電磁攪拌參數對大方坯20CrMnMoH碳偏析影響的研究

巨銀軍

（華菱湘潭鋼鐵有限公司，湖南 湘潭 411101）

國內某大型鋼廠新引進了1臺5機5流意大利達涅利大方坯連鑄機，斷面尺寸為350mm×430mm。為控制鑄坯碳偏析，裝備有“結晶器+凝固末端”組合式電磁攪拌，裝備有末端輕壓下以及重壓下對鑄坯中心偏析以及中心縮孔進行改善控制，連鑄機主要裝備條件如表1所示。在投產初期，為提高保淬透性合金結構鋼鑄坯質量，減少鑄坯碳偏析，本文經過多次對不同組合電磁攪拌工藝參數下的鑄坯以及軋制圓鋼進行全面的對比，確定了大方坯連鑄機最佳組合電磁攪拌工藝參數，顯著降低了生產的20CrMnMoH大方坯鑄坯碳偏析。

1 鋼種化學成分及生產工藝

本文研究保淬透性合金結構鋼20CrMnMoH，主要化學成分如表2所示。

主要生產工藝：鐵水預處理——轉爐→爐外精煉→真空處理→大方坯連鑄→鑄坯檢查→步進梁式加熱爐加熱→高壓水除磷→控軋、控冷→檢驗→入庫→發貨。

2 試驗方法

2.1 工藝參數對鑄坯C偏析的影響

影響C元素偏析的主要因素為：鋼水中包過熱度、組合電磁攪拌工藝參數、二次冷卻以及凝固末端輕壓下等[1，2]。在某大型鋼鐵廠新大方坯連鑄機投產初期，本文根據原始設計參數結合投產初期實際生產情況，在理論設計工藝參數的可調整范圍，對結晶器電磁攪拌和末端電磁攪拌工藝參數進行調整試驗，以確定最佳工藝參數。

2.2 試驗參數

如表3試驗參數所示，試驗1～4研究了不同組合電磁攪拌工藝參數下鑄坯低倍組織控制情況以及軋制圓鋼橫截面C偏析控制情況。

表3 試驗參數

2.3 試樣加工及分析方法

隨機選擇任意一流截取長250mm-300mm的鑄坯各1塊，切除端部火焰切割熱影響區后，截取厚度約 15 mm 的橫斷面低倍試樣1塊。試樣端面經車床銑磨后，磨削面不得有缺口和飛邊、毛刺。試樣靜置于酸洗槽中，注入工業鹽酸水溶液，完全浸沒試樣后，通蒸汽加熱，確認試樣檢測面酸蝕合格后，將試樣依次取出，試樣上的腐蝕產物可選用3%-5%碳酸鈣水溶液刷除，然后用水洗凈吹干，用于觀察鑄坯低倍組織。

350 mm×430mm大方坯20CrMnMoH連鑄坯軋制成直徑為Φ100mm圓鋼。取圓鋼橫截面試樣，通過用 OPA-100 原位分析儀進行原位分析，觀察試樣整個橫截面C元素的分布情況。

取圓鋼橫截面試樣，按圓心、1/2半徑和圓周位置，共9點取鐵屑試樣，如圖1所示。每個鐵屑試樣利用 LECO SC-144DR紅外碳硫分析儀分析鐵屑試樣碳含量。并計算圓鋼橫截面的碳極差。

同時取圓鋼橫截面試樣，按圓心、1/2半徑和圓周位置，共17點測量硬度值，如圖2所示。利用島津HMV-2T顯微硬度計檢驗硬度值，并計算圓鋼橫截面硬度極差。

表1 連鑄機主要裝備條件

表2 化學成分（%）

圖1 鉆孔位置示意

圖2 硬度打點位置示意

3 試驗結果及分析

3.1 鑄坯低倍組織

試驗1～4的鑄坯低倍酸洗效果如圖3～6所示，根據酸洗后觀察鑄的坯低倍組織，可以得出：試驗4鑄坯無中心縮孔，且鑄坯低倍等軸區面積在4組試驗中面積最大；試驗1鑄坯低倍中心縮孔最為嚴重；試驗2與試驗3鑄坯存在輕微中心縮孔，但鑄坯低倍等軸晶區域相對試驗4等軸晶區域面積要小。

圖3 試驗1低倍照片

圖4 試驗2低倍照片

圖5 試驗3低倍照片

圖6 試驗4低倍照片

3.2 圓鋼橫截面碳成分均勻性

350 mm×430mm大方坯20CrMnMoH連鑄坯軋制成直徑為Φ100mm圓鋼，取圓鋼橫截面進行原位分析，試樣如圖7所示，1#～4#試樣分別對應試驗1～4。對圓鋼橫截面C元素進行原位分析。

