過熱度及結(jié)晶器電磁攪拌對連鑄坯凝固組織及偏析影響的熱模擬研究

王 瑞 蔣丹青 吳生滬 朱龍強(qiáng) 李傳軍 任忠鳴

(1.上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200444； 2.省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200444；3.上海市鋼鐵冶金新技術(shù)開發(fā)應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200444)

GCr15軸承鋼因其高硬度、良好的接觸疲勞強(qiáng)度和沖擊韌性，被廣泛應(yīng)用在軌道交通和汽車工業(yè)中[1- 2]。然而，與低碳鋼相比，其碳含量和合金含量較高，凝固區(qū)間溫度變化大，一些溶質(zhì)元素如碳、硫和磷等，很容易偏聚在鋼坯中心，形成中心偏析和縮松縮孔等缺陷。微觀偏析以及縮松縮孔等缺陷可以在隨后的軋制過程中改善，但宏觀偏析不能完全消除[3- 6]。在過去幾十年中，研究者們已提出了許多技術(shù)來改善宏觀偏析，例如低過熱澆鑄[7- 9]、強(qiáng)二次冷卻[10- 11]、輕壓下[12- 13]和電磁攪拌[14- 16]等。

鑄錠的凝固組織和偏析在凝固過程中形成，而鋼液的過熱度是影響凝固過程的關(guān)鍵參數(shù)。低過熱度澆鑄時(shí)，鋼液中游離的晶粒能保存下來，并增殖和長大，從而抑制柱狀晶生長，促進(jìn)柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變(CET轉(zhuǎn)變)，獲得高比例的等軸晶組織，實(shí)現(xiàn)在沒有電磁攪拌的情況下最大限度地減少偏析，這被認(rèn)為是減少偏析的最佳方法[17- 18]。Wu等[19]研究發(fā)現(xiàn)，降低過熱度可以細(xì)化晶粒，但采用電磁攪拌和低過熱度耦合比單獨(dú)降低澆鑄溫度更有效。曹同友等[20]研究發(fā)現(xiàn)，降低鋼水過熱度可明顯改善中心偏析，但其提高中心等軸晶率的效果不如電磁攪拌的效果。

工業(yè)生產(chǎn)中，優(yōu)化工藝參數(shù)是獲得優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的重要途徑。工業(yè)試驗(yàn)可以直觀地反映生產(chǎn)過程中條件的變化，但其成本高、風(fēng)險(xiǎn)大，因此較少采用，熱模擬被認(rèn)為是研究連鑄過程中鋼液凝固的最有效辦法[21]。與工業(yè)試驗(yàn)相比，熱模擬具有操作簡單、試驗(yàn)參數(shù)容易控制、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，并且可以同時(shí)進(jìn)行多組對比試驗(yàn)，得出最優(yōu)試驗(yàn)參數(shù)，以提高產(chǎn)品的質(zhì)量。

本文采用與生產(chǎn)現(xiàn)場相近的連鑄熱模擬裝置，以不同過熱度及結(jié)晶器電磁攪拌參數(shù)進(jìn)行了GCr15軸承鋼的連鑄試驗(yàn)，分析了過熱度及結(jié)晶器電磁攪拌電流對鑄錠組織和偏析的影響，得出了合理的工藝參數(shù)，為工業(yè)生產(chǎn)提供參考。

1 試驗(yàn)裝置

為了模擬電磁攪拌下GCr15軸承鋼的連鑄過程，設(shè)計(jì)了一套連鑄熱模擬裝置，如圖1所示。結(jié)晶器由一根安裝在水套內(nèi)的銅管組成，其直徑170 mm、厚度15 mm、高度500 mm，銅管內(nèi)表面經(jīng)拋光處理，與高溫鋼液直接接觸，外表面與鋼質(zhì)內(nèi)套間設(shè)有6 mm的水縫，用以通冷卻水，通過調(diào)節(jié)冷卻水量來控制結(jié)晶器的冷卻強(qiáng)度。此外將兩個(gè)Pt 100溫度傳感器固定在水套的進(jìn)口和出口處，記錄澆鑄過程中進(jìn)、出口水溫。為了減小沿鑄錠縱向的傳熱損耗，在結(jié)晶器底部放置耐火磚，并在凝固過程中，在鑄錠頂部放置發(fā)熱覆蓋劑。電磁攪拌器安裝在銅模的周圍，在鋼錠凝固的初始階段施加旋轉(zhuǎn)交變磁場，以模擬結(jié)晶器電磁攪拌過程。

