電磁攪拌對中碳錳鋼圓坯成分偏析的影響

宋景凌，劉全勝，付 劍，楊澤世，薛波濤

（1.衡陽華菱鋼管有限公司，湖南衡陽421001；2.中南大學資源加工與生物工程學院，湖南長沙410083）

電磁攪拌就是借助在連鑄坯液相穴內感生的洛倫茲力，強化液相內鋼液的流動，從而強化鋼液的對流傳熱和傳熱傳質的過程，近而掌控連鑄坯凝固傳熱過程，它對改善連鑄坯質量問題起到了積極的作用，成為連鑄的重要手段。冶金工作者在該領域開展了多項相關研究。

桂仲林[1]研究了二冷汽霧冷卻和全水冷卻條件下拉速、比水量和結晶器電磁攪拌對SWRH82B碳偏析指數(shù)的影響，得出比水量為1.6 L/kg，拉速為1.7 m/min，結晶器電磁攪拌350 A/3Hz為最佳參數(shù)，鑄坯中心碳偏析平均指數(shù)達到最小值1.05。孫彥輝[2]開展了優(yōu)化軸承鋼連鑄結晶器電磁攪拌工藝參數(shù)的試驗，研究發(fā)現(xiàn)，大方坯心部和邊部均為負偏析，1/4處為正偏析，320 mm×480 mm大方坯碳偏析指數(shù)基本在0.87～1.05，軋材碳偏析指數(shù)基本在0.94～1.03。龐永剛[3]研究了電磁攪拌對小方坯連鑄生產(chǎn)45#鋼低倍組織和碳成分偏析的影響，研究發(fā)現(xiàn)：電磁攪拌的應用可以有效提高連鑄小方坯的內部質量，提高中心等軸晶比率，承鋼連鑄生產(chǎn)45#鋼應用電磁攪拌后鑄坯中心等軸晶率平均提高了14.4%。王彪[4]研究發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過末端電磁攪拌的連鑄坯試樣中心，碳和硫的偏析程度與未經(jīng)過末端電磁攪拌的試樣相比有不同程度的減輕，冶金效果比較理想。陳永，朱苗勇[5]等人利用80 mm×80 mm方坯建立數(shù)學模型，分析結晶器內電磁的分布特征，以及改變電流強度和頻率對電磁場和電磁力的影響。

某鋼管公司于2005年引進達涅利技術，設計投產(chǎn)3#連鑄機，生產(chǎn)Φ（220～330）mm規(guī)格管坯供Φ340mm連軋管機組使用，配備了結晶器電磁攪拌（外置式、連續(xù)攪拌）；2015年自主設計了Φ250mm規(guī)格管坯以適應公司品種開發(fā)需要；2016年對電磁攪拌控制系統(tǒng)進行改造，使其具備交替攪拌方式；本文針對37Mn系列連鑄圓管坯生產(chǎn)進行電磁攪拌參數(shù)調整，分析其對管坯橫截面化學成分偏析的影響。

1 技術方案及連鑄機主要參數(shù)

1.1 工作原理

電磁攪拌技術因其具有不接觸鋼液而在鋼液中產(chǎn)生攪拌作用的優(yōu)點，在連鑄工藝上得到了廣泛的應用[6]。旋轉攪拌器類似于異步電機的定子，而鋼水類似于電機的轉子。借助在鑄坯的液相穴內感生的電磁力，強化液相穴鋼水的運動，旋轉吹刷凝固前沿的柱狀晶，被打碎的柱狀晶進入鋼液，形成形核中心；同時凝固前沿的鋼液溫度均勻降低，使結晶速度加快，并形成大量的等軸晶，使凝固組織更加致密、均勻，從而改善鑄坯內部質量。

1.2 試驗方案

3#連鑄機生產(chǎn)的管坯主要供Φ340 mm連軋管機組使用，工藝路線為：90t電弧爐（EBT）→100t爐外精煉（LF+VD）→弧形連鑄，連鑄機主要參數(shù)見表1。

本文通過調整電磁攪拌電流、攪拌方式，評價不同電磁攪拌情況下鑄坯的碳含量偏析。目前常規(guī)工藝各規(guī)格結晶器冷卻水量、電磁攪拌參數(shù)設置、中間包過熱度各范圍與對應拉速控制見表2。試驗共進行了12爐，不同爐次修改電磁攪拌參數(shù)在Ⅰ流取鑄坯樣。

