拉速和脈沖磁致振蕩對GCr15軸承鋼鑄坯質量的影響

任振海 朱富強 陳占領 李 亞

（中天鋼鐵集團有限公司，江蘇常州 213011）

連鑄坯的宏觀偏析和縮孔等缺陷影響軋制和退火工藝，嚴重時甚至不能通過有關加工工藝消除。控制連鑄坯的凝固過程是確保鋼材質量的關鍵工序［1-2］。但是，激烈的市場競爭和環保壓力要求企業不斷提高連鑄效率，從而產生提質與增效之間的矛盾［3］。

為提高鑄坯純凈度和表面質量，連鑄生產常采用二次精煉［4］、中間包加熱［5］、結晶器電磁攪拌［6］、非正弦振動等技術［7］，鑄坯凝固中心的偏析和縮孔問題則一般采用低過熱度澆注［8］、末端電磁攪拌和壓下技術［9-10］來解決。但對于特鋼連鑄，由于鋼種較多，加之連鑄工藝的變化，導致鑄坯心部凝固組織［11-13］及其末端部位的變化較大，很難應用末端攪拌和壓下技術。因此，對于特鋼連鑄，亟需更好的連鑄工藝和均質化技術，以有效控制鑄坯的凝固過程。

上海大學翟啟杰等在弄清脈沖電流細晶機制［14-15］的基礎上開發的脈沖磁致振蕩（pulsed magneto-oscillation，PMO）技術［16-18］，能有效提高鑄坯的等軸晶率并解決中心縮孔和偏析問題［19］。該技術利用磁致過冷效應促進金屬液形成大量的新晶核，從而細化凝固組織，也適用于細化鋼錠凝固組織［20-22］。由于PMO技術將感應線圈置于足輥下方，此處坯殼厚度變化較小，因此適用于多鋼種連鑄。中天特鋼在矩形坯連鑄機上采用該技術，軸承鋼、齒輪鋼等鑄坯均質化水平及其穩定性得到了大幅度提高［23-24］。

本文采用PMO技術進行了GCr15軸承鋼提高拉速對鑄坯質量影響的試驗，以期在保證鑄坯質量的前提下提高連鑄效率。

1 試驗材料與過程

試驗在中天特鋼0號連鑄機上進行，該鑄機為五機五流全弧形鑄機，弧形半徑10 m，鑄坯斷面尺寸為220 mm×260 mm，配置了結晶器電磁攪拌（M-EMS）、PMO和末端電磁攪拌（F-EMS），其中PMO感應線圈的安裝位置及基本原理見文獻［16，19，23-24］。

進行了兩組試驗，均開啟M-EMS和F-EMS。試驗中，第一流關閉PMO，其余4流開啟 PMO。具體的試驗參數見表1。

在大包澆注近50%時取樣。為保持對稱性，分別在第一流和第五流切割800 mm長鑄坯，再鋸切約30 mm厚鑄坯橫斷面作為低倍檢驗試樣。將低倍試樣磨平，用50%體積比的70℃鹽酸水溶液熱浸蝕45 min。鑄坯中心疏松和縮孔按YB／T 153—2015評級。根據橫斷面的縮孔位置確定鑄坯凝固中心，然后加工鑄坯縱剖面（長度400 mm，剖面距凝固中心4 mm），并鉆取用于檢測碳偏析的試樣，鉆孔深度8 mm，每個鑄坯取10點，鉆樣點間隔30 mm。采用LECO CS900紅外碳硫儀測定碳含量，每個試樣測2遍，取平均值。如碳的質量分數偏差超過0.02%，則測3遍，舍棄偏差最大的值，取2個近鄰值的平均值。鑄坯縱剖面取樣及鉆樣位置如圖1所示。

表1 GCr15軸承鋼的連鑄試驗參數Table 1 Parameters of continuous casting test for the GCr15 bearing steel

圖1 從鑄坯縱剖面鉆取碳偏析檢測試樣的示意圖Fig.1 Schematic diagram of taking carbon segregation test samples from longitudinal section of the billet

