中心偏析（铸坯的宏观缺陷之一）-趣爱秀

简介

铸坯中心部位的碳、磷、硫、锰等元素含量高于铸坯边缘的现象称为中心偏析。生产高碳钢的连铸坯出现中心偏析时，在加工过程中会发生断裂；而轧制厚板时钢韧性下降。此外中心偏析还往往伴有中心裂纹、中心疏松，这进一步降低了铸坯的内部致密性和轧材的力学性能。中心偏析形成的原因是连铸坯柱状晶比较发达。特别是柱状晶过分发达，连铸坯会出现“搭桥”现象时，中心偏析更严重。此外，机械原因（坯壳的鼓肚变形）也会引起连铸坏的中心偏析。

由于国内绝大部分生产高碳钢的企业受现有冶炼设备的限制，造成高碳钢化学成分不稳定，铸坯中心偏析、夹杂、缩孔等缺陷严重。例如碳含量从标准下限波动到上限，甚至超标，这样造成制品企业拉拔后的产品强度、韧性等指标波动范围大，成品合格率低，在拉拔中容易造成脆断，严重时无法加工。

A 中心偏析形成机理

中心偏析形成机理有各种理论解释，主要有如下几种：

1、小钢锭理论

钢液在凝固过程中，溶质元素在固液相间发生再分配，柱状晶的生长使枝晶间未凝固钢水的溶质元素得到了富集，而钢坯的鼓肚和液相穴末端的凝固收缩使中心产生强大的抽吸力。根据“小钢锭凝固模式”，铸坯中心偏析的形成。大体上可分为四个阶段。首先是柱状晶的生长；其次是由于某些工艺因素的影响，柱状晶的生长变得很不稳定，即某些柱状晶生长快，而另一些柱状晶生长慢；在这种情况下，优先生长的柱状晶在铸坯中心相遇，形成了所谓的晶桥；晶桥形成后上部钢水受阻不能对下部钢水的凝固收缩进行及时补充，因而在晶桥下边，钢水按一般钢锭凝固的模式凝固。其结果形成了上部有缩孔疏松和正偏析带，而下部有V形偏析或负偏析带，这正是铸坯的中心偏析带。由于晶桥的形成是在铸坯凝固过程中断续出现的，所以“小钢锭”的凝固也是断续出现的。因此铸坯的整个凝固过程，可以看作是无数“小钢锭”断续凝固的结果。

2、溶质元素析出与富集理论

铸坯从表壳到中心结晶过程中，由于钢中一些溶质元素（如碳、锰、硫等）在固液边界上溶解并平衡移动，发生再分配，从柱状晶析出的溶质元素排到尚未凝固的金属液中，随着结晶的继续进行，把富集的溶质推向最后凝固中心，即产生铸坯的中心偏析。

3、铸坯心部空穴抽吸理论

铸坯在结晶末期，一是液相穴末端的凝固收缩使中心产生强大的抽吸力而产生一定的空穴；二是铸坯的鼓肚使其心部同样产生空穴，这些在铸坯心部的空穴具有负压，致使富集了溶质元素的钢液被吸人心部，造成中心偏析。对方坯而言，在凝固区域末端的铸坯鼓肚量小于铸坯的凝固收缩量。因此，方坯的中心偏析主要起因于铸坯凝固末端固液两相区（也称糊状区）的凝固收缩。

铸坯中心偏析评价方法

随着研究方法的不断完善，对于中心偏析的认识也不断深入。最早的方法是对中心偏析进行定性观察，即采用硫印法，确定中心偏析的形状和轻重。后来随着研究的深入，人们开始认识到定性评价尚缺乏严密性、科学性和可比性，已不能适应研究向更深层次的发展。同时，为了能够对形态各异、程度不同的中心偏析的产生原因作出统一的解释，首先必须有一个定量的评价标准，因此，人们开始了对中心偏析的定量研究。

