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本课题阐述了钢锭内缩松、缩孔的分布形式和形成 机理，归纳了多种预测钢锭内缩松、缩孔分布的判据，总结了钢锭铸造过程中缩松、缩孔缺陷的控制措施。此外，对预测钢锭内缩松、缩孔分布数学模型的开发进行了展望，并对缩松、缩孔缺陷的控制挑战进行了归纳。 钢锭产生缩松、缩孔是由于钢锭在凝固过程中产生 收缩。钢水发生的收缩分为：液态收缩、凝固收缩、固态收缩，见图1。
钢锭凝固过程中产生的缩松、缩孔分布形式见图 2。可以看出，从钢锭上部至底部，缩松、缩孔发生的位置可分为：①钢锭顶部的一次缩孔；②位于一次缩孔下面的二次缩孔；③钢锭内部的缩松。
当铸模被钢水充满后，由于铸模的冷却作用，钢水 温度不断降低。钢水上表面与外界环境接触传热，其他部位与铸模接触并冷却。随着凝固进行，由于铸模与钢水的冷却速度较快，与之接触的钢水会快速形成坯壳并 发生凝固收缩，此时钢水上表面还未凝固，因此钢水界 面逐步下降，一次缩孔形成。随着凝固进一步发展，当钢水上表面温度降到固相线温度时会形成一层坯壳，此时钢锭上表面不再下降。随着凝固时间推移，钢水凝固 前沿向铸锭内部继续推进，未凝固钢水随着温度降低发 生液态收缩和凝固收缩，与此同时，已凝固的坯壳因温度降低发生固态收缩，由于液态收缩和凝固收缩的总和大于固态收缩，在重力作用下，未凝固的钢水与一次缩 孔下方已凝固坯壳脱离，形成二次缩孔。在钢锭凝固后 期，最后凝固的区域几乎同时凝固，得不到周围液体的补缩形成缩孔和缩松。 钢锭中的缩松、缩孔缺陷对后续产品使用影响较 大，因此国内外学者开展了大量工业试验和数值模拟对其进行研究，并得到了一些预测钢锭中缩松、缩孔的判据。 等温曲线法预判缩松、缩孔的原则，如果铸件或铸 锭的各个位置与冒口保持着相连的补缩通道时缩孔就不会发生；反之，如果在钢锭凝固之前，来自冒口的补缩通道被截断，就会产生缩孔。从温度场分布情况分析，就是等温线形成了封闭回路。如果以固相线温度和临界固相率这两个参数作为停止补缩的临界条件，在封闭回路区域内形成缩孔，见图3。该方法是以传热为基 础建立起来的，简单实用。但是有些情况下等温曲线分 布形式呈现“Ｕ”形并不封闭，补缩也很困难，显然用此方法无法判断缩松、缩孔产生位置，另外该方法并没有深入研究缩孔产生的机理。
凝固过程中不同温度梯度示意图见图4。可以看 出，温度梯度大，相应的补缩通道角度大（见图４ａ），铸件或铸锭的补缩效果好，产生缩松、缩孔的可能性较小；而温度梯度小，补缩通道角度小，铸锭补缩效果相对较差（见图４ｂ），产生缩孔、缩松的可能性就大。因此，当铸锭内的温度梯度小于某一临界值时，就容易产生缩松、缩孔，这是温度梯度法判断铸锭内产生缩松和缩孔的依据。相比较等温曲线法，温度梯度法克服了等温曲线不闭合的情况下，也能判断铸锭内缩孔存在的缺点。但临界温度梯度值需要通过具体试验测得，并且钢种成分不同所对应的临界值也不同，另外还受钢锭形状和尺寸的影响。
用固相梯度法判断铸锭产生缩孔、缩松的原则 为：铸锭内某处计算得到的固相率梯度小于临界固相率梯度时，将产生缩松、缩孔。该法避免了共晶合金无法用温度梯度法预测缩松、缩孔的缺点，但临界固相率梯度值取决于合金成分、铸锭形状和尺寸。 流导法是基于枝晶间流动阻力提出的。凝固末期， 未凝固钢水在枝晶间的流动可以看作流体在多孔介质中的流动，其中压降（ΔＰ）与流体流动速度（ｖ）的关系用Darcy定律来描述：
