钢锭构造及缺陷分析

实际生产中，炼钢厂让钢液冷却凝固成铸锭的方法有两种：传统的模铸法和连续铸钢法。模铸法生产镇静钢锭和沸腾钢锭，连续铸钢法生产连铸坯。

1.镇静钢锭

按脱氧的方式和程度不同，模铸钢锭分为镇静钢锭和沸腾钢锭。

如果钢液在浇铸前已经进行了完全脱氧，在凝固过程中，便不会有大量气体从钢液中逸出，钢液在安静的状态下结晶，故称这种钢锭为镇静钢锭。镇静钢不允许有气泡，但镇静钢锭有缩孔。锻造生产中常用的是镇静钢锭。

如果钢液在浇铸前没有进行脱氧或脱氧不完全，钢液在凝固过程中，脱氧仍在继续进行。此时氧是以一氧化碳（CO）的形式大量地从钢液中迅猛冒出，似水的沸腾，故称此钢锭为沸腾钢锭。沸腾钢锭没有缩孔，但是有气泡（实际上气泡也是缩孔），气泡分布在内层。沸腾钢为低碳钢，专供板材轧制用，轧制过程中靠大压下量将气泡焊合，锻造一般很少用。

（1）锭型构造 尽管镇静钢锭外形各异，有细长钢锭、粗短钢锭和空心钢锭，其尺寸一般是上大下小，其截面形状有方形、八角形和圆形结构之分，但都有冒口、锭身和底部3个部分，如图3-1所示。

图3-1 钢锭的构造

1—冒口 2—锭身 3—底部（水口） 4—缩孔 5—疏松 6—表层细晶粒 7—柱状晶粒区 8—中心等轴晶粒区

1）冒口。由于液态金属的体积比固态金属大，凝固时慢慢收缩，在最后冷却部位形成一个空洞，这个空洞称为缩孔。凝固时被树枝晶隔开而形成的小缩孔称为疏松。缩孔和疏松的分布情形决定了钢锭质量的好坏。质量好的钢锭，它的缩孔和疏松集中在钢锭上部；质量差的钢锭，它的缩孔和疏松沿锭芯伸入到钢锭中部。

为了减小缩孔并把它控制在一定范围内，铸锭工艺采用保温帽，使钢锭上部保持液态，以填补钢液缩孔，使缩孔移向冒口部分。带缩孔的冒口部分锻造时作为废料被切除掉。

2）锭身。钢锭中质量优良的部分，用来制坯或直接锻制锻件。

3）底部。也称为水口。因浇铸时钢液中的杂质沉积在这里，质量较差，锻造时底部要切除。

（2）钢锭的内部构造 若将钢锭纵向和横向剖开，钢锭内部组织由3个主要区域构成，如图3-1所示。

1）表层细晶粒区。钢液在冷却过程中，冷却速度越快，晶粒越细小。由于钢液与钢锭模壁接触，表层冷却速度较快，因而形成极细小的晶粒。

2）柱状晶粒区。随着外表面晶粒层的增厚，冷却速度显著减慢，成为粗大柱状晶体，柱状晶体与钢锭模垂直，杂质含量较少。

3）中心等轴晶粒区。随着中心钢液和已凝固外层温差的减小，晶粒在中部形成近于球形的等轴晶粒区。非金属夹杂与偏析大量集中在这一区域。

（3）钢锭的内部缺陷 根据钢液凝固特性，钢锭中存在一定的缺陷属于正常现象。锻造的功用之一正在于改善和消除铸造缺陷。但由于浇铸操作不当造成的超标缺陷，则是造成锻件缺陷的直接原因。钢锭内部缺陷有：缩孔及疏松、区域偏析、非金属夹杂物和气体等。

1）缩孔及疏松（见图3-2）。当钢液浇注到钢模中的时候，钢液凝固成固体，它的体积会缩小，上部保温帽内的钢液下沉，产生缩孔。

缩孔在每个钢锭中，都是不可避免的。但是它的样式和部位，可以在浇注时采取某些措施加以控制，将缩孔控制在钢锭的冒口部位。缩孔周围存在大量疏松。为防止疏松带入到锻件中造成锻造缺陷，在浇铸钢锭时，采用了大冒口，便于切除冒口时，将疏松一并切除干净。

切除钢锭冒口时，沿冒口线切除全长的14%～25%。同时，锻造钢锭时，先从中间向外锻，有可能将头部质量低劣的部分挤出切净。

图3-2 钢锭缩孔及疏松

2）区域偏析（化学成分的不均匀性）。在中心缩孔附近，除了疏松以外，还聚集着各种杂质。因为在钢液中含有较多的碳、硫和磷等元素时，其熔点降低，最后发生凝固，所以杂质也易于集中在这最后凝固地区。这种现象即称为区域偏析。越接近中心，偏析现象越严重。钢锭内的碳（C）、磷（P）、硫（S）偏析区域，力学性能很差，塑性也很低，严重影响钢的质量。

