C70S6钢250mm×280mm
冷层 1#样溶质元素含量适中、中心等轴晶区 12# 样中溶质元素相对富集 ，而白亮带所在晶区的 3#样溶质元素含量均明显比较贫乏. 也就是说，合 金元素的分布与前述碳、硫分布特征是一致的. 但同时可见，白亮带区域合金元素 Mn、Mo 贫乏更 为突出，其在不同位置分布不均匀程度明显大于 Si 元素，如表 3 所示. 无论是 C、S，还是其它合金 元素，其宏观偏析程度越大，后续热加工产品组织 与性能的差异性也将越大. 3 分析讨论 用户调研表明，对于大方坯连铸含硫高碳非 调质胀断连杆钢，其后一般要求以热轧棒材的形 式供货，终端用户再通过热模锻控制成形、控制组 织. 若要保证零件裂解加工过程塑性变形小、发 生理想解理断裂（断口平整，无凸起和掉渣等），一 般要求产品要有 90% 以上的珠光体、不连续分布小 于 10% 甚至 5% 的铁素体组织，且无异常组织[1, 26] . 可见，为了以铸代锻，在开发胀断连杆钢大方 坯连铸生产工艺时采用结晶器强电磁搅拌确实可 以增加中间等轴晶区、控制中心缩孔缺陷，然而搅 拌工艺不当也会导致铸坯断面宏观偏析差异程度 较大的问题. 其中不仅包括皮下白亮带、中心线 偏析，还包括粗大等轴晶区的斑点状半宏观偏析. 众所周知，如上所述的这种宏观尺度成分不均匀 性，在后续热加工环节是难以消除的，很容易发生 产品异常组织，进而导致裂解断口不合. 有研究表 明[27−28] ，C 与 Mn 等合金元素宏观偏析程度大，连 杆锻造空冷后可能出现贝氏体与马氏体组织，不 仅造成材料硬度波动大，也会恶化切削加工性能； 而碳负偏析白亮带，则会产生较多的铁素体组织， 会降低材料拉伸强度、导致局部韧窝型凸起，从而 不利于裂解加工解理断口的保障. 此外，含硫钢目 的是改善可加工性，但 S 偏析程度大，容易引发后 续产品模锻加工热脆. 综上可见，含硫高碳非调质胀断连杆钢连铸 工艺的开发中，窄成分控制的关键是连铸宏观偏 析的控制. 当前工艺条件下常见的皮下白亮带、 铸坯中心线偏析或粗大等轴晶区的点状半宏观偏 析将会对轧材组织有遗传性影响，应该从连铸源 头加以控制. 依据所揭示的柱状晶偏转角反映的 电磁搅拌强度，进而通过弱化结晶器搅拌、恒温恒 拉速稳定凝固终点，再实施凝固末端轻压下等措 施，可望综合提升其铸态质量、保障后续连杆锻材 裂解性能. 4 结论 基于典型大方坯连铸生产工艺及其铸态组 织、成分均匀性分析，研究了连铸工艺开发胀断连 杆用钢后续加工过程常见断口形貌不合的钢坯遗 传性因素. 通过对德系 C70S6 钢 250 mm×280 mm 表 2 铸坯断面钻屑点碳硫成分（质量分数） Table 2 Carbon and sulfur concentration in the cross section of the bloom casting % Numbering C S Numbering C S 1-1 0.728 0.0657 2-1 0.698 0.0565 1-2 0.690 0.0625 2-2 0.763 0.0700 1-3 0.689 0.0624 2-3 0.754 0.0705 1-4 0.719 0.0650 2-4 0.763 0.0727 1-5 0.750 0.0678 2-5 0.736 0.0692 1-6 0.751 0.0696 2-6 0.700 0.0628 1-7 0.764 0.0745 2-7 0.690 0.0669 1-8 0.729 0.0604 2-8 0.706 0.0673 0-0 0.891 0.0824 0.90 0.85 0.80 0.75 0.70 0.65 0 5 10 Distance/mm 17 mm Measured Standard Carbon mass fraction/ % 15 20 25 图 7 铸坯纵剖低倍及其不同区域碳偏析特征 Fig.7 As-cast macrostructure at the longitudinal section of the bloom casting and its cross-sectional carbon segregation · 194 · 工程科学学报，第 44 卷，第 2 期
夏勇等：胀断连杆用高碳微合金钢连铸大方坯的铸态组织 195· 2600 2600 2400 Mn element ■1# 。3# 2400 Mo element ■1# ●3# 2200 ▲12# 2200 ▲12# 2000 2000 1800 1800 1600 1600 AA A 1400 1400 1200 号1200 1000 1000 800 800 600 600 400 400 200 200 50 0 50 100 150200250300350400 50 050100150200250300350400 Position/um Position/um 2600 2400 Si element 脑I# ●3# 2200 412# 2000 ■ 1800 1600 1000 800 ■ 600 400 wiminliwjontio 200 -50050100150200250300350400 Position/um 图8不同品区合金元素EDS分析值(1#激冷层、3#白亮带区域、12#等轴品区) Fig.8 EDS values of the solute elements in different crystal regions(1#quench layer,3#white bright band area,12#equiaxed crystal region) 表3铸坯不同位置合金元素含量差异度比值 中心逐渐增大，数值在-7°~27°之间.其中铸坯面 Table 3 Distribution ratio of the solute elements in different crystal 部柱状晶偏转角较大，且宽窄面偏转角具有一定 regions 的不对称性.柱状晶偏转生长及其方向与凝固前 Element 1#/3# 12#/3# 12#/1# 沿钢水的横向流动有关，其偏转程度也间接反映 Mn 5.5 8 1.45 了结晶器搅拌强度及其合理性， Mo 6.43 11.43 1.78 (3)伴随碳、硫偏析，该钢种铸坯中合金元素 Si 2.2 3.78 1.89 Mn、Mo等在不同品区偏析程度差异大.这种铸态 断面大方坯铸态低倍结构、枝晶形貌与成分偏析 组织中合金元素的宏观偏析在后续热加工环节具 特征的实验研究，结论如下： 有遗传性，也将对后续胀断连杆产品的裂解加工 (1)大方坯连铸在常用结晶器电磁搅拌工艺条 性能产生一定的影响. 件下可以获得内部较为致密、无明显中心缩孔缺陷、 综合认为，含硫高碳非调质胀断连杆钢连铸 可保障后续棒材探伤合格的高碳含硫钢连杆用钢 工艺的开发，窄成分控制的关键是连铸宏观偏析 坯；但搅拌强度过大会改变铸坯断面宏观偏析形态， 及其程度的控制，基于铸态组织特征从连铸源头 并在铸坯面部产生明显的皮下负偏析白亮带组织 优化工艺、调控组织具有重要意义 (2)当前连铸工况条件下，凝固柱状晶生长具 有明显的偏转角.柱状晶偏转角由宽窄面角部向 参考文献
