應(yīng)用結(jié)晶器PMO提高連鑄小方坯質(zhì)量研究

徐 衡 李莉娟 蔡常青 鄭原首 仲紅剛 翟啟杰

(1.上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200444； 2.福建三鋼閩光股份有限公司煉鋼廠，福建 三明 365000)

連續(xù)鑄鋼技術(shù)從根本上改變了傳統(tǒng)鋼錠到初軋的工藝，大大降低了能耗，使鋼鐵生產(chǎn)流程更加合理化，極大地提高了鋼鐵工業(yè)的生產(chǎn)效率，但是連續(xù)鑄鋼生產(chǎn)的鋼坯質(zhì)量也存在一定問題。在實(shí)際凝固過程中，由于冷卻強(qiáng)度不同、合金組元密度差和熔體內(nèi)部的對流等各種因素影響，連鑄坯容易形成嚴(yán)重的宏觀偏析、微觀偏析、粗大的枝晶組織以及裂紋等缺陷，繼而延續(xù)到軋材，嚴(yán)重影響了最終型材的質(zhì)量和性能[1]。

為了提高連鑄坯質(zhì)量，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究和技術(shù)開發(fā)，如電磁攪拌[2]，輕壓下[3]、微合金化[4]、低過熱處理及澆注[5]等技術(shù)。其中工業(yè)化應(yīng)用比較成熟的主要是電磁攪拌和末端輕壓下技術(shù)。但使用結(jié)晶器電磁攪拌有時(shí)會引起強(qiáng)烈的彎月面波動和卷渣[6]，采用二冷區(qū)電磁攪拌容易產(chǎn)生負(fù)偏析帶[7]，因此實(shí)際應(yīng)用效果并不十分理想。輕壓下技術(shù)則由于自身的復(fù)雜性和特殊性，在實(shí)際應(yīng)用過程中還有很多問題尚待解決[8]。

脈沖磁致振蕩(pulse magneto- oscillation, PMO)凝固均質(zhì)化技術(shù)[9]，應(yīng)用于連鑄上，能有效地改善鑄坯質(zhì)量。PMO技術(shù)的原理是：脈沖電流通過感應(yīng)線圈在鑄坯固液界面前沿形成特定的電磁感應(yīng)效應(yīng)，促進(jìn)固液界面前沿金屬液形核、脫落、飄移、增殖，并形成結(jié)晶雨，從而細(xì)化凝固組織，改善鑄坯均勻性。龔永勇等對PMO作用下工業(yè)純鋁[10]、鋁銅合金[11]、65Mn鋼[12]和GCr15軸承鋼[1]的凝固組織進(jìn)行了大量研究，發(fā)現(xiàn)PMO能夠顯著細(xì)化凝固組織，改善元素偏析。目前該技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于常州中天鋼鐵連鑄生產(chǎn)二冷區(qū)，顯著提高了鑄坯的等軸晶率，有效改善了中心偏析。

對于小斷面鑄坯，由于坯殼厚度的限制，二冷區(qū)液芯面積占比較小，因此在二冷區(qū)施加PMO形成的等軸晶區(qū)域較小。若在結(jié)晶器中進(jìn)行PMO處理，則等軸晶面積占比有望顯著提高，且將線圈設(shè)置于結(jié)晶器內(nèi)可避免漏鋼對線圈的影響。因此，本文制作了結(jié)晶器PMO總成，并針對某鋼廠HRB400EG螺紋鋼鑄坯存在的等軸晶率低、中心碳偏析嚴(yán)重、中心疏松和縮孔等內(nèi)部質(zhì)量問題，在小方坯連鑄機(jī)開展了結(jié)晶器PMO工業(yè)試驗(yàn)，研究其均質(zhì)化效果，并最終改善了鑄坯內(nèi)部質(zhì)量。

1 試驗(yàn)材料及方法

工業(yè)試驗(yàn)采用7機(jī)7流小方坯連鑄機(jī)，斷面為160 mm×160 mm，HRB400EG螺紋鋼的主要化學(xué)成分如表1所示。表2為實(shí)際生產(chǎn)過程中的連鑄工藝參數(shù)。

表1 HRB400EG螺紋鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of the HRB400EG threaded steel (mass fraction) %

表2 連鑄工藝參數(shù)Table 2 Continuous casting process parameters

PMO設(shè)備主要由脈沖電源、PMO線圈、結(jié)晶器等組成。PMO線圈整合在結(jié)晶器內(nèi)部，在工作過程中線圈銅管內(nèi)部通有循環(huán)冷卻水，以確保線圈在高溫下能夠持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，待拉坯穩(wěn)定后開啟脈沖電源進(jìn)行PMO處理。PMO的電流峰值為350Ki A，頻率為45hi Hz，脈寬為62.5bi ms(Ki、hi及bi與電源性質(zhì)有關(guān))。

