D0I:10.13374/i.issnl00103.2009.s1.006 第31卷增刊1 北京科技大学学报 Vol.31 Suppl.1 2009年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dee.2009 凝固组织对连铸板坯中心偏析的影响 田 陆2)包燕平) 黄郁君2) 1)北京科技大学治金工程研究院，北京1000832)衡阳镭目科技有限责任公司，衡阳421001 摘要根据钢厂的生产实践，从凝固组织入手，从宏观角度阐释了凝固组织对中心偏析及钢液流动的影响·中心偏析是由 于凝固界面均一向前推进，溶质元素在中心部位汇聚造成的：柱状晶发达，高溶质钢液停留在柱状晶间的间隙内，可以改善中 心偏析：等轴晶凝固界面可以分散汇聚在中心部位的溶质元素，改善偏析：钢液补充凝固收缩的现象发生在等轴晶区内，恶化 了中心偏析 关键词柱状晶：等轴晶；中心偏析 Effect of solidification structures on the central segregation of slabs TIAN Lu2).BAO Yanping.HUANG Yujun2) 1)Engineering Research Institute,University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China 2)Ramon Science and Technology Co.Ltd..HengYang 421001,China ABSTRACT The effect of solidification structure on the centerline segregation and flow of molten steel has been studied based on the steel production and the solidification structure.The interface of solidification goes ahead regularly and the solutes concentrate on the center of slabs.which cause the segregation.But if the columnar crystals are developed and the solutes rest on the interspace of colum- nar crystals.the centerline segregation can be improved.The solidification interface of equiaxed grains can spread the solutes around it,which can improve the centerline segregation,but when the phenomena of molten steel complementing the solidification shrinkage happens in the region of equiaxed grains,it will worsen the centerline segregation. KEY WORDS columnar crystal:equiaxed grain:centerline segregation 中心偏析是影响铸坯质量的一个重要指标，中 心偏析严重时，可以导致铸坯分层，对中心偏析产 生的机理研究普遍认为]，中心偏析产生的根本 拉坯方向 原因是选分结晶，钢液的宏观流动，造成高溶质钢液 在铸坯中心部位聚集，恶化了中心偏析.本文对现 场生产实践的低倍照片作了整理归纳，将铸坯按照 凝固组织分成四类，寻找凝固组织与中心偏析的 横向取样 关系， 纵向取样 1 实验方法 某钢厂常拉铸坯断面为220mmX1500mm,每 图1低倍分析取样方式 天对铸坯进行取样，做低倍分析，跟踪铸坯质量，取 取样后进行锯、铣、磨等加工处理，然后进行热 样方法为横截面全断面取样和铸坯中心处和1/4处 酸腐蚀[3]10~20min,低倍拍照保留. 进行纵向取样，取样示意图见图1. 收稿日期：2009-08-01 作者简介：田陆(1962一)男，镭目公司总裁，博士研究生：包燕平(1963一)，男，教授，博士生导师，E-mail:baoyp@ustb.edu-cn
