電磁攪拌器控制系統對大方坯中心偏析的改善

邵龍剛

（河鋼唐鋼集團，河北 唐山 064200）

目前冶金企業連鑄坯中心偏析問題對產品質量影響是比較嚴重的，而采用電磁攪拌的方式可改善連鑄坯的質量，而采用結晶器電磁攪拌的方式能夠提升鑄坯等軸晶率，降低這種中心偏析問題，明顯改善鑄坯質量。目前很多國內鋼鐵公司在大方坯連鑄過程中使用的就是電磁攪拌的方式，可在結晶器以及足棍間安裝電磁攪拌裝置[1]。在本研究中主要針對大方坯中心存在的偏析問題進行實驗分析，并從電磁攪拌工藝、參數這兩個角度提出了對中心偏析改善的一些方法。

1 電磁攪拌器自動化控制系統

電磁攪拌器控制系統由5部分組成：供電部分(變壓器及高、低壓配電)、變頻電源部分、電磁攪拌器部分、制水機冷卻水裝置部分及PLC系統和遠程監控操作部分，網絡拓撲圖如下：

圖1 電磁攪拌器自動化控制系統

HMI為上位機WinCC編寫的操作界面，用戶可以通過該界面完成系統的基本操作和監控。HMI主要是用來顯示各變頻柜輸出的電流、頻率及水流量，水溫及各類報警信息等。PLC柜是系統的控制核心，系統中必要的過程控制、電流和頻率的閉環控制及信號輸入輸出采集，都是由PLC系統完成[2]。變頻柜的功能是在PLC設定程序控制下，使輸出的電流和頻率達到需要值。制水機裝置是生產電磁攪拌器所需純水的設備，純凈水的硬度應達到小于或等于10ppm。

2 實驗條件分析

本實驗是在大方坯連鑄機上完成鑄坯，尺寸為250×320毫米，足輥段長度為430毫米，具體參數如下表所示。

表1 鑄柸實驗具體參數

在具體生產過程中連續工藝參數和電磁攪拌具體參數如下表所示。

表2 實際生產工藝參數

完成取樣之后沿著方坯軸心方向鉆直徑為7毫米，深度為8毫米的孔作為樣品，以分析存在的中心偏析偏差。

3 實驗結果

（1）電磁攪拌器的磁場強度對中心偏析的影響。通過實驗發現當過熱度較高時存在的中心偏析也較大，當低于25℃時偏析長度較小，而高于25℃則偏析長度顯著增加。由于鋼液澆筑溫度對等軸晶晶核長大起重要作用，當過熱度較低時澆筑會產生大量晶核，等軸晶長大之后從一定程度上阻止柱狀晶進一步發展，減輕中心偏析問題。按照結晶游離理論，在處于液相線情況下彎月面位置會出現晶核游離，如果過熱度較高時無法獲得良好的等軸晶體，且會增加鑄坯的中心偏析。除此之外，當拉速提高時會降低中心偏析作用，在正常條件下拉速高于0.6米每分鐘時，會降低中心偏析作用，在實際生產過程中需要合理匹配過熱度和拉速。

同時當對電磁攪拌器增加電流時會增加攪拌力，在流動速度加快時會在短時間內使過熱度消失，柱狀晶端部位置的溫度梯度逐漸減小，等軸晶增長時凝固釋放的熱量，會從柱狀晶傳出，促使等軸晶生長使中心偏析降低。

通過研究發現在電流為570～580A時，中心偏析作用較小。在本研究中發現電源頻率產生的影響對于中心偏析的具體情況是比較復雜的，由于結晶器存在磁屏蔽效應，當頻率較高時其穿透能力較低，攪拌能力越弱則改善這種中心偏析的作用越不明顯。通過研究發現使用低頻率進行攪拌，在2.0～2.5Hz頻率下逐漸增加電源頻率，其產生的中心偏析作用較小。

（2）大方坯中心偏析原理及電磁攪拌的作用。針對上述鑄坯凝固存在的中心偏析問題，可以采取下列理論進行分析：首先研究學者提出小鋼錠凝固理論，認為由于存在枝晶搭橋的作用，會生成鋼錠結構，會產生中心偏析和中心疏松這兩種作用。此外還存在溶質元素析出和富集這種理論，主要認為在鋼液中存在一些可溶元素，包括碳，錳，磷等，在一定范圍上完成溶解并可實現平衡性移動，能夠從柱狀晶吸出這種可溶元素，將其排到未完全凝固的金屬液中水解，繼續會將經過富集后的溶質推向凝固中心，最終形成鑄坯中心偏析。還有鑄坯芯部空穴抽吸的理論，認為在結晶的末期鑄坯由于出現液相逐漸向固相進行改變，隨著體積收縮或者鑄坯鼓肚形成空穴，導致經過富集后的溶質元素鋼液被吸入芯部，進而形成中心偏析問題。針對這些問題我們認為由于鑄坯凝固是非平衡的過程，在固相中這些可溶的元素溶解度相比液相中要低，因此在開始凝固過程中液、固界面處會出現可溶元素析出，逐漸增加濃度，可溶元素向液相擴散。

當凝固前溫度梯度較大時則濃度梯度也越高，存在的可溶元素中心偏析程度也越大，而使用電磁攪拌裝置之后基于電磁作用力條件下，凝固前液相對流會逐漸加劇，這對狀柱狀晶生長凝固之前存在沖刷作用，凝固前液相流動能夠使母液與液固相液體相混合，進而使溶質濃度逐漸趨于穩定。

這種情況下電磁攪拌能夠發揮以下作用：基于電磁作用力下，流速逐漸加快，過熱度在短時間內快速消失，柱狀晶的端部溫度梯度逐漸減小，等軸晶在凝固釋放過程中強熱會由柱狀晶位置傳出，伴隨著攪拌過程的流動帶走，加快等軸晶的生長并擴大其比例，使中心偏析逐漸降低。在電磁作用力下這種流動會將生長的樹枝晶沖斷，使其形成碎晶，在凝固之前粘附于柱狀晶體上，并在其固液相界面上生長，進而能夠阻止柱狀晶的繼續生長。電磁攪拌作用力對于兩相存在一定的沖刷和清洗作用，會導致凝固界面存在不平整，很容易捕獲液相存在的自由晶體，在凝固界面進行依附，并且以等軸晶的方式逐漸長大，因此在使用電磁攪拌器結晶時，對擴大等軸晶比例降低和大方坯中心偏析是十分重要的。

4 小結

通過本次研究表明在使用電磁攪拌的基礎上，針對降低過熱度，改善連鑄工藝參數能夠減小中心偏析，增加拉速可以減小中心偏析，針對電磁攪拌的工藝參數可以增加電流進而增加攪拌力，來降低中心偏析，比如可以在2.0～2.5Hz下采用低頻方式進行攪拌，進一步降低大方配坯的中心偏析。