中心偏析

鑄坯中心部位的碳、磷、硫、錳等元素含量高於鑄坯邊緣的現象稱為中心偏析。生產高碳鋼的連鑄坯出現中心偏析時，在加工過程中會發生斷裂；而軋制厚板時鋼韌性下降。此外中心偏析還往往伴有中心裂紋、中心疏鬆，這進一步降低了鑄坯的內部緻密性和軋材的力學性能。中心偏析形成的原因是連鑄坯柱狀晶比較發達。特別是柱狀晶過分發達，連鑄坯會出現“搭橋”現象時，中心偏析更嚴重。此外，機械原因（坯殼的鼓肚變形）也會引起連鑄壞的中心偏析。

由於國內絕大部分生產高碳鋼的企業受現有冶鍊設備的限制，造成高碳鋼化學成分不穩定，鑄坯中心偏析、夾雜、縮孔等缺陷嚴重。例如碳含量從標準下限波動到上限，甚至超標，這樣造成製品企業拉拔后的產品強度、韌性等指標波動範圍大，成品合格率低，在拉拔中容易造成脆斷，嚴重時無法加工。

中心偏析形成機理有各種理論解釋，主要有如下幾種：

1、小鋼錠理論

鋼液在凝固過程中，溶質元素在固液相間發生再分配，柱狀晶的生長使枝晶間未凝固鋼水的溶質元素得到了富集，而鋼坯的鼓肚和液相穴末端的凝固收縮使中心產生強大的抽吸力。根據“小鋼錠凝固模式”，鑄坯中心偏析的形成。大體上可分為四個階段。首先是柱狀晶的生長；其次是由於某些工藝因素的影響，柱狀晶的生長變得很不穩定，即某些柱狀晶生長快，而另一些柱狀晶生長慢；在這種情況下，優先生長的柱狀晶在鑄坯中心相遇，形成了所謂的晶橋；晶橋形成後上部鋼水受阻不能對下部鋼水的凝固收縮進行及時補充，因而在晶橋下邊，鋼水按一般鋼錠凝固的模式凝固。其結果形成了上部有縮孔疏鬆和正偏析帶，而下部有V形偏析或負偏析帶，這正是鑄坯的中心偏析帶。由於晶橋的形成是在鑄坯凝固過程中斷續出現的，所以“小鋼錠”的凝固也是斷續出現的。因此鑄坯的整個凝固過程，可以看作是無數“小鋼錠”斷續凝固的結果。

2、溶質元素析出與富集理論

鑄坯從錶殼到中心結晶過程中，由於鋼中一些溶質元素（如碳、錳、硫等）在固液邊界上溶解並平衡移動，發生再分配，從柱狀晶析出的溶質元素排到尚未凝固的金屬液中，隨著結晶的繼續進行，把富集的溶質推向最後凝固中心，即產生鑄坯的中心偏析。

3、鑄坯心部空穴抽吸理論

鑄坯在結晶末期，一是液相穴末端的凝固收縮使中心產生強大的抽吸力而產生一定的空穴；二是鑄坯的鼓肚使其心部同樣產生空穴，這些在鑄坯心部的空穴具有負壓，致使富集了溶質元素的鋼液被吸人心部，造成中心偏析。對方坯而言，在凝固區域末端的鑄坯鼓肚量小於鑄坯的凝固收縮量。因此，方坯的中心偏析主要起因於鑄坯凝固末端固液兩相區（也稱糊狀區）的凝固收縮。

隨著研究方法的不斷完善，對於中心偏析的認識也不斷深入。最早的方法是對中心偏析進行定性觀察，即採用硫印法，確定中心偏析的形狀和輕重。後來隨著研究的深入，人們開始認識到定性評價尚缺乏嚴密性、科學性和可比性，已不能適應研究向更深層次的發展。同時，為了能夠對形態各異、程度不同的中心偏析的產生原因作出統一的解釋，首先必須有一個定量的評價標準，因此，人們開始了對中心偏析的定量研究。

