连铸方坯中心偏析

可以设想，假如在邻近凝固终了的粘稠状区位置上对铸坯施加一个外力，阻止其中心区域因凝固收缩而产生空***，并力图形成一定的正压以防止晶间富集溶质元素的残液流向中心区域，那么，包括V偏析在内的各类中心偏析就可以得到有效的控制。在此思想上，产生了所谓的机械应力压下和热应力压下技术。其中，轻压下(Soft Reduction，以下简称SR)是比较经济、有效和成功的一种机械应力压下技术。

采用轻压下技术时压下量较小，通常在4~8mm之间，但也有大方坯连铸机轻压下量达14mm。压下量的大小对其使用效果影响很大，适当地增加压下量有利于减少中心偏析，但压下量过大也会使铸坯内裂的倾向加剧或使压下辊损坏[5]。图3、图4是J.K.Park和S.H.Chang等人在250mm×330mm大方坯连铸机上产业试验的结果，可以看出，总压下量增大有利于减少中心偏析，却也带来了内部裂纹增多的负作用。

此外，压下率及压下位置也是SR技术的两个关键参数。通常，压下位置需通过实验或数模研究、根据粘稠状区域的等固相率fs曲线来确定，而压下量、压下率则应根据断面尺寸、钢种特性、拉速等铸机工艺参数来确定，以使得轻压下参数与铸坯凝固末真个凝固收缩量、凝固收缩率基本相适应。为此Dr.Manfred、M.Wolf[6]及G.S.Sakaki[7]等人给出了压下量、压下率与方坯的宽厚比W/D、连铸钢种的临界断裂应变εo、两相区宽度(TL-TS)及拉速V之间的关系公式。浦项的实践表明，对于含碳量为0.82%的钢种，250mm×330mm方坯，拉速为0.75m/min的情况下，最佳压下量为6mm，压下率为1.2mm/m，压下位置在fs=0.3~0.8的区域内[5]。采用轻压下技术后，浦项大方坯的C偏析比由原来的1.6降低到了1.1，P偏析比由原来的3.7降低到1.8，S偏析比由原来的1.5降低到1.25，效果是比较明显的。SR技术在大方坯连铸机上应用得较多，而在小方坯连铸机上极少采用，仅见意大利Valbruna Bolzano一家报道，原因一方面与投资有关，另一方面可能也与小方坯连铸过程中凝固末端位置不稳定有关。

重压下(Heavy Reduction)与连续锻压(Continuous Forging)是另外两种机械应力压下技术，其原理是基本相似的，都是在邻近凝固末端位置上施加一个更大的压下量以达到消除中心缩孔、疏松和中心偏析的目的。重压下与连续锻压的压下量都很大，神户制铁所3#大方坯连铸机采用5组大直径压下辊进行"重压下"，总压下量达20~30mm[8] ;而川崎制铁的3#大方坯连铸机则采用连续锻压技术，总压下量更是高达40mm以上[9]。图5反映了不同重压条件下300mm×430mm大方坯的中心C偏析情况。可以看出，假如不采用重压下，最大的中心C偏析可达1.35，均匀中心C偏析达1.17;采用二辊重压下后，中心偏析明显改善;采用三辊重压下后，最大中心C偏析降到了1.05，均匀中心C偏析降到了1.02。应用连续锻压技术，川崎制铁的3#大方坯连铸机的铸坯中心缩孔在连续锻压之后完全消除，中心区域甚至出现了明显的负偏析白亮带。

重压下和连续锻压的主要缺点就是设备庞大、投资与本钱高，因此难以推广。

通常，连铸方坯中心偏析不足以影响终极产品的质量，是答应存在的。但在某些钢种如含碳量较高的硬线、钢帘线钢种及对C，Mn，S偏析敏感的抗氢致开裂管线钢种等的情况下，中心偏析则会影响终极产品的质量和加工性能，是一种典型的铸坯内部缺陷。随着连铸方坯钢种档次的不断进步，铸坯中心偏析的题目也日益突出。

