李紅光 ，徐明麗，馮元超，曾 武

（1.攀鋼集團(tuán)攀枝花鋼鐵研究院有限公司,釩鈦資源綜合利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 攀枝花 617000；2.昆明理工大學(xué)冶金與能源工程學(xué)院,云南 昆明 650093；3.攀鋼集團(tuán)攀枝花鋼釩有限公司,四川 攀枝花 617000）

0 引言

一般而言，由于鑄坯中產(chǎn)生偏析在加熱、軋制過(guò)程難以有效消除而遺傳至軋材，會(huì)對(duì)鑄件、鍛軋件的產(chǎn)品性能產(chǎn)生不同程度的影響。如偏析會(huì)使鋼的韌性、塑性和抗腐蝕性能下降；還會(huì)對(duì)產(chǎn)品組織調(diào)控、焊接及力學(xué)性能等產(chǎn)生消極影響[1-5]；熱軋管中Mn 元素偏析會(huì)降低Ar3[6]，降溫過(guò)程中，富集溶質(zhì)元素的奧氏體的臨界相變冷速發(fā)生改變，相同冷速條件下組織不均勻甚至出現(xiàn)異常組織。重軌鋼大方坯的偏析同樣會(huì)對(duì)鋼軌組織性能造成影響，尤其高碳、高合金含量的高端重軌產(chǎn)品，溶質(zhì)偏析會(huì)造成熱處理工藝窗口過(guò)窄、焊接接頭出現(xiàn)異常組織等，制約了高端重軌產(chǎn)品開發(fā)及重軌線路服役的安全性能。因此，全面提升重軌鋼大方坯均質(zhì)性，改善偏析控制，對(duì)高端重軌質(zhì)量保障具有重要意義。

V 型偏析的尺度介于宏觀與微觀偏析之間（300 μm～4 mm），屬于半宏觀偏析，已有研究認(rèn)為，濃化的鋼液沿通道流向鑄坯中心而形成V 型偏析[7-15],V 型偏析的控制技術(shù)暫無(wú)定論。為提升重軌鋼均質(zhì)性，改善偏析控制，筆者以國(guó)內(nèi)某廠方坯連鑄機(jī)280 mm×380 mm 斷面生產(chǎn)的重軌鋼大方坯為研究對(duì)象，檢測(cè)分析V 型偏析特征，探究V 型偏析形成影響因素，制定V 型偏析控制工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了重軌鋼大方坯V 型偏析與中心偏析的協(xié)同改善。

1 試驗(yàn)材料、研究方法及關(guān)鍵工藝條件

1.1 試驗(yàn)材料

目前，連鑄坯V 型偏析屬于共性問(wèn)題，筆者重點(diǎn)以PG4（U78CrV）重軌鋼為研究對(duì)象，同時(shí)以PB2 貝氏體重軌鋼作為對(duì)比鋼種進(jìn)行研究。

1.2 研究方法

主要采用的檢測(cè)方法為酸洗腐蝕（腐蝕試劑均為鹽酸溶液，試樣均按低倍檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)加工），文中涉及低倍及凝固組織檢測(cè)；通過(guò)Procast 數(shù)值模擬軟件進(jìn)行凝固收縮計(jì)算（計(jì)算模型通過(guò)鑄坯溫度進(jìn)行校驗(yàn)）。

1.3 關(guān)鍵裝備工藝條件

試驗(yàn)鑄機(jī)關(guān)鍵裝備技術(shù)條件如表1 所示。

表1 試驗(yàn)鑄機(jī)關(guān)鍵裝備技術(shù)條件Table 1 The key equipment and technical parameters of continuous casting machine for experiment

由于矩形坯在凝固過(guò)程中寬窄面冷卻及本身尺寸的差異，凝固中后期的熔池截面演變?yōu)闄E圓狀。以鑄坯厚度方向的V 型形貌計(jì)算V 型補(bǔ)縮產(chǎn)生的凹陷體積，用該體積與數(shù)值模擬計(jì)算的疏松體積進(jìn)行比較。

