中碳铝镇静钢连铸圆坯的原位统计分布分析

郭俊波 郑福舟 陆 强 郭士光

（1. 马鞍山钢铁股份有限公司技术中心； 2. 轨道交通关键零部件安徽省技术创新中心）

0 引言

中碳铝镇静钢铸坯的成分偏析对其产品性能影响较大。目前，为了分析铸坯的成分分布情况，主要采取钻孔取屑样、低倍硫印等方法，但存在取样偶然性、操作过程复杂、分析波动性较大、分析位置局限且不能测定元素偏析的连续分布等问题[1-2]。原位统计分布分析技术以火花光谱无预燃连续激发高速采集解析技术为基础，可实现在钢铁材料较大尺寸范围内连续测定多种元素的偏析分布，由此获得各元素在不同位置含量的统计定量分布、各元素偏析度以及材料疏松度的准确定量表征等信息[3]。

前人利用原位统计分布分析技术对板坯或方坯中某一区域范围内的元素偏析情况研究较多[4-8]，而对于中碳铝镇静钢的圆坯的研究比较少见。笔者以钢中易偏析元素C、Mn 为研究对象，应用原位统计分布分析技术对中碳铝镇静钢Φ430 mm 圆坯距离边部5 mm 至205 mm 之间的区域进行分析，研究了试样中C、Mn 元素的含量分布情况、偏析情况和铸坯表面的致密度情况，为进一步优化中碳铝镇静钢的连铸工艺，提高铸坯质量提供参考。

1 实验部分

1.1 样品分析区域

分析试样为某厂生产的中碳铝镇静钢圆坯，直径为430 mm，其化学成分见表1。对圆坯进行合理的切割，加工后选取边部到中心部位附近的三块样品进行金属原位分析，取样和分析区域如图1 所示。由于圆坯中心存在明显缩孔，因此加工试样时并未考虑圆坯中心部位，只对圆坯距离边部5 mm 至205 mm 之间的区域进行了研究。其中，1#试样距离铸坯边部的距离为5 mm，扫描面积为30 mm×40 mm，2#试样和3#试样的扫描面积均为80 mm×40 mm，试样之间的间隔距离为5 mm。

表1 试验用中碳铝镇静钢的主要化学成分 %

图1 连铸圆坯横截面取样和分析区域

1.2 仪器和主要技术参数

使用OPA-100 金属原位分析仪(钢研纳克检测有限技术公司)对试样进行分析。扫描方式为线性面扫描，扫描速度为1 mm/s。激发频率为480 Hz，激发电容为7.0 μF，激发电阻为6.0 Ω，火花间隙为2.0 mm，氩气纯度为99.999%，氩气流量为80 mL/s，电极材料为45°顶角纯钨电极，直径为3 mm。测定元素波长为C 193.1 nm、Mn 293.3 nm。

2 结果与分析

2.1 元素含量分布情况

传统的通过钻孔取屑样来分析元素含量的方法易受合金钻头直径、取样间隔距离等因素的影响，从而不能真实地反映元素含量的分布情况。金属原位统计分布分析技术，通过对试样沿X 轴方向进行逐行扫描后，可以得到试样Y 方向上不同位置处的元素含量的连续分布情况。由于沿试样Y方向不同位置处的变化趋势基本一致，因此只选取了试样中位线处(Y=20 mm)的C、Mn 元素的含量波动情况进行讨论。Y=20 mm(试样中位线)处C、Mn 含量在X 方向上的分布分别如图2、图3 所示。

图2 C 元素含量的线分布

图3 Mn 元素含量的线分布

从图2 可以看出，在试样中位线处（Y=20 mm），C 含量在铸坯横断面上沿直径方向呈现“降低→升高→降低→升高”的趋势。在距离铸坯边部5～35 mm 的区域内，C 含量先降低再升高，在距离铸坯边部10 mm 处时C 含量达到最低值，这主要是由于受结晶器电磁搅拌和水口射流的影响，钢水对凝固前沿的固液两相区不断进行强烈冲刷，使未凝固的溶质加速向中心区域流动，从而造成坯壳附近的C 含量逐步降低，形成负偏析[9]。

随着向铸坯中心靠近，电磁搅拌作用的影响逐渐减弱，钢水对凝固前沿的冲刷作用也随之减弱，凝固前沿的C 含量逐渐升高。在距离铸坯边部135～150 mm 的区域内，C 含量上升到最高值，这主要是由于此处为铸坯柱状晶和等轴晶的交界处，为混晶组织，此时富集的溶质主要集中在等轴晶与柱状晶之间，向中心的扩散受到阻碍，无法在随后的凝固过程中跟凝固界面一同推进，因此此处的C 含量达到最高值。