断面大方坯铸态低倍结构、枝晶形貌与成分偏析 特征的实验研究，结论如下： （1）大方坯连铸在常用结晶器电磁搅拌工艺条 件下可以获得内部较为致密、无明显中心缩孔缺陷、 可保障后续棒材探伤合格的高碳含硫钢连杆用钢 坯；但搅拌强度过大会改变铸坯断面宏观偏析形态， 并在铸坯面部产生明显的皮下负偏析白亮带组织. （2）当前连铸工况条件下，凝固柱状晶生长具 有明显的偏转角. 柱状晶偏转角由宽窄面角部向 中心逐渐增大，数值在−7°～27°之间. 其中铸坯面 部柱状晶偏转角较大，且宽窄面偏转角具有一定 的不对称性. 柱状晶偏转生长及其方向与凝固前 沿钢水的横向流动有关，其偏转程度也间接反映 了结晶器搅拌强度及其合理性. （3）伴随碳、硫偏析，该钢种铸坯中合金元素 Mn、Mo 等在不同晶区偏析程度差异大. 这种铸态 组织中合金元素的宏观偏析在后续热加工环节具 有遗传性，也将对后续胀断连杆产品的裂解加工 性能产生一定的影响. 综合认为，含硫高碳非调质胀断连杆钢连铸 工艺的开发，窄成分控制的关键是连铸宏观偏析 及其程度的控制，基于铸态组织特征从连铸源头 优化工艺、调控组织具有重要意义. 参 考 文 献 表 3 铸坯不同位置合金元素含量差异度比值 Table 3 Distribution ratio of the solute elements in different crystal regions Element 1#/3# 12#/3# 12#/1# Mn 5.5 8 1.45 Mo 6.43 11.43 1.78 Si 2.2 3.78 1.89 −50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 Position/µm Cps 1# 3# 12# Mn element 1# 3# 12# −50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 Position/µm Cps Mo element 1# 3# 12# −50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 Position/µm Cps Si element 图 8 不同晶区合金元素 EDS 分析值（1#激冷层、3#白亮带区域、12#等轴晶区） Fig.8 EDS values of the solute elements in different crystal regions (1# quench layer, 3# white bright band area, 12# equiaxed crystal region) 夏 勇等： 胀断连杆用高碳微合金钢连铸大方坯的铸态组织 · 195 ·
·196 工程科学学报，第44卷.第2期 [1]Wang Z H,Li S,Ge Y,et al.Research on microstructure and [11]Yokoya S,Takagi S,Iguchi M,et al.Swirling effect in immersion mechanical properties and fracture splitting properties of forged nozzle on flow and heat transport in billet continuous casting mold. connecting rod of C70S6 non-quenched and tempered steel.Hor ISIJ Int,1998,38(8):827 Working Technol,2015,44(19):39 [12]Li S X,Zhang X M,Li L,et al.Representation and effect of (王占花，李慎，葛宇，等.C70S6非调质钢锻造连杆的组织力学 mushy zone coefficient on coupled flow and solidification 性能和胀断性能研究.热加工工艺，2015,44(19)：39) simulation during continuous casting.Chin J Eng,2019,41(2): [2]Kang T,Liu X Y,Yang J H,et al.Analysis on cause of off- 199 qualified continuous-rolling products of steel C70S6 BY by (李少翔，张晓萌，李亮，等.连铸流动与凝固耦合模拟中糊状区 ultrasonic detection and process improvement.Special Steel,2019, 系数的表征及影响.工程科学学报，2019,41(2)：199) 40(2):21 [13]Sun H B,Li L J,Wu XX,et al.Effect of subsurface negative (康活，刘向艳，杨建华，等.胀断连杆用C7OS6BY钢连轧材探伤 segregation induced by M-EMS on componential homogeneity for 不合格原因分析和工艺改进.特殊钢，2019,40(2)：21) bloom continuous casting.Metall Res Technol,2018,115(6):603 [3]JiY,Tang H Y,Lan P.et al.Effect of dendritic morphology and [14]Zhang WJ,Luo S,Chen Y,et al.Numerical simulation of fluid central segregation of billet castings on the microstructure and flow,heat transfer,species transfer,and solidification in billet mechanical property of hot-rolled wire rods.Steel Res In,2017. continuous casting mold with M-EMS.Metals,2019,9(1):66 88(8):1600426 [15]Bridge M R,Rogers G D.Structural effects and band segregate [4]Li B.Zhang Z H,Liu H S,et al.Characteristics and evolution of formation during the electromagnetic stirring of strand-cast steel. the spot segregations and banded defects in high strength corrosion Metall Trans B,1984,15(3):581 resistant tube steel.Acta Metall Sin,2019,55(6):762 [16]Wu H J,Wei N,Bao Y P,et al.Effect of M-EMS on the (李博，张忠铧，刘华松，等.