板坯二冷輥式電磁攪拌對鑄坯偏析的影響

李曉冬 黃友坡 李亮 金柱元

摘 要：為解決鑄坯中心偏析導(dǎo)致成形過程中存在厚度方向四分之一分層開裂、中心開裂、焊接不良等質(zhì)量問題，開展了連鑄電磁攪拌工藝研究。基于理論計(jì)算，優(yōu)化了電磁攪拌安裝位置、頻率、電流等工藝參數(shù)；通過生產(chǎn)實(shí)踐及鑄坯低倍結(jié)果分析，表明電磁攪拌安裝位置為三段扇形段，頻率為5 Hz，電流400 A，工藝最優(yōu)，中心偏析控制低于C類2.0級占比由40.81%提升至88.9%，因偏析導(dǎo)致的四分之一分層開裂、中心開裂、焊接不良等質(zhì)量問題得到有效改善。

關(guān)鍵詞：連鑄；電磁攪拌；頻率；電流；位置；中心偏析

INFLUENCE OF SECONDARY COOLING ROLLER ELECTROMAGNETIC STIRRING ON SEGREGATION OF SLAB

Li Xiaodong? ? Huang Youpo? ? Li Liang? ? Jin Zhuyuan

（Rizhao Steel Holding Group Co.， Ltd.? ? Rizhao? ? 276800， China）

Abstract：In order to solve the quality problems such as quarter layer cracking in the thickness direction， center cracking， and poor welding during the forming process caused by central segregation of the billet， the continuous casting electromagnetic stirring process was studied. Based on theoretical calculations， the process parameters such as the installation position， frequency， and current of electromagnetic stirring were optimized; According to production practice and analysis of the results of the casting billet low magnification， it is shown that the electromagnetic stirring installation position is a 3-segment sector with a frequency of 5 Hz and a current of 400 A. The process is optimal， and the proportion of center segregation control lower than Class C， Grade 2.0， is increased from 40.81% to 88.9%. Quality issues such as quarter delamination cracking， center cracking， and poor welding caused by segregation have been effectively improved.

Key words：continuous casting; electromagnetic stirring; frequency; electric current; location; center segregation

0? ? 前? ? 言

隨著國內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施和工業(yè)建設(shè)不斷加速，汽車用鋼、管線鋼等高品級鋼需求量增大。公司根據(jù)市場形勢進(jìn)行品種結(jié)構(gòu)調(diào)整，高強(qiáng)大梁鋼、高級別管線鋼等品種鋼比例提升，隨著微合金化、組織調(diào)控，高品級鋼的力學(xué)性能得到了極大的提升，但在使用過程中存在厚度方向四分之一分層開裂、中心開裂[1]、焊接不良等質(zhì)量問題，檢測結(jié)果均指向偏析。需對汽車大梁鋼、車輪鋼等高品級鋼種鑄坯偏析調(diào)控進(jìn)行專項(xiàng)研究。

近年來，鑄坯偏析改善主要通過低過熱度澆注[2]、電磁攪拌及動態(tài)輕壓下等手段進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，已經(jīng)很好的提升了鑄坯偏析控制水平，然而高級別大梁、管線等鋼種合金含量高，需進(jìn)一步提升偏析控制水平。國內(nèi)外很多學(xué)者針對電磁攪拌對鑄坯偏析影響開展了大量研究工作，但受產(chǎn)品、工藝、設(shè)備等影響，不同學(xué)者獲得的控制技術(shù)思路存在差異，如李紅光等研究了電磁攪拌電流強(qiáng)度由0增加到500 A對等軸晶比例及宏觀偏析的關(guān)系[3]；蘭鵬等研究了點(diǎn)狀偏析形成機(jī)理及設(shè)備、工藝、成分對點(diǎn)狀偏析的影響[4]；孔為等通過數(shù)值模擬研究了三環(huán)式攪拌及電攪頻率5 Hz對偏析改善明顯[5]；李華剛通過數(shù)值模擬研究了電磁攪拌輥安裝在扇形段１號段的１號位和９號位可提升鑄坯等軸晶率，改善鑄坯偏析[6]。

