結晶器電磁攪拌對方坯中非金屬夾雜物去除的影響研究

王 勇

（四川機電職業技術學院材料工程系,四川 攀枝花 617000）

0 引言

方坯的潔凈度和夾雜物控制一直是煉鋼過程和煉鋼領域的主要關注熱點，煉鋼過程中產生的夾雜物對鋼的質量影響很大[1-5]。夾雜物的存在會導致鋼的成分、組織和性能分布不均勻。因此，在不同的應用場合，它會惡化鋼制品的力學性能和疲勞性能[6-7]。對鋼的機械性能如硬度、成形性、可加工等性能有害。鋼中的夾雜物主要是非金屬化合物，如硫化物、氧化物、硅酸鹽等[8-9]，是由鋼中溶解的元素之間的反應或其他來源如松散的雜質、破碎的耐火材料和陶瓷襯里顆粒污染鋼而產生的。電磁攪拌（EMS）作為控制凝固過程的有效手段，相關文獻[10-11]關注電磁攪拌對鑄坯的凝固組織、成分偏析、中心疏松及縮孔的影響，對于電磁攪拌對夾雜物的去除影響報道較少。筆者針對這種狀況，主要側重于檢測和表征低合金高強度鋼的非金屬夾雜物，探討了低合金高強度鋼在結晶器電磁攪拌過程中非金屬夾雜物的分離理論及結晶器電磁攪拌器的最佳操作參數。

1 去除夾雜物原理及試驗工藝

1.1 電磁攪拌去除夾雜物原理

電磁力會影響熔融金屬中非金屬夾雜物粒子的分布。如果電流或磁場的方向和大小發生改變，非金屬粒子受到的應力的方向和大小也會發生改變[11]。這將影響顆粒的傳輸速度，即顆粒與凝固界面之間的相對傳輸速度的變化，進而影響鑄坯[1]中夾雜物的分布。電磁力對結晶器內夾雜物分布的影響如圖1 所示。在不同力的作用下，鋼水中的粒子將經歷兩個速度分量：垂直分量vn和水平分量vx。粘性阻力會沿這兩個方向產生力分量，從而達到平衡。根據文獻[5]，當凝固速度大于運動速度vP，粒子(圖1 中以夾雜物B 表示)被吞沒在凝固前沿內。在相反的條件下(圖1 中包含A)，粒子將向前移動。vP的大小是由粒子的應力條件決定的，而速度vP會影響固體鋼內顆粒的分布。通過施加電磁場，可以實現對粒子的應力變化，因為電磁力可以得到比現有施加在粒子上的其他力大得多的值。由于電磁力可以為鋼液中的粒子產生一個超過粒子被凝固液體吞沒的臨界速率的傳輸速度，這種電磁力可以用來增強潛在夾雜物從熔融金屬中的分離。

圖1 電磁力對鋼液中夾雜物分布的影響Fig.1 Influence of electromagnetic force on the distribution of inclusions within molted steel

與電磁攪拌有關的旋轉磁場在鋼水中產生旋轉運動。這種旋轉運動所產生的漩渦促進夾雜物遠離鋼水的外緣，并促進它們向上移動到渣相層，在渣相層被收集起來。彎月形振動引起的彎月形區域內爐渣的滯留往往會在鋼表面產生夾雜物。通過選擇合適的位置來調整彎月面振動，以減少彎月面缺陷發生夾渣。因此，電磁攪拌可以加強從鋼水中去除非金屬夾雜物，這些夾雜物來源于脫氧產物、再氧化產物、難熔侵蝕材料、夾渣或噴嘴堵塞的結塊[6-8]。

1.2 試驗工藝

EMS 安裝在結晶器頂部以下300 mm 處，并連接到一個外部三相交流電源，工作頻率可調；攪拌方向為順時針；通過調整施加電流和電流的頻率，可以改變攪拌強度。EMS 的基本額定參數是功率4.8 kW，額定電流400 A，額定電壓310 V，EMS 頻率2～8 Hz。試驗在年產60 萬t 鋼的方坯連鑄機上進行，鑄坯斷面150 mm×150 mm，試驗鋼種為ML35 鋼，共試驗9 個爐號，每個爐號對應一個澆注工藝參數和電磁攪拌參數，澆注工藝參數見表1。

表1 連鑄澆注工藝參數Table 1 Process parameters for the continuous casting

2 結果與討論

通過對比試驗，分析了不同電流強度對方坯中夾雜物去除的影響。考慮到連鑄結晶器的額定EMS 電流為400 A，在3 Hz 的EMS 頻率下，試驗所用的EMS 電流分別為0、200、250、300 A。測定了120 個方坯樣品，并對其進行了能譜分析，研究了不同攪拌電流對方坯中夾雜物去除的影響。

2.1 電磁攪拌對非金屬夾雜物去除的影響

采用3 種不同的EMS 電流200、250 A 和300 A對方坯坯料進行了夾雜物分離和去除試驗，并采集樣品進行能譜分析。鋼中的缺陷，如夾雜物、偏析、氣孔、針孔等，由于其尺寸小或塑性變形，使其與鋼基體相連，肉眼難以識別。研究采用合適的刻蝕劑對缺陷和鋼基體進行選擇性刻蝕。由于缺陷與基體的侵蝕程度不同，樣品或紙張上的缺陷顏色與基體的顏色不同，肉眼即可辨別。結晶器內電磁攪拌過程中非金屬夾雜物在方坯坯料中的分布如圖2 所示（放大40 倍）。

