耐磨鋼板坯連鑄二冷電磁攪拌工藝研究

王攀峰，吳偉勤，雷 洪

(1.南京鋼鐵股份有限公司 板材事業部，江蘇 南京 210035；2.東北大學 材料電磁過程研究教育部重點實驗室，遼寧 沈陽 110819；3.東北大學 冶金學院，遼寧 沈陽 110819)

連鑄是鋼鐵生產的重要環節，高溫鋼液通過浸入式水口進入結晶器，在結晶器內循環水冷卻條件下形成一定形狀的凝固坯殼，然后進入到二冷區，在冷卻作用下逐漸凝固，直到鑄坯整個斷面完全凝固。在這個過程中，成分宏觀和微觀偏析、內部縮孔、疏松和裂紋等缺陷將一直保留在鑄坯中，無法通過后續流程消除。這些缺陷的存在直接影響鋼產品的內部質量和使用性能。

電磁攪拌技術[1-9](Electromagnetic Stirring，簡稱EMS)在改善鑄坯質量、減輕中心偏析、擴大鋼種范圍和提高生產率方面取得很大進步，因此，EMS廣泛地應用于方坯、圓坯和板坯的連鑄。其中，二冷電磁攪拌(Strand Electromagnetic Stirring,簡稱S-EMS)具有減少內部裂紋，內弧夾雜物集聚、增大等軸晶區、減少中心缺陷(疏松、縮孔和偏析)等作用，在板坯連鑄中得到了廣泛的應用[10-12]。鑒于此，南京鋼鐵股份有限公司在板坯連鑄機的二冷三段采用電磁攪拌輥進行無接觸的強推力攪拌，但是生產耐磨鋼板坯時發現尚不能有效控制碳元素偏析：鑄坯橫斷面低倍照片偶爾出現中心黑線、矩形白亮帶等缺陷，影響了成品鋼材的使用性能。因此，本文針對耐磨鋼板坯連鑄開展二冷電磁攪拌工藝研究，進行了多爐次實驗，重點分析了攪拌模式和電流參數對耐磨鋼板坯碳偏析和鋼板性能的影響。

1 研究方法

1.1 電磁攪拌參數

耐磨鋼板坯的澆鑄斷面為2 070 mm×260 mm，拉坯速度為0.9 m/min。電磁攪拌輥安裝在二冷段3#扇形段末端，考察了單輥連續攪拌、單輥間隔攪拌方式的影響，具體試驗方案如表1所示。

表1 電磁攪拌參數

1.2 檢測分析

當板坯下線后，采用人工火焰切割方式獲取穩態工況下的連鑄坯?；趫D1方案采用鉆沫方式制取碳成分試樣，用于板坯碳含量分布分析。由于板坯的長寬比較大，因此板坯的左側，中部和右側的碳分布存在明顯差異。為了正確反映碳在板坯內分布的均勻性，對板坯碳成分分析結果采用平均碳偏析、最大碳偏析、偏析指數等指標進行綜合評價碳偏析程度，其中板坯碳偏析指數的分析和計算方法如下：

圖1 連鑄板坯斷面成分取樣位置

(1)板坯左側、中部和右側的取樣均采用多點方式。

(2)對鉆沫樣進行碳成分分析，并對板坯左側、中部和右側的試樣的碳成分數據進行算術平均。

(3)對板坯左側、中部和右側的試樣的碳成分數據的平均值求最大值和最小值，此最大值和最小值之間的差值與板坯所有取樣點的碳成分的平均值的商即為板坯的碳偏析指數。

2 結果分析與討論

2.1 板坯低倍檢測結果

圖2給出了不同攪拌條件下鑄坯斷面低倍結果。在連續攪拌情況下，鑄坯右側出現了不明顯白亮帶；鑄坯中部和右側的中間位置(白亮帶內部)的顏色較深，此區域為碳濃度較高，但是沒有出現中心黑線；鑄坯右側的中間軸線位置，出現了一條較明顯的黑線(碳的富集區)。碳的宏觀偏析的出現是碳元素在凝固前沿會選份結晶的結果。在凝固過程中，碳元素不斷地從固相經凝固前沿析出到液相中。過大的攪拌電流會在凝固前沿形成較大的電磁力，沖刷凝固前沿從而將析出的碳帶到液相穴深處。這樣，白亮帶就會在凝固前沿形成；在液相穴深處，電磁力較弱，不能將中心部位(最后凝固的區域)富含碳元素的鋼液與其他部位的低濃度碳的鋼液充分混合，從而在鑄坯中心最后凝固部位形成碳的富集區，這就是黑線的由來。

