結晶器電磁攪拌對中碳鋁鎮靜鋼Φ450 mm圓坯中夾雜物的影響

郭俊波 陸 強 沈 昶 楊 崢

（1.馬鞍山鋼鐵股份有限公司技術中心； 2.軌道交通關鍵零部件安徽省技術創新中心）

0 引言

由于電磁攪拌可以有效改善鑄坯的表面質量和內部質量，因此在實際生產中得到了廣泛的應用[1］。在結晶器處合理使用電磁攪拌，可以改善鑄坯的表面和皮下質量，提高鑄坯的等軸晶比例，抑制粗大枝狀晶的生長[2～3］，減輕中心縮孔和心中偏析，提高鑄坯潔凈度。近年來，國內外研究人員對圓坯結晶器的冶金作用及行為進行了較為系統的研究，如流場與溫度場的分布情況[4-6］、凝固組織與電磁攪拌參數的關系[7-10］、水口形狀、水口直徑對流場的影響[11］等。

結晶器是煉鋼過程中夾雜物去除的最后一個重要環節。結晶器內夾雜物的行為與鋼液的流動軌跡、傳熱凝固密切相關。當結晶器施加電磁攪拌后，促進了結晶器內鋼液的流動，進一步促進了夾雜物的碰撞、長大及上浮，從而使夾雜物總量減少，降低了夾雜物的尺寸，T.O 含量降低，可以改善鑄坯的潔凈度[9-10］，這主要是由于結晶器電磁攪拌使能把水口流股沖擊的軸向速度變為徑向速度，使夾雜物隨鋼液做旋轉運動，夾雜物在結晶器中的停留時間增長，有利于夾雜物上浮[4，11］。由于結晶器內鋼液的流場是不對稱的，因此夾雜物在結晶器中的分布也呈現不對稱狀態。夾雜物在結晶器中的上浮與夾雜物的直徑有密切關系，直徑越大，則上浮、被保護渣吸附的機會也越大[12］。最終，夾雜物在結晶器中以3種形式消失：上浮到上表面被保護渣吸收；被彎月面附近的凝固坯殼捕捉，形成表面缺陷；被鋼液帶入到結晶器下部，被液相穴捕捉，形成內部缺陷[13］。

前人的研究主要集中在結晶器電磁攪拌對鑄坯內夾雜物總量的影響，而對鑄坯不同位置處的夾雜物分布特征缺乏系統研究。筆者借助Aspex Explorer 全自動分析技術分別對無結晶器電磁攪拌和結晶器電磁攪拌條件下的Φ450 mm 圓坯內不同位置處的夾雜物的數量、尺寸大小分布情況進行了系統分析，從而為鑄坯不同位置處的夾雜物控制提供研究基礎。

1 試驗條件

1.1 試驗工藝及鑄坯取樣方案

Φ450 mm 圓坯。澆注全程進行嚴格保護澆鑄，過熱度控制在15～35 ℃之間，所有結晶器電磁攪拌均為外置式。該連鑄機主要工藝參數見表1。

表1 中碳鋁鎮靜鋼Φ450 mm 圓坯連鑄機的主要工藝參數

以中碳鋁鎮靜鋼為研究對象（其成分見表2），在同一包鋼水澆注過程中，分別對采用結晶器電磁攪拌的2 流和未采用結晶器電磁攪拌的4 流鑄坯，在垂直于拉坯方向的橫截面上取金相樣，用于夾雜物ASPEX 分析。取樣位置如圖1 所示，1#、2#、3#、4#、5#試樣分別對應于距鑄坯邊部0～20 mm、44～64 mm、88～108 mm、132～152 mm以及176～196 mm 的區域，每個試樣大小約為20 mm×20 mm，試樣間的距離為24 mm。

