輥式電磁攪拌器在不銹鋼板坯連鑄上的應用研究

沈長華，張凱，任繼權(quán)

（湖南科美達電氣股份有限公司，湖南 岳陽 414000）

奧氏體不銹鋼鑄坯柱狀晶發(fā)達，馬氏體、鐵素體次之。奧氏體不銹鋼中間包溫度控制是關鍵，過熱度過高，柱狀晶愈加發(fā)達，成分偏析加重，此時，如二冷水偏大易產(chǎn)生縮孔。過熱度過低，熱容量低，拉速控制不好，而剩余鋼水多，且鋼水黏度增大，鑄坯中心搭橋，也易產(chǎn)生縮孔。不銹鋼凝固過程中柱狀晶生長發(fā)達，在后期的成形中柱狀晶粒難以再結(jié)晶，從而會在表面產(chǎn)生“褶皺”或“瓦楞狀”缺陷。這種缺陷的產(chǎn)生原因與鑄坯等軸晶率息息相關。鑄坯等軸晶率的提高，可以有效地控制不銹鋼成品的“褶皺”或“瓦楞狀”缺陷，而二冷區(qū)輥式電磁攪拌對鑄坯等軸晶率的提高非常有效。

1 輥式電磁攪拌的簡述

板坯輥式電磁攪拌技術最早源于法國ROTELEC公司，國內(nèi)連鑄機引入輥式電磁攪拌技術是在20世紀80年代。由于輥式電磁攪拌器的能耗低、結(jié)構(gòu)緊湊、易于安裝和工藝應用范圍寬等特點，輥式電磁攪拌器是板坯連鑄應用最廣泛的一種攪拌器，在解決鑄坯芯部質(zhì)量和放寬連鑄工藝等方面均有顯著的效果。

目前，板坯連鑄輥式電磁攪拌技術的應用也具有多樣性，主要表現(xiàn)為設備數(shù)量的多樣性，如連鑄機配置1對輥、2對輥、3對輥；安裝型式的多樣性，有2對相鄰的面對面安裝的，有2對或3對分列于扇形段入口和出口的；安裝位置的多樣性，為了提高等軸晶率而安裝在扇形0段出口，為了改善鑄坯中心偏析而安裝在扇形3～5段的；攪拌模式的多樣性，有傳統(tǒng)的三環(huán)和雙蝶模式，有分節(jié)輥的多模式攪拌。

近年來，輥式電磁攪拌器在連鑄冶金上得到了越來越多的認可，是有效提高優(yōu)特鋼質(zhì)量的方法之一。目前，輥式電磁攪拌器在最寬的3150mm、最厚為475mm連鑄機均得到了成功應用。輥式電磁攪拌系統(tǒng)是由核心的輥式攪拌器、配套的電控系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)組成。

2 輥式電磁攪拌的關鍵技術

（1）輥式電磁攪拌器輥套的剛度、耐磨、耐高溫設計，取決于輥套材質(zhì)的選取、熱處理工藝及機械結(jié)構(gòu)的合理性。輥式電磁攪拌器的機械強度、磨損程度、運轉(zhuǎn)狀況，對連鑄機的穩(wěn)定運行與否、鑄坯質(zhì)量好壞有著關鍵性的影響。輥縫、對弧波動的控制精度不理想，會造成結(jié)晶器液面波動，出現(xiàn)鑄坯夾渣缺陷、鑄坯鼓肚，加大中心偏析、裂紋的產(chǎn)生。

（2）輥式電磁攪拌器的動密封摩擦副的結(jié)構(gòu)設計，密封面的表面精度要求和材質(zhì)的選取，是有效保證輥式電磁攪拌器油路和水路的隔離。

（3）感應器的內(nèi)屏蔽技術，提高了輥套內(nèi)的空間利用率，使用感應器磁場的效率更高，并可以避免輥式電磁攪拌器對連鑄機產(chǎn)生電磁干擾。

（4）感應器采用先進的多次真空浸漆工藝，使絕緣漆的填充性能好，提高線圈的絕緣性能，延長了線圈的使用壽命。

（5）磁場和流場的耦合仿真計算，磁路的優(yōu)化設計，使用磁場分布合理有效，將電磁力優(yōu)化至最大。

（6）輥式電磁攪拌電控系統(tǒng)的電源質(zhì)量，尤其專用變頻電源的電氣性能，行波磁場的兩相電流的平衡度不超過3%，短路保護的響應時間不超過10us等，是有效保證電氣設備的穩(wěn)定性和攪拌力的均衡性。

3 輥式電磁攪拌在不銹鋼板坯連鑄上的應用

3.1 輥式電磁攪拌430不銹鋼板坯連鑄上的應用

該連鑄機主要生產(chǎn)400系不銹鋼，而400系不銹鋼鑄坯厚度方向上容易形成穿晶現(xiàn)象，柱狀晶異常發(fā)達，使得中心疏松也明顯，甚至出現(xiàn)縮孔現(xiàn)象，后續(xù)成形的最終產(chǎn)品質(zhì)量難易控制。該連鑄機的主要參數(shù)如表1所示。

表1 連鑄機的主要參數(shù)

