鋼錠凝固組織與缺陷檢測分析

前言
鋼鐵材料的性能根源在于其凝固過程形成的組織形態。鎮靜鋼、連鑄鋼與沸騰鋼因脫氧工藝及凝固方式差異，顯微組織特征與宏觀缺陷類型顯著不同。掌握其組織演變規律與缺陷檢測技術，對優化生產工藝、提升材料可靠性至關重要。本文系統解析三類鋼材的顯微組織特征、典型宏觀缺陷及其無損與有損檢測方法。

一、 凝固機理與典型顯微組織

1. 鎮靜鋼 (Killed Steel)

   • 凝固特點： 完全脫氧（常用硅、鋁），鋼液凝固時無氣體析出，凝固收縮形成集中縮孔。凝固平穩，組織致密。
   • 顯微組織特征：
     • 表層激冷區： 極細等軸晶或柱狀晶（取決于模壁冷卻強度）。
     • 柱狀晶區： 垂直于模壁生長的粗大柱狀樹枝晶，貫穿錠身大部分區域。
     • 中心等軸晶區： 錠心處細小等軸晶粒（尺寸取決于合金成分與冷卻速率）。
     • 宏觀偏析： V型或逆V型偏析帶常見。
     • 微觀組織： 珠光體、鐵素體分布均勻（后續加工后），夾雜物細小彌散（脫氧產物）。

2. 連鑄鋼 (Continuous Cast Steel)

   • 凝固特點： 鋼水在強制水冷結晶器中快速凝固形成坯殼，二次冷卻區持續噴水冷卻，形成連續的凝固前沿。冷卻速率遠高于模鑄。
   • 顯微組織特征：
     • 表層激冷區： 非常薄的一層極細等軸晶（有時難分辨）。
     • 柱狀晶區： 主導特征。細長、高度定向的柱狀樹枝晶，貫穿大部分截面（尤其方、矩形坯）。
     • 中心等軸晶區： 尺寸多變（取決于過熱度、冷卻強度、電磁攪拌等）。理想狀態應存在一定比例細小等軸晶區以減輕中心缺陷。
     • 微觀組織： 原始鑄態組織晶粒細長，后續軋制破碎細化。偏析程度相對模鑄鎮靜鋼低（快速凝固抑制元素擴散）。

3. 沸騰鋼 (Rimed Steel / Capped Steel)

   • 凝固特點： 不完全脫氧（僅用錳鐵），凝固初期C-O反應生成CO氣泡逸出，形成“沸騰”現象。凝固后期加蓋加壓抑制沸騰，形成堅殼帶。
   • 顯微組織特征：
     • 堅殼帶： 外層致密純凈的細小等軸晶區，幾乎無氣泡和偏析。
     • 蜂窩氣泡帶： 大量被拉長的、沿柱狀晶方向排列的內部氣泡（被鋼液封閉未被逸出）。
     • 中間堅固帶/二次氣泡帶： 柱狀晶結構，可能存在少量二次氣泡。
     • 錠心帶： 粗大等軸晶，富含雜質和孔隙（偏析嚴重）。
     • 偏析： 顯著的正偏析（S, P, C在中心富集），形成“錠型偏析”。

二、 常見宏觀缺陷類型與成因

1. 鎮靜鋼常見缺陷:

   • 縮孔與縮松： 凝固收縮補償不足導致（頂部縮孔需切除）。
   • 中心疏松/孔隙： 枝晶間液體補給不足形成微小孔洞。
   • 偏析:
     • 宏觀偏析： V型/逆V型偏析（成分不均）。
     • 點狀偏析（斑點偏析）： 局部富集雜質（如Al?O?）形成的斑點。
   • 皮下氣泡： 較少，偶因脫氧不良或模壁潮濕產生皮下氣孔。
   • 裂紋（冷裂、熱裂）： 應力集中（如角部）、收縮受阻或高溫塑性不足導致。

2. 連鑄鋼常見缺陷:

   • 中心疏松與中心縮孔： 凝固末端補縮不足（尤其大斷面、高拉速時）。
   • 中心線偏析： 凝固末期溶質元素富集液相在中心線匯集凝固（V偏析帶）。
   • 內部裂紋：
     • 中間裂紋： 二冷區輥列不對中、鼓肚或冷卻不均導致坯殼受拉伸應力開裂。
     • 中心裂紋/星狀裂紋： 中心區域在凝固末期塑性差，受拉應力或收縮應力開裂。
     • 角部裂紋： 角部二維傳熱，應力集中且溫度梯度大。
   • 表面裂紋（縱裂、橫裂）： 結晶器內初生坯殼厚度不均、摩擦力大、保護渣不良導致。
   • 夾雜物聚集： 大型簇狀Al?O?夾雜或保護渣卷渣形成條帶狀缺陷。
   • 鼓肚： 二冷區支撐不足，鋼水靜壓力使凝固殼向外凸起。
   • 針孔/皮下氣泡： 鋼水過氧化、保護渣水分高或滲入空氣導致。

3. 沸騰鋼常見缺陷:

   • 皮下氣泡暴露： 軋制時堅殼帶過薄或加熱不當導致皮下氣泡暴露氧化。
   • 分層： 蜂窩氣泡帶在軋制時未能焊合或被非金屬夾雜物分隔導致鋼板層狀分離（致命缺陷）。
   • 嚴重偏析： 錠心帶富含S、P、C等雜質，導致力學性能不均，尤其韌塑性差。
   • 堅殼帶厚度不足： 影響表面質量和后續加工性能。

