连铸坯凝固组织和缺陷的冷酸蚀法宏观检验.docx

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连铸坯凝固组织和缺陷的冷酸蚀法宏观检验

连铸坯凝固组织和缺陷的冷酸蚀法宏观检验

摘　要：

叙述了冷酸蚀法较硫印和热酸蚀低倍检验方法的优越性，冷酸蚀法不但能够显示连铸坯的内部缺陷，而且也能够提供连铸坯凝固组织的信息。

它可对连铸坯的内部缺陷原样（尺寸）地显示。

同时，提出了按冷酸蚀法对现行标准进行修改的意见。

关键词：

冷酸蚀法；凝固组织；缺陷

1　前　言

对连铸坯来说，尽管其凝固组织与传统模铸相比无本质差别，也是由激冷层、柱状晶和中心等轴晶组成，但是，连铸坯是在边运行、边冷却、边凝固条件下生产出来的，而且冷却强度大，凝固速度快，具有激冷层薄，柱状晶发达，中心等轴晶较少的凝固组织特点。

因为凝固组织和缺陷与凝固条件有直接关系，所以通过改变凝固条件可以获得理想的凝固组织和减少缺陷。

而连铸坯的凝固组织又与缺陷有一定关系。

因此，通过观察连铸坯的凝固组织和缺陷，来改善凝固条件，提高连铸坯质量，是连铸工作者的迫切需要。

经过两年多的探索和研制，采用冷酸蚀方法对连铸坯凝固组织和缺陷进行检验，使之适应于工业化大生产的质量监控工作，业已收到良好的效果。

2　冷酸蚀法宏观检验的优越性

应用硫印和热酸蚀低倍检验方法已有很多年历史，人们经常用这两种方法进行模铸钢锭、钢坯和钢材的宏观检验工作。

连续铸钢投产以来，这两种方法也经常在连铸坯的检验工作中使用，但主要是提供连铸坯的缺陷信息，例如，偏析、裂纹、气泡等缺陷。

热酸蚀低倍检验对少数钢种的连铸坯有时也能够区分等轴晶和柱状晶的凝固组织，但对二次晶、三次晶的细节看不太清楚。

硫印检验区分凝固组织状态就更无能为力了，有时只能看到柱状晶的雏形。

这两种方法不能清楚地显示连铸坯的凝固组织状态，而连铸坯的缺陷往往与凝固组织有关，因此，用这两种方法来分析连铸坯缺陷与凝固组织及凝固条件的关系是比较困难的。

冷酸蚀法宏观检验不但能够显示前两种方法提供的铸坯缺陷信息，而且还能够清晰地显示出连铸坯的凝固组织。

一般来说，测定连铸坯的凝固条件是比较困难的，但是通过观察连铸坯的凝固组织，可以计算等轴晶/柱状晶的比例系数，测量树枝晶二次晶间距及树枝晶偏斜角度等数据，进而推测其凝固条件，可以得到有价值的技术信息。

例如，等轴晶/柱状晶比例系数小，表明钢水过热度高和二冷强度大；对同一种钢种，尽管冶炼方式和规格大小不同，只要测量出二次晶间距就可知道其冷却速度；根据测定树枝晶的偏斜角度来推测液相穴钢水流动状况，进而研制出合适的水口形状、调整钢水在液相穴内的流动、达到减少夹杂物、减轻偏析和改善铸坯质量的目的。

检验实践证明，本方法判断电磁搅拌、轻压下和压缩浇铸技术的冶金效果极其有效，还能够观察电磁搅拌白亮带出现的位置，中心偏析改善的程度，以及树枝晶破碎情况等等。

当然，本方法的腐蚀机理与热酸蚀低倍相似，都是选择性腐蚀。

钢的缺陷越严重，偏析越厉害，腐蚀效果越好，凝固组织图像越清晰。

而对极低碳含量又很少，几乎没有什么偏析的钢来说，其腐蚀效果不太理想，凝固组织图像也不太清晰。

冷酸蚀宏观检验对钢的铸态组织（如钢锭、连铸坯、铸钢件等）及钢坯或钢材试样都可以进行检验，观察钢的铸态凝固组织和缺陷以及经热加工后钢材的凝固组织和缺陷的变化情况，并且还可以观察凝固组织与缺陷的关系。

