管线钢连铸板坯的半宏观偏析和凝固组织

第36卷第6期 北京科技大学学报 Vol.36 No.6 2014年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.2014 管线钢连铸板坯的半宏观偏析和凝固组织 许志刚”，王新华”，黄福祥”，周力”，王万军”，尹雨群) 1)北京科技大学治金与生态工程学院，北京1000832)南京钢铁研究院，南京210035 ☒通信作者，E-mail:ilottan@163.com 摘要研究了不同凝固组织下管线钢的中心偏析情况.低倍组织腐蚀结果表明，连铸板坯的中心偏析由相对独立的、大小 不一的半宏观偏析点组成，且不同凝固组织的半宏观偏析特征有所差别。化学成分分析表明，中心等轴晶时板坯中心为负偏 析，且贯穿于整个等轴晶区中，而中心为柱状晶时则表现为正偏析.通过对比化学成分和半宏观偏析面积比发现，板坯的半宏 观偏析面积比随C和M最大偏析度的增加而增加，由于化学成分分析只能反应局部位置的偏析情况，因此半宏观偏析面积 比的方法对生产实践更具有指导意义.对不同过热度下不同凝固组织的半宏观偏析面积比的统计结果显示，在合理使用轻压 下技术的前提下，中心为柱状晶更有利于减轻半宏观偏析面积比，进而改善管线钢连铸板坯的中心偏析. 关键词管线钢：连铸：板坯：凝固：偏析 分类号TF777.1 Solidification structure and semi-macro segregation of pipeline steel continuous casting slabs XU Zhi-gang,WANG Xin-thua,HUANG Fu-xiang",ZHOU Li,WANG Wan-jun,YIN Yu-qun? 1)School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Research Institute of Nanjing Iron Steel Co.Ltd.,Nanjing,210035,China Corresponding author,E-mail:ilottan@163.com ABSTRACT Center segregation with different solidification structures was investigated in pipeline steel.Macrostructure photographs show that center segregation in continuous casting slabs is composed of many semi-macro segregates,which are relatively independent and separated spot-like segregates with different sizes.The features of semi-macro segregation are different for different solidification structures.Chemical analysis shows that negative segregation is formed across the equiaxed zone in the center of the slab,while positive segregation is observed in the center of the slab surrounded by columnar crystals.It is revealed that the semi-macro segregation area in the center of the slab increases with the increase of the maximum segregation ratios of C and Mn.However,compared with the method of segregation area measurement,only local segregation could be obtained by chemical analysis,and it is obvious that the method of segregation area measurement is more helpful to industrial practice.Furthermore,the segregation area with different solidification struc- tures under different superheats was calculated.The results indicate that as the soft reduction technology is applied reasonably,colum- nar crystals in the center of the slab are more advantageous to the reduction of segregation area,and finally would be better for the im- provement of center segregation. KEY WORDS pipeline steel:continuous casting:slabs:solidification:segregation 氢致裂纹(HIC)是引起输气管线腐蚀破坏的主 在随后的热轧过程中易形成带状的对氢致裂纹敏感 要形式之一四.