應用結晶器PMO提高連鑄小方坯質量研究

徐 衡 李莉娟 蔡常青 鄭原首 仲紅剛 翟啟杰

(1.上海大學材料科學與工程學院，上海 200444； 2.福建三鋼閩光股份有限公司煉鋼廠，福建 三明 365000)

連續鑄鋼技術從根本上改變了傳統鋼錠到初軋的工藝，大大降低了能耗，使鋼鐵生產流程更加合理化，極大地提高了鋼鐵工業的生產效率，但是連續鑄鋼生產的鋼坯質量也存在一定問題。在實際凝固過程中，由于冷卻強度不同、合金組元密度差和熔體內部的對流等各種因素影響，連鑄坯容易形成嚴重的宏觀偏析、微觀偏析、粗大的枝晶組織以及裂紋等缺陷，繼而延續到軋材，嚴重影響了最終型材的質量和性能[1]。

為了提高連鑄坯質量，國內外學者進行了大量研究和技術開發，如電磁攪拌[2]，輕壓下[3]、微合金化[4]、低過熱處理及澆注[5]等技術。其中工業化應用比較成熟的主要是電磁攪拌和末端輕壓下技術。但使用結晶器電磁攪拌有時會引起強烈的彎月面波動和卷渣[6]，采用二冷區電磁攪拌容易產生負偏析帶[7]，因此實際應用效果并不十分理想。輕壓下技術則由于自身的復雜性和特殊性，在實際應用過程中還有很多問題尚待解決[8]。

脈沖磁致振蕩(pulse magneto- oscillation, PMO)凝固均質化技術[9]，應用于連鑄上，能有效地改善鑄坯質量。PMO技術的原理是：脈沖電流通過感應線圈在鑄坯固液界面前沿形成特定的電磁感應效應，促進固液界面前沿金屬液形核、脫落、飄移、增殖，并形成結晶雨，從而細化凝固組織，改善鑄坯均勻性。龔永勇等對PMO作用下工業純鋁[10]、鋁銅合金[11]、65Mn鋼[12]和GCr15軸承鋼[1]的凝固組織進行了大量研究，發現PMO能夠顯著細化凝固組織，改善元素偏析。目前該技術已經成功應用于常州中天鋼鐵連鑄生產二冷區，顯著提高了鑄坯的等軸晶率，有效改善了中心偏析。

對于小斷面鑄坯，由于坯殼厚度的限制，二冷區液芯面積占比較小，因此在二冷區施加PMO形成的等軸晶區域較小。若在結晶器中進行PMO處理，則等軸晶面積占比有望顯著提高，且將線圈設置于結晶器內可避免漏鋼對線圈的影響。因此，本文制作了結晶器PMO總成，并針對某鋼廠HRB400EG螺紋鋼鑄坯存在的等軸晶率低、中心碳偏析嚴重、中心疏松和縮孔等內部質量問題，在小方坯連鑄機開展了結晶器PMO工業試驗，研究其均質化效果，并最終改善了鑄坯內部質量。

1 試驗材料及方法

工業試驗采用7機7流小方坯連鑄機，斷面為160 mm×160 mm，HRB400EG螺紋鋼的主要化學成分如表1所示。表2為實際生產過程中的連鑄工藝參數。

表1 HRB400EG螺紋鋼的化學成分(質量分數)Table 1 Chemical composition of the HRB400EG threaded steel (mass fraction) %

表2 連鑄工藝參數Table 2 Continuous casting process parameters

PMO設備主要由脈沖電源、PMO線圈、結晶器等組成。PMO線圈整合在結晶器內部，在工作過程中線圈銅管內部通有循環冷卻水，以確保線圈在高溫下能夠持續穩定運行，待拉坯穩定后開啟脈沖電源進行PMO處理。PMO的電流峰值為350Ki A，頻率為45hi Hz，脈寬為62.5bi ms(Ki、hi及bi與電源性質有關)。