邻近凝固终了的粘稠状区域内，晶间富集溶质元素的液体活动和固体漂移是引起中心偏析的根本原因。与板坯相比，连铸方坯的液芯末端比较狭长，轻易产生"搭桥"而形成"小钢锭"现象，因此连铸方坯中心偏析的形成机理与板坯有所不同，偏析的形态也有所区别。V型偏析是连铸方坯最常见的中心偏析，在这方面所作的研究也相对较多。有两种不同的V型偏析。一种以等轴晶结构形式出现，里面含有很多偏析"通道"密布在一起，被称之为"密布型"V偏析。此类V型偏析的成因被解释为:等轴晶形成了一骨骼，它在因凝固收缩而不断增加的负压的作用下被压碎，然后，来自晶间富集溶质元素的液体被吸收来补充凝固收缩，从而在被压碎的骨骼碎晶之间形成了很多偏析"通道"的"密布型"V偏析。另一种则主要以柱状晶形式出现，为单一的大型的V偏析。此类V型偏析的成因则被解释为:两边向内推进的凝固前沿之间产生了"搭桥"现象，并渐渐长大，终极阻隔了液体向下传送。这意味着"桥"下面区域的液体将要在没有新的液体补充情况下凝固，于是，凝固和冷却收缩将在"桥"下产生孔***或很多微小通道("小钢锭"成因)，晶间富集溶质元素的液体将被向下、向中心吸收，形成了"单个大型"V偏析。显然，消除"单个大型"V偏析、抑制"密布型"V偏析是减少方坯中心偏析的主要着手点。

铸坯中心偏析与拉速、过热度等工艺参数及钢种条件有关，同时也与铸机的设计有关。通过铸机的公道设计、借助于某些辅助手段可以将中心偏析控制在答应的范围之内,如:为了破碎或抑制柱状晶的生长，更多地产生等轴晶，以利于将V型偏析的结构形式由大型单一转变为细小密布型，引进了各种位置上的电磁搅拌(EMS)技术;为了消除凝固收缩引起的中心区域空隙，避免富集溶质的残余液相补缩现象的发生，引进了机械应力轻压下和热应力压下技术等。可以说，铸机设计的公道与否、上述辅助手段选择是否恰当，决定了方坯中心偏析的总体水平。

根据搅拌位置的不同，电磁搅拌分为结晶器电磁搅拌(MEMS)、二冷电磁搅拌(SEMS)以及凝固末端电磁搅拌(FEMS)。

由于MEMS在改善铸坯的表面质量和内部质量方面都有出色的实绩，因此近年来倍受一些方坯连铸机的青睐。实践证实，MEMS对于促进"结晶雨"的形成、增加等轴晶区域、减少中心宏观偏析有着明显的作用。有人对比了使用和不使用MEMS的效果，不使用MEMS时，凝固组织仅有柱状晶区且V偏析形式是"小钢锭"模式下的单个大型V偏析，V偏析之间的间隔通常超过120mm;使用MEMS时，柱状晶区长度减小，V偏析的间隙距缩短至20~30mm，等轴晶区比例增加，占10%~50%，同时，V偏析的形式也由单个大型转变为接近于密布型[1]。图1反映了MEMS对进步等轴晶率的明显作用[2]。

SEMS的搅拌恰好在柱状晶强劲生长的区域，对均匀液芯成分与温度、破碎或抑制柱状晶的生长也有一定的作用，特别是在与MEMS或/和FEMS联合使用的情况下[2~4]。图2对比了在大方坯连铸高碳钢的情况下，没有EMS、只有SEMS以及SEMS+FEMS时铸坯中心C偏析程度。由于SEMS工作条件比较恶劣，设备维护困难，加之使用效果也不够稳定，有时甚至还会出现负面效果，因此其投进率受到了影响。在新建的方坯连铸机中，SEMS较少采用。

FEMS的搅拌发生在凝固末真个糊状区，通常对均匀残余液相的成分与温度、抑制"搭桥"现象的产生有明显的作用。FEMS位置的选择十分关键，直接影响到其使用效果，一般设置在固相率fs为0.4~0.7区间内。假如凝固末端位置计算正确、FEMS位置选定合适加上连铸工艺条件稳定，FEMS能够有效地减少V型偏析和缩孔的产生[3、4]。假如FEMS与MEMS或/和SEMS联合使用，对减少中心偏析的作用将更加明显。有国外EMS厂商推荐，在宝钢方坯连铸机所用钢种的条件下，MEMS+FEMS是比较理想的配置。