研究表明P-,氢致裂纹一般起源 的低温转变硬化组织-9.有研究指出6-刀，这种 于较为粗大的夹杂物并沿着Mn、P等偏析区扩展； 带状的硬化组织是造成氢致裂纹的主要途径.因 M、P等元素在板坯厚度中心聚集形成中心偏析， 此，抗氢致裂纹管线钢的生产过程中必须对连铸板 收稿日期：2013-12-12 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2014.06.007:http:/journals.ustb.edu.cn

第 36 卷 第 6 期 2014 年 6 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 36 No． 6 Jun． 2014 管线钢连铸板坯的半宏观偏析和凝固组织 许志刚1) ，王新华1) ，黄福祥1) ，周 力1) ，王万军1) ，尹雨群2) 1) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083 2) 南京钢铁研究院，南京 210035  通信作者，E-mail: ilottan@ 163． com 摘 要 研究了不同凝固组织下管线钢的中心偏析情况． 低倍组织腐蚀结果表明，连铸板坯的中心偏析由相对独立的、大小 不一的半宏观偏析点组成，且不同凝固组织的半宏观偏析特征有所差别． 化学成分分析表明，中心等轴晶时板坯中心为负偏 析，且贯穿于整个等轴晶区中，而中心为柱状晶时则表现为正偏析． 通过对比化学成分和半宏观偏析面积比发现，板坯的半宏 观偏析面积比随 C 和 Mn 最大偏析度的增加而增加，由于化学成分分析只能反应局部位置的偏析情况，因此半宏观偏析面积 比的方法对生产实践更具有指导意义． 对不同过热度下不同凝固组织的半宏观偏析面积比的统计结果显示，在合理使用轻压 下技术的前提下，中心为柱状晶更有利于减轻半宏观偏析面积比，进而改善管线钢连铸板坯的中心偏析． 关键词 管线钢; 连铸; 板坯; 凝固; 偏析 分类号 TF777. 1 Solidification structure and semi-macro segregation of pipeline steel continuous casting slabs XU Zhi-gang1)  ，WANG Xin-hua1) ，HUANG Fu-xiang1) ，ZHOU Li 1) ，WANG Wan-jun1) ，YIN Yu-qun2) 1) School of Metallurgical and Ecological Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) Ｒesearch Institute of Nanjing Iron ＆ Steel Co． Ltd． ，Nanjing，210035，China  Corresponding author，E-mail: ilottan@ 163． com ABSTＲACT Center segregation with different solidification structures was investigated in pipeline steel． Macrostructure photographs show that center segregation in continuous casting slabs is composed of many semi-macro segregates，which are relatively independent and separated spot-like segregates with different sizes． The features of semi-macro segregation are different for different solidification structures． Chemical analysis shows that negative segregation is formed across the equiaxed zone in the center of the slab，while positive segregation is observed in the