PMO線圈放置在鑄機(jī)1流結(jié)晶器上，并與7流進(jìn)行對比。試驗(yàn)鑄坯內(nèi)部質(zhì)量檢測分為低倍檢測、顯微組織觀察和宏觀碳偏析檢測。取樣位置示意圖如圖1所示，試樣經(jīng)銑床加工后浸入50%(體積分?jǐn)?shù))鹽酸溶液中，80 ℃恒溫浸蝕30 min，觀察鑄坯橫截面低倍組織。金相試樣經(jīng)細(xì)磨、精拋后再浸入70 ℃過飽和苦味酸水溶液中，恒溫腐蝕約45 s，在距離鑄坯內(nèi)弧邊緣30、45、60 mm處統(tǒng)計(jì)40個二次枝晶臂間距，取平均值作為該位置的二次枝晶臂間距。采用φ5 mm鉆頭鉆取屑狀試樣，通過NCS2800碳硫分析儀測定鑄坯不同部位的碳含量，并用碳偏析指數(shù)代表試樣的宏觀碳偏析程度。

圖1 取樣示意圖Fig.1 Schematic diagram of sampling

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 宏觀組織

圖2為螺紋鋼鑄坯橫斷面的宏觀組織，表3為根據(jù)GB/T 226—2015評定的鋼的低倍組織級別。由圖2和表3可見，經(jīng)過結(jié)晶器PMO處理后鑄坯橫斷面上中心疏松和縮孔顯著減少，并且中心偏析得到明顯改善。根據(jù)圖2計(jì)算得出原始工況的等軸晶比例為8.4%，經(jīng)過結(jié)晶器PMO處理的等軸晶比例為11.28%，等軸晶率提高了34.3%，等軸晶區(qū)的面積明顯增大。PMO作用下等軸晶率提高主要是由于兩個效應(yīng)：(1)結(jié)晶雨效應(yīng)[13]，鑄坯固液前沿處由于脈沖磁場作用，會產(chǎn)生感應(yīng)脈沖電流，脈沖電流通過電致過冷促進(jìn)金屬液在固液界面形核，晶核在電磁力的作用下不斷脫落形成結(jié)晶雨，從而增加等軸晶；(2)振蕩效應(yīng)[14]，PMO處理熔體時(shí)，熔體受電磁力作用產(chǎn)生振蕩效應(yīng)，導(dǎo)致熔體內(nèi)部強(qiáng)迫對流，一方面促使鑄壁晶核脫落，游離到熔體內(nèi)部，促進(jìn)等軸晶的形成，另一方面，枝晶受振蕩作用及溶質(zhì)擴(kuò)散的影響，易熔斷、破碎，破碎的枝晶顆粒變成新的晶核，從而提高等軸晶率。此外，振蕩形成的環(huán)流也有利于夾雜物的上浮和去除。

圖2 HRB400EG鋼鑄坯橫截面的宏觀組織Fig.2 Cross- sectional macrostructures of the HRB400EG steel billets

表3 HRB400EG鋼鑄坯的低倍組織評級Table 3 Macrostructure rating of the HRB400EG steel billets

2.2 微觀組織

圖3為鑄坯橫斷面從內(nèi)弧表層到外弧表層的微觀組織。區(qū)域1由于受到結(jié)晶器快冷的影響，表層形成了細(xì)小的激冷晶；區(qū)域2由于凝固速率的降低，形成了較長的一次枝晶，并且隨著凝固的繼續(xù)進(jìn)行，主軸上又生長出二次枝晶、三次枝晶；隨著固液界面向中心繼續(xù)推進(jìn)至區(qū)域3，由于垂直鑄坯表面方向與平行鑄坯表面方向的溫度梯度近似，因此固液界面前沿大量的晶核沿各個方向競相生長形成等軸枝晶。從圖3中還可以發(fā)現(xiàn)，與原始工況相比，PMO處理的鑄坯在內(nèi)弧區(qū)域2處的柱狀晶長度明顯較短，且中心區(qū)域3處的等軸晶區(qū)面積大幅增加。此外，原始工況鑄坯的中心區(qū)域主要以交叉樹枝晶為主，而PMO處理的鑄坯的中心區(qū)域形成了大量等軸枝晶，這些表明PMO可以促進(jìn)等軸晶的形成。在靠近外弧區(qū)域4處，原始工況鑄坯的一次柱狀晶發(fā)達(dá)，而經(jīng)過PMO處理的鑄坯，枝晶破碎，形成了較短且更致密的一次枝晶。

圖3 HRB400EG鋼鑄坯橫截面的微觀組織Fig.3 Cross- sectional microstructures of the HRB400EG steel billets