3）非金属夹杂物。钢在冶炼和浇注的过程中，耐火材料及炉渣进入钢液，形成宏观非金属夹杂物。钢液中氧化物[如一氧化铁（FeO）、氧化锰（MnO）、二氧化硅（SiO₂）]和硫化物[如硫化铁（FeS）、硫化锰（MnS）]等的微粒凝固在钢锭的内部，也成为材料被破坏的发源地。在锻造过程中，氧化物不易变形，或仅仅碎裂。而硫化物是沿加工方向延伸，并有排成行的倾向，因此使材料的性质更加恶劣。夹杂物通常在钢锭尾部沉积较多，故在加工时，应根据钢种与用途，切去锭尾2%～3%，甚至达5%。

4）气泡。在钢内经常含有一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO₂）、氮（N₂）和氢（H₂）等气体，这些气体很难放散出去，因而造成气泡。除钢液内能溶解一部分气体外，由于脱氧不良、钢模涂料厚、水分多，以及浇注太快等原因，都能产生气泡。有气泡的钢经锻造后，气泡沿锻造方向延伸，而产生发纹。内部的发纹，经塔形车削后，作塔形试验，即可发现。(www.xing528.com)

（4）钢锭的表面缺陷 钢锭的表面缺陷主要有：断裂、裂纹、蜂窝及皮下气泡、溅疤等。

1）断裂（冷接）。在浇铸中因故障而中断，若表面形成了氧化皮，再浇铸时氧化皮则夹在中间。锻造时易沿氧化皮层断裂。

2）蜂窝及皮下气泡。气泡的出现主要是由于在液体向固体转变时，钢液中及一些化学反应所形成的气体在钢锭凝固时未逸出所致。这种缺陷在表面呈深孔状态或者靠近表面，经加热后，氧化皮脱落，便能显露出来，见图3-3。钢锭中的气泡及裂纹在锻造时如被焊合，则其危害不大。但在靠近钢锭表层下的气泡则常易在锻造时引起裂纹，或在加工后表面呈现很细小的发纹，必须除去。

图3-3 钢锭皮下气泡

3）裂纹。钢锭裂纹有横裂纹和纵裂纹两种。

在浇注时由于钢锭模壁不平整，在模壁低凹处首先生成金属薄层硬皮以致影响钢锭的自由收缩，而在钢锭表面产生横裂纹，横裂纹在冒口线下部经常出现。

浇注温度高，浇注速度快或含气体较多，最初生成的表面硬层，抵抗不住钢液的压力时，则产生纵裂纹。钢锭表面收缩、冷却不均匀时，也易产生纵裂纹。

裂纹在锻造前应用风铲或砂轮除去。否则，在加热和锻造中，裂纹将进一步扩展而造成废品。

4）溅疤。上浇铸钢锭时，部分钢液冲击钢锭模底而飞溅起来附着在模壁。溅沫被氧化后，与钢锭不能完全熔合，锻造时就在锻件的表面形成薄片状重皮。锻造前应清除干净。

当以铸锭为原材料时，由于其内部组织及成分不均匀，通常要用自由锻方法进行开坯，然后以剁割方式将锭料两端切除，并按一定尺寸将坯料分割开来。

2.连铸坯

目前许多锻件都采用连续坯进行锻造。

连续坯生产流程是钢液不断地通过水冷结晶器，凝成硬壳后从结晶器下方出口连续拉出，经喷水冷却，全部凝固后切成坯料的铸造工艺过程。连铸坯没有冒口、水口，能大幅提高金属收得率，节约能源。连续坯的横截面凝固组织和模铸镇静钢钢锭的凝固组织一样，都由表层激冷层、次层柱状晶区和中心等轴粗晶区3部分组成。但是，由于连铸坯的断面相对小，而且是在较强的冷却条件下凝固的，因而其断面上温度梯度较大，凝固速度较快，在浇注相同钢种的情况下，连铸坯比钢锭具有较发达的柱状晶组织，并有着较小的树枝晶间距。

连铸坯的内部质量主要取决于其中心致密度，而影响连铸坯中心致密度的缺陷是各种内部裂纹、中心偏析和疏松，以及铸坯内部的宏观非金属夹杂物，见图3-4。

图3-4 连铸坯内裂纹示意图

1—中间裂纹 2—角部裂纹 3—对角线裂纹 4、6—中心线裂纹 5—矫直与弯曲裂纹

（1）内部裂纹 连铸坯的内部裂纹指的是从铸坯表面以下直至铸坯中心的各种裂纹。

1）中间裂纹。中间裂纹也叫中途裂纹或径向裂纹，多发生在方坯厚度的1/4处，并垂直于铸坯表面。

2）中心线裂纹。这种裂纹出现在铸坯横断面的中心区，并靠近凝固末端，是连铸坯中较常见的缺陷，致使在锻造时不能焊合，对产品质量会造成一定的危害。

3）对角线裂纹和角部裂纹一般多出现在方坯中。

4）矫直与弯曲裂纹。由于心部未完全凝固，带有液心连铸坯在进行矫直或弯曲时产生矫直与弯曲裂纹。

（2）中心偏析　在连铸坯中心部位，碳、硫和磷等杂质元素往往富集于此，形成偏析带。这是连铸坯常见的一种缺陷。中心偏析往往伴有中心裂纹和中心疏松，这将进一步降低铸坯的内部致密性和锻件力学性能。