鑄坯連鑄生產(chǎn)及計(jì)算的關(guān)鍵工藝條件（參數(shù)）為：弱二冷（比水量0.26～0.27 L/kg），拉速0.67 m/min，過(guò)熱度25～27 ℃，結(jié)晶器電磁攪拌電流強(qiáng)度300 A，電流頻率2.4 Hz。

2 重軌鋼大方坯V 型偏析形成原因分析

2.1 重軌鋼大方坯V 型偏析特征分析

2.1.1 V 型偏析的宏觀形貌及凝固組織檢測(cè)分析

1）V 型偏析的宏觀形貌

按圖1（a）所示進(jìn)行取樣，對(duì)試樣橫向面及縱向中心面代表區(qū)域進(jìn)行酸洗腐蝕低倍檢驗(yàn)。檢測(cè)結(jié)果如圖1（b）所示，由圖1（b）可知，V 型偏析是半宏觀偏析在拉坯方向的一種表現(xiàn)形式，很多學(xué)者將橫截面上的半宏觀偏析分布描述為“同心圓結(jié)構(gòu)”[12-13]。

圖1 V 型偏析在大方坯上的橫縱向宏觀形貌關(guān)系Fig.1 The macro-profile relationship between horizontal and vertical of V-shape segregation in bloom

2）V 型偏析的凝固組織特征

對(duì)同一塊鑄坯分別取平行于窄面（280 mm 方向）的縱向中心及橫向半邊（380 mm 方向的1/2）進(jìn)行酸洗腐蝕低倍檢驗(yàn)，取樣位置如圖2 所示，結(jié)果如圖3 所示。由圖3 可知，V 型偏析主要出現(xiàn)于鑄坯的等軸晶區(qū)；V 型偏析以鑄坯中心線基本呈對(duì)稱分布；鑄坯腐蝕后，構(gòu)成V 型的深色偏析微區(qū)斷續(xù)分布且伴隨“疏松”存在。

圖2 V 型偏析檢驗(yàn)取樣位置Fig.2 The diagram of sampling position for V-shape segregation testing

圖3 V 型偏析所處晶區(qū)Fig.3 The solidification structure zone of V-shape segregation appeared

對(duì)鑄坯V 型偏析試樣進(jìn)行凝固組織檢測(cè)，結(jié)果如圖4 所示。由圖4 可知，V 型偏析的偏析微區(qū)相較周圍組織的顏色更深，深色偏析微區(qū)內(nèi)部的凝固組織更為細(xì)小，斷續(xù)分布在粗大的等軸晶（球化）區(qū)內(nèi)部。即V 型偏析的“通道”并不連通，而是在V型方向上取向相近的偏析微區(qū)斷續(xù)分布而成。此外，根據(jù)鈴木試驗(yàn)方程式（1）及凝固組織特征可知，偏析微區(qū)內(nèi)部的局部溫降速率更大，即偏析微區(qū)內(nèi)的局部凝固速率明顯高于周圍基體。

圖4 V 型偏析典型局部凝固組織形貌Fig.4 Solidification structure morphology of V-shape segregation

式中，λ2為二次枝晶臂間距，μm；R為溫降速率，℃/min。

2.1.2 凝固補(bǔ)縮計(jì)算分析

1）V 型偏析單元實(shí)際體積測(cè)算

以平行于窄面（厚度方向）的縱向低倍試樣為例，如圖5 中陰影部分所示。按式（2）計(jì)算V 型偏析單元體積，計(jì)算獲得V 型偏析單元的體積為133 169.4 mm3，即由于凝固收縮導(dǎo)致等軸晶區(qū)凹陷的體積為133 169.4 mm3。

圖5 V 型偏析的V 型單元體積測(cè)算Fig.5 Diagram of measurement and calculation for the Vshape segregation element volume