圖7 原位分析試樣

由原位分析得到20CrMnMoH圓鋼橫截面試樣的C元素分布二維等高圖，如圖8所示，C元素統計偏析度如表4所示。根據C元素分布二維等高圖與統計偏析度可知，C元素在1#試樣的偏析最大，其次是2#和3#試樣，偏析最小的是4#試樣，其中4#試樣統計偏析度最小，為0.054。

圖8 C元素二維等高圖

表4 C元素統計偏析度

圓鋼橫截面碳成分的分布如表5所示，分別對應試驗1～4工藝參數下，圓鋼橫截面上各位置( 表中數字1對應鑄坯中心位置) 處的碳含量分布情況。可以發現：試驗1鑄坯中心位置存在較嚴重的負偏析，鑄坯橫截面C極差最大0.051%，試驗2～3鑄坯中心位置負偏析有所改善，且橫截面C極差有所降低，試驗4鑄坯橫截面C極差最小為0.025%。

表5 圓鋼截面C成分分布[%]

圓鋼橫截面硬度的分布如圖9～12所示，分別對應試驗1～4工藝參數下，圓鋼橫截面上各位置處的硬度分布情況。可以發現：試驗1圓鋼截面硬度差最大為52HRB，試驗2～3圓鋼截面硬度差為有所降低，試驗4圓鋼截面硬度差最小，為22HRB。

圖9 試驗1圓鋼橫截面硬度分布

圖10 試驗2圓鋼橫截面硬度分布

圖11 試驗3圓鋼橫截面硬度分布

圖12 試驗4圓鋼橫截面硬度分布

3.3 電磁攪拌對鑄坯低倍及偏析的影響

連鑄電磁攪拌是通過在液態鋼水內部產生磁場，并且與鋼液相對運動而產生電磁力，從而促使鋼液運動的過程。由于電磁驅使鋼液運動，促使鑄坯液芯的高溫區和低溫區混合，快速降低鋼液過熱度，減小液相和固相的溫度梯度。此外，電磁攪拌還可以打斷凝固前沿的柱狀晶，促使晶核增多和等軸晶形成，從而達到提高鑄坯質量的作用[3]。

相關文獻采用實驗的方法研究了電磁攪拌對鑄坯宏觀偏析的影響。研究結果表明，合適的強制流動通過作用于二冷區鑄坯液芯，在枝晶熔斷和增值作用下，可促成鑄坯等軸晶區擴大和凝固組織的等軸化，有效地控制柱狀晶組織的垂直生長，并且不會引發明顯的宏觀偏析[4，5]。鑄坯內溶質分布特點表明，當攪拌區間較小時，在攪拌區開始處會產生明顯的負偏析，而在結束區域會導致溶質元素富集，而且這一現象與攪拌電流強度和元素濃度有關。對于中心線元素均勻性的研究表明，有限的攪拌可以有效降低鑄坯內部C、S、P元素的中心偏析，并且可以一定程度地均勻鑄坯橫截面的元素平均含量。

試驗1～4基于拉速為 0.9m/min、比水量為 0.20L/kg的工藝參數下，進行組合電磁攪拌工藝參數調整。對比試驗1～4，組合電磁攪拌參數M-MES電流350A，頻率2.5HZ；F-MES電流600A，頻率5HZ時，從圖3～6鑄坯低倍對比可以明顯看出試驗4鑄坯低倍等軸晶區面積最大。從圖8與表4原位分析結果也可以看出試驗4碳元素統計偏析度最小，同時表5數據與圖6～9表明圓鋼截面C成分的分布最均勻，C極差與硬度極差最小的均為試驗4。

綜上所述，當M-MES電流350A，頻率2.5HZ；F-MES電流600A，頻率5HZ時，某鋼廠新連鑄機生產的350mm×430mm大方坯20CrMnMoH鑄坯低倍等軸晶區面積最大，且碳成分分布最均勻，偏析最小。

4 應用效果

圓鋼截面C元素分布與硬度的均勻性是衡量鑄坯C偏析的好壞的一個重要參考依據，圓鋼截面C元素分布與硬度越均勻，C元素含量與硬度極差越小，證明鑄坯碳偏析越輕微。某鋼廠350mm×430mm大方坯20CrMnMoH采用M-MES電流350A，頻率2.5HZ；F-MES電流600A，頻率5HZ組合電磁攪拌生產的大方坯軋制圓鋼后，圓鋼截面C元素分布均，碳極差控制在0.025%以內，圓鋼截面硬度均勻，截面硬度控制在22HRB以內，滿足部分高端客戶20CrMnMoH鋼種圓鋼截面C極差小于0.03%，硬度小于25HRB的要求。

5 結論

（1）某鋼廠新連鑄機投產初期經過對比試驗，生產350mm×430mm大方坯 20CrMnMoH鋼的最佳工藝參數為：M-MES電流350A，頻率2.5HZ；F-MES電流600A，頻率5HZ

（2）采用最佳組合電磁攪拌工藝參數生產大方坯20CrMnMoH，軋制后的圓鋼截面C元素含量極差與截面硬度極差，均滿足高端客戶要求。