center of the slab surrounded by columnar crystals． It is revealed that the semi-macro segregation area in the center of the slab increases with the increase of the maximum segregation ratios of C and Mn． However，compared with the method of segregation area measurement，only local segregation could be obtained by chemical analysis，and it is obvious that the method of segregation area measurement is more helpful to industrial practice． Furthermore，the segregation area with different solidification struc￾tures under different superheats was calculated． The results indicate that as the soft reduction technology is applied reasonably，colum￾nar crystals in the center of the slab are more advantageous to the reduction of segregation area，and finally would be better for the im￾provement of center segregation． KEY WOＲDS pipeline steel; continuous casting; slabs; solidification; segregation 收稿日期: 2013--12--12 DOI: 10． 13374 /j． issn1001--053x． 2014． 06． 007; http: / /journals． ustb． edu． cn 氢致裂纹( HIC) 是引起输气管线腐蚀破坏的主 要形式之一［1］． 研究表明［2 － 3］，氢致裂纹一般起源 于较为粗大的夹杂物并沿着 Mn、P 等偏析区扩展; Mn、P 等元素在板坯厚度中心聚集形成中心偏析， 在随后的热轧过程中易形成带状的对氢致裂纹敏感 的低温转变硬化组织［4 － 5］． 有研究指出［6 － 7］，这种 带状的硬化组织是造成氢致裂纹的主要途径． 因 此，抗氢致裂纹管线钢的生产过程中必须对连铸板

·752· 北京科技大学学报 第36卷 坯的中心偏析进行严格控制. 分歧，而半宏观偏析与轧板的抗氢致裂纹性能有着 研究表明圆，铸坯的凝固组织对中心偏析有着 更为直接的关系四，因此有必要对半宏观偏析和凝 重要的影响.传统观念认为等轴晶有利于减轻“搭 固组织进行深入的研究，从而最终改善中心偏析、提 桥”从而改善中心偏析，因此改善中心偏析的重要 高产品的性能. 途径之一便是采用低过热度浇注增加铸坯中心等轴 本文通过对管线钢连铸板坯进行取样腐蚀，试 晶率0-0；然而也有研究指出四，中心等轴晶有利 图揭示不同凝固组织下的半宏观偏析特征.本文还 于V形偏析的形成，甚至恶化中心偏析.随着中心 对半宏观偏析的面积进行了统计，揭示了在合理的 偏析研究的深入以及轻压下技术的采用，人们对凝 轻压下条件下，不同凝固组织对半宏观偏析大小的 固组织和中心偏析的认识开始有所转变.Haida 影响. 等团的研究发现连铸板坯的中心偏析由一系列大 1实验条件及方法 小约为300μm~3mm的“点状”偏析所组成，这种 “点状”偏析被定义为“半宏观”偏析.Tsuchida 1.1实验条件 等)认为采用轻压下后，高过热度浇注更有利于改 铸坯的凝固组织主要受浇注过热度的影响，因 善半宏观偏析进而改善中心偏析：也有研究指 此为了研究不同凝固组织下的半宏观偏析特征及其 出，即使采用轻压下，低过热度浇注仍然更有利于高 对管线钢中心偏析的影响，对不同浇注温度下的管 碳钢半宏观偏析的改善；Chiang通过工业试验研 线钢用连铸板坯进行取样并进行低倍组织的腐蚀观 究认为，过热度对半宏观偏析的影响不大.可见，人 察，所取试样的主要化学成分和实验条件如表1 们对半宏观偏析和凝固组织的认识仍然存在较大的 所示. 表1实验炉次主要化学成分和主要参数 Table 1 Main chemical composition and processing parameters of experimental heats 质量分数/% 拉速/ 轻压下速度/ 比水量/(Lkg1)过热度/℃ C Mn (m'min-1) (mm.m-1) 0.04-0.08 1.2~1.80.0070-0.0100 <0.0050 0.901.5 0.65-1.2 10~35 0.80-1.2 1.2实验方法 点的面积，W为板坯宽度（除去三角区），T为板坯 对不同过热度实验的管线钢连铸板坯试样采用 厚度 热酸腐蚀的方法对其凝固组织和中心偏析情况进行 拍照观察.