徐棟,吳軍,劉青,陳尚

（1.新疆八一鋼鐵股份有限公司，2.北京科技大學(xué)冶金新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

1 前言

偏析的本質(zhì)表現(xiàn)是組成元素由于固液轉(zhuǎn)變溫度差異造成結(jié)晶時(shí)的分布不均勻。而連鑄坯是受連鑄機(jī)強(qiáng)制冷卻和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)的影響，偏析特點(diǎn)相對(duì)鋼錠組織更加顯著、嚴(yán)重，總體表現(xiàn)為宏觀偏析或半宏觀偏析，其中，中心偏析是常見(jiàn)的一種缺陷類型。不同鋼種因偏析傾向元素含量多少而表現(xiàn)出程度差異。中心偏析區(qū)粗大的沉錠物,如MnS、Nb(CN)也會(huì)加速中心裂紋的擴(kuò)展。鑄坯軋后時(shí)的冷卻導(dǎo)致固態(tài)相變,軋材中心區(qū)域易出現(xiàn)異常馬氏體或貝氏體組織，對(duì)鋼卷的沖擊、DWTT及探傷亦會(huì)產(chǎn)生不良影響。管線鋼作為石油、天然氣等管道運(yùn)輸?shù)闹饕牧?，由于所處的地理環(huán)境惡劣,在強(qiáng)度、韌性、焊接性和抗腐蝕性等方面的要求更高，中心偏析作為惡化管線鋼抗HIC性能的一個(gè)重要因素,必須嚴(yán)格控制。

化學(xué)成分的影響是基本要素,除了常規(guī)的C、Mn、P、S等主要元素外，也受各種元素的總量和相對(duì)占比量級(jí)影響，不同元素的偏析傾向差異導(dǎo)致不同鋼種表現(xiàn)出的偏析特點(diǎn)大相徑庭。針對(duì)X80管線鋼的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，相應(yīng)的成分偏析研究對(duì)于全面了解X80連鑄坯的偏析影響因素乃至軋制策略具有重要指導(dǎo)意義。

2 金屬原位試驗(yàn)分析

原位統(tǒng)計(jì)分布分析技術(shù)(original position statistic distribution analysis，OPA)可以測(cè)定樣品表面的化學(xué)成分及結(jié)構(gòu)信息，從而了解被檢測(cè)對(duì)象的成分分布并辨別缺陷[1]，并用統(tǒng)計(jì)解析的方法定量表征材料的偏析度、疏松度、夾雜物分布等指標(biāo)。

2.1 試樣選取

原位分析實(shí)驗(yàn)在鋼研納克檢測(cè)技術(shù)有限公司研制的原位分析儀OPA-200上進(jìn)行，原位分析儀對(duì)材料的宏觀統(tǒng)計(jì)偏析分析具有直觀、定位準(zhǔn)確的特點(diǎn)。在分析元素偏析時(shí)，使用偏析度的概念表示偏析程度，偏析度P的表達(dá)式[1]：

式中，C(X，Y)--檢測(cè)點(diǎn)濃度；C0--檢測(cè)區(qū)域平均濃度。實(shí)驗(yàn)試樣為取自X80鋼連鑄板坯，厚度為220 mm，其主要元素的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 X80鋼化學(xué)成分 %

根據(jù)澆鑄過(guò)程數(shù)據(jù)記錄，選取工藝條件穩(wěn)定時(shí)的鑄坯，垂直于拉坯在斷面上取樣分析。取斷面位置沿寬度方向從中心位置到1/4寬位置處分析，取樣及分析部位如圖1所示。

圖1 X80管線鋼取樣位置

試樣切割成70mm×73mm的18塊待測(cè)試樣，如圖2所示，其中16～18號(hào)試樣在寬面中心位置，1～3號(hào)試樣在寬面1/4位置。

圖2 18塊（3×6）原位分析試樣

2.2 原位分析結(jié)果討論

將18塊試樣檢測(cè)后得到的二維等高圖進(jìn)行拼接，組成連鑄板坯橫截面在寬度方向從寬面中心到寬面1/4位置處各元素的偏析分布。從中發(fā)現(xiàn)，C、Si、Mn、V、Ti元素偏析情況不嚴(yán)重，無(wú)明顯規(guī)律。但S、P、Nb元素呈現(xiàn)較為明顯的宏觀中心線偏析。如圖3所示。