凝固组织对连铸板坯中心偏析的影响 田 陆12） 包燕平1） 黄郁君2） 1） 北京科技大学冶金工程研究院北京100083 2） 衡阳镭目科技有限责任公司衡阳421001 摘 要 根据钢厂的生产实践从凝固组织入手从宏观角度阐释了凝固组织对中心偏析及钢液流动的影响．中心偏析是由 于凝固界面均一向前推进溶质元素在中心部位汇聚造成的；柱状晶发达高溶质钢液停留在柱状晶间的间隙内可以改善中 心偏析；等轴晶凝固界面可以分散汇聚在中心部位的溶质元素改善偏析；钢液补充凝固收缩的现象发生在等轴晶区内恶化 了中心偏析． 关键词 柱状晶；等轴晶；中心偏析 Effect of solidification structures on the central segregation of slabs TIA N L u 12）BA O Y an-ping 1）HUA NG Y u-jun 2） 1） Engineering Research InstituteUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China 2） Ramon Science and Technology Co．Ltd．HengYang421001China ABSTRACT T he effect of solidification structure on the centerline segregation and flow of molten steel has been studied based on the steel production and the solidification structure．T he interface of solidification goes ahead regularly and the solutes concentrate on the center of slabswhich cause the segregation．But if the columnar crystals are developed and the solutes rest on the interspace of columnar crystalsthe centerline segregation can be improved．T he solidification interface of equiaxed grains can spread the solutes around itwhich can improve the centerline segregationbut when the phenomena of molten steel complementing the solidification shrinkage happens in the region of equiaxed grainsit will worsen the centerline segregation． KEY WORDS columnar crystal；equiaxed grain；centerline segregation 收稿日期：2009-08-01 作者简介：田 陆（1962—）男镭目公司总裁博士研究生；包燕平（1963—）男教授博士生导师E-mail：baoyp＠ustb．edu．cn 中心偏析是影响铸坯质量的一个重要指标中 心偏析严重时可以导致铸坯分层．对中心偏析产 生的机理研究普遍认为［1—2］中心偏析产生的根本 原因是选分结晶钢液的宏观流动造成高溶质钢液 在铸坯中心部位聚集恶化了中心偏析．本文对现 场生产实践的低倍照片作了整理归纳将铸坯按照 凝固组织分成四类寻找凝固组织与中心偏析的 关系． 1 实验方法 某钢厂常拉铸坯断面为220mm×1500mm每 天对铸坯进行取样做低倍分析跟踪铸坯质量．取 样方法为横截面全断面取样和铸坯中心处和1／4处 进行纵向取样取样示意图见图1． 图1 低倍分析取样方式 取样后进行锯、铣、磨等加工处理然后进行热 酸腐蚀［3］10～20min低倍拍照保留． 第31卷 增刊1 2009年 12月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．31Suppl．1 Dec．2009 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2009．s1．006