为了对中心偏析情况进行更为全面的了 (b) 解，本文采用逐层刨屑取样的方法，沿着铸坯的厚度 方向对化学元素C、Mn进行成分分析，取屑位置位 于铸坯宽度1/4处（如图1(a)中灰色部分所示），取 样间距为2.5mm(如图1(b)所示)，并对成分分析 结果进行数据处理，获得C和Mn沿铸坯厚度方向 图1半宏观偏析面积比统计方法()和刨样分析(b)示意图 的成分偏析比，处理方法如下式(1)： Fig.1 Schematic illustration of methods for evaluating semi-macro R=W,/W。 (1) segregation (a)and sampling (b) 式中：R为某元素偏析度：W,为i位置某元素的质量 分数：W。为某元素的平均质量分数，W。=∑W:m 实验结果 (其中n为每块铸坯试样分析所得数据数). 2.1低倍组织腐蚀结果 另外，为了对不同凝固组织下管线钢连铸板坯 图2为不同过热度下管线钢的低倍组织腐蚀结 的半宏观偏析进行更为全面的分析，采用半宏观偏 果.实验过程中所取的试样，其过热度基本间隔5 析面积比(S)对半宏观偏析的大小进行评价，如图1 ℃.由图2(a)可知，当过热度较低(11℃)时，铸坯 (a)及式(2)所示. 中心区域被等轴晶填充，形成一定的中心等轴晶区， S=∑S,/wT. (2) 中心没有明显的中心偏析线，且中心等轴晶区域发 式中，S,为第i个半宏观偏析点的面积半宏观偏析 亮，说明中心区域的等轴品是先凝固的较为干净的

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 坯的中心偏析进行严格控制． 研究表明［8］，铸坯的凝固组织对中心偏析有着 重要的影响． 传统观念认为等轴晶有利于减轻“搭 桥”从而改善中心偏析，因此改善中心偏析的重要 途径之一便是采用低过热度浇注增加铸坯中心等轴 晶率［9 － 10］; 然而也有研究指出［11］，中心等轴晶有利 于 V 形偏析的形成，甚至恶化中心偏析． 随着中心 偏析研究的深入以及轻压下技术的采用，人们对凝 固组织和中心偏析的认识开始有所转变． Haida 等［12］的研究发现连铸板坯的中心偏析由一系列大 小约为 300 μm ～ 3 mm 的“点状”偏析所组成，这种 “点状”偏 析 被 定 义 为“半 宏 观”偏 析． Tsuchida 等［13］认为采用轻压下后，高过热度浇注更有利于改 善半宏观偏析进而改善中心偏析; 也有研究［14］指 出，即使采用轻压下，低过热度浇注仍然更有利于高 碳钢半宏观偏析的改善; Chiang ［15］通过工业试验研 究认为，过热度对半宏观偏析的影响不大． 可见，人 们对半宏观偏析和凝固组织的认识仍然存在较大的 分歧，而半宏观偏析与轧板的抗氢致裂纹性能有着 更为直接的关系［12］，因此有必要对半宏观偏析和凝 固组织进行深入的研究，从而最终改善中心偏析、提 高产品的性能． 本文通过对管线钢连铸板坯进行取样腐蚀，试 图揭示不同凝固组织下的半宏观偏析特征． 本文还 对半宏观偏析的面积进行了统计，揭示了在合理的 轻压下条件下，不同凝固组织对半宏观偏析大小的 影响． 1 实验条件及方法 1. 1 实验条件 铸坯的凝固组织主要受浇注过热度的影响，因 此为了研究不同凝固组织下的半宏观偏析特征及其 对管线钢中心偏析的影响，对不同浇注温度下的管 线钢用连铸板坯进行取样并进行低倍组织的腐蚀观 察，所取试样的主要化学成分和实验条件如表 1 所示． 表 1 实验炉次主要化学成分和主要参数 Table 1 Main chemical composition and processing parameters of experimental heats 质量分数/% C Mn P S 拉速/ ( m·min － 1 ) 比水量/( L·kg － 1 ) 过热度/℃ 轻压下速度/ ( mm·m － 1 ) 0. 04 ～ 0. 08 1. 2 ～ 1. 8 0. 0070 ～ 0. 0100 ＜ 0. 0050 0. 90 ～ 1. 5 0. 65 ～ 1. 2 10 ～ 35 0. 80 ～ 1. 2 1. 2 实验方法 对不同过热度实验的管线钢连铸板坯试样采用 热酸腐蚀的方法对其凝固组织和中心偏析情况进行 拍照观察． 为了对中心偏析情况进行更为全面的了 解，本文采用逐层刨屑取样的方法，沿着铸坯的厚度 方向对化学元素 C、Mn 进行成分分析，取屑位置位 于铸坯宽度 1 /4 处( 如图 1( a) 中灰色部分所示) ，取 样间距为 2. 5 mm ( 如图 1( b) 所示) ，并对成分分析 结果进行数据处理，获得 C 和 Mn 沿铸坯厚度方向 的成分偏析比，处理方法如下式( 1) : Ｒi = Wi /W0 ． ( 1) 式中: Ｒi为某元素偏析度; Wi为 i 位置某元素的质量 分数; W0为某元素的平均质量分数，W0 = ∑ Wi /n ( 其中 n 为每块铸坯试样分析所得数据数) ． 