关于EMS的作用目前尚有不同的熟悉，在某些情况下EMS效果欠佳，甚至还有一些关于EMS负面作用的文献报道。可以说，EMS在方坯连铸应用方面的研究还有很长的路要走，目前单纯依靠EMS尚难将中心偏析控制在一个理想的水平上。

宝钢高线用坯目前很大一部分仍由模铸生产，这一落后工艺的淘汰已是势在必行，取而代之的将是连铸坯。有两种工艺路径可以用来生产宝钢高线用坯，即小方坯工艺路径和大方坯工艺路径。两者对比，"小方坯路径"在投资与本钱方面上风是显而易见的，而"大方坯路径"的优越性则体现在高碳钢情况下的铸坯内部质量方面。究竟选定何种路径，应取决宝钢高线的产品定位，以及钢帘线、弹簧钢丝等对中心偏析要求严格的高碳钢种所占的比重。笔者仅从铸坯内部质量角度出发，对拟建中的方坯连铸机应配备的技术、设备提出以下想法:

假如选定"小方坯路径"，则连铸机可采用MEMS+FEMS+TSR三种技术组合，断面应不超过140mm×140mm，以保证TSR技术的效果。选用这样的"配置"，连铸小方坯的中心偏析也可能控制在较低的水平上，有些设计商提出的保证值为C/Co<1.1，可以满足宝钢高线尽大部分钢种(包括较低级别的钢帘线钢)的一般质量要求。当然，设计保证值总是有条件的，要求生产、工艺和设备状态都十分稳定，这在高级硬线用小方坯连铸的大产业生产中难度较大，往往难以实现预定的目标，有可能因此影响公司的效益，并造成市场上的被动。

假如选定"大方坯路径"，则MEMS+SR(或FEMS)技术组合是比较理想和成熟的，考虑到后工序情况断面可取在(200~230)mm×(200~230)mm之间。连铸大方坯轧成小方坯后，中心偏析可以控制在1.05以内，有利于开发更高级别的高碳线材钢种，如高级别的钢帘线钢种等，挤身国内外高附加值、高技术含量产品市场的竞争行列。假如能将宝钢在钢水质量、"大方坯路径"工艺以及高线装备水平三方面的上风发挥出来，相信宝钢高线产品在市场上将是有强劲竞争力。

单纯从选分结晶角度来看，断面小则中心偏析的倾向也小，加上各类EMS和TSR技术的应用，使连铸小方坯中心偏析状况得到了不断的改进，即使是高碳钢种，连铸小方坯中心C偏析也能控制在1.1左右。因此，现在有越来越多的线材钢种转向用连铸小方坯生产。尽管如此，国外一些著名钢厂却仍坚持用大断面方坯连铸机来生产对中心偏析有严格限制的高碳钢种，实际结果也证实由这种大方坯轧成的小方坯内部质量有着明显的上风，其中心C偏析比可控制在1.05以内。出现这一结果不能简单地回功于轧制过程中的偏析区域压缩以及再加热过程中偏析元素的扩散均化，事实上，还与大方坯连铸工艺特点有关。

首先，大方坯连铸过程中工艺参数比较稳定，有利于借助末端冶金技术减少中心偏析。无论是FEMS、TSR还是SR、重压下，其效果都与工作位置是否适当密切相关。由于工作位置基本上是固定的，目前尚难以实现真正的动态控制，因此，在连浇过程中各种工艺参数基本稳定、凝固终点位置的基本不变是至关重要的。大方坯连铸生产中各类"变数"少，工艺参数轻易保持稳定甚至恒定，而小方坯连铸要做到这一点则相对困难。另一方面，对质量的追求是无止境的，上述钢厂都采用了多项末端冶金设备以进一步减少中心偏析，进步铸坯内部质量，典型的组合就是FEMS+SR。不同的末端冶金技术的最佳工作位置固然有所不同，却都挤在凝固末真个粘稠状区间内。连铸大方坯时粘稠状区间长，具备了同时布置FEMS+SR设备的条件;而连铸小方坯时粘稠状区间短，因此存在着设备布置空间方面的困难，比较经济公道的组合是FEMS+TSR。

