[科普中国]-镇静钢钢锭

钢锭结构

典型的镇静钢钢锭结构由表面至中心分别为细小等轴晶的激冷层、柱状晶带和锭心粗大的等轴晶带等三个结晶带。钢锭各结晶带的形成主要取决于凝固前沿的冷却强度。5t以上大型碳素钢钢锭在柱状晶带与锭心等轴晶带之间，还可以区分出过渡晶带。图1为大型镇静钢钢锭结构及偏析示意图。

1—激冷层；2—柱状晶带，3—过渡晶带；4—锭心粗大的等轴晶带；5—沉积锥；6—倒V形偏析；7—V形偏析；8—冒口疏松；9—冒口缩孔

各结晶带的形成激冷层由无取向的细小等轴晶组成。注入模内的钢水受到模壁的激冷，表层钢水获得较大的过冷度，在这里杂质及粗糙的模壁都可成为现成的结晶核心，几乎同时形成大量的晶核，彼此妨碍各自的长大，因而得到不同取向的细小等轴晶带。其厚度通常为几毫米到十几毫米。激冷层形成后，热阻增加，热流减小，特别是钢锭与模壁间形成气隙后，未凝钢水的散热强度显著降低。此时钢水的过热热量和结晶潜热主要通过凝固层传出，发生向模壁的定向传热。

由于晶体长大所需要的过冷比形核要小得多，于是结晶表现为已有晶核的继续长大。激冷层的内缘，树枝晶的一次轴朝着不同的方向，其中一次轴与模壁垂直的晶体，通过它散热路径最短，散热最快，加之该处凝固前沿略为突出，离成分未变钢水最近，过冷降低较小，所以这些晶体向锭心的长大得到优先发展，而其余的晶体和向其他方向的长大则受到彼此的妨碍而被抑制。于是，在细小等轴晶带之后，形成迎着热流生长的有明显方向性的柱状晶带。受凝固前沿自然对流下降流股的影响，柱状晶略为上倾。柱状晶带的宽度因铸锭条件的不同，可从数十毫米到数百毫米。锭心的结晶过程至今还不十分清楚。一般认为，随着柱状晶的发展，散热强度逐渐减小，结晶速度减慢，杂质元素（S、P、O等）的偏析过程得以发展，在凝固前沿产生富集杂质元素的偏析层。

结晶速度降低到某一临界值后，出现组成过冷区，阻止柱状晶的继续生长，导致在偏析层前面成分较纯、过冷度较大的钢水中产生孤立的晶核。锭心的钢水还存在一定的过热度（大型钢锭凝固情况）时，通过柱状晶的定向传热仍很明显，新的晶核仍然主要是沿大致与模壁垂直的主轴长大，直至出现新的偏析层。其后，复又产生新的孤立晶核。这样便形成等轴晶的过渡晶带（或称分枝柱状晶带）。当锭心钢水温度达到或稍低于液相线时，定向传热消失，钢水中的枝晶和非金属夹杂物质点都可成为非自发形核的晶核，在整个半凝固状态的熔体中同时向各个方向长大，形成无一定方向的等轴晶。与激冷层相比，因其过冷度小，晶核数目少，故晶粒比较粗大，也即形成了锭心粗大的等轴晶带。对于大型钢锭，由于自然对流较强，沿凝固前沿下降的两相流达到钢锭底部转向时，把一些孤立的晶体和碎断的枝晶带到锭心，沉积成锭心下部的较小等轴晶的圆锥体（或称沉积锥）。

影响因素钢水成分和浇注条件都会影响钢锭结构。高碳钢结晶温度范围较宽，形成柱状晶倾向比低碳钢小；铬镍不锈钢和硅钢等结晶温度范围窄，导热性又差，柱状晶特别发达，容易形成穿晶结构，且一般不出现过渡晶带。钢中硫、磷、氧等元素含量增加，结晶时组成过冷区将较早出现，从而抑制柱状晶的发展。如含硫易切削钢锭易于获得等轴晶结构，而氩气保护下浇注的合金钢锭比大气下浇注下的相同钢锭具有较宽的柱状晶带。用铝、钛、氮等元素脱氧或合金化的钢，生成A1N、Al2O3、TiN等非金属夹杂微粒可增加非自发形核数目，能使钢锭晶粒细化和扩大等轴晶区。