其中，VV為V 型偏析單元體積，mm3；d為V 型偏析錐體單元的錐底直徑（測(cè)定結(jié)果為73.36 mm），mm；θ為V 型偏析錐度角，測(cè)定結(jié)果為41.8°～43.1°，取42.4°。

2）凝固理論收縮體積計(jì)算

采用Procast 數(shù)值模擬軟件，通過(guò)完成凝固傳熱校驗(yàn)的數(shù)值模型進(jìn)行鑄坯凝固收縮的理論體積計(jì)算，同時(shí)，實(shí)際測(cè)定鑄坯表觀密度，進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為空隙體積比例，鑄坯凝固收縮模擬計(jì)算與實(shí)測(cè)分布對(duì)比如圖6 所示。由圖6 可知，鑄坯中心疏松區(qū)域的長(zhǎng)半軸長(zhǎng)度約為7.3 mm，區(qū)域收縮比例為0～35%，平均約20%，鑄坯凝固收縮主要發(fā)生在中心半徑20 mm以內(nèi)范圍，即計(jì)算結(jié)果可靠。

圖6 鑄坯凝固收縮模擬計(jì)算與實(shí)測(cè)分布對(duì)比Fig.6 Comparison between the numerical simulation and actual measure results for shrinkage porosity

理論上V 型偏析單元在拉坯方向的錐體高度區(qū)域內(nèi)鋼液均發(fā)生了凝固收縮，即如圖6（a）所示區(qū)域均發(fā)生20%體積收縮。其中，r為凝固收縮區(qū)域半軸，取7.3 mm。計(jì)算圓柱體內(nèi)收縮體積為3 164.8 mm3。

按圖7 所示進(jìn)行鑄坯測(cè)算V 型偏析單元體積與凝固模擬計(jì)算收縮體積比較，凝固收縮理論補(bǔ)縮體積僅為實(shí)物測(cè)算的V 型單元體積的2.38%。即鑄坯純凝固補(bǔ)縮發(fā)生的凹陷體積與V 型偏析單元實(shí)際測(cè)算體積相差較大。

圖7 V 型偏析單元實(shí)際體積測(cè)算與收縮單元理論體積計(jì)算示意Fig.7 Diagram for the measurement and calculation of actual V-shape segregation and shrinkage porosity volume

2.1.3 V 型偏析內(nèi)部富集溶質(zhì)鋼液流動(dòng)分析

V 型偏析分布于鑄坯等軸晶區(qū)，結(jié)合攀鋼重軌大方坯凝固組織分布（圖3）可知，等軸晶區(qū)在鑄坯厚度方向起始于距離鑄坯表面約100 mm 處，由固液面模擬計(jì)算結(jié)果結(jié)合鑄機(jī)裝備條件可知，V 型偏析發(fā)生起始于距離結(jié)晶器液面約9.0～10 m 的位置，如圖8 所示。根據(jù)鑄機(jī)半徑12 m 可知，由該位置遠(yuǎn)離結(jié)晶器液面方向推移過(guò)程中鑄坯逐漸趨于水平，對(duì)應(yīng)連鑄區(qū)域內(nèi)的富集溶質(zhì)鋼液的流動(dòng)方向在內(nèi)外弧應(yīng)存在明顯差異，即外弧側(cè)富集溶質(zhì)理應(yīng)不會(huì)呈V 型流向鑄坯中心，由此所得鑄坯的V 型偏析將不會(huì)呈明顯對(duì)稱形貌。

圖8 V 型偏析區(qū)域?qū)?yīng)連鑄過(guò)程的凝固區(qū)間Fig.8 The corresponding zone in solidification process of V-shape segregation

