连铸方坯低倍组织及缺陷特性分析

连铸方坯低倍组织及缺陷特性分析
王英
(南京钢铁集团有限公司质管处南京，210035)
摘要：通过酸蚀低倍试验和金相检验，对连铸方坯内部的低倍组织及缺陷的类型、宏微观特征以及形成原因进行了分析，并提出了控制这些缺陷的主要措施。

关键词：连铸方坯；低倍组织；金相检验；缺陷
0 引言
连铸坯的冶金质量指标主要由钢的纯净度、钢坯的表面缺陷及内部低倍组织缺陷的情况来衡量。

钢的纯净度的状况在浇铸之前已由钢液的冶炼过程所控制，而铸坯的表面质量和内部质量由连铸机的浇铸过程来控制。

连铸方坯生产中发现的低倍缺陷有众多类型，每类缺陷对铸坯质量的影响因素各不相同；此外，不同的铸坯结晶组织状况对铸坯质量的影响也不尽相同，因此，分析研究铸坯低倍组织及缺陷的特征，进而弄清缺陷的形成原因，是控制铸坯质量的重要前提。

本文通过对本公司生产的130mm，150mm方等规格的铸坯进行大量的酸蚀低倍试验和金相检验，弄清了方坯内部缺陷的主要类型及其宏微观特征，并对缺陷的形成原因作了分析，在此基础上提出了控制缺陷的主要措施。

1 铸坯的低倍组织
通过大量的酸蚀低倍检验表明，无论什么钢种或什么规格，连铸方坯的低倍组织(即宏观组织)一般由边部细等轴晶、柱状晶和心部粗等轴晶三部分组成。

铸坯中能够获得这三种结构，特别是心部粗等轴晶占有一定的数量，这样的连铸坯是较为理想的情况，而柱状晶发达则易导致严重的坯内部缺陷。

1.1 边部细等轴晶区
边部细等轴晶区，又称激冷层，由等轴细晶组成，组织致密，杂质相对量低，表层质量较好。

具有均匀激冷层的铸坯，其正方度较好，表面无鼓肚或凹陷，为保证钢材的表面质量，提供了有利条件。

而往往由于操作条件的变化，坯壳厚度是不均匀的，在激冷层较薄的角部坯壳下凹，在下凹处皮下形成垂直于表面的裂纹，裂纹严重时扩展到坯的对角线，并且沿对角线向心部延伸扩展。

