矩形連鑄坯末端電磁攪拌參數(shù)工藝優(yōu)化

王際桂

（唐山鋼鐵集團有限責任公司，河北 唐山 063000）

在連鑄生產中，廣泛采用電磁攪拌來改善連鑄坯的中心疏松和中心偏析等缺陷，擴大等軸晶區(qū)，從而提高連鑄坯質量。為獲得最佳的鑄坯表面和內部質量，唐山鋼鐵集團有限責任公司（以下簡稱唐鋼）4號矩形坯連鑄機配置了結晶器電磁攪拌和凝固末端電磁攪拌系統(tǒng)。但在生產中發(fā)現(xiàn)250 mm×360 mm斷面連鑄坯低倍樣有明顯的白亮帶負偏析框，中心偏析嚴重。為了驗證末端電磁攪拌的攪拌參數(shù)是否合適，能否有效發(fā)揮其冶金效果進行了一系列的試驗。通過試驗找出了最合理的攪拌參數(shù)。

1 連鑄機配置及工藝條件

矩型坯連鑄機為半徑為12 m 的四機四流全弧形連鑄機，鑄坯主要生產斷面：250 mm×360 mm、320 mm×460 mm 矩形坯，鑄流間距2 200 mm，設計拉速0.3～3.0 m/min,管式結晶器800 mm，連鑄機配備結晶器液面自動控制和結晶器、末端電磁攪拌裝置，末端電磁攪拌試驗中結晶器電磁攪拌參數(shù)為電流300 A，頻率3 Hz 固定不變。澆注250 mm×360 mm斷面時拉速設定值1.1 m/min。

2 末端電磁攪拌試驗

2.1 試驗方法及評價原則

首先根據(jù)連鑄坯低倍樣白亮帶距坯殼位置判斷末攪安裝位置是否合理。其次澆注同一爐號，同一拉速、結晶器電磁攪拌和冷卻水拌參數(shù)等相同情況下，不同鑄流間不經末端電磁攪拌或使用不同的末端電磁攪拌參數(shù)和攪拌方式，取對應連鑄坯低倍樣，觀測低倍中心碳偏析和白亮帶情況，并用4 mm 鉆頭鉆樣做碳硫分析。試驗中根據(jù)低倍質量、白亮帶明顯程度和碳偏析情況作為評價電磁攪拌效果好壞的指標；采用碳硫分析方法考察中心碳偏析程度時，以熔煉成分碳含量為基準計算中心碳偏析指數(shù)。

2.2 末端電磁攪拌安裝位置分析

末端電磁攪拌位置太靠前，鑄坯中心仍存在較大比例的液相區(qū)，此時的攪拌實際上是二冷段攪拌，在后期凝固過程中低的晶間濃化鋼液重新聚集鑄坯中心，形成中心偏析和縮孔；攪拌位置太靠后，糊狀區(qū)變稠，末端電磁攪拌難以攪動凝固末期的鋼液而達到改善中心質量的目的[1]。

唐鋼4 號連鑄機末端電磁攪拌器安裝位置距結晶器鋼水彎月面8.9 m，位置固定，只能通過改變拉速來調節(jié)凝固終點位置，使F-EMS 更好的發(fā)揮作用。

白亮帶的形成是由于電磁攪拌產生的流股沿凝固前沿流動，把兩相區(qū)樹枝晶間富集溶質的母液沖刷除去而造成的。白亮帶的外邊界對應于鑄坯進入攪拌區(qū)時凝固前沿。白亮帶距坯殼距離近似進入攪拌器時的坯殼厚度，計算公式為：

式中：δ 為坯殼厚度（白亮帶距坯殼距離），mm；k 為綜合凝固系數(shù)，mm/min1/2；t 為凝固時間，min；l 為結晶器鋼液面到測量點的距離（8 900）mm；v 為連鑄坯拉速，m/min。

試驗鋼種Q355B,比水量0.4 L/kg，拉速1.1 m/min。根據(jù)白亮帶距坯殼距離計算試驗鋼種在末端電磁攪拌安裝位置，連鑄坯凝固率約0.78～0.81，液芯厚度77～86 mm，約為連鑄坯厚度的31%～34%。

根據(jù)蔡開科所講，認為：

1）固相率fS為0.3～0.8（從過熱度△T=0 開始，fS=0）；

2）凝固率fe為0.7～0.8（從結晶器彎月面凝固開始，fe=0）；

3）液相穴尾部中心兩相區(qū)寬為40～55 mm；

4）液芯厚度大約是鑄坯厚度的1/3 的末攪安裝位置比較合理[1]。

由此可見，針對上述鋼種在設定拉速下，末端電磁攪拌位置還是比較合適的。

2.3 末端電磁攪拌參數(shù)優(yōu)化試驗

末端電磁攪拌是通過電磁力對鋼液凝固前沿的糊狀區(qū)實施強有力的攪拌，對鑄坯心部即將凝固的固液兩相區(qū)作用，使偏析金屬更趨均勻以減小偏析。由于凝固前沿糊狀區(qū)鋼液黏度較大，如果電磁力太小，不能攪動鋼液，則電磁攪拌的冶金效果不能充分發(fā)揮，而如果攪拌的過于劇烈就會對兩相區(qū)產生強烈沖刷，沒有凝固的枝晶間富含溶質的液體向中心流動，會造成攪拌區(qū)域的負偏析和更加嚴重的中心正偏析[2]。