通過(guò)V 型偏析宏觀形貌、凝固組織特征檢測(cè)，結(jié)合V 型偏析區(qū)的凝固收縮、補(bǔ)縮計(jì)算與溶質(zhì)富集方向分析可知，重軌鋼大方坯V 型偏析未形成V 型通道，V 型偏析單元測(cè)算體積遠(yuǎn)大于凝固收縮體積，全弧形連鑄條件下鑄坯V 型偏析仍表現(xiàn)為對(duì)稱形貌。

考慮到V 型偏析可能受凝固收縮（補(bǔ)縮）、鋼種及凝固組織影響，開展工藝對(duì)比試驗(yàn)進(jìn)行V 型偏析形成影響因素研究。

2.2 V 型偏析形成影響因素研究

2.2.1 V 型偏析控制驗(yàn)證試驗(yàn)

1）凝固末端壓下對(duì)比試驗(yàn)

由于凝固末端壓下能夠通過(guò)壓下量傳導(dǎo)改善中心縮孔，即中心縮孔的改善在一定程度上將減少凝固收縮抽吸進(jìn)而削弱鋼液在拉坯方向的補(bǔ)縮趨勢(shì)。因此，開展壓下工藝對(duì)比試驗(yàn)，考察縮孔對(duì)V 型偏析的影響。

試驗(yàn)過(guò)程中，在其他連鑄工藝保持一致的條件下，對(duì)比總壓下量9.6 mm 與無(wú)壓下兩種工藝模式。實(shí)施壓下工藝時(shí)，凝固完全結(jié)束前階段的總壓下量為7.1 mm，即該部分壓下量能夠減少凝固收縮抽吸，還會(huì)焊合V 型通道而阻斷富集溶質(zhì)鋼液向中心流動(dòng)。換言之，若V 型偏析是凝固抽吸導(dǎo)致富集溶質(zhì)鋼液流向鑄坯中心，那么本試驗(yàn)實(shí)施端壓下工藝鑄坯的V 型偏析理應(yīng)較無(wú)壓下工藝鑄坯有改善。

鑄坯代表試樣檢測(cè)結(jié)果如圖9 所示。由圖9（a）可知，壓下工藝對(duì)應(yīng)的鑄坯厚度方向尺寸較無(wú)壓下的鑄坯小約9.5 mm，無(wú)壓下工藝所得鑄坯中心存在縮孔，表明壓下輥的壓下量有效實(shí)施；鑄坯凝固組織構(gòu)成一致，表明冷卻凝固過(guò)程一致。由圖9（b）可知，壓下實(shí)施以后，鑄坯中心縮孔較無(wú)壓下工藝得到明顯改善，但鑄坯中心區(qū)域的V 型偏析無(wú)改善。

圖9 鑄坯腐蝕低倍照片F(xiàn)ig.9 Macro-photograph of bloom by corrosion detection

對(duì)鑄坯中心線沿拉坯方向取不同位置點(diǎn)進(jìn)行中心C 偏析化學(xué)檢測(cè)，結(jié)果如圖10 所示。由圖10 可知，壓下工藝明顯改善了鑄坯中心偏析，具體為中心C 含量波動(dòng)更小且整體較低，由此可知，凝固末端壓下促進(jìn)了中心富集溶質(zhì)鋼液的溶質(zhì)再分配。

圖10 鑄坯中心C 含量檢測(cè)結(jié)果Fig.10 Testing results of C content in bloom center

由上述分析可知，凝固末端壓下有效減小鑄坯中心縮孔并明顯改善中心偏析，但其V 型偏析無(wú)明顯變化。筆者認(rèn)為，凝固末端壓下減少凝固收縮抽吸的富集溶質(zhì)鋼液來(lái)自鑄坯中心，壓下過(guò)程中V 型偏析可能已經(jīng)形成。

2）鋼種對(duì)比試驗(yàn)