2 試驗結果

圖2是兩爐試驗鑄坯橫斷面的低倍組織。從圖2可以看出，未經PMO處理的鑄坯等軸晶數量明顯少于PMO處理的鑄坯，且中心都有集中縮孔。PMO處理坯的等軸晶區顯著擴大，中心縮孔幾乎消失，但疏松區擴大，這與等軸晶區擴大有關。

表2列出了兩種拉速條件下，鑄坯低倍檢測的等軸晶面積分數、中心疏松和縮孔級別。可以看出，PMO處理坯的等軸晶面積分數明顯高于未經PMO處理的鑄坯，為30%左右，中心疏松級別高于未經PMO處理鑄坯，但中心縮孔幾乎消除，而未經PMO處理的鑄坯中心縮孔較為嚴重。拉速提高，未經PMO處理鑄坯的等軸晶數量有所減少，中心疏松減少；PMO處理坯等軸晶區面積略有增加，中心疏松和縮孔沒有明顯變化。

圖2 GCr15鋼鑄坯橫截面的低倍照片Fig.2 Macrographs of cross-section of the GCr15 steel billet

表2 鑄坯低倍檢驗結果Table 2 Macroscopic test results of the casting billets

圖3為鑄坯中心碳偏析指數的軸向分布。對比圖3（a）和圖3（b）可以看出，PMO處理坯的中心碳偏析顯著少于未經PMO處理的鑄坯，碳偏析指數均在1.1以內。拉速提高，PMO處理坯的軸向中心碳偏析波動略有增大，但仍保持在1.1以內。拉速提高，未經PMO處理鑄坯的中心碳偏析更為嚴重，波動幅度增大，碳偏析指數最大值達1.27。

3 討論

如圖2（a～c）所示，提高拉速會使未經PMO處理鑄坯的柱狀晶區擴大，等軸晶區縮小，同時中心疏松減少。其原因為，試驗中按比例增加了二冷區配水，促進了鑄坯厚度方向的定向凝固，有利于柱狀晶生長。而柱狀晶由于排列整齊，致密度較高，故疏松減少。由于柱狀晶增多，導致固-液界面前沿更多的富集溶質的鋼液向鑄坯中心推移，使鑄坯心部碳偏析加重，如圖3所示。此外由于心部枝晶尺寸較大，易形成枝晶搭橋現象，使心部高溶質濃度液相被分隔在不同區域。隨著最后凝固階段的收縮，殘余液相被抽吸到枝晶網絡的不同間隙，因此心部偏析的波動范圍也隨之增大。

圖3 以不同拉速鑄造的PMO處理和未處理坯的中心碳偏析指數的軸向分布Fig.3 Axial distributions of central carbon segregation indexes for the billets treated and untreated with PMO produced at different casting speeds

如圖2（b～d）和圖3所示，提高拉速對PMO處理坯的等軸晶量和碳偏析的影響均較小。根據“結晶雨”理論［14，16，25］，PMO會促進鑄坯固-液界面前沿形核，晶核形成結晶雨堆積在鑄坯心部，從而顯著擴大了等軸晶區并細化晶粒。提高拉速對PMO線圈處的鑄坯坯殼厚度影響很小，因此PMO處理效果的差異不明顯。另外，由于等軸晶區的枝晶生長方向混亂，其致密度略低于柱狀晶區，因此PMO處理坯的中心疏松區擴大。

4 結論

（1）脈沖磁致振蕩（PMO）能有效抑制以0.78和0.82 m／min拉速生產的連鑄坯的中心缺陷，即中心縮孔減少、等軸晶比例保持在30%左右；而未經 PMO 處理的鑄坯等軸晶面積分數小于20%，中心縮孔較嚴重。

（2）PMO技術可顯著改善不同拉速生產的GCr15軸承鋼連鑄坯均質化水平，中心碳偏析指數能控制在1.1以下，且波動很小。