姚鳳祥

(東北特殊鋼集團(tuán)技術(shù)中心北滿分中心，黑龍江)

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車薄板用鋼需求量不斷增大，軋制薄板所用的各種軋輥需求量也日益增長(zhǎng)。我公司生產(chǎn)的冷軋輥材質(zhì)所需的電渣鋼輥坯有Cr2、Cr3、Cr5、Cr6系列，規(guī)格從?230 mm到?1 050 mm不等。Cr2、Cr3輥坯的探傷合格率在97%以上，但Cr5、Cr6輥坯的探傷合格率僅在93%左右，不合格的原因主要是點(diǎn)狀偏析引起的。

1 點(diǎn)狀偏析的形態(tài)

變形金屬橫向斷面試樣磨光腐蝕后，低倍觀察的黑色斑點(diǎn)如圖1所示。

偏析處C、P、S、Cr等元素高于平均含量。說明點(diǎn)狀偏析是溶質(zhì)局部的富集，主要是碳化物、硫化物、氮化物和氧化物的局部富集。偏析處液體的凝固遲于周圍基體的凝固。在低倍試片上往往伴隨著氣孔、裂紋、疏松、縮孔等。電渣重熔MC5、MC6輥坯點(diǎn)狀偏析處主要是M7C3型碳化物，如圖2所示。

2 點(diǎn)狀偏析的形成原因

輥坯用鋼特別是MC5、MC6含有相當(dāng)數(shù)量的碳及碳化物形成元素，固液相間溫度區(qū)間較寬，加之鋼導(dǎo)熱性能差，凝固速度緩慢，促使凝固過程碳化物嚴(yán)重偏析。電渣重熔鋼液在水冷銅結(jié)晶器中凝固，鑄錠受強(qiáng)制冷卻作用，雖局部凝固時(shí)間縮短，但非平衡的凝固過程中由于選分結(jié)晶，造成局部溶質(zhì)元素的富集。內(nèi)因首先是鑄錠結(jié)晶前沿兩相區(qū)樹枝狀晶晶間鋼液富集溶質(zhì)元素。外因是在電渣重熔過程中，熔融液體在樹枝狀晶間強(qiáng)烈運(yùn)動(dòng)及二次熔化。引起液體流動(dòng)和二次熔化的因素有：

(a)?600 mm(b)?500 mm圖1 電渣重熔MC5輥坯點(diǎn)狀偏析形貌Figure 1 The fracture appearance of point segregation in MC5 electroslag remelting roll blank

2 624×1 673×圖2 碳化物偏析區(qū)斷口形貌Figure 2 The fracture appearance of carbide segregation zone

(1)電渣重熔過程渣池強(qiáng)烈攪拌，熔渣和液態(tài)金屬之間存在附著力、摩擦力，必然帶動(dòng)金屬熔池運(yùn)動(dòng)。

(2)熔化金屬熔滴受重力作用落入金屬熔池。必然帶動(dòng)金屬熔池運(yùn)動(dòng)。

(3)電動(dòng)力的作用。電極與鑄錠間通電，由于導(dǎo)電截面的變化。產(chǎn)生軸向電動(dòng)力。

(4)電磁引縮效應(yīng)。電流通過渣池及金屬熔池。按右手定則產(chǎn)生自感磁場(chǎng)，電流通過磁場(chǎng)。按左手定則產(chǎn)生向心方向的電磁力。

(5)熱對(duì)流。由于金屬熔池不同部位溫度不同造成密度的不同，密度較小的金屬浮升，密度較大的金屬下沉，從而促使渣池產(chǎn)生對(duì)流。

(6)氣體逸出和膨脹推力。電渣重熔過程中，當(dāng)鋼中氣體由金屬熔池逸出時(shí)，氣泡膨脹產(chǎn)生推力。

金屬熔池?cái)嚢?，結(jié)晶前沿液體流動(dòng)，引起的效應(yīng)是：

(1)均勻攪拌。在離心力作用下，引起密度偏析，使碳化物不勻度增加，對(duì)點(diǎn)狀偏析似乎無直接影響。

(2)不均勻攪拌。電渣重熔正常電流主電路是電極-渣池-金屬熔池-鋼錠-底板，電流在自感磁場(chǎng)作用下，產(chǎn)生水平方向均勻的向心運(yùn)動(dòng)。但電渣重熔往往產(chǎn)生水平分流，即電極-渣池-結(jié)晶器底板及電極-渣池-結(jié)晶器-鋼錠-底板。分流是不恒定的，電流起伏波動(dòng)，分流方向偏向一側(cè)。分流再產(chǎn)生自感磁場(chǎng)，和主電路磁場(chǎng)迭加形成雜散不均勻的磁場(chǎng)，引起不均勻攪拌，熔池均勻運(yùn)動(dòng)遭到破壞。不均勻的攪拌使局部區(qū)域柱狀晶的生長(zhǎng)受到阻礙，生長(zhǎng)著的枝晶折斷，折斷的枝晶在局部堆積，構(gòu)成一些空隙，而枝晶間富集溶質(zhì)的液體在攪拌作用下充填空隙或積聚凝固前沿某一地區(qū)，因此構(gòu)成鋼錠點(diǎn)狀偏析，這種條件下形成點(diǎn)狀偏析分布偏向一側(cè)。