表2 試驗用中碳鋁鎮靜鋼的主要成分（質量分數） %

圖1 金相樣取樣位置

1.2 夾雜物檢測

將金相試樣經過磨樣、拋光及干燥處理后使用全自動夾雜物分析儀（Aspex Explorer）對試樣中的夾雜物的成分、數量、尺寸大小等進行分析。鑄坯中的夾雜物主要有硫化物夾雜、氧化物夾雜、硫化物和氧化物組成的復合物夾雜三類（見表3 和圖2）。其中，硫化物夾雜以MnS 夾雜物為主，主要呈現長條狀。氧化物夾雜主要為球狀、含有少量MgO 的CaO-Al2O3-MgO 系夾雜物。硫化物和氧化物組成的復合物呈現“包裹”狀，外層為MnS，中間部分為Al2O3為主的氧化物夾雜。由于氧化物夾雜對鋼材的性能影響較大，因此本文筆者只討論氧化物夾雜的特征。

表3 鑄坯中夾雜物組成（質量分數） %

圖2 鑄坯中的夾雜物形貌

連鑄機為五流全弧形連鑄機，鑄坯規格為

2 結果及分析

2.1 夾雜物數量

用單位面積上夾雜物的數量，即數量密度來表征夾雜物的數量分布情況。兩種工藝鑄坯不同位置處的夾雜物的數量情況如圖3 所示。

從圖3 可以看出，兩種工藝條件下，鑄坯邊部夾雜物數量最多，由鑄坯邊部逐漸向中心移動，夾雜物數量呈現降低的趨勢，在距離邊部176～196 mm的區域內，夾雜物數量分別降至2.14 個/mm2和2.28 個/mm2，分別減少了63.2%和53.4%。

圖3 鑄坯不同位置處夾雜物的數量密度對比情況

鑄坯邊部（0～20 mm 區域內），采用電磁攪拌工藝的鑄坯的夾雜物數量較無電磁攪拌工藝的多，這是由于采用結晶器電磁攪拌后，加快了結晶器內鋼液的流動，結晶器內鋼水溫度較為均勻，在一定程度上減輕了由于結晶器的冷卻作用使結晶器壁面處的鋼水溫度的下降程度，其凝固坯殼相對于無電磁攪拌工藝變薄，壁面處夾雜物以湍流擴散形式傳輸并被初始凝固坯殼(壁面)所吸附，造成壁面附件夾雜物的數量較多[14］。

隨著從鑄坯邊部向鑄坯中心移動，采用電磁攪拌后夾雜物數量逐漸均比無電磁攪拌工藝的數量少，這主要是由于無電磁攪拌條件下，夾雜物隨鋼液進入結晶器后，少部分在上部區域隨鋼液回流，大部分隨鋼液直流向下流動，直至流出結晶器，然后被凝固前沿捕捉，上浮直至被保護渣吸附的機會很少，從而留在鑄坯中。而采用電磁攪拌后，夾雜物在結晶器內隨鋼液旋轉流動，在結晶器上部區域內停留時間隨之延長，其上浮到自由液面被保護渣吸收的概率隨之增加，因此其數量較少。

是否采用結晶器電磁攪拌對鑄坯不同區域內夾雜物的去除效率有明顯的影響。采用電磁攪拌工藝后，距離鑄坯邊緣88 mm 內夾雜物數量基本不變，而未采用結晶器電磁攪拌后，距離鑄坯132 mm 內夾雜物的數量基本不變。這主要是由于無電磁攪拌條件下時，距離鑄坯邊部88～108 mm區域所對應的鋼液直接向下流動，直至流出了結晶器，從而導致鋼液中的夾雜物被凝固前沿捕捉，留在了鑄坯中。當采用電磁攪拌時，此區域所對應的鋼液在旋轉電磁力的作用下仍然在結晶器中做旋轉運動，其碰撞、長大直至上浮去除的幾率較高，因此數量較少。

