電磁攪拌器控制系統(tǒng)對(duì)大方坯中心偏析的改善

邵龍剛

（河鋼唐鋼集團(tuán)，河北 唐山 064200）

目前冶金企業(yè)連鑄坯中心偏析問題對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量影響是比較嚴(yán)重的，而采用電磁攪拌的方式可改善連鑄坯的質(zhì)量，而采用結(jié)晶器電磁攪拌的方式能夠提升鑄坯等軸晶率，降低這種中心偏析問題，明顯改善鑄坯質(zhì)量。目前很多國(guó)內(nèi)鋼鐵公司在大方坯連鑄過程中使用的就是電磁攪拌的方式，可在結(jié)晶器以及足棍間安裝電磁攪拌裝置[1]。在本研究中主要針對(duì)大方坯中心存在的偏析問題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，并從電磁攪拌工藝、參數(shù)這兩個(gè)角度提出了對(duì)中心偏析改善的一些方法。

1 電磁攪拌器自動(dòng)化控制系統(tǒng)

電磁攪拌器控制系統(tǒng)由5部分組成：供電部分(變壓器及高、低壓配電)、變頻電源部分、電磁攪拌器部分、制水機(jī)冷卻水裝置部分及PLC系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控操作部分，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如下：

圖1 電磁攪拌器自動(dòng)化控制系統(tǒng)

HMI為上位機(jī)WinCC編寫的操作界面，用戶可以通過該界面完成系統(tǒng)的基本操作和監(jiān)控。HMI主要是用來(lái)顯示各變頻柜輸出的電流、頻率及水流量，水溫及各類報(bào)警信息等。PLC柜是系統(tǒng)的控制核心，系統(tǒng)中必要的過程控制、電流和頻率的閉環(huán)控制及信號(hào)輸入輸出采集，都是由PLC系統(tǒng)完成[2]。變頻柜的功能是在PLC設(shè)定程序控制下，使輸出的電流和頻率達(dá)到需要值。制水機(jī)裝置是生產(chǎn)電磁攪拌器所需純水的設(shè)備，純凈水的硬度應(yīng)達(dá)到小于或等于10ppm。

2 實(shí)驗(yàn)條件分析

本實(shí)驗(yàn)是在大方坯連鑄機(jī)上完成鑄坯，尺寸為250×320毫米，足輥段長(zhǎng)度為430毫米，具體參數(shù)如下表所示。

表1 鑄柸實(shí)驗(yàn)具體參數(shù)

在具體生產(chǎn)過程中連續(xù)工藝參數(shù)和電磁攪拌具體參數(shù)如下表所示。

表2 實(shí)際生產(chǎn)工藝參數(shù)

完成取樣之后沿著方坯軸心方向鉆直徑為7毫米，深度為8毫米的孔作為樣品，以分析存在的中心偏析偏差。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（1）電磁攪拌器的磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)中心偏析的影響。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)過熱度較高時(shí)存在的中心偏析也較大，當(dāng)?shù)陀?5℃時(shí)偏析長(zhǎng)度較小，而高于25℃則偏析長(zhǎng)度顯著增加。由于鋼液澆筑溫度對(duì)等軸晶晶核長(zhǎng)大起重要作用，當(dāng)過熱度較低時(shí)澆筑會(huì)產(chǎn)生大量晶核，等軸晶長(zhǎng)大之后從一定程度上阻止柱狀晶進(jìn)一步發(fā)展，減輕中心偏析問題。按照結(jié)晶游離理論，在處于液相線情況下彎月面位置會(huì)出現(xiàn)晶核游離，如果過熱度較高時(shí)無(wú)法獲得良好的等軸晶體，且會(huì)增加鑄坯的中心偏析。除此之外，當(dāng)拉速提高時(shí)會(huì)降低中心偏析作用，在正常條件下拉速高于0.6米每分鐘時(shí)，會(huì)降低中心偏析作用，在實(shí)際生產(chǎn)過程中需要合理匹配過熱度和拉速。

同時(shí)當(dāng)對(duì)電磁攪拌器增加電流時(shí)會(huì)增加攪拌力，在流動(dòng)速度加快時(shí)會(huì)在短時(shí)間內(nèi)使過熱度消失，柱狀晶端部位置的溫度梯度逐漸減小，等軸晶增長(zhǎng)時(shí)凝固釋放的熱量，會(huì)從柱狀晶傳出，促使等軸晶生長(zhǎng)使中心偏析降低。