Vol.31 Suppl.I 田陆等：凝固组织对连铸板坯中心偏析的影响 .165, 2实验结果 坯进入二冷区，由于坯壳热阻较大，钢液冷却速度下 降，柱状晶开始生长；柱状晶生长到一定程度后，冷 2.1铸坯凝固组织状态与中心偏析严重程度 却速度进一步下降，中心部位钢液接近均一，新长大 铸坯凝固组织分为急冷层、柱状晶区和中心等 的晶粒阻碍了柱状晶的生成，因此在铸坯中心区域 轴晶区，见图2.钢液在结晶器中经过急冷，在铸坯 会生成晶粒粗大的等轴晶 表面存在一层细小的晶粒区，称为激冷层，随后，铸 根据铸坯凝固组织状态，将铸坯分为四类：a类 中心等轴晶区 柱状品区 急冷品区 图2铸坯凝固组织示意图 铸坯柱状晶晶体粗大发达，等轴晶面积狭窄 倍评级，a、b、d三类铸坯的中心偏析均在Bl.0以 (20%)，相关低倍照片见图3(a)~(d).根据质 状晶发达，但是偏析并不会很严重，c类铸坯虽然柱 量跟踪，我们发现，a类铸坯、b类铸坯和d类铸坯中 状晶晶粒细小，但是偏析反而严重，而一般的学术观 心质量均比较好，很少出现中心偏析严重的情况，低 点[臼则认为柱状晶越发达，偏析和疏松越严重，两 图3四类铸坯低倍显示图.(a)a类：(b)b类；(c)c类；(d)d类
2 实验结果 2∙1 铸坯凝固组织状态与中心偏析严重程度 铸坯凝固组织分为急冷层、柱状晶区和中心等 轴晶区见图2．钢液在结晶器中经过急冷在铸坯 表面存在一层细小的晶粒区称为激冷层．随后铸 坯进入二冷区由于坯壳热阻较大钢液冷却速度下 降柱状晶开始生长；柱状晶生长到一定程度后冷 却速度进一步下降中心部位钢液接近均一新长大 的晶粒阻碍了柱状晶的生成因此在铸坯中心区域 会生成晶粒粗大的等轴晶． 根据铸坯凝固组织状态将铸坯分为四类：a 类 图2 铸坯凝固组织示意图 图3 四类铸坯低倍显示图．（a） a 类；（b） b 类；（c） c 类；（d） d 类 铸坯 柱 状 晶 晶 体 粗 大 发 达等 轴 晶 面 积 狭 窄 （＜10％）；b 类铸坯柱状晶晶体细小发达等轴晶面 积较宽；c 类铸坯柱状晶晶体细小等轴晶面积狭窄 （＜10％）；d 类铸坯柱状晶晶体细小等轴晶面积较 宽（＞20％）相关低倍照片见图3（a）～（d）．根据质 量跟踪我们发现a 类铸坯、b 类铸坯和 d 类铸坯中 心质量均比较好很少出现中心偏析严重的情况低 倍评级a、b、d 三类铸坯的中心偏析均在 B1∙0以 上；c 类铸坯的中心质量很难控制中心偏析经常维 持在 B1∙5左右． 根据质量统计虽然 a 类铸坯和 b 类铸坯的柱 状晶发达但是偏析并不会很严重c 类铸坯虽然柱 状晶晶粒细小但是偏析反而严重而一般的学术观 点［4］则认为柱状晶越发达偏析和疏松越严重两 Vol．31Suppl．1 田 陆等： 凝固组织对连铸板坯中心偏析的影响 ·165·
.166 北京科技大学学报 2009年增刊1 者之间有冲突，徐红伟)、王忠英等人对这种现 的溶质元素，改善了中心偏析 象做了研究，认为柱状晶越发达，柱状晶间的间隙越 2.2铸坯凝固组织与钢液流动趋势 大，当一次枝晶间隙大于二次枝晶臂长两倍时，高溶 在拉坯方向凝固末端位置，上游钢液补充下游 质钢液均停留在枝晶之间的间隙内；最终凝固时，高 钢液的凝固收缩，会形成V型偏析山，因此根据V 溶质钢液并没有汇聚到铸坯中心，中心偏析不会严 型偏析判断钢液的流动情况 重；对于c类铸坯，由于枝晶晶粒细小，枝晶间的间 分别选取等轴晶区域面积不同的3种铸坯进行 隙很小，随着凝固界面均一地向前推进，偏析元素均 研究，见图4.在图4(a)中，生产时采用了电磁搅 富集到俦坯中心处，造成中心偏析严重，虽然类拌，具有明显的白亮带，中心等轴晶区域大于50%； 铸坯的枝晶也很细小，但是等轴晶区较宽，由于等轴图4(b)显示样品等轴晶区域为20%左右；图4（©）中 晶的凝固界面没有方向性，有效地分散了中心区域 的等轴晶区域则低于15%. a (b) (C) 图4不同凝固组织的纵向低倍照片，(a)等轴晶区域大于50%；(b)等轴晶区域20%左右：(c)等轴晶区域小于15% 比较图4中(a)、(b)、(c)三幅图，都可以看到典 扫描区间 型的V型偏析，而且V型偏析均发生在等轴晶区， 而在柱状晶区域内看不到V型偏析；等轴晶区域越 宽，V型偏析的区域越宽，说明发生钢液流动的区域 越宽，图4(a)~(c)说明钢液补充凝固收缩均发生 度方向y向 等轴晶区内，等轴晶晶界处的钢液向沿拉坯方向铸 坯中心部位流动，形成细长的偏析线；由于等轴晶密 铸坯中心线 厚度方向x向 集排列，钢液在流动过程中受到其他等轴晶的阻挡， 图5扫描方向示意图 偏析线发展到一定长度后就会停止，汇聚到中心部 位的溶质元素较少，不会造成很严重的偏析 是由于钢液凝固时收缩造成，而等轴晶一柱状晶交 2.3溶质元素分布 界处的偏析峰则是因为凝固界面处的溶质无法扩散 取b类钢进行原位扫描分析，扫描方向见图5， 造成的：沿宽度方向，C元素的含量存在较大的差 由于扫描仪的限制，只能取铸坯中心部位一小块进 异，见图7.由于柱状晶粗大，柱状晶之间的间隙也 行扫描 很大，凝固界面不能均一地向前推进，很多高溶质钢 图6(a)一(c)分别为不同宽度处的厚度方向C 液被封闭在柱状晶之间，造成宽度方向的不均匀 元素的分布曲线 分布 铸坯几何中心在28mm处，根据图6可以看 2.4工艺改进 出，C元素的最大偏析位置偏离铸坯中心7mm,说 针对C类钢的凝固特性，我们采取了如下措施 明内外弧的冷却不是很均匀；沿铸坯厚度方向，C元 来改善中心偏析： 素分布的规律基本一致，在铸坯中心部位和等轴晶一 (1)采用低过热度浇注，将过热度严格控制在 柱状晶交界处存在最大正偏析，中心部位的偏析峰 20℃以内：