本文結(jié)合高級別大梁、管線等鋼種板坯連鑄生產(chǎn)實(shí)際，從二冷電磁攪拌工藝參數(shù)優(yōu)化出發(fā)，通過分析二冷電磁攪拌電流強(qiáng)度、頻率及安裝位置等參數(shù)[7-11]對鑄坯偏析改善的影響規(guī)律，探討分析了高級別大梁、管線等鋼種鑄坯偏析形成原因及偏析控制技術(shù)思路。通過工業(yè)實(shí)踐驗(yàn)證，有效提升了鑄坯偏析控制水平，從根源上解決了帶鋼分層開裂、中心開裂及焊接不良等質(zhì)量問題。

1? ? 鑄坯偏析控制現(xiàn)狀

日鋼板坯煉鋼主要工藝流程：轉(zhuǎn)爐→精煉→連鑄，其中僅7號和10號鑄機(jī)配備二冷電磁攪拌及動態(tài)輕壓下設(shè)備，因此品種鋼種生產(chǎn)以7號和10號鑄機(jī)為主，品種鋼偏析控制現(xiàn)狀如表1所示，從表中可以看出7號鑄機(jī)的低倍偏析小于等于B類1.0級占比80.35%、C類占比62.4%；而10號鑄機(jī)的低倍偏析小于等于B類1.0級占比87.75%、C類占僅比40.81%；鑄坯中心的偏析程度無法滿足品種鋼心部質(zhì)量與性能的要求。為充分發(fā)揮電磁攪拌對鑄坯中心偏析的改善作用，開展板坯二冷電磁攪拌工藝優(yōu)化研究，結(jié)合鑄坯低倍檢驗(yàn)結(jié)果對比，分析電磁攪拌器[12]安裝位置、電磁攪拌參數(shù)及相關(guān)連鑄工藝對鑄坯中心偏析的影響，提出鑄坯偏析控制的工藝措施。

2? ? 板坯二冷區(qū)電磁攪拌冶金效果的影響因素分析及改善

2.1? ? 電磁攪拌頻率對鑄坯偏析的影響

在電磁攪拌過程中，電攪頻率主要影響電磁攪拌力，增加頻率f可增加電磁推力，同時(shí)會引起磁感應(yīng)強(qiáng)度衰減。透入深度h與電磁攪拌極距成正相關(guān)，與電磁攪拌頻率、鋼液的電導(dǎo)率磁導(dǎo)率呈負(fù)相關(guān)。

為了研究不同攪拌頻率對鑄坯中心偏析的攪拌效果，開展了電磁攪拌參數(shù)對比試驗(yàn)。試驗(yàn)方案選取電攪頻率為4～8 Hz，梯度為1 Hz的電攪參數(shù)對比試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)電磁攪拌電流為340 A，不同電磁攪拌頻率條件下，試驗(yàn)所得鑄坯低倍結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以看出，隨著電磁攪拌頻率的降低，鑄坯中心偏析程度先改善后又變差。從圖1中白亮帶及中心偏析可看出：頻率降低，攪拌先增強(qiáng)后減弱。頻率由8 Hz降到5 Hz時(shí)，中心偏析由連續(xù)線狀→斷續(xù)線狀→點(diǎn)狀（逐漸消失），中心偏析改善明顯，但白亮帶增強(qiáng)，間接反饋攪拌強(qiáng)度增加；繼續(xù)降低到4 Hz時(shí)，中心偏析成點(diǎn)狀又逐漸連成短線狀。

通過頻率調(diào)整試驗(yàn)及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如圖2，電磁攪拌電流340 A，頻率5 Hz，C類≤2.0級占比76.5%（提升14.1%），偏析控制最佳。

2.2? ? ?電磁攪拌安裝位置對鑄坯偏析控制的影響

EMS裝置能否有效提升板坯內(nèi)部質(zhì)量與其安裝位置有關(guān)，而EMS裝置安裝位置決定著攪拌位置鋼水的未凝固率，鑄坯相關(guān)尺寸如圖3所示。