冷酸蚀宏观检验的试样尺寸不限，可大可小，最小可以检验金相试样，最大可以检验断面为300mm×2000mm的连铸板坯。

综上所述，冷酸蚀宏观检验与硫印和热酸蚀低倍检验相比不仅能够显示铸坯的凝固组织，而且对铸坯的缺陷1∶1显示，具有准确、易操作、及对环境污染小等特点。

3　连铸坯凝固组织和缺陷图例

3.1　连铸坯的凝固组织

3.1.1　结晶器出口处坯壳的凝固组织

结晶器出口处坯壳的厚度一般在8～20mm左右。

大方坯和大板坯结晶器出口处坯壳要厚一些，断面小的铸坯可以薄一些，以确保出结晶器不产生拉漏为前提。

根据我们对连铸漏钢后残留坯壳检测的结果可以认定，一般情况下，280mm×280mm和280mm×380mm铸坯结晶器出口处坯壳的厚度为20mm左右。

连铸坯表面层2～5mm厚度范围为激冷层，是在结晶器弯月面处形成的。

结晶器出口处坯壳的凝固组织是由细小等轴晶（激冷层）和较细的柱状晶组成，如图1所示。

图1　结晶器出口处坯壳的凝固组织（横向断面×2.5）

钢种16Mn　规格150mm×1200mm　下缘是铸坯表面

3.1.2　柱状晶

靠近激冷层的柱状晶很细，基本上不长侧枝，沿断面没有明显的倾角，这是由于靠近激冷层温度梯度较大的缘故。

随后，柱状晶开始改变方向，向上倾斜10°左右。

从铸坯外缘向中心，柱状晶的数量由多变少，由只有二次枝晶发展到具有多次枝晶，即柱状晶由细变粗，断面由简单变复杂。

对于弧形连铸机生产的铸坯来说，内弧侧的柱状晶带往往要比外弧侧发达，一方面是因为在重力作用下，一部分晶核沉积到外弧侧，使外弧侧等轴晶增加；另一方面，结晶器中从浸入式水口流入的钢水，在内外弧侧形成的钢水流股的不对称性，也会阻止柱状晶生长。

因此，内弧侧柱状晶长，外弧侧柱状晶短。

正常柱状晶凝固组织如图2所示，内弧侧柱__状晶长如图3所示，柱状晶搭头如图4所示，柱状晶倾斜如图5所示。

图2　正常柱状晶凝固组织（横向断面×2.5）

钢种16Mn　规格150mm×1200mm

图3　内弧侧柱状晶长（横向断面×1.8）

钢种低碳钢w（C）=0.06%　规格210mm×150mm

图4　柱状晶搭头（横向断面×1.5）

钢种SPHC　规格230mm×1650mm

a.取样位置图（纵向断面）

b.柱状晶倾斜图像（×1.4）

图5　连铸板坯柱状晶倾斜

钢种DH362C　规格300mm×1650mm

如图3所示，可用柱状晶长短来判断铸坯的内外弧侧，柱状晶长的为内弧侧，柱状晶短的为外弧侧。

如图5所示，1号试样柱状晶偏斜角度大约为30°，2号试样为15°，而3号试样柱状晶未发生偏斜，表明液相穴内钢液流速从边缘向中心逐渐减慢。

观察柱状晶偏斜，研究液相穴内钢液流速大小和变化情况，可以为促进夹杂物上浮和控制坯壳厚度的均匀性提供可靠的依据。

3.1.3　交叉柱状晶

对于弧形连铸机生产的铸坯来说，在一般情况下，交叉柱状晶分布在柱状晶和中心等轴晶之间。

检验分析认为，由于凝固壳逐渐加厚，在凝固前沿单向传热减弱，产生交叉方向传热，此时两相区过热度还没有完全消失，还存在温度梯度，所以先形成交叉柱状晶，然后才形成中心等轴晶。

