鎮靜鋼鋼錠

典型的鎮靜鋼鋼錠結構由表面至中心分別為細小等軸晶的激冷層、柱狀晶帶和錠心粗大的等軸晶帶等三個結晶帶。鋼錠各結晶帶的形成主要取決於凝固前沿的冷卻強度。5t以上大型碳素鋼鋼錠在柱狀晶帶與錠心等軸晶帶之間，還可以區分出過渡晶帶。圖1為大型鎮靜鋼鋼錠結構及偏析示意圖。

1—激冷層；2—柱狀晶帶，3—過渡晶帶；4—錠心粗大的等軸晶帶；5—沉積錐；6—倒V形偏析；7—V形偏析；8—冒口疏鬆；9—冒口縮孔

激冷層由無取向的細小等軸晶組成。注入模內的鋼水受到模壁的激冷，表層鋼水獲得較大的過冷度，在這裏雜質及粗糙的模壁都可成為現成的結晶核心，幾乎同時形成大量的晶核，彼此妨礙各自的長大，因而得到不同取向的細小等軸晶帶。其厚度通常為幾毫米到十幾毫米。激冷層形成後，熱阻增加，熱流減小，特別是鋼錠與模壁間形成氣隙後，未凝鋼水的散熱強度顯著降低。此時鋼水的過熱熱量和結晶潛熱主要通過凝固層傳出，發生向模壁的定向傳熱。

由於晶體長大所需要的過冷比形核要小得多，於是結晶表現為已有晶核的繼續長大。激冷層的內緣，樹枝晶的一次軸朝着不同的方向，其中一次軸與模壁垂直的晶體，通過它散熱路徑最短，散熱最快，加之該處凝固前沿略為突出，離成分未變鋼水最近，過冷降低較小，所以這些晶體向錠心的長大得到優先發展，而其餘的晶體和向其他方向的長大則受到彼此的妨礙而被抑制。於是，在細小等軸晶帶之後，形成迎着熱流生長的有明顯方向性的柱狀晶帶。受凝固前沿自然對流下降流股的影響，柱狀晶略為上傾。柱狀晶帶的寬度因鑄錠條件的不同，可從數十毫米到數百毫米。錠心的結晶過程至今還不十分清楚。一般認為，隨着柱狀晶的發展，散熱強度逐漸減小，結晶速度減慢，雜質元素（S、P、O等）的偏析過程得以發展，在凝固前沿產生富集雜質元素的偏析層。

結晶速度降低到某一臨界值後，出現組成過冷區，阻止柱狀晶的繼續生長，導致在偏析層前面成分較純、過冷度較大的鋼水中產生孤立的晶核。錠心的鋼水還存在一定的過熱度（大型鋼錠凝固情況）時，通過柱狀晶的定向傳熱仍很明顯，新的晶核仍然主要是沿大致與模壁垂直的主軸長大，直至出現新的偏析層。其後，復又產生新的孤立晶核。這樣便形成等軸晶的過渡晶帶（或稱分枝柱狀晶帶）。當錠心鋼水温度達到或稍低於液相線時，定向傳熱消失，鋼水中的枝晶和非金屬夾雜物質點都可成為非自發形核的晶核，在整個半凝固狀態的熔體中同時向各個方向長大，形成無一定方向的等軸晶。與激冷層相比，因其過冷度小，晶核數目少，故晶粒比較粗大，也即形成了錠心粗大的等軸晶帶。對於大型鋼錠，由於自然對流較強，沿凝固前沿下降的兩相流達到鋼錠底部轉向時，把一些孤立的晶體和碎斷的枝晶帶到錠心，沉積成錠心下部的較小等軸晶的圓錐體（或稱沉積錐）。

鋼水成分和澆注條件都會影響鋼錠結構。高碳鋼結晶温度範圍較寬，形成柱狀晶傾向比低碳鋼小；鉻鎳不鏽鋼和硅鋼等結晶温度範圍窄，導熱性又差，柱狀晶特別發達，容易形成穿晶結構，且一般不出現過渡晶帶。鋼中硫、磷、氧等元素含量增加，結晶時組成過冷區將較早出現，從而抑制柱狀晶的發展。如含硫易切削鋼錠易於獲得等軸晶結構，而氬氣保護下澆注的合金鋼錠比大氣下澆注下的相同鋼錠具有較寬的柱狀晶帶。用鋁、鈦、氮等元素脱氧或合金化的鋼，生成A1N、Al₂O₃、TiN等非金屬夾雜微粒可增加非自發形核數目，能使鋼錠晶粒細化和擴大等軸晶區。