最简便的方法就是在上述定性观察的基础上，把铸坯横断面硫印内偏析线宽度定为0～4级的5个级别；也有人根据偏析形态和外围轮廓采用A、B、C、D四个级别来评定；还有人考虑了中心偏析线的连续性而采用了偏析线长度之比的概念来评定中心偏析的程度，这三种方法对中心偏析的评价只是一般性的，仍缺乏关于偏析程度更详细、更具体的定量分析。

为了准确地对其进行定量描述，有人用钻头在所要研究的部位钻取试样，或沿厚度方向切片来进行化学分析。至于用钻头取样的方法，人们一直反映会由于钻头直径的差异而影响实验精度；切片法则能够比较准确地揭示铸坯内溶质分布的情况，对任意位置的偏析度给予准确的定量指示。曾有过这样的报告，在进行断面显微组织的观察的同时，用EPMA线型扫描中心偏析部位的Si、Mn、P等的最大偏析浓度和铸坯厚度1/4处的平均浓度的比值定义中心偏析率。

中心偏析的控制方法

铸坯凝固的特点是倾向于生成柱状晶组织，正因为这样，易产生柱状晶的搭桥现象，从而导致中心疏松和中心偏析的生成。高碳钢中由于碳偏析形成马氏体组织而影响钢丝的延展性。铸坯中心偏析控制措施虽然很多，但从铸坯凝固特点的角度对其控制机理进行分析，基本上可归纳为以下三种类型：

1、增加等轴晶比例，如低过热度浇注、结晶器电磁搅拌、等离子加热技术；

2、改善凝固末期钢水的补缩条件，如凝固末端电磁搅拌技术；

3、补偿凝固末期钢水的收缩，防止浓缩钢水的不正常流动（如轻压下技术）。

低过热度钢水浇注技术

浇注前钢水包及中间包的严格烘烤、浇注过程的钢水包加盖、钢水包及中间包液面加覆盖剂等都是低过热度钢水浇注技术的主要手段。该项技术的局限性是显然的：

1、生产过程中影响钢水温度的因素很多，往往难以达到预期的控制目标；

2、人为因素的干扰大，难以获得预期的效果；

3、钢水过热度控制过低时，会时常造成弯月面附近钢水结壳，保护渣熔化不良，引起表面缺陷，甚至造成水口堵塞事故。

结晶器电磁搅拌

M—EMS技术主要通过以下三条途径来提高等轴晶比例：

1、在结晶器内产生强烈的搅拌效果，促进钢水迅速散热；

2、促进树枝晶的熔断，增加液芯内的晶核；

3、降低凝固前沿熔体内的温度梯度，抑制柱状晶的生长。

该项技术的主要优势表现在两个方面：

1、它是增加中心等轴晶比例的主要手段，而中心碳偏析指数的高低很大程度上取决于等轴晶比例的高低；

2、即使在较高的过热度下浇注，也能获得较高的等轴晶比例，解决了生产过程中过热度控制困难的难题，操作工操作起来得心应手。

连续锻压技术

连续锻压技术是日本川崎钢铁公司开发的，在铸坯的最后凝固阶段对铸坯进行锻压，当铸坯受到锻压后尺寸急剧变小，在液相穴末端形成致密的固相，从而防止富集溶质的钢液的流动，避免中心偏析的形成。该工艺不仅较好地消除中心偏析、中心疏松和中心裂纹，并可将V形偏析去除。

以上各种中心偏析的控制方法是从改变凝固组织结构和抑制液相穴末端富集溶质的残余液的流动两方面人手的：通过改变凝固组织结构人手来改变中心偏析的方法有低过热度浇注、控制铸坯拉速、M—EMS（结晶器电磁搅拌）、二冷强冷技术；通过抑制液相穴末端富集溶质的残余液的流动人手来改变中心偏析的方法有轻压下技术、凝固末端强冷技术、F—EMS（末端电磁搅拌）、连续锻压技术。