該連鑄機安裝兩對輥式電磁攪拌器，替換連鑄機扇形段的連鑄輥。從而使輥式電磁攪拌器直接與鑄坯接觸，通過電磁感應的原理，對鋼水進行攪拌，打斷柱狀晶，生成更多的晶核，形成等軸晶率。第一對輥式電磁攪拌器（EMS1）安裝于扇形1段的1#輥位，距離結(jié)晶器彎月面2513mm；第二對輥式電磁攪拌器（EMS2）安裝于扇形1段的6#輥位，距離結(jié)晶器彎月面3763mm。第一對輥的輥位線性熔芯比例最大可以達48.5%，輥式電磁攪拌器的電磁力有一定的作用范圍，安裝在扇形1段的1#、6#輥位的輥式電磁攪拌器時，430不銹鋼的等軸晶率有望提高至50%以上。

430不銹鋼的液化溫度約1500℃，過熱度為30±5℃，中間包的控制目標溫度為1530℃。針對不同的中間包溫度，澆鑄速度不同，中間包溫度越高，澆鑄速度越慢。該連鑄機澆鑄速度為0.5～0.75m/min，鋼水的主要成分如表2所示。

表2 鋼水主要成分（%）

從430不銹鋼鑄坯的低倍（圖1）可以看出來，未通過電磁攪拌作用時，鑄坯的柱狀晶發(fā)達，延伸至鑄坯中間，有“搭橋”現(xiàn)象，并伴隨著中間疏松、縮孔。通過兩對輥式電磁攪拌作用后，加速了鋼水的流動，阻礙了柱狀晶的生長，且電磁推力可以打碎已經(jīng)初生的樹枝晶，促使游離的晶核生成，生成更多的等軸晶，鑄坯等軸晶率有大大的提高，且無疏松和縮孔。

圖1 430不銹鋼鑄坯低倍照片

從不同連鑄工藝條件和攪拌參數(shù)的低倍取樣記錄中（表3）可以看出，輥式電磁攪拌器可以適用不同的鋼水過熱度，不同的拉速。當鋼水的過熱度低時，在輥式電磁攪拌器的作用下，鑄坯的等軸晶率更高。輥式電磁攪拌器在達到一定的冶金效果的同時，可以放寬連鑄工藝條件，使連鑄生產(chǎn)的節(jié)奏更好控制，可以提高生產(chǎn)效率，節(jié)約工藝控制成本。

表3 不同工藝條件和攪拌參數(shù)的低倍取樣記錄

3.2 輥式電磁攪拌在雙相不銹鋼板坯連鑄上的應用

雙相不銹鋼是在其固溶組織中鐵素體相與奧氏體相約各占一半，一般量少相的含量也需要達到30%。在含C較低的情況下，Cr含量在18%～28%，Ni含量在3%～10%。雙相不銹鋼兼有奧氏體和鐵素體不銹鋼的特點，是具有優(yōu)秀的力學特性、較好的抵抗氯化物腐蝕能力，并在耐腐蝕疲勞方面表現(xiàn)優(yōu)異的一種節(jié)鎳不銹鋼。

該連鑄機生產(chǎn)的雙相不銹鋼為022Cr23Ni5MoN(2205)。增加輥式電磁攪拌的目的主要是為增加鑄坯的等軸晶率，故輥式電磁攪拌器的安裝位置，在不影響液面波動的前提下離結(jié)晶器彎月面越近越好。該連鑄機生產(chǎn)的鑄坯規(guī)格為1550mm×200mm。根據(jù)連鑄機的連鑄輥直徑和輥式電磁攪拌器感應器大小的特性，輥式電磁攪拌器安裝在連鑄機扇形1段。共配置兩對輥式電磁攪拌器，目的是為了防止第一對輥式電磁攪拌器攪拌后，鑄坯產(chǎn)生二次柱狀晶，為更好地調(diào)控連鑄工藝參數(shù)，如鋼水的過熱度、連鑄機的拉速及二冷區(qū)的冷卻強度。兩對輥式電磁攪拌器分別安裝在扇形1段的入口和出口。

輥式電磁攪拌器的輥套直徑為240mm，額定電壓380V，額定電流500A，兩輥內(nèi)側(cè)相距200mm時，中間磁感應強度為900Gs（圖2）。

圖2 安裝在扇形段上的輥式電磁攪拌器

輥式電磁攪拌器運行穩(wěn)定后，經(jīng)過現(xiàn)場工藝的多次調(diào)整，電流480A，頻率4Hz，攪拌模式為三環(huán)、交替，一個方向攪拌12s，停1s后，相反方向攪拌12s，為最佳攪拌參數(shù)。通過酸洗低倍取樣發(fā)現(xiàn)，通過輥式電磁攪拌的作用后，雙相不銹鋼鑄坯等軸晶率高達63%（表4和圖3）。

表4 輥式電磁攪拌器的主要參數(shù)

圖3 雙相不銹鋼低倍照片

4 結(jié)語

（1）通過輥式電磁攪拌器在不銹鋼的實踐應用，可以使用的430不銹鋼和雙相不銹鋼的等軸晶率達50%以上。（2）在低過熱度的情況下，鑄坯可以獲得更高的等軸晶率。（3）輥式電磁攪拌器的運行參數(shù)、配置數(shù)量、安裝位置是影響鑄坯等軸晶率的重要因素。（4）鋼水的過熱度、連鑄機拉速及二冷強度等工藝參數(shù)對鑄坯的等軸晶率和偏析等有較大的影響，輥式電磁攪拌對鑄坯的作用需進一步地研究和實踐。