徐棟,吳軍,劉青,陳尚

（1.新疆八一鋼鐵股份有限公司，2.北京科技大學冶金新技術國家重點實驗室）

1 前言

偏析的本質表現(xiàn)是組成元素由于固液轉變溫度差異造成結晶時的分布不均勻。而連鑄坯是受連鑄機強制冷卻和機械結構設計特點的影響，偏析特點相對鋼錠組織更加顯著、嚴重，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)也會加速中心裂紋的擴展。鑄坯軋后時的冷卻導致固態(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，對鋼卷的沖擊、DWTT及探傷亦會產(chǎn)生不良影響。管線鋼作為石油、天然氣等管道運輸?shù)闹饕牧?，由于所處的地理環(huán)境惡劣,在強度、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性能的一個重要因素,必須嚴格控制。

化學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占比量級影響，不同元素的偏析傾向差異導致不同鋼種表現(xiàn)出的偏析特點大相徑庭。針對X80管線鋼的產(chǎn)品開發(fā)，相應的成分偏析研究對于全面了解X80連鑄坯的偏析影響因素乃至軋制策略具有重要指導意義。

2 金屬原位試驗分析

原位統(tǒng)計分布分析技術(original position statistic distribution analysis，OPA)可以測定樣品表面的化學成分及結構信息，從而了解被檢測對象的成分分布并辨別缺陷[1]，并用統(tǒng)計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。

2.1 試樣選取

原位分析實驗在鋼研納克檢測技術有限公司研制的原位分析儀OPA-200上進行，原位分析儀對材料的宏觀統(tǒng)計偏析分析具有直觀、定位準確的特點。在分析元素偏析時，使用偏析度的概念表示偏析程度，偏析度P的表達式[1]：

式中，C(X，Y)--檢測點濃度；C0--檢測區(qū)域平均濃度。實驗試樣為取自X80鋼連鑄板坯，厚度為220 mm，其主要元素的化學成分見表1。

表1 X80鋼化學成分 %

根據(jù)澆鑄過程數(shù)據(jù)記錄，選取工藝條件穩(wěn)定時的鑄坯，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塊待測試樣，如圖2所示，其中16～18號試樣在寬面中心位置，1～3號試樣在寬面1/4位置。

圖2 18塊（3×6）原位分析試樣

2.2 原位分析結果討論

將18塊試樣檢測后得到的二維等高圖進行拼接，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元素偏析情況不嚴重，無明顯規(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，變化趨勢與內部枝晶間距相一致，由于凝固從開始階段到后期，未凝固相比例逐步減少，凝固坯殼逐步增厚，同時凝固收縮逐步增強，內部鋼水受擠壓加速流動，隨著溫度的降低，合金元素在殘余液相中大量富集。隨著凝固進程，后期凝固晶界間隙溶質比例不斷增加，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，中心部位波動較大，局部位置出現(xiàn)異常，是選分結晶的結果。

在板坯在寬度方向寬面中心位置（即16、17和18號試樣）和寬面1/4位置（即1、2和3號試樣），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號樣正偏析表現(xiàn)相吻合。

3 微觀偏析模型

為了預測鋼凝固過程中的微觀偏析，對X80管線鋼鑄坯凝固過程的溶質濃度和固相率之間的關系進行定量描述，針對性地建立了枝晶間溶質分布解析模型。

3.1 微觀偏析模型的建立

數(shù)學模型的建立遵循以下邊界假設條件[2]：

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

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

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、固液轉變固相率、溶質分配系數(shù)等。其取值根據(jù)鋼種成分的不同會有較大差異，針對X80鋼連鑄坯成分特征的凝固計算結果進行分析。

3.2 模型求解結果

一般，溶質元素微觀偏析程度用“微觀偏析度”來體現(xiàn)，其定義見式6。當冷卻速率為0.5℃/s時，X80鋼板坯凝固冷卻過程中溶質元素C、Si、Mn、P、S、V、Nb、Ti隨凝固進程的微觀偏析規(guī)律（如圖6）。

