二冷電磁攪拌在車軸鋼大圓坯上的工業應用★

王松偉， 張錦文， 趙志剛

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司， 山西 太原 030009）

LZ50 車軸鋼廣泛應用于國內外鐵路客貨車輛車軸制造，是當下鐵路車軸系列品種中產量最大，用途最廣的鋼種。但因為其成分體系中碳含量恰好在0.50%附近，其凝固結構上柱狀晶十分發達，連鑄坯內弧側等軸晶比例極低[1]，容易出現穿晶現象，形成嚴重的中心縮孔。

電磁攪拌技術是連鑄過程中控制凝固結構及宏觀偏析的有效手段[2]。太鋼大圓坯連鑄機于2015 年建成投產，起初裝備有結晶器和末端電磁攪拌，但LZ50 車軸鋼生產中內弧一側柱狀晶過于發達，引起嚴重縮孔問題。為了改善鑄坯凝固結構，提高內弧側等軸晶比例，增加了二冷電磁攪拌（S-EMS）裝置。

1 主要技術參數

山西太鋼不銹鋼股份有限公司（以下簡稱太鋼）大圓坯連鑄機為全弧形鑄機，基本參數見表1，主要生產鐵路輪軸用鋼，其中LZ50 車軸鋼鑄坯選用Φ690 mm規格，生產試驗中鋼水成分范圍如表2 中所示。

表1 大圓坯連鑄機的基本參數

鑄機的二冷電磁攪拌裝置可安裝在弧形四段或五段上，主要參數見表3。

表2 LZ50 車軸鋼成分范圍 %

表3 S-EMS 拌裝置主要技術參數

2 應用效果

2.1 對鑄坯等軸晶比例的影響

一般認為電磁攪拌技術通過打碎枝晶增加形核、均勻液相溫度來促進等軸晶轉變[3]，合理的電磁攪拌可有效增加連鑄坯凝固的等軸晶。圖1 為LZ50車軸鋼裝備S-EMS 前后的鑄坯內弧側等軸晶情況，增加S-EMS 后內弧一側等軸晶區長度由未裝備時的50 mm 提高至134 mm，效果顯著。

圖1 裝備S-EMS 前后圓坯內弧側等軸晶比例對比

2.2 對鑄坯中心縮孔的影響

鑄坯縮孔是凝固末期鋼液無法補充自然收縮而引起，圖2 為使用S-EMS 前后鑄坯縱剖低倍上中心200 mm 寬度范圍內低倍照片，使用S-EMS 后縮孔程度明顯減輕。對該寬度范圍內的縮孔進行統計，結果如圖3 所示，10 mm 以上縮孔基本消除，5 mm 以下縮孔數量則明顯增多。等軸晶比例提升后，凝固自然收縮的體積被分散在整個等軸晶區域內，從而提高鑄坯中心質量。

圖2 裝備S-EMS 前后圓坯縱剖低倍質量對比

圖3 裝備S-EMS 前后圓坯縱剖低倍縮孔對比

3 關鍵參數討論

3.1 白亮帶問題控制

對于LZ50 車軸鋼而言，因為其成分特點，凝固柱狀晶十分發達，S-EMS 施加過程中，強制流動的鋼液沖刷凝固前沿，極易產生白亮帶問題[4]。圖4 為鑄機弧形4 段裝備S-EMS 后生產中出現的白亮帶低倍圖片。白亮帶的產生主要與電磁攪拌強度直接相關，實踐中通過減小電流、調低頻率、施加換向等措施來降低攪拌強度，消除白亮帶。

3.2 攪拌位置對二冷攪拌效果的影響

應用中發現，S-EMS 的安裝位置對其攪拌效果的影響最為顯著。表4 為不同工藝條件下LZ50 車軸鋼大圓坯內弧側等軸晶比例統計情況，S-EMS 安裝在鑄機弧形5 段時（白亮帶大小計算液芯比例為26%），并不能起到增加等軸晶比例的作用，前移至弧形4 段后（白亮帶大小計算液芯比例為46%）則攪拌效果顯著。

圖4 二冷攪拌白亮帶問題

表4 不同S-EMS 工藝條件下等軸晶統計結果

4 結論

1）施加S-EMS 可將LZ50 車軸鋼Φ690 mm 大圓坯的內弧側等軸晶比例提升至30%左右，達到基本消除10 mm 以上縮孔的效果。

2）S-EMS 出現的白亮帶問題可通過減小攪拌電流、調低攪拌頻率、施加換向等措施進行控制。

3）S-EMS 的安裝位置對其攪拌效果影響最為顯著，45%液芯附近是適宜的安裝位置。