由圖2 可以看出，當EMS 頻率為3 Hz，電流分別為0、200、250 A 和300 A 時，高強低合金鋼坯料中的非金屬夾雜物逐漸減少。試驗結果表明，當結晶器的電磁攪拌參數為300 A 電流和3 Hz 電磁攪拌頻率時，可大大減少鑄坯中的非金屬夾雜物。

圖2 不同EMS 電流下夾雜物分布（×40）（酸浸的低倍組織結果）Fig.2 Inclusions distribution under different EMS currents (×40)

2.2 鑄坯夾雜物能譜分析

圖3 是能譜樣取樣位置，試驗中結晶器電磁攪拌參數分別為I=200 A，f=3 Hz；I=250 A，f=3 Hz；I=300 A，f=3 Hz。

圖3 方坯能譜樣取樣位置Fig.3 Sampling locations of energy spectrum on billet

圖4 是沒有采用電磁攪拌時夾雜物能譜。由圖4 可知，鑄坯中的夾雜物從邊緣多高熔點夾雜物（如：Al2O3、CaS、高Al/Ca 比高的鈣鋁酸鹽夾雜），到心部逐漸變為多低熔點夾雜物（如：MnS、Al/Ca接近于1 的鈣鋁酸鹽夾雜）。夾雜物尺寸多在10 μm以下，大尺寸夾雜物多為Al2O3，最大尺寸達15 μm左右。

圖4 無電磁攪拌夾雜物能譜圖（I=0 A，f=0 Hz）Fig.4 Energy spectrum of the inclusion without electromagnetic stirring (I=0 A,f=0 Hz)

結晶器電磁攪拌參數I=200 A，f=3 Hz 下的鑄坯試驗結果見圖5。鑄坯夾雜物中出現SiO2、MgO。

圖5 SiO2、MgO 夾雜物能譜圖（I=200 A，f=3 Hz）Fig.5 Energy spectrum of the inclusion MgO (I=200 A，f=3 Hz)

結晶器電磁攪拌參數I=250 A，f=3 Hz 下的鑄坯試驗結果見圖6，鑄坯邊緣有CaS 夾雜物出現。

圖6 CaS 夾雜物能譜圖（I=250 A，f=3 Hz）Fig.6 Energy spectrum of the inclusion CaS (I=250 A，f=3 Hz)

結晶器電磁攪拌參數I=300 A，f=3 Hz 下的鑄坯試驗結果見圖7。圖7 顯示了鈣化效果較好的鋁酸鈣夾雜物能譜，在鑄坯內部夾雜物數量較少，有少量的鋁酸鈣夾雜物，鈣化效果也較好，鋁酸鈣在鑄坯中部多呈簇狀分布。

圖7 鈣化效果較好的鋁酸鈣夾雜物能譜圖（I=300 A，f=3 Hz）Fig.7 Energy spectrum of calcium aluminate inclusions with good calcification effect

根據夾雜物能譜分析，電磁攪拌參數：I=300 A，f=3 Hz 時的夾雜物能譜分析效果較好。由此可以得知，隨著電磁攪拌強度的增加，旋轉鋼水的沖刷作用及夾雜物的向心運動增強,使鑄坯中的夾雜物明顯減少，特別是鑄坯皮下部分的夾雜物的減少，將有利于提高軋制成材后的盤條表面質量。

2.3 對夾雜物含量、分布的影響

在現有工藝條件下,想完全去除鋼中的夾雜物是不可能的,盡管在煉鋼和爐外精煉時可以使夾雜物含量降到較低水平,但在澆鑄的過程中又會生成一些新的夾雜物 。從鑄坯缺陷產生的機理可知,鑄坯中非金屬夾雜物的主要來源是鋼水的二次氧化、鋼包及中間包的熔渣、結晶器保護渣、水口等熔損形成的外來夾雜物。采用電磁攪拌正是為了降低這些夾雜物的含量 。由于一般的夾雜物都比鋼液輕,在電磁力的作用下,可使它們向液相中心集結并上浮到彎月面被熔渣熔解 。同時,攪拌作用也使得與鋼液相接觸的保護渣經常得到更新,即使得鋼渣之間的接觸面積增加,因而上浮的夾雜物容易轉移到保護渣中,并被保護渣吸收 。

另外,電磁攪拌還可以使注入結晶器中的鋼液浸入深度變淺,使鑄坯表層及斷面上的夾雜物含量均降低。圖8 是某廠連鑄機采用M -EMS 澆鑄前后夾雜物分布對比。由圖8 可以看出,采用M -EMS 后，鑄坯夾雜物含量大幅度下降。采用錐形樣品進行超聲波檢測的結果為鑄坯夾雜物含量減少了35%。

圖8 采用和未采用M-EMS 對夾雜物分布影響的比較Fig.8 Comparison of inclusions distribution with and without M-EMS

3 結論

1)電磁力影響金屬熔體中非金屬夾雜物的分布。當電流或磁場的方向和大小改變時，非金屬顆粒受到的應力的方向和大小也會發生變化。電磁力影響顆粒的傳輸速度，進而影響鑄件中夾雜物的分布，促使夾雜物從鋼液中分離，被去除。

2)試驗表明，電磁攪拌能將方坯中的大部分非金屬夾雜物分離。在300 A 電流和3 Hz 頻率下，方坯中的非金屬夾雜物含量比不采用電磁攪拌降低35%。