電磁攪拌參數(shù)對大方坯20CrMnMoH碳偏析影響的研究

巨銀軍

（華菱湘潭鋼鐵有限公司，湖南 湘潭 411101）

國內(nèi)某大型鋼廠新引進(jìn)了1臺5機(jī)5流意大利達(dá)涅利大方坯連鑄機(jī)，斷面尺寸為350mm×430mm。為控制鑄坯碳偏析，裝備有“結(jié)晶器+凝固末端”組合式電磁攪拌，裝備有末端輕壓下以及重壓下對鑄坯中心偏析以及中心縮孔進(jìn)行改善控制，連鑄機(jī)主要裝備條件如表1所示。在投產(chǎn)初期，為提高保淬透性合金結(jié)構(gòu)鋼鑄坯質(zhì)量，減少鑄坯碳偏析，本文經(jīng)過多次對不同組合電磁攪拌工藝參數(shù)下的鑄坯以及軋制圓鋼進(jìn)行全面的對比，確定了大方坯連鑄機(jī)最佳組合電磁攪拌工藝參數(shù)，顯著降低了生產(chǎn)的20CrMnMoH大方坯鑄坯碳偏析。

1 鋼種化學(xué)成分及生產(chǎn)工藝

本文研究保淬透性合金結(jié)構(gòu)鋼20CrMnMoH，主要化學(xué)成分如表2所示。

主要生產(chǎn)工藝：鐵水預(yù)處理——轉(zhuǎn)爐→爐外精煉→真空處理→大方坯連鑄→鑄坯檢查→步進(jìn)梁式加熱爐加熱→高壓水除磷→控軋、控冷→檢驗→入庫→發(fā)貨。

2 試驗方法

2.1 工藝參數(shù)對鑄坯C偏析的影響

影響C元素偏析的主要因素為：鋼水中包過熱度、組合電磁攪拌工藝參數(shù)、二次冷卻以及凝固末端輕壓下等[1，2]。在某大型鋼鐵廠新大方坯連鑄機(jī)投產(chǎn)初期，本文根據(jù)原始設(shè)計參數(shù)結(jié)合投產(chǎn)初期實際生產(chǎn)情況，在理論設(shè)計工藝參數(shù)的可調(diào)整范圍，對結(jié)晶器電磁攪拌和末端電磁攪拌工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整試驗，以確定最佳工藝參數(shù)。

2.2 試驗參數(shù)

如表3試驗參數(shù)所示，試驗1～4研究了不同組合電磁攪拌工藝參數(shù)下鑄坯低倍組織控制情況以及軋制圓鋼橫截面C偏析控制情況。

表3 試驗參數(shù)

2.3 試樣加工及分析方法

隨機(jī)選擇任意一流截取長250mm-300mm的鑄坯各1塊，切除端部火焰切割熱影響區(qū)后，截取厚度約 15 mm 的橫斷面低倍試樣1塊。試樣端面經(jīng)車床銑磨后，磨削面不得有缺口和飛邊、毛刺。試樣靜置于酸洗槽中，注入工業(yè)鹽酸水溶液，完全浸沒試樣后，通蒸汽加熱，確認(rèn)試樣檢測面酸蝕合格后，將試樣依次取出，試樣上的腐蝕產(chǎn)物可選用3%-5%碳酸鈣水溶液刷除，然后用水洗凈吹干，用于觀察鑄坯低倍組織。

350 mm×430mm大方坯20CrMnMoH連鑄坯軋制成直徑為Φ100mm圓鋼。取圓鋼橫截面試樣，通過用 OPA-100 原位分析儀進(jìn)行原位分析，觀察試樣整個橫截面C元素的分布情況。

取圓鋼橫截面試樣，按圓心、1/2半徑和圓周位置，共9點取鐵屑試樣，如圖1所示。每個鐵屑試樣利用 LECO SC-144DR紅外碳硫分析儀分析鐵屑試樣碳含量。并計算圓鋼橫截面的碳極差。

同時取圓鋼橫截面試樣，按圓心、1/2半徑和圓周位置，共17點測量硬度值，如圖2所示。利用島津HMV-2T顯微硬度計檢驗硬度值，并計算圓鋼橫截面硬度極差。

表1 連鑄機(jī)主要裝備條件

表2 化學(xué)成分（%）

圖1 鉆孔位置示意

圖2 硬度打點位置示意

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 鑄坯低倍組織

試驗1～4的鑄坯低倍酸洗效果如圖3～6所示，根據(jù)酸洗后觀察鑄的坯低倍組織，可以得出：試驗4鑄坯無中心縮孔，且鑄坯低倍等軸區(qū)面積在4組試驗中面積最大；試驗1鑄坯低倍中心縮孔最為嚴(yán)重；試驗2與試驗3鑄坯存在輕微中心縮孔，但鑄坯低倍等軸晶區(qū)域相對試驗4等軸晶區(qū)域面積要小。

圖3 試驗1低倍照片

圖4 試驗2低倍照片

圖5 試驗3低倍照片

圖6 試驗4低倍照片

3.2 圓鋼橫截面碳成分均勻性

350 mm×430mm大方坯20CrMnMoH連鑄坯軋制成直徑為Φ100mm圓鋼，取圓鋼橫截面進(jìn)行原位分析，試樣如圖7所示，1#～4#試樣分別對應(yīng)試驗1～4。對圓鋼橫截面C元素進(jìn)行原位分析。

圖7 原位分析試樣

由原位分析得到20CrMnMoH圓鋼橫截面試樣的C元素分布二維等高圖，如圖8所示，C元素統(tǒng)計偏析度如表4所示。根據(jù)C元素分布二維等高圖與統(tǒng)計偏析度可知，C元素在1#試樣的偏析最大，其次是2#和3#試樣，偏析最小的是4#試樣，其中4#試樣統(tǒng)計偏析度最小，為0.054。