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

圖 6 X80 鋼凝固進程 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，對于Si、Mn兩種元素，微觀偏析度均略有增大，其最大值不超過2，說明Si、Mn元素的偏析效應比較弱，樹枝晶形成時不易產(chǎn)生微觀偏析，進而宏觀偏析也較弱，雖然C在固相率大于0.8時，微觀偏析度值較大，但C元素含量較低，僅為0.045%，質量分數(shù)太小，因而總體表現(xiàn)出來的宏觀偏析不明顯。而對于S/P元素，固相率大于0.8時，微觀偏析度顯著增大，當全凝固（固相率=1.0）時，P、S元素的微觀偏析度分別達到8、25。可以直觀地發(fā)現(xiàn)P、S元素在凝固過程中極易發(fā)生微觀偏析。

同理，對于微合金元素，當固相率在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。當固相率大于0.6時，Nb元素的微觀偏析度顯著增大，當固相率趨近于1.0時，趨近于5，同時，由于X80鋼中Nb含量較多，質量分數(shù)達到0.08%，故Nb元素呈現(xiàn)比較明顯的宏觀中心線偏析。當固相率大于0.6時，V元素的微觀偏析度幾乎沒有增長，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，質量分數(shù)僅為0.014%，故V、Ti元素都沒有呈現(xiàn)明顯的宏觀偏析。

4 中心偏析的控制措施

由實驗分析結果可知，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%，質量分數(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。通過總結以往的研究成果，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)范圍擴大帶來的直接益處就是使溶質元素更為分散的分布在較寬范圍的枝晶之間，從而達到減弱中心區(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)生的狹長液相穴因鋼水補縮不充分而易造成中心疏松和偏析。同時，拉速過高有助于柱狀晶發(fā)達，從而形成搭橋理論的中心偏析[4]。對于國內大部分弧形半徑在9～10m的常規(guī)板坯連鑄機，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 控制二冷強度

控制中心偏析時，一般采用二冷弱冷，鑄坯內外溫度梯度小，有利于等軸晶生長，中心疏松偏析較輕。同時保證二冷配水均勻，以達到減少中心偏析和裂紋的目的。并且，二冷區(qū)應保證一定的冷卻強度，降低坯殼溫度，增加坯殼強度，防止了鼓肚產(chǎn)生的中心偏析。建議采用二冷動態(tài)模型控制，間隔一定周期，結合偏析試樣的具體指標進行調整。

4.4 提高鋼水潔凈度

通過提高鋼液潔凈度，減少因選分結晶而偏析的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均屬于強偏析元素，其質量分數(shù)占比上升均會加重中心偏析的程度。

4.5 加強連鑄機設備管理

鼓肚是造成鑄坯凝固過程中產(chǎn)生中心偏析的“溫床”。鼓肚量與輥縫、輥子的直線度（剛性）及對中關系密切。正是由于鼓肚與輥間距呈幾何級正比關系，承載和驅動輥子的扇形段剛性和液壓缸的精度也是重點維護的對象。最高原則是保證由輥子形成的鑄坯凝固及運行通道高剛性、高穩(wěn)定。

5 針對中心偏析的主動干預措施

除二冷末端電磁攪拌外，輕壓下是目前連鑄主動干預并可有效地減輕中心偏析程度的日趨成熟的技術手段。具體效果有：（1）破碎已“搭橋”的樹枝晶，形成更多的凝固核心；（2）補償鑄坯凝固收縮，減輕由于枝晶間元素向中心流動形成的偏析；（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]。

實際生產(chǎn)過程中，若想通過輕壓下達到理想的控制中心偏析的效果，還需針對不同的鋼種及產(chǎn)品斷面規(guī)格進行長期的摸索，對壓下率、壓下時機，如壓下位置、固相率等各項參數(shù)對癥優(yōu)化。另外，近年來重壓下技術的提出與實施，也有利于X80偏析的控制與改善，該技術對X80管線鋼連鑄坯橫斷面技術對連鑄機設備的改進有較高的要求。

6 結論

（1）從實驗結果可知，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并表現(xiàn)出較為顯著的宏觀偏析特征，結合X80鋼中各元素的含量大小，對X80鋼各元素的宏觀偏析表現(xiàn)進行相關分析。

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

偏析實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)生的原因非常復雜，既有鋼液內在凝固規(guī)律，也有外部動態(tài)凝固設施的影響，如二次冷卻、扇形段壓下力等。開展的基于X80管線鋼的偏析特征研究，對于其它具體鋼種具有普遍的借鑒意義，差異主要體現(xiàn)在質量分數(shù)占比不同而表現(xiàn)出宏觀特征的差異。