隨着鋼錠重量增加，澆注時間加長，鋼水凝固過程中向模壁定向傳熱的時間增長，故柱狀晶區的寬度增加，但由於凝固速度減慢，促使錠心區的等軸晶區較早的形成，因而可使柱狀晶區所佔比例減小。模壁温度決定着鋼錠凝固初期的冷卻強度。模温高時，有利於抑制柱狀晶發展。注温高和注速快，相當於提高鋼水過熱度，增加定向傳熱時間，促使柱狀晶發展。澆注過程中對鋼水特別是對液麪施加振動或攪拌，可明顯地擴大等軸晶區。

等軸晶結構緻密，各個枝晶結合得比較牢固，且成分和結構比較均勻一致，因而強度、塑性和韌性都較高，可加工性好，鋼材性能沒有明顯的方向性。柱狀晶則不同，它生長方向一致，晶界特別是柱狀晶的角交面處，偏析元素濃度很高，成為高温強度及塑性的薄弱面，當鋼錠冷卻或熱加工時極易沿此面脆斷，造成鋼錠裂紋缺陷及降低可加工性，並且會造成鋼材的帶狀組織，引起各向異性。因此，除個別利用其各向異性的特殊鋼種（如電工鋼、汽輪機葉片用不鏽鋼等）要求定向的粗晶粒柱狀晶結構外，絕大多數鋼種都希望得到細晶粒的等軸晶結構。抑制柱狀晶發展、擴大等軸晶區的途徑是擴大結晶兩相區和增加結晶核心。

主要的技術措施有：（1）降低冷卻強度。適當提高模壁温度，採用錠模塗料和性能良好的保護渣等都能擴大等軸晶區。（2）降低注温。降低鋼水過熱度，能有效地縮小柱狀晶區寬度。接近液相線澆注，可得到100%等軸晶結構的鋼錠。在保證順利澆注的條件下，要儘量降低注温，採取“低温快注”。（3）施加外力攪拌，促使鋼水流動。模內鋼水加超聲波振動或吹氣攪拌是細化晶粒、改善鋼錠結構的有效手段。

合格的鎮靜鋼鋼錠除化學成分必須保證符合技術標準要求外，還應滿足：（1）達到規定澆高，頭部一次縮孔呈碟形，不深入到鋼錠本體；（2）成分偏析小，非金屬夾雜少；（3）鋼中氣體含量少，鋼錠無皮下氣泡和內部氣泡；（4）鋼錠表面質量好，無表面缺陷或雖有缺陷可通過修磨或火焰清理消除。

鎮靜鋼鋼錠缺陷分內部缺陷和表面缺陷兩類。內部缺陷有縮孔、疏鬆、偏析、裂紋、非金屬夾雜等，這類缺陷往往只能在開坯和軋製成材之後通過低倍檢驗才能判定；表面缺陷有裂紋、結疤、翻皮、重接、夾渣等，在鋼錠精整時即可發現，輕者可通過清理消除。鋼錠的缺陷可通過確定合理的工藝制度和嚴格的技術操作加以防止或減輕。

鎮靜鋼傳統上採用上大下小帶保温帽鋼錠模澆注。20世紀70年代後，一般鋼種的鎮靜鋼普遍改為上小下大敞口模上口掛絕熱板澆注，使鋼錠成坯率提高約8%～10%。在中國為提高鋼錠的表面質量，鎮靜鋼普遍採取下注法。大、中型鋼鐵聯合企業多半採用車鑄方式的下注法，小型鋼廠和特殊鋼廠都採用坑鑄方式的下注法。

合適的注温是順利澆注的前提，又是獲得良好鋼錠質量的基礎。注温過低會造成短錠廢品和表面夾砂、重接、翻皮等鋼錠缺陷；注温過高易造成熔斷塞棒或燒穿滑板、底板跑鋼、鋼錠焊模等事故，並助長鋼錠裂紋、縮孔、偏析等缺陷。合適的注温要根據鋼種、盛鋼桶容量及熱工狀況、錠型、澆注方法等綜合確定。一般要求高出鋼種液相線温度（即過熱度）60～100K。小鋼錠、下注趨高限；合適的注温應靠嚴格控制出鋼温度來保證，並經爐外精煉或盛鋼桶吹氬攪拌精確調整。注速是調節注温的輔助手段。注温高宜慢注。鎮靜鋼下注速度一般為0.2～0.4m/min。小鋼錠和含易氧化元素（Re、Ti、Al等）的鋼種趨高限。澆注過程中要在滿足平均注速要求的前提下，按照開流、跟流、增流、充填4個階段控制注速的變化。開澆後向模內加保護渣，澆至帽口線位置時要收流慢注，並向鋼水面加發熱型防縮孔劑。帽部充填時間應為鋼錠本體澆注時間的0.5～1.0倍。對於純淨度要求嚴格的鋼種，還應採取注流保護措施。小型鎮靜鋼鋼錠，通常採用上小下大敞口模澆注。澆注至預定高度時，收流減速，並立即用冷水封頂，細流充填。充填時間應不少於錠身的澆注時間。 ^[2]