三、 宏觀與微觀缺陷檢測技術

1. 宏觀缺陷檢測（無損/低損）：

   • 目視檢查： 表面裂紋、折疊、結疤、皮下氣泡暴露等。
   • 超聲波探傷 (UT)：
     • 原理： 高頻聲波在材料中傳播，遇缺陷（氣孔、裂紋、夾雜）反射。
     • 應用： 檢測內部裂紋、縮孔、疏松、夾雜物、分層等體積型或面積型缺陷。是連鑄坯/鋼錠內部質量的主要在線/離線檢測手段。
   • 射線探傷 (RT - X-ray/γ-ray)：
     • 原理： 穿透材料的射線強度因缺陷厚度/密度差異而變化。
     • 應用： 檢測氣孔、縮孔、疏松、夾渣等體積型缺陷（尤其鑄件），直觀顯示缺陷形狀尺寸。靈敏度受厚度限制。
   • 磁粉探傷 (MT)： 檢測鐵磁性材料近表面裂紋（如鎮靜鋼、連鑄鋼表面裂紋）。
   • 滲透探傷 (PT)： 檢測開口于表面的裂紋（各類鋼種表面檢查）。
   • 硫印/磷印試驗： 化學蝕刻法，宏觀顯示S、P元素偏析區域（沸騰鋼錠心偏析、鎮靜/連鑄鋼偏析帶）。
   • 酸浸試驗 (宏觀腐蝕)：
     • 標準方法（如ASTM E381, GB226）。
     • 步驟： 將試樣橫/縱截面精磨拋光后，用特定酸液（如1:1 HCl水溶液）熱蝕，清晰顯示宏觀組織（晶粒形貌、柱狀晶/等軸晶區域、偏析帶）與宏觀缺陷（縮孔、疏松、裂紋、氣泡、夾雜物聚集區）。是評價鑄態組織與缺陷最直觀、基礎的低損檢測方法。

2. 顯微組織與微觀缺陷檢測（有損）：

   • 金相顯微鏡分析：
     • 取樣: 在關注區域（如缺陷處、偏析區、柱狀晶/等軸晶區交界處）截取試樣。
     • 制樣: 鑲嵌、研磨、拋光至鏡面。
     • 觀察:
       • 未侵蝕：觀察非金屬夾雜物（類型、形態、大小、分布 - 按ASTM E45等評級）。
       • 侵蝕后（如2-4%硝酸酒精）：觀察顯微組織（晶粒大小、類型 - 鐵素體、珠光體、貝氏體等，帶狀組織）、枝晶結構、晶界狀態、微裂紋、微小氣孔/疏松形態。
   • 掃描電子顯微鏡 (SEM) 及能譜分析 (EDS)：
     • 提供更高倍率、高景深的微觀形貌觀察。
     • EDS用于微區化學成分分析，確定夾雜物、偏析點、析出相的化學成分，追溯缺陷成因（如分析裂紋源處的夾雜物成分）。
   • 電子背散射衍射 (EBSD)： 分析晶粒取向、晶界類型（大角度/小角度）、織構演變，研究凝固組織取向關系及加工影響。

四、 質量控制要點

• 原料控制： 鐵水/廢鋼成分、純凈度；合金料、脫氧劑質量。
• 冶煉與精煉： 精確控制脫氧程度（鎮靜鋼完全脫氧；沸騰鋼限制脫氧）；爐外精煉（RH、LF等）降低氣體含量及夾雜物。
• 凝固過程控制：
  • 模鑄鎮靜鋼： 優化錠模設計、保溫帽設計及補縮工藝減小縮孔疏松。
  • 連鑄鋼： 穩定結晶器液面、優化保護渣性能、合理二冷配水與輥列對中、應用電磁攪拌（EMS）與輕壓下（SR）技術減輕中心偏析疏松、控制拉速與過熱度。
  • 沸騰鋼： 嚴格控制脫氧度、澆注溫度與速度、壓蓋時間與壓力以形成足夠厚度堅殼帶。
• 溫度制度： 合理控制澆注溫度、鋼錠/鑄坯緩冷或熱送溫度，減小熱應力防止裂紋。
• 在線監測與無損檢測： 廣泛應用UT、紅外測溫等實時監控，及時調整工藝，剔除不合格品。
• 標準化酸浸與低倍檢驗： 作為下線產品（尤其重要用途鋼坯/鋼錠）的常規質量把關手段。
• 金相分析溯源： 對異常缺陷進行深入金相、電鏡分析，確定根本原因反饋工藝改進。

結語
鎮靜鋼、連鑄鋼與沸騰鋼的凝固特性迥異，造就了其獨特的組織結構和缺陷表現。通過精確控制冶煉、脫氧、凝固及冷卻工藝，結合宏觀酸浸檢驗、超聲波探傷等無損手段與微觀金相、電鏡分析技術，能夠有效識別、評估與控制各類缺陷。深化對鋼凝固過程和組織缺陷內在關聯的理解，不斷提升檢測技術精度與智能化水平，是保障鋼材內在質量、服役性能與生產效益的關鍵路徑。