圖3 S、P、Nb（從左至右）二維含量分布圖

S、P元素的中心線偏析可以從圖3中由左（寬面1/2位置）至右（寬面1/4位置）試樣上看出，從寬面中央到邊部，S、P元素的偏析程度逐步減弱，變化趨勢(shì)與內(nèi)部枝晶間距相一致，由于凝固從開(kāi)始階段到后期，未凝固相比例逐步減少，凝固坯殼逐步增厚，同時(shí)凝固收縮逐步增強(qiáng)，內(nèi)部鋼水受擠壓加速流動(dòng)，隨著溫度的降低，合金元素在殘余液相中大量富集。隨著凝固進(jìn)程，后期凝固晶界間隙溶質(zhì)比例不斷增加，偏析程度加重。沿板坯厚度方向S、P、Nb元素從邊部到中心逐步升高，中心部位波動(dòng)較大，局部位置出現(xiàn)異常，是選分結(jié)晶的結(jié)果。

在板坯在寬度方向?qū)捗嬷行奈恢茫?6、17和18號(hào)試樣）和寬面1/4位置（即1、2和3號(hào)試樣），每隔一段距離選取沿板坯厚度方向的元素含量。板坯厚度方向元素含量分布圖見(jiàn)圖4,圖5。

圖4 板坯寬面中心位置C、P、S和Nb元素在板坯厚度方向一維含量分布圖

圖5 板坯寬面1/4位置C、P、S和Nb元素在板坯厚度方向一維含量分布圖

由圖4和圖5可以看出，在板坯的厚度方向，C元素基本不呈現(xiàn)中心偏析。在板坯寬面中心位置P、S元素都在試樣的厚度中心位置出現(xiàn)一個(gè)最高峰，元素含量大約是其他位置的2倍，而在板坯寬面1/4位置P、S元素在厚度方向的中心偏析消失。Nb元素在鑄坯寬面中心和寬面1/4位置處都存在中心偏析現(xiàn)象。寬面中心位置的中心偏析程度較重，寬面中心位置的板坯厚度中心的Nb元素含量是其他位置的～2.5倍，寬面1/4位置的中心偏析程度較輕，寬面1/4位置的板坯厚度中心的Nb元素含量是其他位置約1.5倍，此規(guī)律與位于中心位置的17、2號(hào)樣正偏析表現(xiàn)相吻合。

3 微觀偏析模型

為了預(yù)測(cè)鋼凝固過(guò)程中的微觀偏析，對(duì)X80管線鋼鑄坯凝固過(guò)程的溶質(zhì)濃度和固相率之間的關(guān)系進(jìn)行定量描述，針對(duì)性地建立了枝晶間溶質(zhì)分布解析模型。

3.1 微觀偏析模型的建立

數(shù)學(xué)模型的建立遵循以下邊界假設(shè)條件[2]：

（1）固相擴(kuò)散有限，液相擴(kuò)散完全；（2）固液界面平衡；（3）溶質(zhì)平衡分配系數(shù)在整個(gè)凝固過(guò)程中始終為常數(shù)。

式中：CL，i—溶質(zhì)i在液相中的濃度，%；CO，i溶質(zhì)i的初始濃度，%；α1、α、--凝固參數(shù)及其修正式；K1--溶質(zhì)i的平衡分配系數(shù)；f2--固相率；CL，i--溶質(zhì)i在固相中的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；λ--二次枝晶間距，m；tf--局部凝固時(shí)間，s；TP--液相線溫度，℃；C8--固相線溫度，℃；TP--冷卻速率，℃/s；TP--純Fe熔點(diǎn)，℃；mi--各溶質(zhì)元素的液相線斜率；Tint--固-液界面處的溫度，℃；fsbr--轉(zhuǎn)變點(diǎn)固相率。

從模式建立的條件參數(shù)可看出，模型包含的參數(shù)與鋼液凝固特征相契合，如固/液相線溫度、固液轉(zhuǎn)變固相率、溶質(zhì)分配系數(shù)等。其取值根據(jù)鋼種成分的不同會(huì)有較大差異，針對(duì)X80鋼連鑄坯成分特征的凝固計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