另外，为了对不同凝固组织下管线钢连铸板坯 的半宏观偏析进行更为全面的分析，采用半宏观偏 析面积比( S) 对半宏观偏析的大小进行评价，如图 1 ( a) 及式( 2) 所示． S = ∑i Si /WT． ( 2) 式中，Si为第 i 个半宏观偏析点的面积半宏观偏析 点的面积，W 为板坯宽度( 除去三角区) ，T 为板坯 厚度． 图 1 半宏观偏析面积比统计方法( a) 和刨样分析( b) 示意图 Fig． 1 Schematic illustration of methods for evaluating semi-macro segregation ( a) and sampling ( b) 2 实验结果 2. 1 低倍组织腐蚀结果 图 2 为不同过热度下管线钢的低倍组织腐蚀结 果． 实验过程中所取的试样，其过热度基本间隔 5 ℃ ． 由图 2( a) 可知，当过热度较低( 11 ℃ ) 时，铸坯 中心区域被等轴晶填充，形成一定的中心等轴晶区， 中心没有明显的中心偏析线，且中心等轴晶区域发 亮，说明中心区域的等轴晶是先凝固的较为干净的 ·752·

第6期 许志刚等：管线钢连铸板还的半宏观偏析和凝固组织 ·753· 50 mm 50 mm 50 mm 501 50mm 图2不同过热度的低倍组织照片.(a)11℃：(b)17℃：(c)22℃：(d)28℃：(c)32℃ Fig.2 Photographs of macrostructure with different superheats:(a)11℃：(b)17℃；(c)22℃：(d)28℃；(e)32℃ 枝晶组织，其溶质含量较凝固后期的少（即偏析较 偏析”所组成，这些组成中心偏析线的“点状”偏析 轻)，从而呈现发亮的等轴晶.随着过热度提高，铸 便被称为“半宏观”偏析. 坯厚度中心区域的等轴晶率迅速减少，柱状晶得到 显然，不同凝固组织下铸坯的半宏观偏析特 迅速发展，并在厚度中心位置由柱状晶和等轴晶共 征是不一样的.当铸坯中心为等轴晶组织时，半 同形成明显的中心线偏析（如图2(b)和图2(c)所 宏观偏析点分散在整个等轴晶区域中，而且位于 示)：随着过热度进一步升高，板坯厚度中心的等轴 中心线位置附近的半宏观偏析点相对于等轴晶 晶消失，中心的柱状晶十分发达，柱状晶尖端在中心 区域中其他位置的半宏观偏析点的面积和尺寸 相互粘接，形成了细窄的中心偏析线，且过热度越高 更大：当铸坯中心为柱状晶组织时，半宏观偏析 中心偏析线越细窄，因此低倍组织照片呈现为中心 点基本集中于中心线附近，形成较为明显的中心 线偏析减轻. 偏析线. 2.2半宏观偏析的特征 通过观察可知，对于等轴晶而言，半宏观偏析点 将腐蚀后的不同凝固组织的典型低倍组织照片 存在于若干等轴晶粒之间形成的点状空间中，因此 进行放大，如图3所示.由图可知，无论中心是等轴 半宏观偏析点几乎分布于整个等轴晶区域中；另外， 晶或柱状晶，连铸板坯的中心偏析线并非连续的，而 由于等轴晶是无序排列的，因此等轴晶粒之间形成 是由许多断断续续、相对独立且大小不一的“点状 的空间大小和位置分布比较随机，导致半宏观偏析 15 mm 图3不同凝固组织典型低倍组织局部放大照片.()中心等轴品：(b)中心柱状品 Fig.3 Partial enlargement of typical macrographs with different solidification structures:(a)equiaxed crystals:(b)columnar crystals

第 6 期 许志刚等: 管线钢连铸板坯的半宏观偏析和凝固组织 图 2 不同过热度的低倍组织照片． ( a) 11 ℃ ; ( b) 17 ℃ ; ( c) 22 ℃ ; ( d) 28 ℃ ; ( e) 32 ℃ Fig． 2 Photographs of macrostructure with different superheats: ( a) 11 ℃ ; ( b) 17 ℃ ; ( c) 22 ℃ ; ( d) 28 ℃ ; ( e) 32 ℃ 枝晶组织，其溶质含量较凝固后期的少( 即偏析较 轻) ，从而呈现发亮的等轴晶． 随着过热度提高，铸 坯厚度中心区域的等轴晶率迅速减少，柱状晶得到 迅速发展，并在厚度中心位置由柱状晶和等轴晶共 同形成明显的中心线偏析( 如图 2( b) 和图 2( c) 所 示) ; 随着过热度进一步升高，板坯厚度中心的等轴 晶消失，中心的柱状晶十分发达，柱状晶尖端在中心 相互粘接，形成了细窄的中心偏析线，且过热度越高 中心偏析线越细窄，因此低倍组织照片呈现为中心 线偏析减轻． 图 3 不同凝固组织典型低倍组织局部放大照片． ( a) 中心等轴晶; ( b) 中心柱状晶 Fig． 