式中，μ 为动力粘度；g L 为体积液相率；K为渗透率；Δｘ为补缩距离。 该法预测缩孔出现的原则为：凝固末期，未凝固钢 水在枝晶间的流动阻力很大，当流导K d 小于临界流导值时，将导致缩松、缩孔缺陷发生。对比前几种判据，该方法考虑了枝晶间流动阻力对缩孔产生的影响，在缩孔形成机理上有了较大改进。但是Ｋ很难测量，且不同合金Ｋ值不同，另外该法受铸件形状和冷却速度的影响明显。 2.5 判据 NIYAMA E等提出 来预判铸锭内缩松缩孔分布情况。图５为枝晶间糊状区补缩过程，以Darcy 定律为基础，根据凝固参数之间关系，推导出如下形式：
式中，Ｇ 为温度梯度；Ｌ 为冷却速度；Ｍ 为跟合金有关 的参数。T L 为液相线温度；Ts为固相线温度。根据图５可知，Tc越大，得不到液相补缩的区域越宽，缩松、缩孔越严重。对于特定钢种来说，Ｍ 和Δｐ 均为定值，T L －Tc 越小，缩松、缩孔越严重。这也说明了 的值越小，缩松、缩孔越严重。该判据最大的优点是摆脱了铸锭形状对缩孔、缩松产生的影响。
式中，Ｒ为固相率增量；ｍ为液相线斜率；Ｃ o 为合金的原始成分；ｋo 为平衡分配系数；Ｄ L 为溶质在液相中的扩散系数；θ为（０～１）之间的常数；α 为合金的导温系数。如果计算得到的参数值比临界值小，铸锭内缩松或缩孔缺陷将会发生。该判据不受铸件形状和尺寸的制约，其值由合金性质决定。 临界固相率和补缩距离结合的方法是PEQUET C等提出的，基于凝固收缩考虑缩孔、缩松的形成，并在ProCAST软件上得到应用。该法判断铸锭内产生缩松、缩孔的依据如下：铸锭凝固时会产生液体孤立区域，该区域由糊状区包围。临界固相率和补缩距离相结合预测缩孔、缩松示意图见图6。在此糊状区域内，当MACROFS（临界固相率）和固相等值面之间的距离大 于FEEELEN（临界补缩长度）时就会出现缩孔、缩松， 见图６ｂ中的Ａ 区域；当MACROFS与固相等值面的距离小于FEEDLEN时，不会出现缩孔、缩松，见图６ｂ中的Ｂ 区域，该模型中临界固相率对于预测铸锭内的缩松、缩孔影响较大，由于合金成分不同，所对应临界固相率也有差异。
研究者在上述判据基础上对铸锭内缩松、缩孔分布 情况进行了大量工作。贾宝仟等通过理论推导，证明了 的正确性，并且用模拟结果证明了临界值受合金成分的影响较小。MINAKAWAS I 发现，Ｇ/ R 0.5 （G和R分别为中心线温度梯度和凝固速度）能作为预测平板铸件内中心线缩松、缩孔分布的依据。CARLSON K D等提出一种利用Niyama准则的无量纲形式直接预测合金铸件内缩松缩孔判据。该判据不仅考虑了铸造过程中的热条件，还考虑了合金的材料特性、凝固特性和缩孔形成的临界压力。KANG M等采用无量纲Niyama 准则预测镍基高温合金铸件的微观缩孔，发现除铸件中一些厚壁部位外，其余部位计算得到的结果与试验结果符合较好。WANG J研究了质量为100t的30Cr2Ni4MoV钢锭内缩松、缩孔的分布，得到判据为： （Ｇ 和Rs分别为温度梯度和凝固速度），利用该判据得到的缩松、缩孔分布结果与实际解剖结果符合。 ABOOTORABI A等研究了质量为80t的CH3C 钢锭凝固过程，使用 判据得出的缩松、缩孔分布结果与实际结果相符。 防止钢锭中产生缩松、缩孔缺陷的措施是保证钢锭 在凝固收缩中具有良好的补缩条件。近几十年来，研究者做了大量工作来控制钢锭内缩松、缩孔，主要从锭型设计、保温冒口设计和浇注参数等方面入手。 对于高品质大型钢锭制备来说，不仅要求心部致密 度高，而且保证较高的成材率。AKAHORI Ｋ等研究了不同高径比（H/D）对钢锭内缩松、缩孔的影响。图７为钢锭高径比对缩孔、缩松的影响。可以看出，随着高径比的降低，钢锭心部缺陷减轻。