3.2 模型求解結(jié)果

一般，溶質(zhì)元素微觀偏析程度用“微觀偏析度”來(lái)體現(xiàn)，其定義見(jiàn)式6。當(dāng)冷卻速率為0.5℃/s時(shí)，X80鋼板坯凝固冷卻過(guò)程中溶質(zhì)元素C、Si、Mn、P、S、V、Nb、Ti隨凝固進(jìn)程的微觀偏析規(guī)律（如圖6）。

式中：CL-凝固平衡時(shí)溶質(zhì)元素在殘余液相中的含量，%；C0-溶質(zhì)元素在鋼液中的初始含量，%。

圖 6 X80 鋼凝固進(jìn)程 C，Si、Mn、P、S 常規(guī)元素及V、Nb、Ti微合金元素微觀偏析

當(dāng)固相率處于0～0.8區(qū)間，各類元素的微觀偏析程度均很小，近似等于1。固相率大于0.8時(shí)，對(duì)于Si、Mn兩種元素，微觀偏析度均略有增大，其最大值不超過(guò)2，說(shuō)明Si、Mn元素的偏析效應(yīng)比較弱，樹(shù)枝晶形成時(shí)不易產(chǎn)生微觀偏析，進(jìn)而宏觀偏析也較弱，雖然C在固相率大于0.8時(shí)，微觀偏析度值較大，但C元素含量較低，僅為0.045%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)太小，因而總體表現(xiàn)出來(lái)的宏觀偏析不明顯。而對(duì)于S/P元素，固相率大于0.8時(shí)，微觀偏析度顯著增大，當(dāng)全凝固（固相率=1.0）時(shí)，P、S元素的微觀偏析度分別達(dá)到8、25?？梢灾庇^地發(fā)現(xiàn)P、S元素在凝固過(guò)程中極易發(fā)生微觀偏析。

同理，對(duì)于微合金元素，當(dāng)固相率在0～0.6區(qū)間，V、Nb、Ti元素微觀偏析程度較小，微觀偏析度＜2。當(dāng)固相率大于0.6時(shí)，Nb元素的微觀偏析度顯著增大，當(dāng)固相率趨近于1.0時(shí)，趨近于5，同時(shí)，由于X80鋼中Nb含量較多，質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.08%，故Nb元素呈現(xiàn)比較明顯的宏觀中心線偏析。當(dāng)固相率大于0.6時(shí)，V元素的微觀偏析度幾乎沒(méi)有增長(zhǎng)，Ti元素的微觀偏析度雖有所增大，但X80鋼中Ti元素的含量較低，質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為0.014%，故V、Ti元素都沒(méi)有呈現(xiàn)明顯的宏觀偏析。

4 中心偏析的控制措施

由實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果可知，X80鋼板坯S、P、Nb元素存在較為顯著的中心線偏析，C、Ti元素雖然具有一定的微觀偏析度，但元素含量分別僅有0.045%、0.013%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)占比較低，Si、Mn、V元素偏析傾向性小，故而 C、Si、Mn、V、Ti呈現(xiàn)出的中心偏析特征均不顯著。通過(guò)總結(jié)以往的研究成果，提出中心偏析的控制措施。

4.1 降低鋼水澆注過(guò)熱度

低溫澆鑄是保證連鑄坯中心等軸晶區(qū)比例的主要措施，等軸晶區(qū)范圍擴(kuò)大帶來(lái)的直接益處就是使溶質(zhì)元素更為分散的分布在較寬范圍的枝晶之間，從而達(dá)到減弱中心區(qū)域元素聚集的效果，減輕中心偏析[3]。在生產(chǎn)節(jié)奏允許的條件下，過(guò)熱度控制在5～25℃為宜。

4.2 拉速控制

因高拉速產(chǎn)生的狹長(zhǎng)液相穴因鋼水補(bǔ)縮不充分而易造成中心疏松和偏析。同時(shí)，拉速過(guò)高有助于柱狀晶發(fā)達(dá)，從而形成搭橋理論的中心偏析[4]。對(duì)于國(guó)內(nèi)大部分弧形半徑在9～10m的常規(guī)板坯連鑄機(jī)，220mm厚度規(guī)格的X80鋼拉速控制在0.9～1.2m/min范圍為宜。