3 Partial enlargement of typical macrographs with different solidification structures: ( a) equiaxed crystals; ( b) columnar crystals 2. 2 半宏观偏析的特征 将腐蚀后的不同凝固组织的典型低倍组织照片 进行放大，如图 3 所示． 由图可知，无论中心是等轴 晶或柱状晶，连铸板坯的中心偏析线并非连续的，而 是由许多断断续续、相对独立且大小不一的“点状 偏析”所组成，这些组成中心偏析线的“点状”偏析 便被称为“半宏观”偏析． 显然，不同凝固组织下铸坯的半宏观偏析特 征是不一样的． 当铸坯中心为等轴晶组织时，半 宏观偏析点分散在整个等轴晶区域中，而且位于 中心线位置附近的半宏观偏析点相对于等轴 晶 区域中其他位置的半宏观偏析点的面积和尺 寸 更大; 当铸坯中心为柱状晶组织时，半宏观偏析 点基本集中于中心线附近，形成较为明显的中心 偏析线． 通过观察可知，对于等轴晶而言，半宏观偏析点 存在于若干等轴晶粒之间形成的点状空间中，因此 半宏观偏析点几乎分布于整个等轴晶区域中; 另外， 由于等轴晶是无序排列的，因此等轴晶粒之间形成 的空间大小和位置分布比较随机，导致半宏观偏析 ·753·

·754 北京科技大学学报 第36卷 点的大小和位置的分布也比较随机，这种现象在连 围更狭窄更集中，即半宏观偏析点的尺寸和面积变 铸板坯的厚度中心尤为明显.当中心为柱状晶时， 得更小. 内外弧的一次枝晶尖端在中心线位置附近相互粘接 2.3成分分析结果 形成了一定空间，即为半宏观偏析点，其形态相差不 对不同凝固组织的铸坯沿铸坯厚度进行逐层刨 大；这些半宏观偏析点基本集中在板坯厚度中心位 屑取样，对C进行化学成分分析，中心凝固组织分 置且相互独立，形成了较为明显的中心线偏析.而 别为等轴晶和柱状晶时成分沿铸坯厚度方向的典型 且由图2可知，随着过热度的提高，中心偏析线的范 分布特征如图4所示 a b 30 mum 30 mm 1.25 145 1.20 1.40 1.35 ● 1.15 1.30 1.10 1.25 1.20 1.05 1.15 1.00 1.10 1.05 0.95 1.00 8 0.90 000 0.95 0.90 0.85 0.85 -80 -60 -40-200204060 80 -80 -60 -40 -200204060 80 距离中心线位置mm 距离中心线位置mm 图4不同凝固组织沿厚度方向碳的偏析特征.()中心为等轴品：(b)中心为柱状品 Fig.4 Features of carbon segregation in the thickness direction with different solidification structures:(a)equiaxed crystals:(b)columnar crystals 由图4可知，不同凝固组织情况下碳沿铸坯厚 成了半宏观偏析，然而这些半宏观偏析点基本比先 度方向的成分分布特征是不一样的.当铸坯中心为 凝固的等轴晶粒的尺寸小，在刨削取样过程中，所取 等轴晶时，铸坯的中心呈现负偏析，且这种负偏析贯 的试样包含更多的先凝固等轴晶，所以成分分析结 穿整个等轴晶区，而在等轴晶与柱状晶的交界面迅 果在等轴晶区呈现负偏析现象.由此可见，传统的 速转变为正偏析.这与铸坯的低倍组织具有极强的 刨样或钻样进行中心偏析的分析方法存在一定的局 对应关系，也再一次表明了等轴晶是先凝固的较为 限性 干净的枝晶组织.Kawawa等a也发现了等轴晶区 中心为柱状晶时，铸坯中心呈现正偏析，且这种 内的这种负偏析现象.然而Tsuchida等)采用电 正偏析呈现峰值现象，并集中于比较细窄的中心偏 子探针对等轴晶间的成分分布进行扫描后发现，等 析线内，影响的区域较小较集中：紧邻正偏析两侧0 轴晶粒间的半宏观偏析点是呈现正偏析的，且其正 ~15mm的范围内出现负偏析，其负偏析的程度比 偏析程度可能更为严重.结合本文的成分分析和低 等轴晶区的负偏析程度轻，应该是与凝固末端中心 倍组织腐蚀结果，笔者认为，铸坯在凝固过程中，一 富集溶质钢液的流动抽吸有关 些先凝固的较为干净的等轴晶沉降到铸坯的中心， 随着温度的降低，等轴晶继续凝固产生微观偏析，并 3讨论 在最后的凝固末端产生凝固收缩，由于等轴晶阻碍 3.1半宏观偏析与成分偏析 了钢液的补缩，因此由若干等轴晶相互粘接而形成 为了进一步研究不同凝固组织下半宏观偏析的 的空间中产生负压，抽吸枝晶间富集溶质的钢液，形 行为，首先按照所述的实验方法对铸坯宽度1/4处