随着继续向中心方向靠近，凝固桥的形成阻止了钢液的补缩和溶质的流动，使C 含量逐渐降低。在铸坯中心部位附近的区域内，由于凝固收缩的作用而产生一定的空穴，这些在铸坯芯部的空穴具有负压，从而使富集了溶质元素的钢液被吸入芯部，这样溶质元素在中心聚集，C 含量逐渐升高。

从图3 可以看出，试样中位线(Y=20 mm)处Mn 元素的含量的变化趋势与C 元素的基本一致。但由于Mn 元素的平衡分配系数k 为0.76～0.78，远远低于C 元素的0.19～0.34[10]，因此，Mn 含量的波动程度没有C 含量的明显，分布相对比较均匀。需要注意的是，3#试样大部分区域的Mn 含量明显比其他试样的要高，这说明Mn 元素也存在一定的中心富集现象。

2.2 元素偏析的定量分析

分别用统计偏析度和统计均匀度来定量表征C、Mn 元素的偏析情况。根据各元素的含量频率统计分布可得到95%置信度的含量置信区间[C1，C2]，95%置信度时的中位值C0置信扩展幅度Z=(C2-C1)/2，则该元素在95%置信度时的含量置信区间为C0±Z。考虑到试样中元素含量差异的影响，采用中位值C0置信扩展区间Z 与中位值C0的比值，即S=Z/C0作为某元素在材料中的偏析程度的表征，称之为统计偏析度[11]。含量置信区间越小，表明元素在铸坯中的分布越均匀。统计偏析度越大，表明元素在铸坯中的分布偏析越严重。

统计均匀度则是从符合平均成分的角度对偏析进行表征，即将特定含量范围所占的权重比率称之为在特定含量范围内的元素分布的统计均匀度，其数值越大，则表明元素在铸坯中的分布越均匀。1#～3#试样中C、Mn 元素的含量置信区间以及统计偏析度、统计均匀度的数据见表2。

表2 铸坯截面各区域C、Mn 元素的统计偏析度、统计均匀度

从表2 可以看出，随着从铸坯边部向中心方向靠近，C、Mn 元素的含量置信区间逐步变大。C、Mn 元素的统计均匀度，1#试样达到最大值，分别为53.6%和73.7%，随着向中心方向靠近，统计均匀度逐渐变小，说明从铸坯边部到中心C、Mn元素在铸坯中的分布均匀性变差。统计偏析度的变化规律正好相反，1#试样达到最小值，分别为18.2%和11.1%，随着向中心方向靠近，统计偏析度逐渐变大，3#试样的分别达到了19.8%和19.5%，说明C、Mn 元素在铸坯中的分布偏析逐渐严重。统计均匀度和统计偏析度两者表征的偏析特征基本一致。

同时，通过对比各个试样，可以看出C 元素的统计偏析度均大于Mn 元素的，其统计均匀度均小于Mn 元素的，这是由于C 为易偏析元素，其偏析现象较Mn 元素更为严重。

2.3 致密度分析

对于低合金钢铁材料来说，在原位统计分布分析技术的基础上，可以用铁基体的光谱强度来统计不同位置处的表观致密度。根据单次放电铁元素光谱信号的强度与单次放电发生在致密位置处时其铁光谱强度的比值可以得出近似于该位置处的表观致密度。对试样上所得到的数以万计不同位置的表观致密度统计平均，即为统计致密度[11]。

三块试样的统计致密度的对比结果如图4 所示。

图4 铸坯横断面的表观致密度统计值

从图4 可以看出，铸坯边部的1#试样的表面比较致密，统计致密度为0.92，随着向中心方向靠近，试样表面的致密度逐渐下降，在铸坯中心附近的3#试样的统计致密度为0.8，说明存在一定程度的疏松现象。

3 结语

（1） 随着从铸坯边缘向中心方向靠近，C 元素的含量均呈现降低→升高→降低→升高”的趋势。距离铸坯边部10 mm 处的C 含量为最低值，然后逐渐上升，在距离边部135～150 mm 的区域内C 含量达到最高值，这与此处为混晶区组织有关。随着继续向中心靠近，凝固桥的形成使C 含量逐渐降低。在铸坯中心部位附近，由于凝固收缩产生的负压作用，使富集溶质的液相被吸入芯部，C 含量升高。Mn 含量的变化趋势与C 含量的基本一致，但波动程度没有C 元素的明显。

（2）随着从铸坯边缘向中心方向靠近，C、Mn元素的统计偏析度逐渐上升，统计均匀度逐渐下降，这表明元素的偏析越严重。

（3）随着从铸坯边缘向中心方向靠近，试样表面的表观致密度逐渐下降，在铸坯中心部位附近存在一定的疏松现象。