4.3 控制二冷強(qiáng)度

控制中心偏析時(shí)，一般采用二冷弱冷，鑄坯內(nèi)外溫度梯度小，有利于等軸晶生長(zhǎng)，中心疏松偏析較輕。同時(shí)保證二冷配水均勻，以達(dá)到減少中心偏析和裂紋的目的。并且，二冷區(qū)應(yīng)保證一定的冷卻強(qiáng)度，降低坯殼溫度，增加坯殼強(qiáng)度，防止了鼓肚產(chǎn)生的中心偏析。建議采用二冷動(dòng)態(tài)模型控制，間隔一定周期，結(jié)合偏析試樣的具體指標(biāo)進(jìn)行調(diào)整。

4.4 提高鋼水潔凈度

通過(guò)提高鋼液潔凈度，減少因選分結(jié)晶而偏析的S、P元素總體含量，減輕鑄坯中心偏析程度。研究發(fā)現(xiàn)[5]，C、P、S均屬于強(qiáng)偏析元素，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)占比上升均會(huì)加重中心偏析的程度。

4.5 加強(qiáng)連鑄機(jī)設(shè)備管理

鼓肚是造成鑄坯凝固過(guò)程中產(chǎn)生中心偏析的“溫床”。鼓肚量與輥縫、輥?zhàn)拥闹本€度（剛性）及對(duì)中關(guān)系密切。正是由于鼓肚與輥間距呈幾何級(jí)正比關(guān)系，承載和驅(qū)動(dòng)輥?zhàn)拥纳刃味蝿傂院鸵簤焊椎木纫彩侵攸c(diǎn)維護(hù)的對(duì)象。最高原則是保證由輥?zhàn)有纬傻蔫T坯凝固及運(yùn)行通道高剛性、高穩(wěn)定。

5 針對(duì)中心偏析的主動(dòng)干預(yù)措施

除二冷末端電磁攪拌外，輕壓下是目前連鑄主動(dòng)干預(yù)并可有效地減輕中心偏析程度的日趨成熟的技術(shù)手段。具體效果有：（1）破碎已“搭橋”的樹(shù)枝晶，形成更多的凝固核心；（2）補(bǔ)償鑄坯凝固收縮，減輕由于枝晶間元素向中心流動(dòng)形成的偏析；（3）中心鋼液元素的再次分配，從而使中心成分更加均勻，組織更致密[6]。

實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，若想通過(guò)輕壓下達(dá)到理想的控制中心偏析的效果，還需針對(duì)不同的鋼種及產(chǎn)品斷面規(guī)格進(jìn)行長(zhǎng)期的摸索，對(duì)壓下率、壓下時(shí)機(jī)，如壓下位置、固相率等各項(xiàng)參數(shù)對(duì)癥優(yōu)化。另外，近年來(lái)重壓下技術(shù)的提出與實(shí)施，也有利于X80偏析的控制與改善，該技術(shù)對(duì)X80管線鋼連鑄坯橫斷面技術(shù)對(duì)連鑄機(jī)設(shè)備的改進(jìn)有較高的要求。

6 結(jié)論

（1）從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在連鑄坯寬度方向從寬面中心位置到寬面1/4位置，P、S、Nb元素存在一定程度的中心線偏析，偏析程度在寬面中心位置較重，在寬面1/4位置較輕。其它元素的偏析程度較輕。

（2）X80 管線鋼鑄坯微觀偏析模型，可知P、S、Nb元素的偏析傾向較強(qiáng)并表現(xiàn)出較為顯著的宏觀偏析特征，結(jié)合X80鋼中各元素的含量大小，對(duì)X80鋼各元素的宏觀偏析表現(xiàn)進(jìn)行相關(guān)分析。

（3）針對(duì)X80管線鋼P(yáng)、S、Nb中心線偏析特征，結(jié)合生產(chǎn)工藝提出了中心偏析的控制措施，針對(duì)中心偏析采取的輕壓下技術(shù)日趨成熟，還需要結(jié)合不同鋼種開(kāi)展研究。

偏析實(shí)際是作為一種與凝固行為客觀伴隨的組織特征和現(xiàn)象，無(wú)法徹底消除，且不同鋼種不同成分體系下產(chǎn)生的原因非常復(fù)雜，既有鋼液內(nèi)在凝固規(guī)律，也有外部動(dòng)態(tài)凝固設(shè)施的影響，如二次冷卻、扇形段壓下力等。開(kāi)展的基于X80管線鋼的偏析特征研究，對(duì)于其它具體鋼種具有普遍的借鑒意義，差異主要體現(xiàn)在質(zhì)量分?jǐn)?shù)占比不同而表現(xiàn)出宏觀特征的差異。