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 点的大小和位置的分布也比较随机，这种现象在连 铸板坯的厚度中心尤为明显． 当中心为柱状晶时， 内外弧的一次枝晶尖端在中心线位置附近相互粘接 形成了一定空间，即为半宏观偏析点，其形态相差不 大; 这些半宏观偏析点基本集中在板坯厚度中心位 置且相互独立，形成了较为明显的中心线偏析． 而 且由图 2 可知，随着过热度的提高，中心偏析线的范 围更狭窄更集中，即半宏观偏析点的尺寸和面积变 得更小． 2. 3 成分分析结果 对不同凝固组织的铸坯沿铸坯厚度进行逐层刨 屑取样，对 C 进行化学成分分析，中心凝固组织分 别为等轴晶和柱状晶时成分沿铸坯厚度方向的典型 分布特征如图 4 所示． 图 4 不同凝固组织沿厚度方向碳的偏析特征． ( a) 中心为等轴晶; ( b) 中心为柱状晶 Fig． 4 Features of carbon segregation in the thickness direction with different solidification structures: ( a) equiaxed crystals; ( b) columnar crystals 由图 4 可知，不同凝固组织情况下碳沿铸坯厚 度方向的成分分布特征是不一样的． 当铸坯中心为 等轴晶时，铸坯的中心呈现负偏析，且这种负偏析贯 穿整个等轴晶区，而在等轴晶与柱状晶的交界面迅 速转变为正偏析． 这与铸坯的低倍组织具有极强的 对应关系，也再一次表明了等轴晶是先凝固的较为 干净的枝晶组织． Kawawa 等［16］也发现了等轴晶区 内的这种负偏析现象． 然而 Tsuchida 等［17］采用电 子探针对等轴晶间的成分分布进行扫描后发现，等 轴晶粒间的半宏观偏析点是呈现正偏析的，且其正 偏析程度可能更为严重． 结合本文的成分分析和低 倍组织腐蚀结果，笔者认为，铸坯在凝固过程中，一 些先凝固的较为干净的等轴晶沉降到铸坯的中心， 随着温度的降低，等轴晶继续凝固产生微观偏析，并 在最后的凝固末端产生凝固收缩，由于等轴晶阻碍 了钢液的补缩，因此由若干等轴晶相互粘接而形成 的空间中产生负压，抽吸枝晶间富集溶质的钢液，形 成了半宏观偏析，然而这些半宏观偏析点基本比先 凝固的等轴晶粒的尺寸小，在刨削取样过程中，所取 的试样包含更多的先凝固等轴晶，所以成分分析结 果在等轴晶区呈现负偏析现象． 由此可见，传统的 刨样或钻样进行中心偏析的分析方法存在一定的局 限性． 中心为柱状晶时，铸坯中心呈现正偏析，且这种 正偏析呈现峰值现象，并集中于比较细窄的中心偏 析线内，影响的区域较小较集中; 紧邻正偏析两侧 0 ～ 15 mm 的范围内出现负偏析，其负偏析的程度比 等轴晶区的负偏析程度轻，应该是与凝固末端中心 富集溶质钢液的流动抽吸有关． 3 讨论 3. 1 半宏观偏析与成分偏析 为了进一步研究不同凝固组织下半宏观偏析的 行为，首先按照所述的实验方法对铸坯宽度 1 /4 处 ·754·

第6期 许志刚等：管线钢连铸板还的半宏观偏析和凝固组织 ·755· 厚度中心的半宏观偏析点的面积进行统计，并将其 另外，由于化学成分分析方法只能反映局部位 与相对应的通过化学成分分析方法获得的C和Mn 置的铸坯沿厚度方向的成分偏析情况，而通常，由于 的最大中心偏析度进行对比（板坯宽度1/4位置处 铸坯的冷却不均匀等因素会导致板坯沿宽度方向的 的最大偏析度)，如图5所示.通过15炉的实验对 成分分布不均匀，因此化学成分分析的方法无法反 比，结果表明，随着C和M的最大中心偏析度的增 映板坯整体上中心偏析的严重程度.由图5的结果 加，铸坯的半宏观偏析面积比增加.由此可见，通过 可知，若对板坯整个宽度方向上的半宏观偏析面积 统计半宏观偏析面积比同样能够反映铸坯的中心偏 进行统计，则能够更好地反应板坯整体上的偏析情 析情况.由前述可知，板坯的中心偏析是由大小不 况.因此，利用半宏观偏析面积比来对铸坯的中心 一的半宏观偏析所组成的，因此控制板坯的中心偏 偏析进行评价更为合理，更能够为生产实践提供指 析的关键在于控制半宏观偏析面积比的大小. 导意义 15 (a) b 1.06 14 出 60 0 =1.3 6可0、 1.04 0 0 -0 0 0 1.2 1.02 0 0 1.00 0 1.0 0 0.98 090 0.05 0.100.150.200.250.300.35 0.05 0.100.150.200.250.30 中心半宏观偏析面积比% 中心半宏观偏析面积比% 图5宽度1/4处C(a)和Mn(b)最大中心偏析比和半宏观偏析面积比的关系 Fig.5 Relationship between the maimum segregation ratios of C (a)and Mn (b)and the semi-macro segregation area fraction at the quarter of slab width 3.2凝固组织对半宏观偏析面积比的影响 将不同过热度实验的管线钢连铸板坯的半宏观 0.30 ●中心柱状品 偏析面积进行统计，并结合低倍组织腐蚀结果对中 。中心等轴晶 0.25 、0 心凝固组织加以区分，具体的统计结果如图6所示 0.20 由图可知，随着过热度的增加，半宏观偏析面积比呈 0 0 下降趋势，当过热度增加到足以使板坯的中心形成 全柱状晶结构时，其半宏观偏析面积比要比中心为 010 ● 0 等轴晶时的半宏观偏析面积比小.该结果与传统观 0.05 点所认为的等轴晶更有利于改善中心偏析有所矛 盾.