計(jì)算公式如下[18]所示：

未凝固率

1h

Rd=——×100%

D0

液芯厚度

lh=D0-2δ

凝固平方根定律

L

δ=K? —

√? v

式中：D0為鑄坯厚度，mm；lh為未凝固鋼水的液心厚度，mm；δ為坯殼厚度，mm；K為凝固系數(shù)，mm/min1/2；L為EMS位置到結(jié)晶器液面鑄坯中心線的弧長，m ；V為拉坯速度，m/min。

根據(jù)未凝固率計(jì)算公式，7號鑄機(jī)，鑄坯厚度D01=210 mm，未凝固率Rd1=39.4%；10號鑄機(jī)，鑄坯厚度D02=230 mm時(shí)，同樣方法可計(jì)算Rd2=51.2%。根據(jù)電磁攪拌切斷柱狀晶機(jī)械模型理論，二冷區(qū)電磁攪拌最佳安裝位置為未凝固率40%左右的位置[19]。安裝位置高、攪拌提前終止，較大的溫度梯度導(dǎo)致柱狀晶二次生產(chǎn)；安裝位置低，柱狀晶發(fā)達(dá)，甚至搭橋，無法切斷。10號鑄機(jī)鑄坯未凝固率51.2%，超出最佳安裝位置，需調(diào)整10號鑄機(jī)電磁攪拌位置來滿足最佳攪拌區(qū)間。

10號鑄機(jī)電磁攪拌位置調(diào)整前為2號段，坯殼約50～60 mm，未凝固率50%以上，熔池大，全凝固時(shí)間長，受到攪拌力均勻性及熱擴(kuò)散效率的影響，鑄坯的中心偏析改善效果不穩(wěn)定；將電磁攪拌位置由2號段調(diào)整至3號段，未凝固率降低，鑄坯的中心偏析明顯改善。電磁攪拌電流為340 A頻率5 Hz，效果如圖64所示，電磁攪拌電流、頻率固定C類≤2.0級占比由72.5%提升至82.4%。

2.3? ? 電磁攪拌電流對鑄坯偏析的影響

流動鋼水處于電磁場中會受到電磁力，電磁力為體積力，作用到鋼水上，推動鋼水運(yùn)動。攪拌力與攪拌強(qiáng)度B成正比，磁感應(yīng)強(qiáng)度B主要由電流強(qiáng)度決定，因此電流強(qiáng)度及到導(dǎo)線的距離是影響攪拌力的主要因素，鑄坯到電磁攪拌輥距離固定，要產(chǎn)生較大的攪拌力，就需要較強(qiáng)的電流強(qiáng)度。

7號鑄機(jī)鑄坯厚度210 mm，斷面小，電流340 A，頻率5 Hz，中心偏析C類≤2.0級占比100%；10號鑄機(jī)鑄坯厚度230 mm，斷面大，電磁攪拌參數(shù)調(diào)整前電流為340 A，頻率5 Hz，中心偏析C類≤2.0級占比66.7%，偏析控制較差。

為保證電磁攪拌滲透深度，頻率5 Hz固定，增大電磁攪拌力需增加10號鑄機(jī)電磁攪拌電流，由340 A調(diào)整至400 A，偏析控制效果如圖5所示，C類≤2.0級占比由82.4%提升至88.9%。

3? ? 結(jié)? ? 論

綜上所述，電磁攪拌工藝對鑄坯中心偏析的主要影響因素包括安裝位置、電磁攪拌電流、頻率，鑄坯斷面及連鑄工藝參數(shù)。形成結(jié)論如下：

1）0號鑄機(jī)的電磁攪拌安裝位置由2號段調(diào)整至3號段，有利于鑄坯偏析控制。

2）基于電磁攪拌頻率對滲透深度的理論分析及現(xiàn)場對比試驗(yàn)，電磁攪拌頻率由7 Hz調(diào)整至5 Hz，鑄坯偏析控制較好。

3）10號鑄機(jī)對比7號鑄機(jī)斷面大，適宜攪拌的未凝固率位置相對靠后，需較強(qiáng)的穿透力， 7號鑄機(jī)電流為340 A，10號鑄機(jī)電流由340 A調(diào)整至400 A，兩臺鑄機(jī)的鑄坯中心偏析指標(biāo)得到明顯提升。

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