PMO線圈放置在鑄機1流結晶器上，并與7流進行對比。試驗鑄坯內部質量檢測分為低倍檢測、顯微組織觀察和宏觀碳偏析檢測。取樣位置示意圖如圖1所示，試樣經銑床加工后浸入50%(體積分數)鹽酸溶液中，80 ℃恒溫浸蝕30 min，觀察鑄坯橫截面低倍組織。金相試樣經細磨、精拋后再浸入70 ℃過飽和苦味酸水溶液中，恒溫腐蝕約45 s，在距離鑄坯內弧邊緣30、45、60 mm處統計40個二次枝晶臂間距，取平均值作為該位置的二次枝晶臂間距。采用φ5 mm鉆頭鉆取屑狀試樣，通過NCS2800碳硫分析儀測定鑄坯不同部位的碳含量，并用碳偏析指數代表試樣的宏觀碳偏析程度。

圖1 取樣示意圖Fig.1 Schematic diagram of sampling

2 試驗結果與分析

2.1 宏觀組織

圖2為螺紋鋼鑄坯橫斷面的宏觀組織，表3為根據GB/T 226—2015評定的鋼的低倍組織級別。由圖2和表3可見，經過結晶器PMO處理后鑄坯橫斷面上中心疏松和縮孔顯著減少，并且中心偏析得到明顯改善。根據圖2計算得出原始工況的等軸晶比例為8.4%，經過結晶器PMO處理的等軸晶比例為11.28%，等軸晶率提高了34.3%，等軸晶區的面積明顯增大。PMO作用下等軸晶率提高主要是由于兩個效應：(1)結晶雨效應[13]，鑄坯固液前沿處由于脈沖磁場作用，會產生感應脈沖電流，脈沖電流通過電致過冷促進金屬液在固液界面形核，晶核在電磁力的作用下不斷脫落形成結晶雨，從而增加等軸晶；(2)振蕩效應[14]，PMO處理熔體時，熔體受電磁力作用產生振蕩效應，導致熔體內部強迫對流，一方面促使鑄壁晶核脫落，游離到熔體內部，促進等軸晶的形成，另一方面，枝晶受振蕩作用及溶質擴散的影響，易熔斷、破碎，破碎的枝晶顆粒變成新的晶核，從而提高等軸晶率。此外，振蕩形成的環流也有利于夾雜物的上浮和去除。

圖2 HRB400EG鋼鑄坯橫截面的宏觀組織Fig.2 Cross- sectional macrostructures of the HRB400EG steel billets

表3 HRB400EG鋼鑄坯的低倍組織評級Table 3 Macrostructure rating of the HRB400EG steel billets

2.2 微觀組織

圖3為鑄坯橫斷面從內弧表層到外弧表層的微觀組織。區域1由于受到結晶器快冷的影響，表層形成了細小的激冷晶；區域2由于凝固速率的降低，形成了較長的一次枝晶，并且隨著凝固的繼續進行，主軸上又生長出二次枝晶、三次枝晶；隨著固液界面向中心繼續推進至區域3，由于垂直鑄坯表面方向與平行鑄坯表面方向的溫度梯度近似，因此固液界面前沿大量的晶核沿各個方向競相生長形成等軸枝晶。從圖3中還可以發現，與原始工況相比，PMO處理的鑄坯在內弧區域2處的柱狀晶長度明顯較短，且中心區域3處的等軸晶區面積大幅增加。此外，原始工況鑄坯的中心區域主要以交叉樹枝晶為主，而PMO處理的鑄坯的中心區域形成了大量等軸枝晶，這些表明PMO可以促進等軸晶的形成。在靠近外弧區域4處，原始工況鑄坯的一次柱狀晶發達，而經過PMO處理的鑄坯，枝晶破碎，形成了較短且更致密的一次枝晶。

圖3 HRB400EG鋼鑄坯橫截面的微觀組織Fig.3 Cross- sectional microstructures of the HRB400EG steel billets