二次枝晶臂間距作為金屬凝固組織的重要參數(shù)之一，其大小直接影響合金成分的偏析和顯微縮孔的大小與分布，進(jìn)而影響著鑄坯的質(zhì)量。圖4為距鑄坯內(nèi)弧表層30、45、60 mm處的組織形貌。與原始工況對比可見，經(jīng)過PMO處理的鑄坯相同取樣位置的二次枝晶更加致密。圖5為鑄坯不同位置所對應(yīng)的二次枝晶臂間距。可以看出，隨著距鑄坯邊緣距離的增加，二次枝晶臂間距也隨之增大，經(jīng)過PMO處理的鑄坯二次枝晶臂間距由68 μm增大到86 μm，原始工況鑄坯的二次枝晶臂間距由75 μm增加到95 μm，可見經(jīng)過PMO處理后鑄坯的二次枝晶臂間距減小，凝固組織更為細(xì)密。二次枝晶臂間距減小，說明枝晶凝固時(shí)間縮短，即冷卻速率增加，這說明結(jié)晶器PMO處理有利于加快液相降溫，提高冷卻速率。

2.3 中心碳偏析

圖4 距離內(nèi)弧邊緣不同位置處的枝晶組織Fig.4 Dendritic structures at different locations from the edge of the inner arc

圖5 二次枝晶臂間距的比較Fig.5 Comparison of the secondary dendrite arm spacing

碳偏析指數(shù)計(jì)算公式為：C偏=C/C0，式中：C偏為碳偏析指數(shù)，C為鑄坯實(shí)際取樣點(diǎn)的碳含量，C0為鑄坯平均碳含量。圖6為螺紋鋼鑄坯橫斷面對角線的碳偏析指數(shù)分布?？梢娊?jīng)過PMO處理的鑄坯碳偏析指數(shù)一般在0.95～1.04之間，中心碳偏析指數(shù)僅為1.01，且整個鑄坯的碳偏析指數(shù)波動范圍較窄。而原始工況鑄坯中碳偏析指數(shù)波動較大，中心碳偏析指數(shù)高達(dá)1.18。

圖6 碳偏析指數(shù)分布曲線Fig.6 Distribution curves of the carbon segregation index

鋼在凝固過程中二次枝晶臂間距決定著金屬材料的偏析行為。在連鑄過程中，鑄坯的凝固組織都是以枝晶形式生長的， 鑄坯凝固前沿的固液兩相區(qū)稱為鑄坯的糊狀區(qū)。糊狀區(qū)中的枝晶結(jié)構(gòu)具有阻塞液相流動的作用，凝固前沿固相排出的溶質(zhì)在糊狀區(qū)內(nèi)流動后凝固收縮形成了鑄坯的中心偏析。滲透率是反映糊狀區(qū)內(nèi)固、液相之間的摩擦、固相分率和微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)之間的函數(shù)關(guān)系。滲透率越高，則中心碳偏析越嚴(yán)重。滲透率的計(jì)算通常采用Kozeny Carman公式[15]：

(1)

式中：KP為糊狀區(qū)滲透率，μm2；fS為固相率；CKC為Kozeny Carman常數(shù)；S0為界面面積濃度。

假設(shè)枝晶界面面積濃度等于均勻球體比表面積的情況下，S0的計(jì)算公式[16]：

(2)

由式(1)和式(2)可得滲透率與二次枝晶臂間距的關(guān)系式為：

(3)

式中λ2為二次枝晶臂間距，μm。從式(3)中可以看出，隨著二次枝晶臂間距的增大，滲透率也增加，溶質(zhì)就不斷地在鑄坯中心富集，隨著糊狀區(qū)不斷向鑄坯中心推進(jìn)，直到中心，富集的溶質(zhì)無法繼續(xù)前進(jìn)，便在鑄坯中心凝固，造成了中心碳偏析。因此鑄坯中心區(qū)域的二次枝晶臂間距較大，中心碳偏析也較重。而經(jīng)過結(jié)晶器PMO處理后，鑄坯的二次枝晶臂間距整體減小，其中接近鑄坯中心的二次枝晶臂間距由95 μm減小到86 μm，滲透率降低，中心碳偏析明顯減輕。

3 結(jié)論

經(jīng)過結(jié)晶器PMO處理后，螺紋鋼鑄坯的等軸晶率提高了34.3%，鑄坯的中心縮孔由0.5級降低為0級，中心偏析由2級降低為0.5級，鑄坯組織更為致密，鑄坯質(zhì)量明顯改善。

經(jīng)過結(jié)晶器PMO處理后，鑄坯中二次枝晶臂間距整體減小，其中接近鑄坯中心的二次枝晶臂間距由95 μm減小到86 μm，滲透率降低，中心碳偏析指數(shù)由1.18減小到1.01，中心碳偏析基本消除。