由于冶煉一支鋼錠需要多支金屬電極，而且每支鑄造電極內(nèi)部縮孔及致密度存在很大的差別，這將導(dǎo)致冶煉參數(shù)難以控制，會(huì)產(chǎn)生局部的再熔化。從300多爐的探傷結(jié)果看，鋼錠的上、中、下部位均存在偏析現(xiàn)象，分布的比率大致相當(dāng)。如果電極對(duì)中不好，在某一側(cè)局部區(qū)域比其他區(qū)域熔化得更多些，這種不穩(wěn)定性會(huì)引起局部出現(xiàn)偏析。

3 點(diǎn)狀偏析形成和氣孔關(guān)系

缺陷部位還存在氣孔現(xiàn)象，如圖3所示，產(chǎn)生氣孔的原因如下：

(1)電極在重熔開始時(shí)，由于剛進(jìn)入開始溫度不高，熔化速率并不大，當(dāng)電極進(jìn)入20多分鐘后，熔化溫度才開始逐漸增大。

(2)隨著熔化的不斷進(jìn)行，電極有效截面增大，渣阻變小，電流增大，熔化速率加大，電極插入渣池變深，則使金屬熔池成為V字形狀。

(3)熔渣加熱是不均勻的，其強(qiáng)烈的對(duì)流也不能把溫度拉平，在渣池上部渣池溫度低，在電極附近、電極下部、電流通過部分以及電極與金屬熔池之間，熔渣加熱最強(qiáng)烈，渣溫高，鋼渣冶金化學(xué)反應(yīng)最強(qiáng)烈，由此產(chǎn)生溶解在渣池內(nèi)的氣體，因其不能快速在熔池范圍內(nèi)被拉平，所以在電極下部周圍區(qū)域內(nèi)的熔渣和鋼液內(nèi)接近達(dá)到飽和。

(4)隨著重熔溫度的不斷提高，熔化速率和氣泡飽和度也在不斷增加，當(dāng)氣體飽和時(shí)，溶解在鋼液中的氣體便以小氣泡形式在凝固鋼液表面析出。

(5)處在V字形兩邊的氣泡因外部壓力較低，容易被排除，而底部的氣泡因外部壓力的作用而被保留在凝固面上。

(6)隨著熔化速率的不斷加快，重熔鋼錠的周邊鋼液凝固加快，V字形金屬熔池相對(duì)加深，此時(shí)不斷有凝固析出的小氣泡擴(kuò)散到V字形底部的小氣泡內(nèi)，使底部氣泡半徑不斷加大。因此在V字形底部形成一個(gè)壓力相對(duì)平衡的大氣泡。當(dāng)重熔鋼液不斷凝固生成鋼錠時(shí)，氣泡被凝固的鋼液不斷拉長(zhǎng)，形成氣孔。

(7)重熔過程中，氣體的過飽和度是變化的，因此各個(gè)階段氣泡的大小、內(nèi)部氣體的壓力是不一致的。所以，雖然形成的氣孔內(nèi)壁是光滑的，但直徑并不統(tǒng)一，在鋼液逐步凝固時(shí)，氣孔內(nèi)壁會(huì)形成波紋狀。

(8)當(dāng)重熔進(jìn)入補(bǔ)縮階段，熔化速率的降低，V字形金屬熔池逐步變淺平，析出的氣泡也減少，氣孔中的氣壓降低，最終被凝固的金屬所封閉。

圖3 氣體通道Figure 3 Gas passage

4 點(diǎn)狀偏析的控制

4.1 生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)電渣錠應(yīng)具備以下條件：

(1)液相的均質(zhì)性。不均勻的液體含有不溶解的微粒(碳化物等)引起不均勻的結(jié)晶。

(2)平靜的熔池狀態(tài)可減弱兩相區(qū)對(duì)流熱交換，抑制了不希望的化學(xué)成分的變化。

(3)平的結(jié)晶前沿，減少了偏析生成區(qū)。

4.2 點(diǎn)狀偏析的控制應(yīng)從工藝措施及設(shè)備方面著手：

(1)合理選擇電渣重熔熔速?？梢詤⒖荚由剑篤maxD≤0.4 cm2/s，式中D為結(jié)晶器直徑，單位是cm；Vmax是電渣重熔熔速；單位是cm2/s。

(2)采用大充填比，減少電磁力，減弱電磁攪拌。

(3)防止凝固金屬局部再次熔化。冶煉過程中隨著電極有效截面及長(zhǎng)度的不同，電參數(shù)要隨之調(diào)整，同時(shí)電極與結(jié)晶器對(duì)中要好。

(4)減少氣體的產(chǎn)生，防止氣孔的生成。

(5)電極交換前后要高度重視合理操作。

(6)增加渣量，改變電極熔化時(shí)的端部形狀，增大熔滴與鋼渣接觸時(shí)間，同時(shí)可以減少電能沖擊的影響。

5 結(jié)論

(1)電渣重熔點(diǎn)狀偏析主要是碳化物(Cr等元素的碳化物)的集聚。

(2)MC5、MC6含有相當(dāng)數(shù)量的碳及碳化物形成元素。在鋼錠凝固過程中，枝晶間鋼液溶質(zhì)元素的富集及氣孔是偏析形成的內(nèi)因。鋼液的流動(dòng)，功率波動(dòng)引起凝固金屬的再次熔化是偏析形成的外因。

[1] 李正邦.電渣冶金原理及應(yīng)用.北京：冶金工業(yè)出版社.

[2] 徐文峰.電渣重熔鋼錠內(nèi)部中心空洞的形成原理研究.工業(yè)加熱.2002(2).