連鑄二冷區輥式電磁攪拌在硅鋼生產中的應用

王洪濤，王金輝，陳宇，王巒濤

（鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧 鞍山114021）

工業應用表明，在連鑄工序合理采用電磁攪拌裝置能有效改善鑄坯的內部組織結構，提高鑄坯表面質量[1]。其中，二冷區輥式電磁攪拌能有效地減輕鑄坯中心偏析和中心疏松，有效消除中心縮孔和裂紋，擴大鑄坯中心等軸晶比率，顯著提高連鑄坯的內部質量[2]。二冷區輥式電磁攪拌裝置經歷了“輥間插入式攪拌裝置”到“輥后箱式攪拌裝置”，再到“輥式電磁攪拌裝置”的演變過程。輥間插入式攪拌裝置雖然攪拌效果好，但是存在設備龐大不利于檢修維護的缺點；而輥后箱式攪拌裝置由于距鑄坯表面較遠，在相同工輔條件下攪拌效果相對較差；而輥式電磁攪拌裝置由于結構設計的優越性，可以獲得更高的電磁攪拌效率和更低的維護安裝成本。鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠三分廠（以下簡稱“三分廠”）2號鑄機原來一直采取低過熱度澆鑄的方式提高硅鋼品種鑄坯的等軸晶比率，這種方法可以使鑄坯內部形成長的糊狀區，有利于等軸晶晶粒的形成，但不利于去除夾雜物，不能避免澆鑄中斷事故。2015年安裝二冷區輥式電磁攪拌裝置以提升硅鋼品種鑄坯等軸晶比率，通過優化電磁攪拌裝置的安裝方式和工藝參數，在相對較高的中間包澆鑄溫度下，依靠二冷區輥式電磁攪拌裝置有效地提高了硅鋼鑄坯內部的等軸晶比率。本文對此做一介紹。

1 二冷區輥式電磁攪拌裝置研究條件

1.1 連鑄機主要參數

三分廠2號鑄機于2015年建成投產，設計年產量為250萬t，主要生產的產品有碳素結構鋼、低合金高強度鋼、管線鋼、船板鋼、硅鋼、容器鋼板、耐磨鋼板等。表1為鑄機主要技術參數。

表1 鑄機主要技術參數Table 1 Main Technological Parameters of Caster

1.2 輥式電磁攪拌裝置的主要參數

三分廠二冷區輥式電磁攪拌裝置由法國羅特萊克公司提供。表2為輥式電磁攪拌裝置主要技術參數。

表2 輥式電磁攪拌裝置主要技術參數Table 2 Main Technological Parameters of Roll Type Electromagnetic Stirring Device

1.3 等軸晶定義及評定標準

將晶粒長與寬的比值≤3的區域定義為等軸晶區。以等軸晶比率的多少來評定設備安裝方案和工藝參數設定的效果。圖1為等軸晶區寬度界線示意圖，圖2為取樣位置示意圖。

圖1 等軸晶區寬度界線示意圖Fig.1 Diagram for Width Boundary at Equiaxed Crystal Zone

圖2 取樣位置示意圖Fig.2 Diagram for Sampling Locations

等軸晶區寬度界線以內（Te）的測量值和與測試板坯總厚度值（T）比較。按照Te/T的比值乘以100%定義為等軸晶區百分比。取樣位置及計算方法：鑄坯樣寬度（W）的1/4、1/2、3/4處的三個垂直線處，寬度50 mm范圍內Te的最大值，取三處平均值作為最終等軸晶區百分比計算值。

2 電磁攪拌裝置安裝方式

2.1 電磁攪拌輥的排列方式

中間包澆鑄高溫條件下，坯殼內鋼水過熱度較高，從坯殼掉落的細小等軸晶很快會被鋼水融化，無法形核繼續成長為等軸晶粒。因此需要應用電磁攪拌裝置來均勻鋼水溫度，促進等軸晶的形成。二冷區電磁攪拌輥的排列方式是提高鑄坯等軸晶比率的關鍵。電磁攪拌輥一般有兩種布置方式，見圖3。

圖3 電磁攪拌輥布置方式Fig.3 Installation Mode of Electromagnetic Stirring Rolls

如圖3（a）所示，電磁攪拌輥并排式布置可以提供分散的攪拌力，攪拌力影響范圍相對較大；圖3（b）所示的對面式布置可以提供集中的攪拌力，攪拌力影響范圍相對較小。在相對較高的澆鑄溫度下，以上兩種排列方式中的任何一種都無法獲得較高的等軸晶比率。選擇兩組對面式布置的電磁攪拌輥，組成“雙段式”的排列方式，能夠獲得足夠的攪拌力和攪拌力影響區域，可以在攪拌力影響區域內，更有效的降低鋼水過熱度，有利于在澆鑄高溫條件下獲得更多的鑄坯等軸晶[3]。圖4為“雙段式”電磁攪拌輥排列方式。