大方坯连铸还在过热度控制方面有着明显的上风，中间包钢水均匀过热度可以稳定地保持在20℃以下，有的大断面方坯连铸机的均匀过热度甚至达到15℃以下。相比之下，小方坯连铸的钢水过热度偏高且波动较大。小方坯连铸生产中，中间包钢水过热度均匀能保持在25~30℃之内就已属不易了，很难实现稳定的低过热度浇注。过热度对连铸方坯中心偏析有不可忽视的影响。高的过热度有利于柱状晶的生长和单个大型V偏析的形成，加剧了铸坯中心偏析倾向，因此，低过热度浇注是抑制中心偏析的重要措施。

此外，断面大，拉速低，因此夹杂物上浮的机会多。国外某些大断面的方坯连铸机不但拉速低，而且还保持立弯式甚至立式机型，这就为钢液中非金属夹杂物的上浮排除提供了更多的机会，有利于改善钢的纯净度，减少夹杂物在中心区域的聚集。

总之，由于一些末端冶金技术的成功应用及其低过热度、低拉速的工艺特点，连铸大方坯的中心偏析可以控制在很小的范围内，由此轧成的小方坯与连铸小方坯相比，至少在内部质量方面是有其优越性的。

产生中心偏析的根源是选分结晶。重轨钢浇铸时，存在柱状晶强烈增长的趋势，而在柱状晶长大过程中，由于选分结晶，凝固前沿产生富集杂质元素的偏析层，其熔点低，当结晶速度减少到某一临界值时，出现组成过冷区，结晶将越过偏析层，跃进到温度较高但实际过冷度较大的成分未变的钢水中进行，当熔体温度达到偏析层母液的凝固点时，便使其凝固，形成偏析。

另一方面，由于柱状晶的增长，易形成枝晶"搭桥"，使上部钢水因受晶桥阻隔而不能对下部凝固收缩进行及时补充，到了凝固末期，由于液相向固相的转变，伴随着体积收缩或产生铸坯鼓肚，致使柱状晶枝晶间富集溶质的残液向中心流动从而形成中心偏析。

热应力压下TSR(Thermal Soft Reduction)技术也被称之为二冷强冷技术，其二冷比水量通常在1.5L/kg以上，甚至达到2.5L/kg。它的基本原理是:在邻近凝固末真个位置上，对铸坯表面进行高强度冷却，致使凝固坯壳向内收缩，产生与机械应力压下相同的效果。

由于TSR使用效果很大程度上取决于强冷的位置是否合适，因此铸坯凝固终点位置计算的正确性、连铸工艺的稳定性是TSR成败的关键。C.M.Raihle等人在小方坯连铸机上的试验表明:拉速小于1.3m/min时，使用TSR时的中心偏析明显比不用TSR时的中心偏析要小，而且当拉速为1.2m/min左右时效果最好，C偏析比可以降到1.12;当拉速超过1.3m/min以后，TSR就失往了效果甚至产生了相反的作用，图6所示。这一现象被解释为:当TSR区域正好将凝固终点包含在内时，中心偏析明显减小;反之，假如凝固终点落在TSR区域之后，则中心偏析反而更加严重[1]。

TSR的优点是投资少，不象机械应力压下那样需要很大的设备投进。同时，其占地面积小有利于与其它冶金手段如FEMS等联合使用，以期取得更好的效果。另一方面，二冷采用强冷方式也会带来一些负面影响，如出现铸坯内外裂纹发生率增加、进矫直区铸坯表面温度偏低等题目。

需要特别指出的是，TSR的使用还受到铸坯断面尺寸的限制。一般以为，对于140mm×140mm以下的小方坯，TSR的效果比较明显;而对于140mm×140mm以上的方坯，靠表面强冷所产生的收缩应力将很难驱使凝固坯壳向内收缩，TSR的作用也将迅速减弱。因此，TSR技术比较适用于一些生产高碳钢种的小方坯连铸机。