拉速和脈沖磁致振蕩對(duì)GCr15軸承鋼鑄坯質(zhì)量的影響

任振海 朱富強(qiáng) 陳占領(lǐng) 李 亞

（中天鋼鐵集團(tuán)有限公司，江蘇常州 213011）

連鑄坯的宏觀偏析和縮孔等缺陷影響軋制和退火工藝，嚴(yán)重時(shí)甚至不能通過有關(guān)加工工藝消除?？刂七B鑄坯的凝固過程是確保鋼材質(zhì)量的關(guān)鍵工序［1-2］。但是，激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和環(huán)保壓力要求企業(yè)不斷提高連鑄效率，從而產(chǎn)生提質(zhì)與增效之間的矛盾［3］。

為提高鑄坯純凈度和表面質(zhì)量，連鑄生產(chǎn)常采用二次精煉［4］、中間包加熱［5］、結(jié)晶器電磁攪拌［6］、非正弦振動(dòng)等技術(shù)［7］，鑄坯凝固中心的偏析和縮孔問題則一般采用低過熱度澆注［8］、末端電磁攪拌和壓下技術(shù)［9-10］來解決。但對(duì)于特鋼連鑄，由于鋼種較多，加之連鑄工藝的變化，導(dǎo)致鑄坯心部凝固組織［11-13］及其末端部位的變化較大，很難應(yīng)用末端攪拌和壓下技術(shù)。因此，對(duì)于特鋼連鑄，亟需更好的連鑄工藝和均質(zhì)化技術(shù)，以有效控制鑄坯的凝固過程。

上海大學(xué)翟啟杰等在弄清脈沖電流細(xì)晶機(jī)制［14-15］的基礎(chǔ)上開發(fā)的脈沖磁致振蕩（pulsed magneto-oscillation，PMO）技術(shù)［16-18］，能有效提高鑄坯的等軸晶率并解決中心縮孔和偏析問題［19］。該技術(shù)利用磁致過冷效應(yīng)促進(jìn)金屬液形成大量的新晶核，從而細(xì)化凝固組織，也適用于細(xì)化鋼錠凝固組織［20-22］。由于PMO技術(shù)將感應(yīng)線圈置于足輥下方，此處坯殼厚度變化較小，因此適用于多鋼種連鑄。中天特鋼在矩形坯連鑄機(jī)上采用該技術(shù)，軸承鋼、齒輪鋼等鑄坯均質(zhì)化水平及其穩(wěn)定性得到了大幅度提高［23-24］。

本文采用PMO技術(shù)進(jìn)行了GCr15軸承鋼提高拉速對(duì)鑄坯質(zhì)量影響的試驗(yàn)，以期在保證鑄坯質(zhì)量的前提下提高連鑄效率。

1 試驗(yàn)材料與過程

試驗(yàn)在中天特鋼0號(hào)連鑄機(jī)上進(jìn)行，該鑄機(jī)為五機(jī)五流全弧形鑄機(jī)，弧形半徑10 m，鑄坯斷面尺寸為220 mm×260 mm，配置了結(jié)晶器電磁攪拌（M-EMS）、PMO和末端電磁攪拌（F-EMS），其中PMO感應(yīng)線圈的安裝位置及基本原理見文獻(xiàn)［16，19，23-24］。

進(jìn)行了兩組試驗(yàn)，均開啟M-EMS和F-EMS。試驗(yàn)中，第一流關(guān)閉PMO，其余4流開啟 PMO。具體的試驗(yàn)參數(shù)見表1。

在大包澆注近50%時(shí)取樣。為保持對(duì)稱性，分別在第一流和第五流切割800 mm長(zhǎng)鑄坯，再鋸切約30 mm厚鑄坯橫斷面作為低倍檢驗(yàn)試樣。將低倍試樣磨平，用50%體積比的70℃鹽酸水溶液熱浸蝕45 min。鑄坯中心疏松和縮孔按YB／T 153—2015評(píng)級(jí)。根據(jù)橫斷面的縮孔位置確定鑄坯凝固中心，然后加工鑄坯縱剖面（長(zhǎng)度400 mm，剖面距凝固中心4 mm），并鉆取用于檢測(cè)碳偏析的試樣，鉆孔深度8 mm，每個(gè)鑄坯取10點(diǎn)，鉆樣點(diǎn)間隔30 mm。采用LECO CS900紅外碳硫儀測(cè)定碳含量，每個(gè)試樣測(cè)2遍，取平均值。如碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏差超過0.02%，則測(cè)3遍，舍棄偏差最大的值，取2個(gè)近鄰值的平均值。鑄坯縱剖面取樣及鉆樣位置如圖1所示。

表1 GCr15軸承鋼的連鑄試驗(yàn)參數(shù)Table 1 Parameters of continuous casting test for the GCr15 bearing steel

圖1 從鑄坯縱剖面鉆取碳偏析檢測(cè)試樣的示意圖Fig.1 Schematic diagram of taking carbon segregation test samples from longitudinal section of the billet