圖4 “雙段式”電磁攪拌輥排列方式Fig.4 Arrangement Mode of Double-section Electromagnetic Stirring Rolls

2.2 電磁攪拌輥安裝位置

在電磁力不影響結晶器液位波動的情況下，二冷區電磁攪拌裝置安裝位置越靠近結晶器，越能提高鑄坯的等軸晶比率。對輥式電磁攪拌裝置電磁力影響區域測量后發現，攪拌裝置附近3.5～4.0 m的區域內均能檢測到電磁力信號。因此選擇將其安裝在弧形段1段上，避免對結晶器液位帶來不利影響。

3 工藝參數研究

在電磁攪拌應用過程中，其他工藝參數相同的情況下，隨著頻率的增加，電磁力增大。當頻率達到某最佳值后，隨著攪拌頻率的增加，電磁力反而減小。實驗檢驗了攪拌器在“交替”和“連續”兩種不同攪拌模式下的應用效果。這兩種模式的主要區別在于“交替模式”在工作過程中，通過改變電流方向的方式，使電磁力反向，使鑄坯內鋼水反向流動。實驗結果表明：同等工藝參數條件下，“交替模式”的應用雖然降低了鑄坯等軸晶比率，但是有效的減輕了鑄坯“白亮帶”現象；而“連續模式”可以獲得更高的等軸晶比率，但是鑄坯“白亮帶”現象相對較嚴重。

在過熱度、澆鑄速度相同的條件下，對同一爐鋼水進行不同工藝參數的對比實驗。表3為不同頻率、電流下鑄坯等軸晶比率。圖5為攪拌方式示意圖。由表3看出，在電流相同的情況下，頻率為5 Hz時等軸晶比率較高；同樣的頻率下，電流為380～400 A時的等軸晶比率較高；“三零型”（電磁力方向一致）攪拌的等軸晶比率比“雙蝶型”（電磁力方向不一致）的高2.3%，因此，確定攪拌裝置的最佳頻率為5 Hz，最佳電流為400 A，攪拌方式為“三零型連續模式”。生產中需要同時評價“白亮帶”是否影響冷軋工序的產品最終性能。

表3 不同頻率、電流下鑄坯等軸晶比率Table 3 Equiaxed Crystal Rates under Different Frequencies and Current

圖5 攪拌方式示意圖Fig.5 Diagram for Stirring Methods

4 應用效果

采用上述工藝參數生產后，取鑄坯樣進行等軸晶比率評定。表4為不同硅含量的硅鋼鑄坯等軸晶比率，鑄坯寬度為1 150～1 280 mm。由表4看出，在相近中間包過熱度條件下，硅含量越高的鑄坯等軸晶比率越高；應用輥式電磁攪拌裝置可以有效提高鑄坯等軸晶比率，平均增加30%左右；中間包過熱度在20～25℃范圍內時，不應用電磁攪拌的鑄坯等軸晶比率僅為26.08%，應用電磁攪拌后的等軸晶比例達到55%以上。

表4 不同硅含量硅鋼鑄坯等軸晶比率Table 4 Equiaxed Crystal Rates of Silicon Steel Casting Blanks with Different Silicon Content

圖6為硅含量為2.5%～3.0%的硅鋼應用電磁攪拌前后鑄坯內部等軸晶分布情況。由圖6（a）看出，不應用電磁攪拌的等軸晶晶區外柱狀晶依然發達；由圖6（b）看出，鑄坯中心等軸晶晶區范圍擴大。生產中鑄坯樣存在“白亮帶”現象，但是冷軋工序未檢測到性能不良產品。

圖6 應用電磁攪拌前后鑄坯內部等軸晶分布情況Fig.6 Distribution of Equiaxed Crystals inside Casting Blanks before and after Using Electromagnetic Stirring Device

5 結語

鋼水中硅含量對鑄坯中心等軸晶比率有一定的影響，硅含量越高，鑄坯的中心等軸晶比率越高。連鑄二冷區應用輥式電磁攪拌裝置能夠有效擴大鑄坯中心等軸晶比率，顯著提高連鑄坯內部質量。鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠三分廠連鑄二冷區輥式電磁攪拌裝置的應用表明，二冷區應用輥式電磁攪拌裝置后，硅鋼鑄坯等軸晶比率平均提高30%左右，高牌號硅鋼鑄坯等軸晶比率可以達到55%以上。