KERMANPUR A等采用数值模拟方法研究了 质量为6t的Cr-Mo低合金钢的凝固过程，发现降低高径比和合理设置冒口有利于促进顺序凝固，进而提高钢锭内部品质。巴钧涛等采用PriCAST软件对高径比为1.61的281ｔ和高径比为0.94的292ｔ两种锭型的凝固过程进行了模拟，发现小高径比的锭型有利于减少心部缩孔缺陷。HEIDARZADEH M 等研究质量为4.4t的X210Cr12钢锭的凝固过程，发现降低铸锭的高径比有利于减轻中心线缩孔产生可能性。SCEPI M等研究表明，钢锭的高径比不大于1.3和热顶质量比不小于23％有利于大型钢锭的顺序凝固。BALCARM等使用数值模拟方法研究了质量为8.9ｔ的GS80CrMo钢锭的凝固过程，认为钢锭的高径比由1.9降低到1.3，锥度从4.8°增加到11°时有利于改善铸锭心部的缩松、缩孔。 钢锭内缩松、缩孔的产生不仅与锭型设计有关，还 与冒口设计有关。在钢锭上添加冒口是控制缩孔、缩松产生的最好方法之一。冒口的尺寸要满足以下要求：①保证铸锭内需要被补缩的部位要比冒口凝固的早；②有足够的金属液供补缩需要。如果钢锭头部保温性能良好，则在钢锭凝固过程中钢锭上部的钢水会在较长时间内保持液态，使锭身收缩形成的空位能够及时得到填补，凝固结束后缩孔、缩松夹杂等缺陷将集中于钢锭上部冒口部位，可以得到品质良好、成材率高的钢锭。 MARBUR G等通过钢锭解剖研究了钢锭内部 缺陷，发现钢锭凝固方式对铸锭内的缩松缩孔影响很大。对比其他凝固方式，顺序凝固更有利于冒口的补缩。TASHIRO K等通过有限元法和实际相结合的方法研究了质量为100ｔ和135ｔ铸锭的凝固过程，发现当铸锭中心线垂直凝固速度较大时，中心缩松、缩孔容易产生，并明确指出了冒口设计合理是制造优质钢锭的关键。陈进等在设计质量为25～35ｔ钢锭头部时指出，综合考虑到绝热板形状、浇注温度以及浇注速度等因素对凝固过程补缩的影响，帽容比合理的取值范围为15％～18％。党卫东等研究了冒口高度对45t钢锭内部品质的影响，发现采用顶注式浇注时，随着冒口高度增大，对改变铸锭心部缩松分布较为明显。桑宝光等对6ｔ钢锭的凝固过程进行了数值模拟和试验研究，发现采用优化后的绝热板加发热剂显著地改善了冒口保温效果，并且缩孔深度降低。由洪功等设计了新型钢锭模，在上部模壁中间装有保温层增强了钢锭 头部的保温效果，使7.8ｔ钢锭成材率提高1％～2％。 马薇等利用数值模拟方法研究了不同发热剂厚度对 175ｔ钢锭凝固过程的影响，发现随着发热剂厚度的增加，缩孔逐渐向保温冒口移动，并确定了最佳发热剂厚度为300ｍｍ。赵红昌等开发出一种冒口感应加热技术，延长了冒口凝固时间，并使缩孔深度降低，并且可以减少冒口尺寸，提高铸锭利用率。张海臣等在凝固过程中使用冒口覆盖剂明显改善了钢锭内缩松、缩孔。 谢朝阳等通过数值模拟建立了质量为28.7ｔ钢 锭凝固的数学模型，并用测温试验验证了所建模型的正确性，分析了浇注温度由1543℃降到1533℃可使缩孔减少６ｍｍ。