2 試驗(yàn)結(jié)果

圖2是兩爐試驗(yàn)鑄坯橫斷面的低倍組織。從圖2可以看出，未經(jīng)PMO處理的鑄坯等軸晶數(shù)量明顯少于PMO處理的鑄坯，且中心都有集中縮孔。PMO處理坯的等軸晶區(qū)顯著擴(kuò)大，中心縮孔幾乎消失，但疏松區(qū)擴(kuò)大，這與等軸晶區(qū)擴(kuò)大有關(guān)。

表2列出了兩種拉速條件下，鑄坯低倍檢測(cè)的等軸晶面積分?jǐn)?shù)、中心疏松和縮孔級(jí)別?？梢钥闯?，PMO處理坯的等軸晶面積分?jǐn)?shù)明顯高于未經(jīng)PMO處理的鑄坯，為30%左右，中心疏松級(jí)別高于未經(jīng)PMO處理鑄坯，但中心縮孔幾乎消除，而未經(jīng)PMO處理的鑄坯中心縮孔較為嚴(yán)重。拉速提高，未經(jīng)PMO處理鑄坯的等軸晶數(shù)量有所減少，中心疏松減少；PMO處理坯等軸晶區(qū)面積略有增加，中心疏松和縮孔沒有明顯變化。

圖2 GCr15鋼鑄坯橫截面的低倍照片F(xiàn)ig.2 Macrographs of cross-section of the GCr15 steel billet

表2 鑄坯低倍檢驗(yàn)結(jié)果Table 2 Macroscopic test results of the casting billets

圖3為鑄坯中心碳偏析指數(shù)的軸向分布。對(duì)比圖3（a）和圖3（b）可以看出，PMO處理坯的中心碳偏析顯著少于未經(jīng)PMO處理的鑄坯，碳偏析指數(shù)均在1.1以內(nèi)。拉速提高，PMO處理坯的軸向中心碳偏析波動(dòng)略有增大，但仍保持在1.1以內(nèi)。拉速提高，未經(jīng)PMO處理鑄坯的中心碳偏析更為嚴(yán)重，波動(dòng)幅度增大，碳偏析指數(shù)最大值達(dá)1.27。

3 討論

如圖2（a～c）所示，提高拉速會(huì)使未經(jīng)PMO處理鑄坯的柱狀晶區(qū)擴(kuò)大，等軸晶區(qū)縮小，同時(shí)中心疏松減少。其原因?yàn)?，試?yàn)中按比例增加了二冷區(qū)配水，促進(jìn)了鑄坯厚度方向的定向凝固，有利于柱狀晶生長(zhǎng)。而柱狀晶由于排列整齊，致密度較高，故疏松減少。由于柱狀晶增多，導(dǎo)致固-液界面前沿更多的富集溶質(zhì)的鋼液向鑄坯中心推移，使鑄坯心部碳偏析加重，如圖3所示。此外由于心部枝晶尺寸較大，易形成枝晶搭橋現(xiàn)象，使心部高溶質(zhì)濃度液相被分隔在不同區(qū)域。隨著最后凝固階段的收縮，殘余液相被抽吸到枝晶網(wǎng)絡(luò)的不同間隙，因此心部偏析的波動(dòng)范圍也隨之增大。

圖3 以不同拉速鑄造的PMO處理和未處理坯的中心碳偏析指數(shù)的軸向分布Fig.3 Axial distributions of central carbon segregation indexes for the billets treated and untreated with PMO produced at different casting speeds

如圖2（b～d）和圖3所示，提高拉速對(duì)PMO處理坯的等軸晶量和碳偏析的影響均較小。根據(jù)“結(jié)晶雨”理論［14，16，25］，PMO會(huì)促進(jìn)鑄坯固-液界面前沿形核，晶核形成結(jié)晶雨堆積在鑄坯心部，從而顯著擴(kuò)大了等軸晶區(qū)并細(xì)化晶粒。提高拉速對(duì)PMO線圈處的鑄坯坯殼厚度影響很小，因此PMO處理效果的差異不明顯。另外，由于等軸晶區(qū)的枝晶生長(zhǎng)方向混亂，其致密度略低于柱狀晶區(qū)，因此PMO處理坯的中心疏松區(qū)擴(kuò)大。

4 結(jié)論

（1）脈沖磁致振蕩（PMO）能有效抑制以0.78和0.82 m／min拉速生產(chǎn)的連鑄坯的中心缺陷，即中心縮孔減少、等軸晶比例保持在30%左右；而未經(jīng) PMO 處理的鑄坯等軸晶面積分?jǐn)?shù)小于20%，中心縮孔較嚴(yán)重。

（2）PMO技術(shù)可顯著改善不同拉速生產(chǎn)的GCr15軸承鋼連鑄坯均質(zhì)化水平，中心碳偏析指數(shù)能控制在1.1以下，且波動(dòng)很小。