Q345B直缝焊管连铸时表面偏析形貌观察与成因分析

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     对振痕形貌进行观察的同时，在其底部发现有偏析带的存在，如图2虚线所示，它们大致呈现出两种类型：第一类在凹陷状振痕底部呈弯月形，如图2a、b；第二类在溢流型振痕底部，大致呈三角形，如图2c、d。
     关于在凹陷型振痕底部出现的偏析，Bernadette等人认为是出现在振痕底部的裂纹充当了钢液进入振痕底部与结晶器壁之间空隙的通道[7]，但根据本文观察，并没有在振痕偏析带底部发现有裂纹存在。因此，裂纹并不是钢液从坯壳一侧到达另一侧的唯一途径，结合前文所提到的初始凝固区域温度波动现象，本文认为，304L不锈钢小方坯振痕底部表面偏析的形成很可能与结晶器振动导致的温度变化有关：在凹陷型振痕形成以后，由于初始凝固区域温度周期性的变化，即在正滑脱期间初始凝固区域温度的升高，如图3a曲线所示，使得不锈钢初始坯壳凝固坯壳的生长发生不稳定变化，导致凸向钢液的坯壳在枝晶间产生重熔[10]，此时，在凝固坯壳前沿的固液两相区内，富含溶质元素的钢液在保护渣道负压作用下，沿着重熔的枝晶间距被吸进坯壳与结晶器之间的空隙，凝固后形成分布在振痕底部的偏析带,图4b所示。
    
进一步研究发现，Q345B直缝焊管这种偏析带的厚度与振痕深度有关，振痕越深，偏析带越厚。在所观察到的试样中，振痕深度最浅为175μm，其底部偏析带厚度为88μm，图2a；而在最深振痕308μm底部的偏析带厚度为308μm，图2b。分析认为，振痕越深，说明坯壳与结晶器壁之间的间隙越大，经过枝晶间通道进入间隙的高浓度钢液就越多，凝固后形成的偏析带就越厚。因此，为了减小凹陷型偏析的厚度，就应该从控制振痕深度着手。在连铸实践中，人们摸索出了一些减轻铸坯表面振痕深度的技术，归纳起来主要的几类有：（a）改变结晶器振动方式[11-12]，如发展出了高频率小振幅振动技术、非正弦振动技术、谐振结晶器、结晶器宽面横纵向振动技术相结合技术等等；（b）改变结晶器的结构和材质[13]，如增加弯月面处结晶器铜壁厚度、在结晶器铜板冷面附加凹槽引导冷却水流向、采用导热系数比较小的铜基合金、结晶器内镀膜以增加热阻等；（c）选用不同性能的保护渣[14]；（d）采用电磁技术[15]；等等。这些措施都可以降低振痕深度，减小偏析，提高铸坯质量。
 
对于第二种偏析，即位于溢流型振痕底部弧钩起源线上部的三角形偏析，它的形成与钢液发生溢流有关。因为当凝固坯壳固液界面前沿高浓度钢液发生溢流时，这部分钢液就开始在已经凝固的坯壳表面和结晶器壁之间凝固，由于在振痕底部坯壳与结晶器壁之间的间隙最深，热阻最大，导致此处钢液最后凝固容易形成这种三角形偏析，图4c。
     根据Takeuchi等人[5]的研究，只有溢流型振痕满足以下条件时才能在其底部形成偏析：振痕弧钩与坯壳表面之间的夹角不大；弧钩上面要形成窄而长的溢流区；振痕要足够深。但据本文观察，无论振痕深浅，弧钩与铸坯表面之间的夹角大小，这种三角形的偏析总会或多或少出现在振痕底部。如图2c、d、e所示，三张图中振痕弧钩与坯壳表面的夹角分别约为15°、30°和45°，振痕的深度也越来越深，溢流区的形状也由窄长变得宽厚，但在振痕底部始终都会有偏析出现，这也从某一方面反映出了连铸结晶器内凝固过程的复杂多变性。
     为了减小溢流型偏析的形成，就应当避免钢液在结晶器内凝固时发生溢流，而前面提到当被推离结晶器壁的初始凝固坯壳足够厚，并且有一定的强度能够抵挡钢液静压力时，才有可能发生溢流。因此，只要采取必要的措施降低初始凝固坯壳的厚度，比如，降低结晶器初始凝固区域的冷却强度，选用热阻大的保护渣等，就可以阻止初始凝固坯壳的快速生长，从而减小溢流的发生，避免溢流型偏析的形成。

为了研究Q345B直缝焊管偏析带的偏析状况，本文利用SEM观察并结合EDS对偏析带元素含量进行了微区测定，偏析带的SEM照片和EDS测量结果分别见图5和表3。图5a、b分别对应图2a、b，表3中的4组元素的含量分别对应图5a、b、c、d中4个微区成分的测量值。为了说明各元素的偏析程度，现引入参数偏析率K， ，其中Cs表示偏析区的元素含量，Cn表示正常区域的元素含量。经测定计算，各元素的偏析率列于表3中，从表中可以看出，主要的偏析元素为Si、Mn和Ni，这与Takeuchi等人[6]的研究一致。但就两种不同的偏析来说，各元素的偏析情况有所不同：在凹陷型振痕底部出现的偏析元素为Si和Ni，其偏析率分别为1.1-1.3和1.1-1.2；而在溢流区域出现的偏析元素除Si和Ni外还有Mn，其中Mn的偏析率在为1.3左右。
    
值得注意的是，在所观察到的Q345B直缝焊管试样中，有一部分溢流区域的偏析带出现许多貌似沿晶界扩展的裂纹，裂纹从坯壳表面穿过溢流区甚至延伸到坯壳表层以下很深的地方，图5d所示。对该区域做成分分析后，发现Si和Mn两种元素同时出现较大程度的偏析，尤其是Si，其偏析率达到1.6。Si、Mn的大量偏析将造成凝固坯壳表层组织的不均匀，在随后的拉坯过程中产生较大的应力集中，从而发展成裂纹。另外，过多的Mn含量能粗化钢的凝固组织，而过多的Si含量则会恶化钢的塑性和延展性[16]，这使得裂纹沿着粗大晶体界面扩展成为如图所示的形貌。

 

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