鋼錠宏觀偏析

鋼錠宏觀偏析是指在鋼錠中存在的限於鋼錠尺寸數量級的濃度差別，又稱區域偏析。通常指沿鋼錠縱斷面和橫斷面上化學成分不均勻分佈情況。

宏觀偏析與各結晶帶的形成密切相關，往往在特定區域成條帶狀分佈。它既可用鑽樣分析方法進行鑑定，又可藉助硫印、酸浸等低倍檢驗方法判明，故又稱為低倍偏析。

宏觀偏析大小程度通常用偏析量△C=C-C₀、偏析度A₁=C/C₀或A₂=C-C₀/C₀×100%、以及偏析差別△A=C_max-C_min/C₀×100%等來量度。式中C為測定點某元素含量；C₀為該元素在鋼中的平均含量，常以桶樣成分表示；C_max和C_min分別為某元素在測定範圍內的最高和最低含量。△C>0或A1>1稱為正偏析，△C<0或A1<1則稱為負偏析。

宏觀偏析有多種分類方法，按分佈方向可分為水平偏析和垂直偏析；按偏析帶形態可分為帶狀分析和通道偏析（如V形、倒V形偏析等）；按偏析的直接成因可分為正常偏析、反常偏析、比重偏析等等。

宏觀偏析也稱區域偏析，發生在較大區域。鎮靜鋼錠常見的偏析類型有：逆V偏析，V偏析、頭部正偏析及底部沉積錐負偏析等。

M.C.Flemings等認為：如果枝晶凝固時對凝固收縮補充充分，同時又不將枝晶間濃化液相帶出，則僅發生微觀偏析而不發生宏觀偏析。亦即：選分結晶的作用使枝晶間液相富集溶質，凝固過程鋼液或固液相的動流將富集溶質液相帶到鋼錠中未凝區域，導致整個鋼錠組分的不均勻分佈。凝固過程的流體流動對鋼錠宏觀偏析的形成具有決定性作用。各種形式的宏觀偏析的生成都與凝固過程一種或多種流體流動方式有關。鋼錠凝固過程伴隨着多種流體流動形式：液相整體熱對流；澆注引起的液相流動；凝固收縮引起的流動.密度差引起的對流等。

逆V偏析線被認為是富集溶質液相從兩相區向錠芯流動的通道，它對鋼錠頭部偏析以及整個鋼錠的偏析具有重要影響。枝晶沉降被認為是凝固過程枝晶析斷、表面形核等滿足一定空間條件時在密度差的作用下形成結晶相，在枝晶沉降過程中，部分枝晶間濃化液相被衝出，使沉降的枝晶平均濃度下降，結晶雨到達底部便形成不沉積錐負偏析。

鋼液是在一定温度範圍凝固的，其流動性隨固相率的變化而不同。鋼錠凝固區域分為液相區、液固兩相區和固相區。兩相區根據流動特徵又可分為液固層（p層）和固液層（q層）。q層又可進一步分為q₁和q₂層，在q₁層內只有液相可流動，q₂層液固相均可流動。為研究方便，根據高橋中義的實驗結果，將凝固區域劃分為固液可流動區（固相率f≤0.3~0.35），液相可流動區（固相率0.3~0.35≤f<0.67）和液固均不可流動區（f>0.67）。

對鋼錠宏觀偏析形成起決定性作用的兩相區內的流體流動與凝固過程固相率分佈密切相關，這意味着鋼錠宏觀偏析與其凝固過程温度場變化具有某種對應關係 ^[1]  。

鎮靜鋼的外殼凝固速率很快，雜質和合金元素來不及向內轉移，其成分與鋼的平均成分相同。在柱狀晶形成期間，雜質和合金元素富集在柱狀晶隧道中。由於靠近柱狀晶前沿較冷的鋼液密度較大，有下沉的趨勢，而錠心部分温度較高，鋼液密度較小，有上浮的趨勢，於是就產生了鋼液的循環流動。循環流動的鋼液沿柱狀晶前沿向下流動時，把柱狀晶間隧道中富集雜質和合金元素的鋼液帶走，鋼液達到接近鋼錠底部凝固區時，再向內流動，然後沿鋼錠軸心區域上升，雜質和合金元素就會被帶到鋼錠的心部和頭部，硫、磷等元素減小鋼錠的密度，促使鋼液向上流動，故較多的富集在鋼錠的中上部。

在中心等軸晶帶結晶期間，鋼液中Al₂O₃粒子和半固態硅酸鹽和鋁酸鹽夾雜物能夠成為初生警惕結晶的靠背。晶體附在這些夾雜物上生長時，這些夾雜物將不能繼續上浮，而是被密度較大的枝晶拉向下方，造成鋼錠中下部較高的氧化物夾雜含量。因此，除氧意外，其他元素包括碳、硫、磷和合金元素均富集於鋼錠的中上部。鎮定鋼凝固時鋼錠上部温度高，保温帽部分最後凝固，該處的正偏析最大。在使用大鋼錠製造大型鍛件時，這種情況必須予以考慮。

宏觀偏析可使由鋼錠不同部位軋製出來的鋼材在力學性能和物理性能上產生很多的差異。宏觀偏析只能通過控制和改善澆築工藝來解決 ^[2]  。

宏觀偏析是鑄造鋼錠的主要缺陷之一，凝固過程中的溶質再分配是產生宏觀偏析的根本原因。宏觀偏析嚴重影響鋼錠的組織和性能，且難以通過鍛造、熱處理等後續工藝消除。特別是大型鋼錠，宏觀偏析導致整體利用率低，造成極大浪費 ^[3]  。

宏觀偏析可使由鋼錠不同部位軋製出來的鋼材在機械性能和物理性能上產生很大的差異，甚至出現各向異性性，降低金屬收得率，影響鋼材製品的有效利用和使用壽命。如鋼錠中硫的偏析能破壞金屬的連續性，軋製或鍛造時引起鋼坯的熱脆，軋製鋼板時甚至引起夾層廢品，嚴重影響鋼板的冷彎性能。硫的偏析往往還是承受交變載荷的零部件引起疲勞斷裂的主要根源之一。磷的偏析能使鋼材製品產生冷脆性，並促進鋼的回火脆性。宏觀偏析將一直殘留到最後產品中，危害產品的使用性能，甚至造成隱患。 ^[4]