通過研究發(fā)現(xiàn)在電流為570～580A時(shí)，中心偏析作用較小。在本研究中發(fā)現(xiàn)電源頻率產(chǎn)生的影響對(duì)于中心偏析的具體情況是比較復(fù)雜的，由于結(jié)晶器存在磁屏蔽效應(yīng)，當(dāng)頻率較高時(shí)其穿透能力較低，攪拌能力越弱則改善這種中心偏析的作用越不明顯。通過研究發(fā)現(xiàn)使用低頻率進(jìn)行攪拌，在2.0～2.5Hz頻率下逐漸增加電源頻率，其產(chǎn)生的中心偏析作用較小。

（2）大方坯中心偏析原理及電磁攪拌的作用。針對(duì)上述鑄坯凝固存在的中心偏析問題，可以采取下列理論進(jìn)行分析：首先研究學(xué)者提出小鋼錠凝固理論，認(rèn)為由于存在枝晶搭橋的作用，會(huì)生成鋼錠結(jié)構(gòu)，會(huì)產(chǎn)生中心偏析和中心疏松這兩種作用。此外還存在溶質(zhì)元素析出和富集這種理論，主要認(rèn)為在鋼液中存在一些可溶元素，包括碳，錳，磷等，在一定范圍上完成溶解并可實(shí)現(xiàn)平衡性移動(dòng)，能夠從柱狀晶吸出這種可溶元素，將其排到未完全凝固的金屬液中水解，繼續(xù)會(huì)將經(jīng)過富集后的溶質(zhì)推向凝固中心，最終形成鑄坯中心偏析。還有鑄坯芯部空穴抽吸的理論，認(rèn)為在結(jié)晶的末期鑄坯由于出現(xiàn)液相逐漸向固相進(jìn)行改變，隨著體積收縮或者鑄坯鼓肚形成空穴，導(dǎo)致經(jīng)過富集后的溶質(zhì)元素鋼液被吸入芯部，進(jìn)而形成中心偏析問題。針對(duì)這些問題我們認(rèn)為由于鑄坯凝固是非平衡的過程，在固相中這些可溶的元素溶解度相比液相中要低，因此在開始凝固過程中液、固界面處會(huì)出現(xiàn)可溶元素析出，逐漸增加濃度，可溶元素向液相擴(kuò)散。

當(dāng)凝固前溫度梯度較大時(shí)則濃度梯度也越高，存在的可溶元素中心偏析程度也越大，而使用電磁攪拌裝置之后基于電磁作用力條件下，凝固前液相對(duì)流會(huì)逐漸加劇，這對(duì)狀柱狀晶生長(zhǎng)凝固之前存在沖刷作用，凝固前液相流動(dòng)能夠使母液與液固相液體相混合，進(jìn)而使溶質(zhì)濃度逐漸趨于穩(wěn)定。

這種情況下電磁攪拌能夠發(fā)揮以下作用：基于電磁作用力下，流速逐漸加快，過熱度在短時(shí)間內(nèi)快速消失，柱狀晶的端部溫度梯度逐漸減小，等軸晶在凝固釋放過程中強(qiáng)熱會(huì)由柱狀晶位置傳出，伴隨著攪拌過程的流動(dòng)帶走，加快等軸晶的生長(zhǎng)并擴(kuò)大其比例，使中心偏析逐漸降低。在電磁作用力下這種流動(dòng)會(huì)將生長(zhǎng)的樹枝晶沖斷，使其形成碎晶，在凝固之前粘附于柱狀晶體上，并在其固液相界面上生長(zhǎng)，進(jìn)而能夠阻止柱狀晶的繼續(xù)生長(zhǎng)。電磁攪拌作用力對(duì)于兩相存在一定的沖刷和清洗作用，會(huì)導(dǎo)致凝固界面存在不平整，很容易捕獲液相存在的自由晶體，在凝固界面進(jìn)行依附，并且以等軸晶的方式逐漸長(zhǎng)大，因此在使用電磁攪拌器結(jié)晶時(shí)，對(duì)擴(kuò)大等軸晶比例降低和大方坯中心偏析是十分重要的。

4 小結(jié)

通過本次研究表明在使用電磁攪拌的基礎(chǔ)上，針對(duì)降低過熱度，改善連鑄工藝參數(shù)能夠減小中心偏析，增加拉速可以減小中心偏析，針對(duì)電磁攪拌的工藝參數(shù)可以增加電流進(jìn)而增加攪拌力，來(lái)降低中心偏析，比如可以在2.0～2.5Hz下采用低頻方式進(jìn)行攪拌，進(jìn)一步降低大方配坯的中心偏析。