随着钢锭重量增加，浇注时间加长，钢水凝固过程中向模壁定向传热的时间增长，故柱状晶区的宽度增加，但由于凝固速度减慢，促使锭心区的等轴晶区较早的形成，因而可使柱状晶区所占比例减小。模壁温度决定着钢锭凝固初期的冷却强度。模温高时，有利于抑制柱状晶发展。注温高和注速快，相当于提高钢水过热度，增加定向传热时间，促使柱状晶发展。浇注过程中对钢水特别是对液面施加振动或搅拌，可明显地扩大等轴晶区。

控制措施等轴晶结构致密，各个枝晶结合得比较牢固，且成分和结构比较均匀一致，因而强度、塑性和韧性都较高，可加工性好，钢材性能没有明显的方向性。柱状晶则不同，它生长方向一致，晶界特别是柱状晶的角交面处，偏析元素浓度很高，成为高温强度及塑性的薄弱面，当钢锭冷却或热加工时极易沿此面脆断，造成钢锭裂纹缺陷及降低可加工性，并且会造成钢材的带状组织，引起各向异性。因此，除个别利用其各向异性的特殊钢种（如电工钢、汽轮机叶片用不锈钢等）要求定向的粗晶粒柱状晶结构外，绝大多数钢种都希望得到细晶粒的等轴晶结构。抑制柱状晶发展、扩大等轴晶区的途径是扩大结晶两相区和增加结晶核心。

主要的技术措施有：（1）降低冷却强度。适当提高模壁温度，采用锭模涂料和性能良好的保护渣等都能扩大等轴晶区。（2）降低注温。降低钢水过热度，能有效地缩小柱状晶区宽度。接近液相线浇注，可得到100%等轴晶结构的钢锭。在保证顺利浇注的条件下，要尽量降低注温，采取“低温快注”。（3）施加外力搅拌，促使钢水流动。模内钢水加超声波振动或吹气搅拌是细化晶粒、改善钢锭结构的有效手段。

钢锭质量与缺陷合格的镇静钢钢锭除化学成分必须保证符合技术标准要求外，还应满足：（1）达到规定浇高，头部一次缩孔呈碟形，不深入到钢锭本体；（2）成分偏析小，非金属夹杂少；（3）钢中气体含量少，钢锭无皮下气泡和内部气泡；（4）钢锭表面质量好，无表面缺陷或虽有缺陷可通过修磨或火焰清理消除。

镇静钢钢锭缺陷分内部缺陷和表面缺陷两类。内部缺陷有缩孔、疏松、偏析、裂纹、非金属夹杂等，这类缺陷往往只能在开坯和轧制成材之后通过低倍检验才能判定；表面缺陷有裂纹、结疤、翻皮、重接、夹渣等，在钢锭精整时即可发现，轻者可通过清理消除。钢锭的缺陷可通过确定合理的工艺制度和严格的技术操作加以防止或减轻。

浇注工艺锭型及浇注方法选择镇静钢传统上采用上大下小带保温帽钢锭模浇注。20世纪70年代后，一般钢种的镇静钢普遍改为上小下大敞口模上口挂绝热板浇注，使钢锭成坯率提高约8%～10%。在中国为提高钢锭的表面质量，镇静钢普遍采取下注法。大、中型钢铁联合企业多半采用车铸方式的下注法，小型钢厂和特殊钢厂都采用坑铸方式的下注法。

注温、注速控制合适的注温是顺利浇注的前提，又是获得良好钢锭质量的基础。注温过低会造成短锭废品和表面夹砂、重接、翻皮等钢锭缺陷；注温过高易造成熔断塞棒或烧穿滑板、底板跑钢、钢锭焊模等事故，并助长钢锭裂纹、缩孔、偏析等缺陷。合适的注温要根据钢种、盛钢桶容量及热工状况、锭型、浇注方法等综合确定。一般要求高出钢种液相线温度（即过热度）60～100K。小钢锭、下注趋高限；合适的注温应靠严格控制出钢温度来保证，并经炉外精炼或盛钢桶吹氩搅拌精确调整。注速是调节注温的辅助手段。注温高宜慢注。镇静钢下注速度一般为0.2～0.4m/min。小钢锭和含易氧化元素（Re、Ti、Al等）的钢种趋高限。浇注过程中要在满足平均注速要求的前提下，按照开流、跟流、增流、充填4个阶段控制注速的变化。开浇后向模内加保护渣，浇至帽口线位置时要收流慢注，并向钢水面加发热型防缩孔剂。帽部充填时间应为钢锭本体浇注时间的0.5～1.0倍。对于纯净度要求严格的钢种，还应采取注流保护措施。小型镇静钢钢锭，通常采用上小下大敞口模浇注。浇注至预定高度时，收流减速，并立即用冷水封顶，细流充填。充填时间应不少于锭身的浇注时间。2