2.3.1 取樣方法

末攪試驗依舊采用Q355B 鋼種，比水量0.4 L/kg，拉速1.1 m/min，其他工藝參數(shù)不變情況下，末端電磁攪拌通過不同參數(shù)正交試驗。為定量的查看連鑄坯的碳偏析情況，對連鑄坯低倍樣鉆樣做碳硫分析。試驗采用4 mm 鉆頭進行鉆樣。

取樣方法：取樣位置包括對角線方向和斷面縱、橫中心線方向，取樣點分別是以鑄坯幾何中心為圓心，以對角線或縱橫中心線為直徑的1/4 半徑、1/2半徑、3/4 半徑及靠近坯殼點，目的是查看整個鑄坯斷面偏析嚴重位置、程度以及觀察不同方向連鑄坯從坯殼到幾何中心的碳偏析規(guī)律。

2.3.2 低倍樣結果及分析

從低倍樣結果可以看出，經過末攪的低倍樣有白亮帶，除鋼水過熱度影響外，亮度隨攪拌強度減弱變得不明顯，中心偏析、中心疏松等級也有所降低。無末攪的則沒有白亮帶，原參數(shù)380 A 8 Hz 下的中心偏析、中心疏松等級比沒有經過末攪的還高。

圖1 試驗參數(shù)下低倍樣質量

2.3.3 碳硫分析結果及分析

以熔煉成分的碳含量為基準做中心碳偏析度計算，隨著攪拌強度降低，中心碳偏析度呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，在攪拌參數(shù)為200 A 8 Hz 交替攪拌模式下中心碳偏析出現(xiàn)最低值（見圖2），380 A 8 Hz、300 A 8 Hz 中心碳偏析度甚至比沒有經過末端電磁攪拌的中心碳偏析還要嚴重，證明原攪拌參數(shù)相對攪拌強度太大，造成了更嚴重的中心正偏析。

圖2 試驗參數(shù)下中心偏析及疏松情況

通過碳硫分析各點碳含量，可以看出從鑄坯表面到中心呈現(xiàn)低-高-低-高的“N”形碳偏析（見圖3），這與理論相符。

圖3 N 形碳偏析規(guī)律

根據(jù)電磁攪拌理論，一般經過末端電磁攪拌時，在以鑄坯幾何中心為圓心的同一圓周上，3/4 半徑和1/2 半徑時極差最大，1/4 半徑極差最小，沒有末端電磁攪拌的則相反[3]。而380 A 8 Hz 和300 A 8 Hz 攪拌參數(shù)下所取低倍樣做碳硫結果從鑄坯的1/4 半徑到幾何中心碳偏析最大，這也驗證了原參數(shù)380 A 8 Hz下，末端電磁攪拌強度太大，導致中心碳偏析嚴重。

從連鑄坯中心碳偏析看，攪拌參數(shù)200 A 8 Hz交替攪拌中心偏析最小，220 A 6 Hz 交替攪拌效果與其相差不大，這時攪拌效果最好，中心疏松等級低，參數(shù)較為合理。低于攪拌強度200 A 6 Hz 時（如160 A 6 Hz 交替攪拌，中心碳偏析接近1.20），中心碳偏析變大，分析認為這主要是由于攪拌強度太弱，末端電磁攪拌冶金效果沒有發(fā)揮出來造成的。

經碳硫分析并結合低倍結果分析認為：250 mm×360 mm 斷面，拉速1.1 m/min 下，末端電磁攪拌參數(shù)200 A 8 Hz 交替攪拌時，白亮帶不明顯，疏松較輕，中心碳偏析小，攪拌參數(shù)最為合理。

3 結論

1）通過此次末端電磁攪拌試驗，證明在使用結晶器和末端電磁攪拌作用下，連鑄坯中心偏析和中心疏松嚴重的主要原因是末端電磁攪拌參數(shù)不合理，電磁攪拌強度過于劇烈時，就會造成更加嚴重的中心正偏析和中心疏松，白亮帶明顯，中心偏析嚴重。

2）通過碳硫分析，證明從坯殼到中心，碳的偏析規(guī)律呈低-高-低-高的“N”形偏析，但在攪拌強度過于劇烈，造成更嚴重的正偏析，此時連鑄坯1/4半徑到鑄坯中心處碳偏析極差也很大。

3）通過降低末端攪拌強度，找到試驗鋼種在250 mm×360 mm 斷面時較為合理的攪拌參數(shù)為200 A 8 Hz，在該末攪參數(shù)下，白亮帶負偏析帶不明顯，中心疏松等級最低，中心碳偏析低，能夠發(fā)揮末端電磁攪拌的冶金效果。

4）根據(jù)凝固公式和連鑄坯白亮帶，大致計算末攪安裝位置處試驗鋼種的凝固率和液芯厚度，這與蔡開科所講合理末攪安裝位置相差不大，末攪安裝位置較為合理。