连铸坯低倍结构

由于二冷区冷却的不均匀性导致柱状晶的不稳定生长，在铸坯纵断面中心常常出现每隔5～10cm有规则的凝固桥，并伴随有疏松和缩孔(尤其是小方坯)形成，被称为“小钢锭凝固结构”(m_in_i-ingot)。

它的形成过程如图2所示。图中1为柱状晶规则生长;2为柱状晶不稳定生长，导致局部区域柱状晶优先生长;3为在某一局部区域两边相对生长的柱状晶相连接，或者等轴晶的下沉，被柱状晶捕集而形成搭桥;4为液相穴钢液被凝固桥隔开，桥下面的残余钢液凝固时要收缩，得不到上面钢水的补充而形成疏松和缩孔，并伴随有严重的中心偏析的区域;5为钢液完全凝固。小方坯铸坯凝固结构中m_in_i-ingot的形成，加剧了溶质元素(S、P、Mn、C)的中心偏析，在热加工或热处理时，导致不均匀的转变产物，会产生脆性和断裂，这对于铸坯用于轧制棒、丝产品是一个特殊问题。

铸坯纵断面的中心等轴晶区，在硫印图上还可观察到V形偏析区，有时把这种偏析叫做半宏观偏析，它会在产品上形成点状的中心偏析。其形成过程如图3所示。

图中1区;柱状晶生长，在凝固前沿的晶体迅速消失，使过热度消除。2区液相穴处于过冷状态，自由等轴晶可以在液体中存在，并沿凝固前沿下沉;3区柱状晶开始向等轴晶过渡，在两相区含有由对流运动带来的自由晶体作为核心，等轴晶生长;4区中心区液体成为糊状;5区中心区的糊状液体失去流动性，树枝晶间液体开始渗漏;6区开始出现偏析通道;7区糊状液体沿中心通道流动;8区中心残余液相完全凝固。从图中的3区到7区可称做铸坯中心区的区域凝固时间。碳含量越高，两相区越宽，区域凝固时间越长，形成中心偏析越严重。板坯鼓肚变形也会把最后凝固阶段的浓化钢液抽引到板坯中心而形成中心偏析。

连铸坯的低倍结构与钢锭的相比无本质差别，也是由3区组成(见图1)：

(1)表面细小等轴晶(激冷层)。厚度约2～5mm，它是在结晶器弯月面处最快冷却速度(100℃/s)下形成的，浇注温度高时薄一些，浇注温度低时厚一些。

(2)柱状晶区。从纵断面看，柱状晶并不完全垂直于铸坯表面而是向上倾斜一定角度(如10°)，这说明在液相穴内的凝固前沿有向上的液体流动。从横断面看，树枝晶呈竹林状，即柱状晶的发展是不规则的，在某些部位可能会贯穿铸坯中心形成穿晶结构。对于弧形连铸，其铸坯低倍结构具有不对称性。由于重力作用液相穴内晶体下沉阻止了外弧侧柱状晶生长，故内弧侧柱状晶比外弧侧要长，以致铸坯内裂纹常集中在内弧侧。

(3)中心等轴晶区。树枝晶较粗大无规则排列，中心区有可见的不致密的缩孔和疏松。虽然连铸坯的低倍结构与钢锭的无本质上的差别，但也不尽相同。首先是连铸坯液相穴很长，钢水补缩不好易产生中心疏松和缩孔;其次，铸坯在二冷区接受喷水冷却，坯壳温度梯度大，柱状晶发达，但冷却速度快，树枝晶较细。

连铸坯低倍结构是经历了两个阶段的凝固形成的。

第一阶段，钢水在结晶器内形成初生坯壳。钢水浇入水冷结晶器，在弯月面很快形成了一定厚度的初生坯壳，随着坯壳厚度的继续生长，高温坯壳发生δ→γ的相变，坯壳向内收缩脱开铜壁，而钢水静压力的作用又使坯壳向外鼓胀，当坯壳的收缩力与钢水的鼓胀力处于平衡状态时，在坯壳与铜壁之间形成了气隙，使热阻增加，传热减慢，凝固速度降低。不同研究者指出，气隙热阻占整个结晶器传热热阻的70%～90%。要提高结晶器传热能力，重要的就是改善气隙传热，而改善气隙传热主要从结晶器设计和工艺操作两方面着手。结晶器合适的材质、长度、厚度、锥度以及良好的保护渣，合适的水缝尺寸和水的流速以及良好的水质等，对改善结晶器传热，增加坯壳厚度是非常重要的。