者之间有冲突．徐红伟［4］、王忠英［5］等人对这种现 象做了研究认为柱状晶越发达柱状晶间的间隙越 大当一次枝晶间隙大于二次枝晶臂长两倍时高溶 质钢液均停留在枝晶之间的间隙内；最终凝固时高 溶质钢液并没有汇聚到铸坯中心中心偏析不会严 重；对于 c 类铸坯由于枝晶晶粒细小枝晶间的间 隙很小随着凝固界面均一地向前推进偏析元素均 富集到铸坯中心处造成中心偏析严重．虽然 d 类 铸坯的枝晶也很细小但是等轴晶区较宽由于等轴 晶的凝固界面没有方向性有效地分散了中心区域 的溶质元素改善了中心偏析． 2∙2 铸坯凝固组织与钢液流动趋势 在拉坯方向凝固末端位置上游钢液补充下游 钢液的凝固收缩会形成 V 型偏析［1］因此根据 V 型偏析判断钢液的流动情况． 分别选取等轴晶区域面积不同的3种铸坯进行 研究见图4．在图4（a）中生产时采用了电磁搅 拌具有明显的白亮带中心等轴晶区域大于50％； 图4（b）显示样品等轴晶区域为20％左右；图4（c）中 的等轴晶区域则低于15％． 图4 不同凝固组织的纵向低倍照片．（a） 等轴晶区域大于50％；（b） 等轴晶区域20％左右；（c） 等轴晶区域小于15％ 比较图4中（a）、（b）、（c）三幅图都可以看到典 型的 V 型偏析而且 V 型偏析均发生在等轴晶区 而在柱状晶区域内看不到 V 型偏析；等轴晶区域越 宽V 型偏析的区域越宽说明发生钢液流动的区域 越宽．图4（a）～（c）说明钢液补充凝固收缩均发生 等轴晶区内等轴晶晶界处的钢液向沿拉坯方向铸 坯中心部位流动形成细长的偏析线；由于等轴晶密 集排列钢液在流动过程中受到其他等轴晶的阻挡 偏析线发展到一定长度后就会停止汇聚到中心部 位的溶质元素较少不会造成很严重的偏析． 2∙3 溶质元素分布 取 b 类钢进行原位扫描分析扫描方向见图5． 由于扫描仪的限制只能取铸坯中心部位一小块进 行扫描． 图6（a）～（c）分别为不同宽度处的厚度方向 C 元素的分布曲线． 铸坯几何中心在28mm 处根据图6可以看 出C 元素的最大偏析位置偏离铸坯中心7mm说 明内外弧的冷却不是很均匀；沿铸坯厚度方向C 元 素分布的规律基本一致在铸坯中心部位和等轴晶— 柱状晶交界处存在最大正偏析中心部位的偏析峰 图5 扫描方向示意图 是由于钢液凝固时收缩造成而等轴晶—柱状晶交 界处的偏析峰则是因为凝固界面处的溶质无法扩散 造成的；沿宽度方向C 元素的含量存在较大的差 异见图7．由于柱状晶粗大柱状晶之间的间隙也 很大凝固界面不能均一地向前推进很多高溶质钢 液被封闭在柱状晶之间造成宽度方向的不均匀 分布． 2∙4 工艺改进 针对 C 类钢的凝固特性我们采取了如下措施 来改善中心偏析： （1） 采用低过热度浇注将过热度严格控制在 20℃以内； ·166· 北 京 科 技 大 学 学 报 2009年 增刊1
Vol.31 Suppl.I 田陆等：凝固组织对连铸板坯中心偏析的影响 167. 020a 0.19 0.18 0.17 U 0.15 0.14 0.136 10 2030405060708090100110120 铸坯厚度mm 0.20 (b) 0.19 0.18 017 如0.16 0.15 0.14 0.136 10 2030405060708090100110120 铸坯厚度mm 0.23 (e) 0.21 0.17 0.15 0.130 102030405060708090100110120 铸坯厚度mm 图6不同宽度处C元素沿铸坯厚度方向的分布情况.(a)32mm处：(b)35mm处；(c)38mm处 图7C元素平面分布图 (2)进一步降低二冷水量； Machine Press.2000 (③)在凝固末端附近施加轻压下. (胡启汉.金属凝固原理.