PB2 貝氏體重軌鋼與PG4 重軌鋼化學(xué)成分差別明顯，鋼種關(guān)鍵物性參數(shù)差別較大，具體對(duì)比如圖11 所示。由圖11 可知，PB2 固液相線溫差為67 ℃，顯著低于PG4 的116 ℃，而相同溫度條件下，PB2 貝氏體重軌鋼的鋼液粘度明顯低于PG4 重軌。因此，選擇PB2 貝氏體重軌鋼與PG4 重軌鋼進(jìn)行對(duì)比研究。

圖11 典型鋼種關(guān)鍵物性參數(shù)對(duì)比Fig.11 Comparison of the key physical property parameters of representative grade steel

PB2 與PG4 重軌鋼縱向中心低倍檢測(cè)結(jié)果如圖12 所示。由圖12 可知，PB2 貝氏體重軌鋼鑄坯中心致密性明顯高于PG4 重軌鋼；PB2 重軌鋼的V型偏析V 型角為18.2°～23.2°，明顯小于PG4 重軌鋼的39.0°～53.6°。

圖12 鋼種典型縱向中心低倍照片F(xiàn)ig.12 Representative macro-photograph of bloom center in lengthways

分析認(rèn)為，由于固液相線溫差大則糊狀區(qū)更寬，相同坯殼厚度時(shí)，熔池液相邊界的V 型角更大，即PG4 重軌鋼較PB2 貝氏體的液相線V 型角會(huì)更大；此外，PB2 較窄的固液相溫度區(qū)間將有利于凝固枝晶組織細(xì)化，V 型偏析的偏析點(diǎn)尺寸會(huì)更小；再者，PB2 重軌鋼鋼液粘度較低，凝固補(bǔ)縮更優(yōu)，凝固抽吸后的V 型偏析V 型角減小的趨勢(shì)大于PG4 重軌鋼。

3）凝固組織調(diào)控對(duì)比

由于V 型偏析主要存在于等軸晶區(qū)，因此，控制中心區(qū)域凝固組織形貌應(yīng)該對(duì)V 型偏析控制具有一定影響。

連鑄工藝研究表明，連鑄電磁攪拌對(duì)鑄坯凝固組織具有顯著影響，尤其結(jié)晶器電磁攪拌能有效促進(jìn)鑄坯中心區(qū)域凝固組織轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶，且結(jié)晶器電磁攪拌強(qiáng)度越大，等軸晶越發(fā)達(dá)。采用如表2 所示的工藝開展凝固組織調(diào)控對(duì)比試驗(yàn)，考察凝固組織差異對(duì)V 型偏析的影響。

表2 凝固組織調(diào)控試驗(yàn)的關(guān)鍵工藝Table 2 The key processes of experiment for solidification structure control

鑄坯橫縱向酸洗腐蝕低倍照片如圖13 所示。由圖13 可知，工藝二的鑄坯中心無(wú)球化明顯的粗大等軸晶組織，鑄坯V 型偏析改善明顯。

圖13 鑄坯橫縱向?qū)嵨锏捅墩掌現(xiàn)ig.13 Macro-photograph of bloom for the cross section and lengthways center

對(duì)鑄坯拉坯方向的中心偏析進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果如圖14 所示。由圖14 所示結(jié)果可看出，試驗(yàn)工藝實(shí)施后，鑄坯中心偏析得到明顯改善，一方面偏析度整體降低，其次，拉坯方向偏析度波動(dòng)減小。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3 所示，由表3 可知，改善后鑄坯中心C偏析極大值由1.34 降低至1.12，平均值由1.15 降低至1.06。

圖14 鑄坯中心C 偏析度檢測(cè)結(jié)果Fig.14 Testing result of C segregation degree of bloom central line

表3 鑄坯中心C 偏析度統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistical result of C segregation degree for bloom center