最簡便的方法就是在上述定性觀察的基礎上，把鑄坯橫斷面硫印內偏析線寬度定為0～4級的5個級別；也有人根據偏析形態和外圍輪廓採用A、B、C、D四個級別來評定；還有人考慮了中心偏析線的連續性而採用了偏析線長度之比的概念來評定中心偏析的程度，這三種方法對中心偏析的評價只是一般性的，仍缺乏關於偏析程度更詳細、更具體的定量分析。

為了準確地對其進行定量描述，有人用鑽頭在所要研究的部位鑽取試樣，或沿厚度方向切片來進行化學分析。至於用鑽頭取樣的方法，人們一直反映會由於鑽頭直徑的差異而影響實驗精度；切片法則能夠比較準確地揭示鑄坯內溶質分佈的情況，對任意位置的偏析度給予準確的定量指示。曾有過這樣的報告，在進行斷面顯微組織的觀察的同時，用EPMA線型掃描中心偏析部位的Si、Mn、P等的最大偏析濃度和鑄坯厚度1/4處的平均濃度的比值定義中心偏析率。

鑄坯凝固的特點是傾向於生成柱狀晶組織，正因為這樣，易產生柱狀晶的搭橋現象，從而導致中心疏鬆和中心偏析的生成。高碳鋼中由於碳偏析形成馬氏體組織而影響鋼絲的延展性。鑄坯中心偏析控制措施雖然很多，但從鑄坯凝固特點的角度對其控制機理進行分析，基本上可歸納為以下三種類型：

1、增加等軸晶比例，如低過熱度澆注、結晶器電磁攪拌、等離子加熱技術；

2、改善凝固末期鋼水的補縮條件，如凝固末端電磁攪拌技術；

3、補償凝固末期鋼水的收縮，防止濃縮鋼水的不正常流動（如輕壓下技術）。

澆注前鋼水包及中間包的嚴格烘烤、澆注過程的鋼水包加蓋、鋼水包及中間包液面加覆蓋劑等都是低過熱度鋼水澆注技術的主要手段。該項技術的局限性是顯然的：

1、生產過程中影響鋼水溫度的因素很多，往往難以達到預期的控制目標；

2、人為因素的干擾大，難以獲得預期的效果；

3、鋼水過熱度控制過低時，會時常造成彎月面附近鋼水結殼，保護渣熔化不良，引起表面缺陷，甚至造成水口堵塞事故。

M—EMS技術主要通過以下三條途徑來提高等軸晶比例：

1、在結晶器內產生強烈的攪拌效果，促進鋼水迅速散熱；

2、促進樹枝晶的熔斷，增加液芯內的晶核；

3、降低凝固前沿熔體內的溫度梯度，抑制柱狀晶的生長。

該項技術的主要優勢表現在兩個方面：

1、它是增加中心等軸晶比例的主要手段，而中心碳偏析指數的高低很大程度上取決於等軸晶比例的高低；

2、即使在較高的過熱度下澆注，也能獲得較高的等軸晶比例，解決了生產過程中過熱度控制困難的難題，操作工操作起來得心應手。

連續鍛壓技術是日本川崎鋼鐵公司開發的，在鑄坯的最後凝固階段對鑄坯進行鍛壓，當鑄坯受到鍛壓后尺寸急劇變小，在液相穴末端形成緻密的固相，從而防止富集溶質的鋼液的流動，避免中心偏析的形成。該工藝不僅較好地消除中心偏析、中心疏鬆和中心裂紋，並可將V形偏析去除。

以上各種中心偏析的控制方法是從改變凝固組織結構和抑制液相穴末端富集溶質的殘餘液的流動兩方面人手的：通過改變凝固組織結構人手來改變中心偏析的方法有低過熱度澆注、控制鑄坯拉速、M—EMS（結晶器電磁攪拌）、二冷強冷技術；通過抑制液相穴末端富集溶質的殘餘液的流動人手來改變中心偏析的方法有輕壓下技術、凝固末端強冷技術、F—EMS（末端電磁攪拌）、連續鍛壓技術。