第二阶段，在二冷区凝固壳稳定生长。结晶器内约有20%钢水凝固，带有液芯的坯壳从结晶器拉出来进入二冷区接受喷水冷却，喷雾水滴在铸坯表面带走大量热量，使表面温度降低，这样在铸坯表面和中心之间形成了大的温度梯度。垂直于铸坯表面散热最快，使树枝晶平行生长而形成了柱状晶。同时在液相穴内的固液交界面的树枝晶被液体的强制对流运动而折断，打碎的树枝晶一部分可能重新熔化，加速了过热度的消失，另一部分晶体可能下落到液相穴底部，作为等轴晶的核心而形成等轴晶。铸坯在二冷区的凝固直到柱状晶生长与沉积在液相穴底部的等轴晶相连接为止，此时铸坯就完全凝固，构成了铸坯的凝固结构，即低倍结构。

连铸坯的低倍结构既影响钢的加工性能也影响其机械性能，而等轴晶和柱状晶这两种结构对性能影响是不同的。等轴晶结构致密，各个等轴晶彼此互相嵌入，结合牢固，加工性能较好，钢材机械性能呈各向同性;而柱状晶的缺点是：柱状晶间偏析较严重，热变形后使组织具有带状特性(纤维状组织)，使钢的力学性能具有明显的方向性。在柱状晶的交界面，由于硫、磷等杂质的富集，构成了薄弱面，是裂纹容易扩展的地方，加工时易脆裂。柱状晶充分发展，会在铸坯中形成穿晶结构，造成中心疏松和缩孔，降低了致密度。连铸坯柱状晶发达，这是由连铸的冷却过程决定的。在连铸坯凝固过程中，抑制柱状晶生长而扩大中心等轴晶区，是改善连铸坯质量的一个重要任务。常用的技术措施有：

(1)控制钢水过热度。浇注温度高有利于柱状晶生长;浇注温度低能提供大量的晶核，较早的阻止柱状晶生长而导致大的等轴晶区。因此接近钢的液相线温度浇注是扩大等轴晶区的有效手段。但是浇注温度太低易使冻结水口。一般控制钢水过热度20～30℃为宜。

(2)采用电磁搅拌(EMS)。连铸电磁搅拌器可以安装在结晶器(M-EMS)、二冷区(S-EMS)和凝固末端(F-EMS)的位置上。可以是单独搅拌(如M-EMS)，也可以是联合搅拌(如M-EMS S-EMS F-EMS)。在电磁力作用下打碎树枝晶，而树枝晶的碎片作为等轴晶核心长大而扩大等轴晶区;还可消除柱状晶的搭桥，以消除中心疏松和缩孔;采用电磁搅拌可消除铸坯皮下气孔和皮下针孔，改善铸坯表面质量;消除皮下夹杂和改善弧形连铸机内弧夹杂物的集聚，提高铸坯的洁净度。

(3)在结晶器内加入形核剂，以增加结晶核心的数量，扩大等轴晶区。对形核剂要求是：在钢液温度下为固体;在钢液温度下不分解为元素而进入钢中;不上浮而存在于凝固前沿;形核剂尽可能与钢水润湿，其晶格类型与金属晶格相接近，与液体有黏附作用。常用形核剂有Al₂O₃、TiO₂、V₂O₅、AlN、VN、ZrN和ZrO₂等。

(4)在结晶器内加入铁粉或薄钢带等微型冷却剂，消除钢水的过热度，使其在液相线温度凝固，以增加等轴晶。

(5)在结晶器内喷吹不同尺寸的金属粉末，或从中间罐内的塞棒加入金属丝，以吸收过热度和提供结晶核心，增加等轴晶区，改善产品性能。如在140mm方坯的结晶器喷入金属粉量为1%～1.5%，拉速可提高40%～50%，铸坯等轴晶区扩大，中心疏松和偏析明显减少。

(6)控制二冷区冷却水量。二冷区水量大，铸坯表面温度低，横断面温度梯度大，有利于柱状晶生长，柱状晶区就宽。降低二冷水量可使柱状晶宽度减少，等轴晶区宽度增加。故二冷水量是控制柱状晶生长的一个积极因素。 2100433B