本文通过仔细研究，认为这主要是与轻压下的 30 2530 35 40 过热度℃ 合理使用有关.其具体原因为：(1)在合理使用轻压 下技术的前提下，可以较好地补偿凝固收缩，破坏 图6过热度对半宏观偏析面积比的影响 Fig.6 Effects of superheat on the center segregation area fraction “小钢锭”结构，因此即使是中心全柱状晶组织，也 基本不会产生传统生产工艺中的严重的缩孔和偏 缩，进而更好地减轻半宏观偏析点的大小，结果表现 析.(2)铸坯中心的等轴晶是先凝固的较为干净的 为半宏观偏析面积比的减小.(3)由于等轴晶的方 枝晶，这些游离的等轴晶在轻压下的作用下，很可能 向是任意的，其凝固界面的平整性比柱状晶要差，因 在液相穴末端较为自由的移动，因此造成轻压下更 此当铸坯中心为柱状晶组织时，在合理的轻压下作 多地作用于坯壳，而减弱了轻压下对两相区的作用， 用下，板坯凝固前沿内外弧能够更好地在铸坯的中 即降低了压下效率，因此对等轴晶间的半宏观偏析 心接触，从而更有利于发挥轻压下的作用，对凝固末 改善效果不明显：而当铸坯中心为柱状晶组织时，柱 端的收缩进行更好的补偿.(4)若二次冷却较为均 状晶被固定在坯壳上，因此轻压下能够更好对两相 匀合理，则过热度越高，柱状晶越发达，凝固界面越 区发挥作用，从而提高压下效率，更好地补偿凝固收 平整，轻压下的作用效果越明显，对凝固末端两相区

第 6 期 许志刚等: 管线钢连铸板坯的半宏观偏析和凝固组织 厚度中心的半宏观偏析点的面积进行统计，并将其 与相对应的通过化学成分分析方法获得的 C 和 Mn 的最大中心偏析度进行对比( 板坯宽度 1 /4 位置处 的最大偏析度) ，如图 5 所示． 通过 15 炉的实验对 比，结果表明，随着 C 和 Mn 的最大中心偏析度的增 加，铸坯的半宏观偏析面积比增加． 由此可见，通过 统计半宏观偏析面积比同样能够反映铸坯的中心偏 析情况． 由前述可知，板坯的中心偏析是由大小不 一的半宏观偏析所组成的，因此控制板坯的中心偏 析的关键在于控制半宏观偏析面积比的大小． 另外，由于化学成分分析方法只能反映局部位 置的铸坯沿厚度方向的成分偏析情况，而通常，由于 铸坯的冷却不均匀等因素会导致板坯沿宽度方向的 成分分布不均匀，因此化学成分分析的方法无法反 映板坯整体上中心偏析的严重程度． 由图 5 的结果 可知，若对板坯整个宽度方向上的半宏观偏析面积 进行统计，则能够更好地反应板坯整体上的偏析情 况． 因此，利用半宏观偏析面积比来对铸坯的中心 偏析进行评价更为合理，更能够为生产实践提供指 导意义． 图 5 宽度 1 /4 处 C ( a) 和 Mn ( b) 最大中心偏析比和半宏观偏析面积比的关系 Fig． 5 Ｒelationship between the maximum segregation ratios of C ( a) and Mn ( b) and the semi-macro segregation area fraction at the quarter of slab width 3. 2 凝固组织对半宏观偏析面积比的影响 将不同过热度实验的管线钢连铸板坯的半宏观 偏析面积进行统计，并结合低倍组织腐蚀结果对中 心凝固组织加以区分，具体的统计结果如图 6 所示． 由图可知，随着过热度的增加，半宏观偏析面积比呈 下降趋势，当过热度增加到足以使板坯的中心形成 全柱状晶结构时，其半宏观偏析面积比要比中心为 等轴晶时的半宏观偏析面积比小． 该结果与传统观 点所认为的等轴晶更有利于改善中心偏析有所矛 盾． 本文通过仔细研究，认为这主要是与轻压下的 合理使用有关． 其具体原因为: ( 1) 在合理使用轻压 下技术的前提下，可以较好地补偿凝固收缩，破坏 “小钢锭”结构，因此即使是中心全柱状晶组织，也 基本不会产生传统生产工艺中的严重的缩孔和偏 析． ( 2) 铸坯中心的等轴晶是先凝固的较为干净的 枝晶，这些游离的等轴晶在轻压下的作用下，很可能 在液相穴末端较为自由的移动，因此造成轻压下更 多地作用于坯壳，而减弱了轻压下对两相区的作用， 即降低了压下效率，因此对等轴晶间的半宏观偏析 改善效果不明显; 而当铸坯中心为柱状晶组织时，柱 状晶被固定在坯壳上，因此轻压下能够更好对两相 区发挥作用，从而提高压下效率，更好地补偿凝固收 图 6 过热度对半宏观偏析面积比的影响 Fig． 6 Effects of superheat on the center segregation area fraction 缩，进而更好地减轻半宏观偏析点的大小，结果表现 为半宏观偏析面积比的减小． ( 3) 由于等轴晶的方 向是任意的，其凝固界面的平整性比柱状晶要差，因 此当铸坯中心为柱状晶组织时，在合理的轻压下作 用下，板坯凝固前沿内外弧能够更好地在铸坯的中 心接触，从而更有利于发挥轻压下的作用，对凝固末 端的收缩进行更好的补偿． ( 4) 若二次冷却较为均 匀合理，则过热度越高，柱状晶越发达，凝固界面越 平整，轻压下的作用效果越明显，对凝固末端两相区 ·755·