徐年宝等使用数值模拟方法分析了浇注温度对转子缩孔、缩松缺陷的影响，并确定了最佳的浇注温度。耿明山等通过数值模拟研究了不同冷却强度对钢锭凝固过程的影响，并对钢锭内部的缩孔、缩松出现位置进行了预判，发现对比空冷条件下，采用强冷水冷可以明显改善钢锭内的缩松缺陷分布。赵艳红等用模拟软件建立质量为600ｔ级钢锭凝固的数学模型，发现改变铸模底部和侧面的冷却强度对冒口内缩孔分布有较小的影响，但合理地增大铸模侧面的冷却强度能改善锭身心部的缩松分布。LUN 等研究了质量为60ｔ大型板坯钢锭在梯度冷却条件下的凝固行为，发现钢锭上部采用风冷，下部采用喷雾冷却的梯度冷却工艺能使缩松、缩孔位置从靠近钢锭中部向头部移动。 通过合适的锭型设计、合理的浇注系统以及保温冒 口设计，有利于提高钢水凝固前沿补缩能力，进而极大地改善钢锭内部品质。但大型钢锭制备，不仅对心部致密度有要求，而且还要追求较高的成材率，不能随意地将冒口尺寸放大。因此，开发冒口保温技术或增加热源的方法来改善钢锭心部品质将成为一种趋势。 钢锭作为锻件的原材料，其品质优劣直接决定着最 终产品性能。 缩松、缩孔缺陷是恶化钢锭性能的重要因 素，在随后热机械处理工序中很难减少这些缺陷。 因 此，钢锭中缩松、缩孔缺陷的研究一直是不可忽视的问 题。 随着计算机模拟技术的快速发展，铸造过程中的凝 固过程可以被成功地模拟出来，这样对铸锭内缩松、缩 孔分布有预判。 在过去的几十年内，出现很多预测钢锭 内缩松或缩孔分布的判据。 可以通过这些判据来制定 相应的控制措施来减轻或消除钢锭内的缩松或缩孔缺 陷，为制备高品质的钢锭提供参考。 对于钢锭内缩松、 缩孔判据的开发和控制措施仍具有很多挑战。
（１）目前得到的判据大多是基于温度场计算来预测 钢锭中缩孔缩松缺陷。 对于温度场模拟研究应注意和 尚需解决的问题： ①对凝固潜热的处理，对于不同种类 的合金，处理方法也不同； ②边界条件处理，尤其是钢锭 与铸模之间的界面传热系数问题； ③高温条件下的热物 性参数处理； ④对于不同合金种类，判据中参数选取不 同，如渗透率等。 因此，在判据开发方面，输入的这些参 数与实际生产条件密切相关，需要通过试验来确定。 （２）尽管以传热为基础所获得的判据在一定程度与 实际结果高度符合，但钢锭凝固过程中缩孔、缩松的形 成不但与温度变化有关，还要综合考虑合金体系的凝固 特性、糊状区的流动规律和凝固过程气体析出等因素。 因此，在预测钢锭内缩松、缩孔数学模型开发方面仍面 临挑战。 （３）当前消除钢锭内缩松、缩孔缺陷使用最广泛的 方法是加大冒口尺寸，这也是在牺牲钢锭的成材率前提 下完成的。 如何在减小冒口尺寸前提下，提高钢锭的成 材率仍是铸造业关注的难题。 （４）根据目前实际生产需求，使用的钢锭基本在百 吨级以上超大型钢锭，如核电转子、水轮机转轮等，随着 铸锭尺寸的增大，凝固过程会更复杂，缩松、缩孔控制将 是一个新的难题。 作者：文/钢铁研究总院连铸技术国家工程研究中心●俞占扬、张慧 免责声明： 本文系网络转载，版权归原作者所有。但因转载众多，或无法确认真正原始作者，故仅标明转载来源，如标错来源，涉及作品版权问题，请与我们联系，我们将在第一时间协商版权问题或删除内容 ！
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