1.2 柱状晶区
铸坯的柱状晶区，柱状晶以树枝晶从表面向内部生长，其生长的方向即热流的散热传导方向，近似于垂直铸坯的表面。

连铸坯普遍存在柱状晶发达的弊端，特别是小方坯，柱状晶从表面一直伸长到铸坯中心，心部等轴区几乎看不到。

由于柱状晶平行排列，致使柱状晶区产生裂纹的敏感性比等轴晶要强。

另外，由
于柱状晶到达中户，柱状晶搭桥，在铸坯纵向形成断断续续的缩孔、中心偏析、中心裂纹等缺陷。

为此，必须对柱状晶加以控制，进而控制因柱状晶发达而产生的低倍缺陷。

1.3 心部等轴晶区
铸坯心部等轴晶区，由取向无规律的树枝晶构成。

为了控制铸坯的组织结构，使心部得到一定数量的等轴晶，除正确控制工艺条件外，控制钢液的过热度尤为重要。

心部等轴晶可以有效地防止缩孔、中心裂纹缺陷的产生，改善和提高铸坯的质量。

2 铸坯的低倍缺陷类型及特征
2.1 偏析型缺陷
偏析类型的缺陷包括中心偏析及中心疏松。

2.1.1 中心偏析
此种缺陷在方坯硫印片上表现为中心部的棕色斑点，酸蚀低倍试样上为暗黑色斑点。

用光学显微镜观察，偏析斑点处存大量的硫化物夹杂，硫化物夹杂在心部柱状晶的前沿或中心等轴间，沿晶界分布。

连铸方坯的中心偏析、缩孔的低倍缺陷形貌见图1。

图1 低倍缺陷形貌特征
有关文献指出，中心偏析是由于钢液由外向内逐次结晶过程中将钢液中低熔点的物质，如硫、磷等元素推向中心所形成。

中心偏析的形成与浇注速度和温度有关，中间包钢水过热度△T>25℃时，中心偏析严重。

消除中心偏析的主要措施是控制钢中S、P等元素含量以及浇注温度。

2.1.2 中心疏松
在硫印片上为中心部位分散的棕色斑点，酸浸低倍试片上为中心部位分散的暗点和孔隙。

此种缺陷的产生是由于铸坯凝固时体积收缩引起的组织不致密及中心部位因最后凝固气体析集和夹杂物的聚集而形成。

中心疏松处往往存在着硫化物和氧化物等类夹杂物，且有沿晶界分析特征，见图2。

图2 中心疏松处的FeS夹杂(100×)
2.2 孔洞型缺陷
此类型缺陷包括缩孔和皮下气泡两种。

2.2.1 缩孔
在硫印片和低倍试样上为圆形或不规则的孔洞，形貌见图1，由于钢液在凝固时发生的体积集中收缩造成。

缩孔的形成与浇铸温度有关，当钢水温度偏高，柱状晶特别发达，生长至中心，柱状晶的前沿相互搭桥，使钢水流动受阻，不能填充由于凝固而产生的收缩，在铸坯心部形成大小不等的孔洞，在横向低倍上表现为中心处的孔洞，孔洞周围伴有疏松和夹杂物，主要是硫化物和硅酸盐(见图3)。

在纵向低倍上表现为铸坯轴线处断续存在缩孔，且缩孔处常有大颗粒硅酸盐夹杂(见图4)。

经金相组织观察，发现缩孔周围存在着碳偏析，表现为铸坯的心部增碳，见图5和图6。

图3 缩孔周围的硫化物及硅酸盐(100×) 图4 缩孔处的大颗粒硅酸盐夹杂(100×)
图5 正常部位组织(100×)
图6 缩孔部位组织(100×)
2.2.2 皮下气泡
这种缺陷的形貌特征为试面的皮下呈分散或成簇分布的细长裂缝或椭圆形气孔。

其主要是由于钢液脱氧不良和浇铸系统各环节潮湿在浇铸过程中产生的气体所造成的。

在本公司现有的连铸条件下，没有此缺陷出现。

2.3 夹杂型缺陷
连铸方坯中的非金属夹杂物可分为分散细小的夹杂和大颗粒夹杂两类。

分散细小的夹杂有硫化物、氧化物和硅酸盐三种，来自冶炼和浇铸过程中物理化学反应产物，在酸浸低倍试片上表现为暗黑色斑点以及腐蚀过重的孔隙。

大颗粒夹杂，则是由于浇铸系统耐火材料被高温钢水冲刷或混人保护渣所致，分布无规律，一般未纳人低倍评级标准进行级别评定。

YB4002-91标准中规定，大颗粒夹杂不允许存在。

夹杂型缺陷在本公司生产的铸坯中出现较少，因此目前尚未收集到更多的数据和图片。

2.4 裂纹型缺陷
连铸方坯中的裂纹包括中间裂纹、角部裂纹、中心裂纹及边部裂纹四种。

中间裂纹在柱状晶区产生，并沿柱状晶扩展，一般垂直于铸坯的两个侧面，严重时中心点的上下左右四个方向同时存在，是常见缺陷之一。

一般认为此种缺陷与二次冷却引起的热应力有关。

角部裂纹在方坯断面的四个角部发生，裂纹始于角部表面凹陷处的皮下一定深度处，垂直表面沿柱状晶向内部延伸，到达铸坯的对角线后沿对角线向中心延伸。

铸坯的形状对这种裂纹影响很大，菱变脱方严重时，此种裂纹越严重。

裂纹起始位置距表面越近，越易导致轧材表面在裂纹处加热时被氧化，从而产生钢材表面裂纹、降低成材率。

中心裂纹在靠近中心部位的柱状晶区产生，一般产生在内弧一侧，在中心无等轴晶时，裂纹可穿过中心。

一般认为铸坯通过喷水区后，由于回热而产生的热应力引起中心裂纹。

在中心下侧的等轴晶区几乎见不到这种缺陷，为此心部控制得到一定量的等轴晶，这一点非常重要，是防止中心裂纹产生的有效措施。

边部裂纹始于边部细等轴晶和柱状晶的交界处，并沿柱状晶向内部扩展，裂纹大部分在上、下侧产生。

一般认为边部裂纹是由于发生鼓肚的铸坯通过导辊矫直应力的作用而产生的，因此导辊的定位对于防止连部裂纹缺陷的产生是重要的。

3 结语
(l) 连铸方坯低倍组织及缺陷均有一定的宏、微观特征，各类缺陷均在一定的部位出现，因而在实际检验中可对不同缺陷进行分类与评级。

(2) 连铸方坯低倍组织缺陷可分为偏析、孔洞、夹杂和裂纹四大类型，这些缺陷的产生与铸坯结晶组织有着密切关系；凝固组织的等轴晶化，控制钢水过热度、浇铸温度、减少热应力及防止铸坯鼓肚持均是防止缺陷产生或减轻缺陷严重程度的有效途径。