二次枝晶臂間距作為金屬凝固組織的重要參數之一，其大小直接影響合金成分的偏析和顯微縮孔的大小與分布，進而影響著鑄坯的質量。圖4為距鑄坯內弧表層30、45、60 mm處的組織形貌。與原始工況對比可見，經過PMO處理的鑄坯相同取樣位置的二次枝晶更加致密。圖5為鑄坯不同位置所對應的二次枝晶臂間距。可以看出，隨著距鑄坯邊緣距離的增加，二次枝晶臂間距也隨之增大，經過PMO處理的鑄坯二次枝晶臂間距由68 μm增大到86 μm，原始工況鑄坯的二次枝晶臂間距由75 μm增加到95 μm，可見經過PMO處理后鑄坯的二次枝晶臂間距減小，凝固組織更為細密。二次枝晶臂間距減小，說明枝晶凝固時間縮短，即冷卻速率增加，這說明結晶器PMO處理有利于加快液相降溫，提高冷卻速率。

2.3 中心碳偏析

圖4 距離內弧邊緣不同位置處的枝晶組織Fig.4 Dendritic structures at different locations from the edge of the inner arc

圖5 二次枝晶臂間距的比較Fig.5 Comparison of the secondary dendrite arm spacing

碳偏析指數計算公式為：C偏=C/C0，式中：C偏為碳偏析指數，C為鑄坯實際取樣點的碳含量，C0為鑄坯平均碳含量。圖6為螺紋鋼鑄坯橫斷面對角線的碳偏析指數分布。可見經過PMO處理的鑄坯碳偏析指數一般在0.95～1.04之間，中心碳偏析指數僅為1.01，且整個鑄坯的碳偏析指數波動范圍較窄。而原始工況鑄坯中碳偏析指數波動較大，中心碳偏析指數高達1.18。

圖6 碳偏析指數分布曲線Fig.6 Distribution curves of the carbon segregation index

鋼在凝固過程中二次枝晶臂間距決定著金屬材料的偏析行為。在連鑄過程中，鑄坯的凝固組織都是以枝晶形式生長的， 鑄坯凝固前沿的固液兩相區稱為鑄坯的糊狀區。糊狀區中的枝晶結構具有阻塞液相流動的作用，凝固前沿固相排出的溶質在糊狀區內流動后凝固收縮形成了鑄坯的中心偏析。滲透率是反映糊狀區內固、液相之間的摩擦、固相分率和微觀結構形態之間的函數關系。滲透率越高，則中心碳偏析越嚴重。滲透率的計算通常采用Kozeny Carman公式[15]：

(1)

式中：KP為糊狀區滲透率，μm2；fS為固相率；CKC為Kozeny Carman常數；S0為界面面積濃度。

假設枝晶界面面積濃度等于均勻球體比表面積的情況下，S0的計算公式[16]：

(2)

由式(1)和式(2)可得滲透率與二次枝晶臂間距的關系式為：

(3)

式中λ2為二次枝晶臂間距，μm。從式(3)中可以看出，隨著二次枝晶臂間距的增大，滲透率也增加，溶質就不斷地在鑄坯中心富集，隨著糊狀區不斷向鑄坯中心推進，直到中心，富集的溶質無法繼續前進，便在鑄坯中心凝固，造成了中心碳偏析。因此鑄坯中心區域的二次枝晶臂間距較大，中心碳偏析也較重。而經過結晶器PMO處理后，鑄坯的二次枝晶臂間距整體減小，其中接近鑄坯中心的二次枝晶臂間距由95 μm減小到86 μm，滲透率降低，中心碳偏析明顯減輕。

3 結論

經過結晶器PMO處理后，螺紋鋼鑄坯的等軸晶率提高了34.3%，鑄坯的中心縮孔由0.5級降低為0級，中心偏析由2級降低為0.5級，鑄坯組織更為致密，鑄坯質量明顯改善。

經過結晶器PMO處理后，鑄坯中二次枝晶臂間距整體減小，其中接近鑄坯中心的二次枝晶臂間距由95 μm減小到86 μm，滲透率降低，中心碳偏析指數由1.18減小到1.01，中心碳偏析基本消除。