北京：机械工业出版社，2000) 采取这三项措施后，C类钢的等轴晶扩大至 [2]Tetsuro OHASHI.A study on solidification.segregation and fluid flow of molten steel in continuously cast slabs.Tstsu to-Hagane, 15%,纵向取样基本看不到V型偏析，中心偏析也 1974.60,894 提升至B0.5左右， [3]Wang W Y.Sun W Y.GB226-1991.Etch Test for Macrostructure and Defect of Steels.Beijing:Central Iron and 3结论 Steel Research Institute.1991 ()铸坯的凝固组织状态决定了中心偏析的严 (王文英，孙维個.GB226一1991.钢的低倍组织及缺陷酸蚀 检验法，北京：钢铁研究总院，1991) 重程度，柱状晶细小，同时等轴晶狭窄，会加重中心 [4]Xu H W.Zhang L,Fang Y.The research of macroscopical central 偏析·柱状晶粗大，大量溶质元素分布到柱状晶之 segregation for middling thickness slab.Metall Anal,2007. 间的间隙中，有助于改善中心偏析；等轴晶具有多个 27(10):11 凝固界面，有助于分散溶质元素，改善中心偏析， (徐红伟，张立，方圆，中等厚度连铸板坯中心宏观偏析特性 (2)钢液补充凝固收缩的区域发生在等轴晶区 研究.冶金分析，2007,27(10)：11) 域，所以V型偏析也发生在等轴晶区域内 [5]Wang Z Y.Wang Q.Columnar Crystals Billet and the Control Method for the Columnar Biller in Continuous Casting-CN Pat- tet,101147966A.2007,10 参考文献 (王忠英，王前，连铸柱状晶小方坯及其柱状晶控制方法，中 [1]Hu Q H.The Solidification Theory of Metal.Beijing:China 国专利，101147966A.2007,10)
图6 不同宽度处 C 元素沿铸坯厚度方向的分布情况．（a）32mm 处；（b）35mm 处；（c）38mm 处 图7 C 元素平面分布图 （2） 进一步降低二冷水量； （3） 在凝固末端附近施加轻压下． 采取这三项措施后C 类钢的等轴晶扩大至 15％纵向取样基本看不到 V 型偏析中心偏析也 提升至 B0∙5左右． 3 结论 （1） 铸坯的凝固组织状态决定了中心偏析的严 重程度．柱状晶细小同时等轴晶狭窄会加重中心 偏析．柱状晶粗大大量溶质元素分布到柱状晶之 间的间隙中有助于改善中心偏析；等轴晶具有多个 凝固界面有助于分散溶质元素改善中心偏析． （2） 钢液补充凝固收缩的区域发生在等轴晶区 域所以 V 型偏析也发生在等轴晶区域内． 参 考 文 献 ［1］ Hu Q H．The Solidification Theory of Metal．Beijing：China Machine Press2000 （胡启汉．金属凝固原理．北京：机械工业出版社2000） ［2］ Tetsuro OHASHI．A study on solidificationsegregation and fluid flow of molten steel in continuously cast slabs．Tstsu-to-Hagane 197460：894 ［3］ Wang W Y Sun W Y． GB226—1991． Etch Test for Macrostructure and Defect of Steels．Beijing：Central Iron and Steel Research Institute1991 （王文英孙维 ．GB 226—1991．钢的低倍组织及缺陷酸蚀 检验法．北京：钢铁研究总院1991） ［4］ Xu H WZhang LFang Y．The research of macroscopical central segregation for middling thickness slab． Metall A nal2007 27（10）：11 （徐红伟张立方圆．中等厚度连铸板坯中心宏观偏析特性 研究．冶金分析200727（10）：11） ［5］ Wang Z YWang Q．Columnar Crystals Billet and the Control Method for the Columnar Biller in Continuous Casting．CN Pattent101147966A．200710 （王忠英王前．连铸柱状晶小方坯及其柱状晶控制方法．中 国专利101147966A．200710） Vol．31Suppl．1 田 陆等： 凝固组织对连铸板坯中心偏析的影响 ·167·