表1 3#連鑄機主要設備工藝參數(shù)

1.3 分析方法

表2 常規(guī)工藝各規(guī)格連鑄工藝參數(shù)控制

（1）鑄坯樣橫截面車削加工刨平后，在內外弧方向中心線鋸切20 mm×30 mm試樣、從內弧側到外弧側分別編號，共計157個試樣，采用光譜儀對鑄坯不同位置的化學成分進行分析，鑄坯樣橫截面取樣點位置如圖1所示。

（2）計算取樣點碳含量最大值與最小值的極差，并統(tǒng)計超過鋼種碳含量工藝要求的范圍上、下限值的點數(shù)。

2 試驗結果及分析

2.1 成分偏析綜合分析

試驗爐號中間包取成品樣碳含量，連鑄工藝參數(shù)，取樣點碳含量最大、最小值等數(shù)據(jù)分析結果見表3。

圖1 鑄坯樣橫截面取樣點位置

表3 試驗爐號結果分析

將表3數(shù)據(jù)按電磁攪拌電流、攪拌方式不同，分析對鑄坯成分偏析情況見表4。

表4數(shù)據(jù)分析：攪拌電流280A與380A比較，碳含量極差平均值高0.020%，說明攪拌電流較小，攪拌作用效果較弱；3種攪拌方式各試驗4爐，8S→3S→8S交替方式碳含量極差平均值相對較低。同時，攪拌電流或攪拌方式不同，碳含量極差平均值較高的參數(shù)設置，各取樣點超過鋼種碳含量工藝要求的范圍的點數(shù)比例也較高。其中3爐攪拌電流380A、8S→3S→8S交替攪拌方式的碳含量極差平均值為0.058%，因此，此種電磁攪拌參數(shù)組合方式對改善鑄坯成分偏析的效果較好。

表4 鑄坯成分偏析情況

2.2 同一澆次不同攪拌方式碳含量偏析對比

（1）同一澆次的Φ250 mm規(guī)格37Mn/1鋼，在同一澆次第8、9、10爐相同攪拌電流380A的條件下，分別調整不同攪拌方式，取鑄坯樣分析8S→3S→8S、15S→5S→15S、連續(xù)，3種攪拌方式碳含量極差分別為0.058%、0.068%、0.091%，呈上升趨勢，各點碳含量對比情況見圖2，各爐碳含量較高點在鑄坯橫截面半徑的一半位置且基本對稱分布[2]。

圖2 Φ250 mm規(guī)格37Mn/1鋼不同攪拌方式碳偏析情況對比

（2）同一澆次的Φ280 mm規(guī)格37Mn/2鋼，在同一澆次第1、2、3爐相同攪拌電流380A的條件下，分別調整不同攪拌方式，取鑄坯樣分析8S→3S→8S、15S→5S→15S、連續(xù)，3種攪拌方式碳含量極差分別為0.053、0.071、0.078，呈上升趨勢，各點碳含量對比情況見圖3，與圖2類似，各爐碳含量較高點在鑄坯橫截面半徑的一半位置且基本對稱分布：

圖3 Φ280 mm規(guī)格37Mn/2鋼不同攪拌方式碳偏析情況對比

3 結論

（1）通過調整電磁攪拌電流、攪拌方式，取鑄坯樣在橫截面內外弧方向中心線鋸切20mm×30mm試樣157個，采用光譜儀對不同位置的化學成分進行分析：攪拌電流280A與380A比較，碳含量極差平均值高0.020%，說明攪拌電流較小，攪拌作用效果較弱；8S→3S→8S交替、15S→5S→15S交替、連續(xù)攪拌3種方式，碳含量極差平均值呈上升趨勢；其中3爐攪拌電流380A、8S→3S→8S交替攪拌方式的碳含量極差平均值為0.058%，說明此種電磁攪拌參數(shù)組合方式對改善鑄坯成分偏析的效果較好。

（2）攪拌電流或攪拌方式不同，碳含量極差平均值較高的參數(shù)設置，各取樣點超過鋼種碳含量工藝要求的范圍的點數(shù)比例也較高。

（3）分別對比同一澆次的Φ250 mm規(guī)格37Mn/1鋼、Φ280 mm規(guī)格37Mn/2鋼各3爐，在相同的380A攪拌電流情況下，采用3種不同攪拌方式，各爐碳含量較高點在鑄坯橫截面半徑的一半位置且基本對稱分布。