試驗(yàn)結(jié)果表明，降低結(jié)晶器電磁攪拌強(qiáng)度，抑制鑄坯中心區(qū)域過(guò)早產(chǎn)生游離晶核，進(jìn)一步通過(guò)凝固末端電磁攪拌調(diào)控中心區(qū)域鋼液形核時(shí)機(jī)，同步配合以強(qiáng)化冷卻以強(qiáng)化中心區(qū)域凝固速率提升，實(shí)現(xiàn)了鑄坯中心凝固組織形態(tài)明顯改變，消除了球化明顯的粗大等軸晶組織，實(shí)現(xiàn)了鑄坯V 型偏析及中心C 偏析協(xié)同改善。

2.2.2 V 型偏析形成原因探討分析

上述試驗(yàn)結(jié)果表明，凝固末端壓下可有效改善鑄坯中心致密性，但對(duì)重軌鋼連鑄大方坯V 型偏析影響不明顯；重軌鋼連鑄大方坯V 型偏析宏觀形貌與熔池液相邊界的宏觀分布關(guān)系密切，主要受鋼的固液相溫差影響；鑄坯凝固組織改變后，V 型偏析明顯變化，通過(guò)連鑄電磁攪拌調(diào)控并配套以強(qiáng)化冷卻，鑄坯V 型偏析及中心C 偏析協(xié)同改善。

由于V 型偏析與橫斷面的半宏觀偏析本質(zhì)一致，而半宏觀偏析是連鑄過(guò)程中發(fā)達(dá)的晶粒組織搭接形成的封閉微區(qū)內(nèi)富集溶質(zhì)鋼液重新形核結(jié)晶凝固形成[16]，等軸晶區(qū)愈大則半宏觀偏析愈嚴(yán)重。因此，綜合分析認(rèn)為，V 型偏析的V 型分布應(yīng)該是建立在凝固前沿的V 型演變的基礎(chǔ)上發(fā)生的，即無(wú)凝固補(bǔ)縮發(fā)生的情況下，V 型的形成已經(jīng)開始，此時(shí)產(chǎn)生的初始V 型偏析的V 型角為α；V 型偏析的偏析是形成于粗大的晶粒搭接產(chǎn)生封閉微區(qū)內(nèi)富集溶質(zhì)鋼液凝固產(chǎn)生，由于成分過(guò)冷而呈細(xì)晶組織，不連續(xù)的封閉微區(qū)分布在凝固前沿而呈斷續(xù)分布的V 型偏析；在凝固收縮及鋼液靜壓力等綜合作用下，球化的粗大等軸晶組織發(fā)生滑移塌陷，該過(guò)程進(jìn)一步改變了V 型偏析的V 型角α至θ，具體過(guò)程示意如圖15 所示。

圖15 V 型偏析形成過(guò)程示意Fig.15 Schematic diagram of formation process for Vshape segregation

3 結(jié)論

1）重軌鋼連鑄大方坯V 型偏析是半宏觀偏析受凝固組織類型影響，鋼的固液相溫差和粘度對(duì)V型偏析宏觀形貌有明顯影響。

2）重軌鋼大方坯V 型偏析形成于凝固前沿捕捉游離晶核后，晶核充分長(zhǎng)大形成粗大（球化）等軸晶而發(fā)生搭接形成封閉微區(qū)，微區(qū)內(nèi)富集溶質(zhì)的鋼液結(jié)晶凝固形成初始V 型偏析；初始V 型偏析在鋼液靜壓力和凝固收縮抽吸綜合作用下發(fā)生滑移凹陷，進(jìn)一步改變V 型偏析的宏觀形貌（減小V 型角）而形成最終的V 型偏析。

3）通過(guò)連鑄電磁攪拌調(diào)控，同時(shí)配套以強(qiáng)化冷卻工藝，改變鑄坯凝固組織構(gòu)成和凝固組織形態(tài)，重軌鋼連鑄大方坯V 型偏析明顯改善，同時(shí)鑄坯中心C 偏析度極大值由1.34 降低至1.12，平均值由1.15降低至1.06。

4）重軌鋼連鑄大方坯V 型偏析的改善對(duì)鋼軌組織性能的具體影響有待進(jìn)一步探究。