高强耐蚀管钢点状偏析及带状缺陷 solidification structure of a steel billet.Int J Miner Metall Mater. 的特征与演变.金属学报，2019,55(6)：762) 2011,18(2):159 [5]Raihle C M,Sivesson P,Tukiainen M,et al.Improving inner [17]Wang X C,Wang S Q,Zhang L F,et al.Analysis on the deflection quality in continuously cast billets:comparison between mould angle of columnar dendrites of continuous casting steel billets electromagnetic stirring and thermal soft reduction.Ironmaking under the influence of mold electromagnetic stirring.Metall Mater Steelmaking,1994,21(6):487 Trans A,2016,47(11):5496 [6]Oh K S,Shin Y K,Chang Y W.The role of combination stirring [18]Griffiths W D,McCartney D G.The effect of electromagnetic and final stirring pool thickness on center defects of continuous stirring during solidification on the structure of Al-Si alloys.Ma- cast high carbon steel blooms.Trans Iron Steel Soc,1994,21(4): ter Sci Eng A,1996,216(1-2:47 43 [19]Takahashi T,Ichikawa K,Kudou M,et al.The effect of fluid flow [7]Spitzer K H,Dubke M,Schwerdtfeger K.Rotational on the macrosegregation in steel ingot.Tetsu Hagane,1975,61: electromagnetic stirring in continuous casting of round strands 2198 Metall Trans B,1986,17(1):119 (高橘忠義，市川洌，工藤昌行，等.铜塊)凝固偏析二书上（寸 [8]Yu Z,Lei Z S,Jia HH,et al.Numerical simulation of flow field 溶渴流動)影缨.铁上鋼，1975,61：2198) using swirling flow nozzle in continuous casting billet mould / [20]Geng DQ,Lei H,He J C,et al.Effect of electromagnetic swirling Proceedings of 4th International Conference on Continuous flow in slide-gate SEN on flow field in square billet continuous Casting of Steel in Developing Countries.Beijing,2008:554 casting mold.Acta Metall Sin (Engl Lem),2012,25(5):347 [9]Sun H B,Li L J,Wu XX,et al.Control of segregation and [21]Xu Y,Xu X J,Li Z,et al.Dendrite growth characteristics and hardenability band width by optimizing M-EMS parameters for segregation control of bearing steel billet with rotational gear steel.Iron Steel,2018,53(8):55 electromagnetic stirring.High Temp Mater Processes,2007, (孙海波，李烈军，吴学兴，等.基于M-EMS工艺优化的齿轮钢偏 36(4):339 析及淬透性带宽控制.钢铁，2018,53(8)：55) [22]Niu L,Qiu S T,Zhao J X,et al.Effects of continuous casting [1]Li S X,Wang P,Lan P,et al.Melt flow and heat transfer at the process parameters on carbon segregation degree of 38CrMoAl crater end of round billet continuous casting using final steel big round billet.J Iron Steel Res,2018,30(5):359 electromagnetic stirring.Chin J Eng,2019,41(6):748 (牛亮，仇圣桃，赵俊学，等.连铸工艺参数对38CMoA大圆坯碳 (李少翔，王璞，兰鹏，等.圆坯凝固末端电磁搅拌作用下的流动 偏析的影响.钢铁研究学报，2018,30(5)：359) 与传热行为.工程科学学报，2019,41(6)：748) [23]Beckermann C,Diepers H J.Modeling melt convection in phase
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