圖2 連鑄板坯斷面腐蝕照片(L-左側，M-中部，R-右側，C-連續攪拌，I-間隔攪拌)

為了減少碳偏析，電磁攪拌模式由連續攪拌轉為間隔攪拌。當攪拌電流不變時，鑄坯的左側和中部出現較寬的白亮帶；鑄坯中部和左側的中間位置(白亮帶內部)的顏色深淺不均，此區域為碳濃度波動較大；連鑄攪拌鑄坯右側的中間軸線位置的黑線轉變為少量的黑點，但沒有出現白亮帶。當攪拌電流由260 A提高至320 A時，鑄坯的左側和中部白亮帶顏色轉淡，右側的白亮帶不明顯；白亮帶內部和外部的鑄坯的顏色趨于一致；連續攪拌鑄坯右側的中間軸線位置的黑線基本消失。

總體而言，無論是連鑄攪拌還是間隔攪拌，鑄坯左右兩側的低倍均存在明顯不一致現象。在相同電流強度下，連續攪拌模式比間隔攪拌模式的鑄坯低倍質量好；但是提高攪拌電流后，間隔攪拌的鑄坯低倍質量優于連續攪拌。

2.2 碳偏析

圖3是連鑄坯斷面碳含量分析。圖3表明，板坯橫斷面左側、中部和右側的碳含量沒有出現對稱結構。這是因為鑄坯內傳輸過程涉及鋼液流動、傳熱、凝固、成分輸運等多個過程，這些傳輸過程彼此相互影響，而且還受到外部因素(結晶器振動、水口結構和位置對中、電磁攪拌、輥縫)等制約。在這種情況下，雖然結晶器的幾何形狀具有對稱性，但是其內鋼液的傳輸過程并不具有對稱性。因此，鑄坯內部碳元素成分具有比較大的波動。

圖3 連鑄坯斷面碳含量

表2給出了板坯碳含量分布的統計結果。在單輥攪拌條件下，當電磁攪拌采用連續攪拌(C)模式時，在鑄坯橫斷面上，板坯碳元素成分最大波動值為0.318%，碳元素成分平均值波動為0.040%，碳元素偏析指數為17.69%；當采用間隔攪拌(I2)模式時，板坯碳含量最大波動值下降為0.123%，平均波動值下降為0.036%，碳偏析指數下降到15.91%，與連續攪拌相比得到了明顯的改善。

表2 連鑄坯斷面碳分布

表3給出了不同溫度下鋼板試樣的沖擊功。在實驗過程中，每種攪拌模式各取20個試樣。在-20 ℃時，連續攪拌模式最大沖擊功比間隔攪拌高2 J，最小沖擊功比間隔攪拌低4 J，波動值比間隔攪拌大6 J；在20 ℃時，連續攪拌模式最大沖擊功和最小沖擊功比間隔攪拌分別高17和51 J，波動值比間隔攪拌大9 J。

表3 鋼板沖擊功 J

表4給出了電磁攪拌模式對鋼板硬度影響。如果采用HBVV硬度，連續攪拌硬度的最大值比間隔攪拌高35，最小值比間隔攪拌低3,波動值比間隔攪拌大38。

表4 鋼板硬度 N/mm2

總體來看，相對連續攪拌，間隔攪拌模式能有效地減輕白亮帶和中心黑線，并且間隔攪拌模式下鋼板的沖擊功和硬度的波動均小于連續攪拌。

3 結 論

針對耐磨鋼，在拉速為0.9 m/min條件下澆鑄斷面2 070 mm×260 mm的連鑄坯，得到如下電磁攪拌結果：

(1)鑄坯左右兩側的低倍結果不一致。

(2)間隔電磁攪拌模式下鑄坯的低倍和碳濃度均勻性要優于連續電磁攪拌。

(3)間隔電磁攪拌模式下鋼板的沖擊功和硬度的均勻性要優于連續電磁攪拌。

(4)推薦電磁攪拌模式為單輥間隔攪拌模式，攪拌參數為電流強度320 A，頻率6 Hz。