连铸坯中心缺陷铸坯低倍结构形成

连铸坯低倍结构对产品质量有重要影响。钢是树枝晶凝固。铸坯的低倍结构呈树枝形状。如果从铸坯上切取试样，用硫印或酸浸方法在铸坯横断面或纵断面上就可显示内部组织结构，铸坯低倍结构由三带组成：

1.激冷层

钢水浇入水冷结晶器，在弯月面区有高的温度梯度和快的冷却速度（>100℃/S），提供极大的过冷度，形成细小等轴晶。其厚度2-5mm。

2.柱状晶区

从纵断面看，柱状晶并不是完全垂直于铸坯表面而是向上倾一定角度（约10度）这说明液相穴有向上的液体流动。从横断面看，树枝晶呈竹林状分布，由于冷却的不均匀性柱状晶的发展是不规则，有时形成穿晶结构。

形成柱状晶结构的原因

（1）结晶学上择优生长方向：铁晶体生长的优先方向是<100>，当<100>方向垂直于等温面时，就给<100>方向晶体生长优先权而吞并其他方向晶体发展为柱状晶。

（2）单方向传热：结晶器水平方向散热最快。铸坯出结晶器，在二冷区接受喷水冷却，在表面与中心形成大的温度梯度散热最快。主轴垂直于铸坯表面的晶体以最大凝固速度生长形成了单方向柱状晶。

3.中心等轴晶区

在液相穴固液界面，由于钢液对流运动把树枝晶打断，一部分熔化加速了过热度消除，另一部分枝晶下沉到液相穴底部作为等轴晶核心，此时由逐渐结晶过渡到体积结晶，生长的柱状晶与沉积在液相穴底部等轴晶相连接柱状晶停止生长而形成等轴晶区。铸坯中心区等轴晶较粗大且呈不规则排列。有的甚至于无等轴晶而呈柱状晶穿晶结构（如不锈钢）。铸坯中心有不同程度的缩孔疏松和偏析。

连铸坯中心缺陷铸坯低倍结构模型

由于二冷区冷却的不均匀性导致柱状晶不均匀生长，在铸坯中心常出现每隔5-10cm有规则的“凝固桥”形成，并伴随有疏松缩孔和中心宏观偏析的宏观结构，叫“mini-ingot”结构。它形成如下：

1.“小钢锭”(Mini-ingot)凝固模型

2.柱状晶均匀生长

3.某些柱状晶优先生长

4.柱状晶搭接成“桥”

5.桥下钢液凝固产生缩孔

6.形成低倍结构

7.铸坯凝固中心流动模型

在铸坯纵断面中心等轴晶区附近，在硫印图上还可以观察到V偏析区（尤其是高碳钢），有时把这种偏析现象叫半宏观偏析。

连铸坯中心缺陷凝固结构与产品性能

工业用钢约75%都要经过热加工后使用的。而铸态的等轴晶和柱状晶既影响钢的热加工性能也影响钢力学性能，然而它的影响程度是不一样的。等轴晶的特点：

1.结构致密，各个等轴晶彼此相互嵌入结合牢固；

2.热加工性能好；

3.材力学性呈各向同性。

因此，除了某些特殊用途产品如电工钢，汽轮叶片外等，为改善磁性，耐磨、耐腐蚀性能而要柱状晶发达外，一般的钢都希望得到等轴晶结构的连铸坯 。

低倍组织是反映连铸坯(或称矩形坯)内在质量的一项重要内容，特别是对于优质钢连铸坯尤为重要，均匀、致密的低倍组织是减少和杜绝钢材内在缺陷、提高钢材使用性能的基础保证。石钢转炉厂矩形坯连铸机自2002年7月投产以后，在连铸坯低倍组织控制上做了很多积极的探索，取得了较好效果 。

(1)足辊区采用汽水雾化冷却方式，使冷却更为均匀，特别是能够很好地解决与夹持段冷却的衔接，是消除皮下裂纹的关键因素。

(2)二次冷却区喷嘴的雾化状态不良甚至堵塞，影响铸坯低倍质量的稳定。

(3)钢水质量直接影响铸坯低倍质量的提高。

(4)设备原因引起的外应力作用于铸坯会对铸坯低倍的缺陷产生影响。

(5)二冷区各段冷却强度的合理衔接是科学配水的基本依据。