圖8 C元素二維等高圖

表4 C元素統(tǒng)計偏析度

圓鋼橫截面碳成分的分布如表5所示，分別對應(yīng)試驗1～4工藝參數(shù)下，圓鋼橫截面上各位置( 表中數(shù)字1對應(yīng)鑄坯中心位置) 處的碳含量分布情況?？梢园l(fā)現(xiàn)：試驗1鑄坯中心位置存在較嚴(yán)重的負(fù)偏析，鑄坯橫截面C極差最大0.051%，試驗2～3鑄坯中心位置負(fù)偏析有所改善，且橫截面C極差有所降低，試驗4鑄坯橫截面C極差最小為0.025%。

表5 圓鋼截面C成分分布[%]

圓鋼橫截面硬度的分布如圖9～12所示，分別對應(yīng)試驗1～4工藝參數(shù)下，圓鋼橫截面上各位置處的硬度分布情況?？梢园l(fā)現(xiàn)：試驗1圓鋼截面硬度差最大為52HRB，試驗2～3圓鋼截面硬度差為有所降低，試驗4圓鋼截面硬度差最小，為22HRB。

圖9 試驗1圓鋼橫截面硬度分布

圖10 試驗2圓鋼橫截面硬度分布

圖11 試驗3圓鋼橫截面硬度分布

圖12 試驗4圓鋼橫截面硬度分布

3.3 電磁攪拌對鑄坯低倍及偏析的影響

連鑄電磁攪拌是通過在液態(tài)鋼水內(nèi)部產(chǎn)生磁場，并且與鋼液相對運動而產(chǎn)生電磁力，從而促使鋼液運動的過程。由于電磁驅(qū)使鋼液運動，促使鑄坯液芯的高溫區(qū)和低溫區(qū)混合，快速降低鋼液過熱度，減小液相和固相的溫度梯度。此外，電磁攪拌還可以打斷凝固前沿的柱狀晶，促使晶核增多和等軸晶形成，從而達(dá)到提高鑄坯質(zhì)量的作用[3]。

相關(guān)文獻(xiàn)采用實驗的方法研究了電磁攪拌對鑄坯宏觀偏析的影響。研究結(jié)果表明，合適的強(qiáng)制流動通過作用于二冷區(qū)鑄坯液芯，在枝晶熔斷和增值作用下，可促成鑄坯等軸晶區(qū)擴(kuò)大和凝固組織的等軸化，有效地控制柱狀晶組織的垂直生長，并且不會引發(fā)明顯的宏觀偏析[4，5]。鑄坯內(nèi)溶質(zhì)分布特點表明，當(dāng)攪拌區(qū)間較小時，在攪拌區(qū)開始處會產(chǎn)生明顯的負(fù)偏析，而在結(jié)束區(qū)域會導(dǎo)致溶質(zhì)元素富集，而且這一現(xiàn)象與攪拌電流強(qiáng)度和元素濃度有關(guān)。對于中心線元素均勻性的研究表明，有限的攪拌可以有效降低鑄坯內(nèi)部C、S、P元素的中心偏析，并且可以一定程度地均勻鑄坯橫截面的元素平均含量。

試驗1～4基于拉速為 0.9m/min、比水量為 0.20L/kg的工藝參數(shù)下，進(jìn)行組合電磁攪拌工藝參數(shù)調(diào)整。對比試驗1～4，組合電磁攪拌參數(shù)M-MES電流350A，頻率2.5HZ；F-MES電流600A，頻率5HZ時，從圖3～6鑄坯低倍對比可以明顯看出試驗4鑄坯低倍等軸晶區(qū)面積最大。從圖8與表4原位分析結(jié)果也可以看出試驗4碳元素統(tǒng)計偏析度最小，同時表5數(shù)據(jù)與圖6～9表明圓鋼截面C成分的分布最均勻，C極差與硬度極差最小的均為試驗4。

綜上所述，當(dāng)M-MES電流350A，頻率2.5HZ；F-MES電流600A，頻率5HZ時，某鋼廠新連鑄機(jī)生產(chǎn)的350mm×430mm大方坯20CrMnMoH鑄坯低倍等軸晶區(qū)面積最大，且碳成分分布最均勻，偏析最小。

4 應(yīng)用效果

圓鋼截面C元素分布與硬度的均勻性是衡量鑄坯C偏析的好壞的一個重要參考依據(jù)，圓鋼截面C元素分布與硬度越均勻，C元素含量與硬度極差越小，證明鑄坯碳偏析越輕微。某鋼廠350mm×430mm大方坯20CrMnMoH采用M-MES電流350A，頻率2.5HZ；F-MES電流600A，頻率5HZ組合電磁攪拌生產(chǎn)的大方坯軋制圓鋼后，圓鋼截面C元素分布均，碳極差控制在0.025%以內(nèi)，圓鋼截面硬度均勻，截面硬度控制在22HRB以內(nèi)，滿足部分高端客戶20CrMnMoH鋼種圓鋼截面C極差小于0.03%，硬度小于25HRB的要求。

5 結(jié)論

（1）某鋼廠新連鑄機(jī)投產(chǎn)初期經(jīng)過對比試驗，生產(chǎn)350mm×430mm大方坯 20CrMnMoH鋼的最佳工藝參數(shù)為：M-MES電流350A，頻率2.5HZ；F-MES電流600A，頻率5HZ

（2）采用最佳組合電磁攪拌工藝參數(shù)生產(chǎn)大方坯20CrMnMoH，軋制后的圓鋼截面C元素含量極差與截面硬度極差，均滿足高端客戶要求。