2.2 夾雜物尺寸大小分布

對兩種工藝條件下鑄坯不同位置的夾雜物尺寸大小的分布情況進行了分析，如圖4 和圖5所示。

電磁攪拌工藝條件下，鑄坯邊部0～20 mm 區域內主要為1～3 μm 的小尺寸夾雜物，其比例達到78%，其次是3～5 μm 和5～10 μm 的夾雜物，其比例分別為13%和8%，尺寸大于10 μm 的夾雜物數量為5 個，說明鑄坯邊部以小尺寸的夾雜物為主。隨著由鑄坯邊部逐漸向中心移動，1～3 μm 的小尺寸夾雜物的數量逐漸減少，其所占比例也逐漸降低，在距離鑄坯邊部132～152 mm 區域達到最低值，然后在中心部位升高。這主要是由于隨著凝固的進行，夾雜物在液相鋼液中不斷碰撞、長大、上浮直至被保護渣吸收。在鑄坯中心部位，由于液相區中的鋼液已經向下流出結晶器，再加上鋼水溫度較低，因此夾雜物上浮、去除的動力學條件不好，同時由于凝固前沿將夾雜物推動至液相鋼液中，因此小尺寸夾雜物的數量增加。

3～5 μm 的夾雜物數量呈現先增大后降低的趨勢，在距離邊部44～64 mm 的區域內呈現最大值，這是由于邊部區域小顆粒夾雜物數量較多，其碰撞、長大成較大尺寸夾雜物的概率較大，因此數量最多。隨著向鑄坯中心移動，小尺寸夾雜物數量減少，其碰撞、長大成3～5 μm 夾雜物的速率低于其上浮、去除的速率，因此其數量呈現減少趨勢。

尺寸大于5 μm 的夾雜物的數量變化趨勢與3～5 μm 夾雜物的基本一致，但其在距離邊部132～152 μm 的區域內達到最高值，這是由于此處為凝固組織柱狀晶向等軸晶轉變的混晶區，枝晶較為混亂，有很多突出的枝晶，很容易捕捉到較大尺寸夾雜物。其中，尺寸大于10 μm的夾雜物的比例達到16.6%，需要引起足夠的重視。

無電磁攪拌條件下的鑄坯不同位置的夾雜物尺寸大小的分布趨勢與施加電磁攪拌工藝的趨勢基本一致，從每個區域的分布情況看，1～3 μm 的小尺寸夾雜物所占的比例要高于電磁攪拌工藝，這說明施加電磁攪拌工藝后，鋼水在結晶器內呈現切向旋轉運動，有助于小尺寸夾雜物的碰撞、長大，同時由于鋼水在結晶器內的停留時間較長，因此其上浮的概率較大，所占比例較小。

值得注意的是，距離邊部132～152 mm 的區域內，無電磁攪拌條件下鑄坯內的大尺寸夾雜物數量和比例低于電磁攪拌工藝的。如前所述，距離邊部132～152 mm 處為混晶區組織，此區域中的大尺寸夾雜物以被枝晶頭捕捉為主。與電磁攪拌工藝相比，未采用電磁攪拌時，由于不存在電磁力和鋼液強制流動的作用，鋼中的小尺寸夾雜物碰撞、長大成大尺寸夾雜物的概率低于采用電磁攪拌工藝的，因此，被捕捉、殘留在鑄坯中的大尺寸夾雜物的數量較少。

3 結論

（1）無論是否采取電磁攪拌工藝，鑄坯邊部夾雜物數量最多，隨著由鑄坯邊部逐漸內移，兩種工藝鑄坯的夾雜物數量均逐漸減少；隨著從鑄坯邊部向鑄坯中心移動，電磁攪拌工藝鑄坯各區域的夾雜物數量逐漸低于無電磁攪拌工藝的。

（2）采用電磁攪拌工藝條件下，隨著由鑄坯邊部逐漸向中心移動，1～3 μm 的小尺寸夾雜物的數量逐漸減少，距離鑄坯邊部132～152 mm 區域時達到最低值，然后在中心部位升高；3～5 μm 以及＞5 μm 的夾雜物數量呈現先增大后降低的趨勢，分別在距離邊部44～64 mm、132～152 μm 的區域內呈現最大值。

（3）無電磁攪拌工藝條件下，鑄坯不同位置的夾雜物尺寸大小的分布趨勢與施加電磁攪拌工藝的趨勢基本一致，但1～3 μm 的夾雜物所占的比例較高，132～152 μm 的區域內大尺寸夾雜物的數量、比例較低。

圖4 電磁攪拌工藝鑄坯不同尺寸大小的夾雜物的分布情況

圖5 無電磁攪拌工藝鑄坯不同尺寸大小的夾雜物的分布情況