对外弧侧来说，还有折断的树枝晶下沉，增加交叉柱状晶带的厚度，因此，外弧侧的交叉柱状晶带厚度大于内弧侧。

由于交叉柱状晶晶轴彼此相嵌，改变了柱状晶晶轴彼此平行的状态，有减少铸坯各向异性效应的作用。

交叉柱状晶如图6所示。

图6　交叉柱状晶（横向断面×1）

钢种U71Mn　规格280mm×380mm

3.1.4　中心等轴晶

对弧形连铸机来说，自由晶和熔断的树枝晶在重力作用下向外弧侧沉降，因此，外弧侧的中心等轴晶带比内弧侧宽。

中心等轴晶如图7所示。

图7　中心等轴晶（横向断面×1）

钢种Q235B　规格280mm×380mm

3.2　连铸坯的内部缺陷

连铸坯的内部缺陷有很多种，如中心偏析、中心疏松、中心裂纹、中间裂纹、角部裂纹、三角区裂纹、皮下气泡、针孔、三氧化二铝夹杂、缩孔等。

下面举例说明。

3.2.1　中间裂纹

连铸坯中间裂纹3种腐蚀检验效果对比如图8所示。

由图8中a、b、c三张图片可见，a图不但能够清晰地显示中间裂纹缺陷，而且不扩大，也不缩小，然而b和c图都使缺陷有所拓宽。

同时，从a图中还可以看到，中间裂纹发生在柱状晶区，沿柱状晶间分布，而从b和c图中观察不到这些细节，何况b图本身也不大清楚。

a.冷酸蚀法（横向断面×1.5）

钢种45　规格230mm×1650mm

b.热酸蚀法（横向断面×1）

YB/T400321997附录A标准图片

缺陷级别2.5

c.硫印法（横向断面×1）

YB/T400321997附录B标准图片

缺陷级别2.5

图8　中间裂纹的3种腐蚀检验效果对比

3.2.2　中心裂纹和三角区裂纹

连铸坯中心裂纹和三角区裂纹如图9、10所示。

图9　中心裂纹（横向断面×1.5）

钢种45　规格230mm×1650mm

图10　三角区裂纹（横向断面×1.5）

钢种GR424　规格230mm×1650mm

3.2.3　连铸坯的中心偏析

连铸坯中心偏析3种腐蚀检验效果对比如图11所示。

如图11所示，A和B类中心偏析内外弧侧柱状晶都很发达，直达中心偏析区。

而c图的C类中心偏析区为等轴晶组织。

可见，凝固组织与缺陷密切相关，但从d和e图上观察不到凝固组织状态。

a.冷酸蚀法（A类）（横向断面×1）

钢种KQ235B　规格300mm×1650mm

b.冷酸蚀法（B类）（横向断面×2.5）

钢种16Mn　规格150mm×1200mm

c.冷酸蚀法（C类）（横向断面×1.3）

钢种J4B　规格300mm×2000mm

d.热酸蚀法（C类）（横向断面×1）

YB/T4003-1997附录A标准图片缺陷级别1.5

e.硫印法（C类）（横向断面×1）

YB/T4003-1997附录B标准图片缺陷级别1.5

图11　中心偏析的3种腐蚀检验效果对比

3.2.4　电磁搅拌（白亮带）

冷酸蚀宏观检验对观察电磁搅拌效果是1种很有效的方法，如图12所示。

图12　白亮带（横向断面×1.5）

钢种16MnR-1　规格230mm×1650mm

　　如图12所示，内弧侧柱状晶并没有被打碎，右图中心偏析仍然很严重，左图中心偏析有较大的改善。

4　建议修改连铸钢方、板坯内部缺陷宏观评级标准的部分内容

　　对《连铸钢方坯凝固组织和缺陷评级图》中的“针状气泡”、“中心等轴晶面积分数（%）”、“柱状晶面积分数（%）”、“等轴晶/柱状晶比例系数”等项原标准中不评级项，在修改的标准中建议为可以评级；对《连铸钢板坯凝固组织和缺陷评级图》中的“中心裂纹”、“缩孔”、“针孔状气泡”、“中心等轴晶面积分数（%）”、“柱状晶面积分数（%）”、“等轴晶/柱状晶比例系数”等项原标准中不评级项在修改的标准中建议为可以评级。

在YB4003-91《连铸钢板坯缺陷硫印评级图》标准规定，“w（S）<0.005%的钢不适用于本标准”。

目前生产的08A1钢、IF钢及管线钢，碳，硫、磷很低，无法使用此标准。

标准中还规定“中心裂纹可按中心偏析中A类评级图评级”，表明硫印检验法不能区分中心偏析和中心裂纹。

此标准没规定中心疏松和缩孔缺陷评级，表明这两种缺陷不能与中心偏析加以区分。

修改后可以区分中心偏析、缩孔和中心疏松。

在YB/T4003-1997《连铸钢板坯低倍组织缺陷评级图》标准分两部分内容。

附录A《连铸钢板坯缺陷酸蚀低倍评级图》标准中无缩孔和中心裂纹缺陷评级，表明热酸蚀低倍检验法不能把这两种缺陷与中心偏析加以区分。

而附录B《连铸钢板坯缺陷硫印评级图》标准中无缩孔、中心疏松和中心裂纹缺陷评级，而有中心偏析，表明缩孔、中心偏析、中心疏松和中心裂纹往往伴随发生，硫印检验法难加以区分。

而冷酸蚀检验法对这3种缺陷能很好区分，并保持缺陷原来面貌特征，不扩大和缩小缺陷。

按建议修改的标准不但对方坯和板坯分别增加6、4项检验项目，而且各种缺陷的标准图片也较热酸蚀低倍标准图片清楚，给检验者评级操作带来较大方便，具有很强的可操作性。

5　结　语

连铸坯冷酸蚀宏观检验法应在冶金行业推广应用，大家要共同努力，发展和完善它，制订相应的连铸坯检验新标准，必将产生巨大的社会经济效益。

同时，为我国连铸钢产品质量达到世界先进水平做出应有贡献。

本文来源：

许庆太等“连铸坯凝固组织和缺陷的冷酸蚀法宏观检验”