圖2為在攪拌頻率為5 Hz時(shí)，不同電流下沿結(jié)晶器中心軸線方向的磁場強(qiáng)度分布?？梢钥闯?，在攪拌頻率一定時(shí)，磁場強(qiáng)度隨著電流的增加而增加，在距離結(jié)晶器底部250 mm高度處磁場強(qiáng)度達(dá)到最大值。

圖1 結(jié)晶器電磁攪拌試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Experimental apparatus used for M- EMS

圖2 沿結(jié)晶器中心軸向的磁場強(qiáng)度分布Fig.2 Distribution of magnetic field intensity along the axis of the mould

2 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)材料為國內(nèi)某鋼廠生產(chǎn)的GCr15軸承鋼，其化學(xué)成分如表1所示，液相線溫度為1 452 ℃，固相線溫度為1 334 ℃[22]。

表1 GCr15軸承鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of the GCr15 bearing steel (mass fraction) %

試驗(yàn)過程中，先將40 kg的GCr15軸承鋼棒材置于常壓感應(yīng)爐中加熱熔化，并用精煉渣和純鋁造渣、脫氧。然后將一定過熱度的鋼水通過流槽澆入結(jié)晶器中，并用鎢錸熱電偶測量其澆鑄溫度，如圖3(a)所示。圖3(b)為熱電偶處流槽溫度隨時(shí)間的變化，從而可獲得鋼液澆鑄溫度。根據(jù)電磁攪拌工藝參數(shù)，選擇電流350、300、250 A，攪拌頻率5 Hz進(jìn)行9組試驗(yàn)，試驗(yàn)方案如表2所示?；谏a(chǎn)實(shí)際拉速1 m/min，將初始凝固階段的電磁攪拌時(shí)間設(shè)為15 s。

圖3 模擬GCr15軸承鋼連鑄的試驗(yàn)裝置及澆鑄溫度曲線Fig.3 Experimental apparatus for simulation of continuous casting process and casting temperature curve for the GCr15 bearing steel

表2 結(jié)晶器電磁攪拌試驗(yàn)參數(shù)Table 2 M- EMS experimental parameters

待鋼液完全凝固后，為降低鑄錠硬度，將其置于箱式爐中加熱至680 ℃保溫12 h進(jìn)行去應(yīng)力退火。然后沿鑄錠的軸線切取厚度為20 mm的薄片，對薄片下半部分的中心進(jìn)行組織和成分分析，如圖4(a,b)所示。打磨和拋光后，將試樣放入體積比為1∶1的70 ℃鹽酸溶液中腐蝕20 min，并用1200 dpi掃描儀觀察試樣的宏觀組織。最后，使用Leco CS844碳硫分析儀以10 mm的間隔沿鑄錠軸線測定碳、硫含量，如圖4(c)所示。

圖4 宏觀組織及成分分析取樣位置示意圖Fig.4 Schematic diagrams of sampling positions for macrostructure observation and composition analysis

3 結(jié)果與討論

3.1 宏觀組織

鋼水澆入結(jié)晶器后，與結(jié)晶器銅壁接觸產(chǎn)生極大的過冷度，首先在鑄錠表面形成一層厚度較薄的細(xì)小等軸晶，由于鑄錠徑向存在大的溫度梯度，柱狀晶迅速生長，如圖5所示。施加M- EMS后，在電磁場作用下電磁力加速了熔體的對流，并且攪拌會(huì)使生成的枝晶被打碎，使晶核數(shù)量明顯增加；同時(shí)強(qiáng)烈的對流加速了內(nèi)部熔體的降溫，降低了金屬熔體的徑向溫度梯度，柱狀晶開始向等軸晶轉(zhuǎn)變。強(qiáng)烈的對流消除了產(chǎn)生枝晶的條件，抑制了晶粒在某個(gè)方向的優(yōu)先生長，使各個(gè)方向的晶粒數(shù)量比較接近，整體組織細(xì)小而均勻，為提高等軸晶率創(chuàng)造了條件[23]。

圖5 鑄錠的宏觀組織(ΔT為69 ℃)Fig.5 Macrostructure of the ingot(ΔT of 69 ℃)

采用ImageJ Pro軟件測量鑄錠的等軸晶區(qū)和混晶區(qū)面積，根據(jù)式(1)、式(2)計(jì)算其等軸晶率(equiaxed crystal ratio, EGR)和混晶率(mixed crystal ratio, MGR)。

(1)

(2)

式中：Ae是等軸晶區(qū)面積，mm2；Am是混晶區(qū)面積，mm2；A0是縱截面總面積，mm2。表3列出了不同過熱度及其對應(yīng)的EGR和MGR。

表3 不同過熱度及其對應(yīng)的等軸晶率和混晶率Table 3 Different superheat degrees and its corresponding EGR and MGR

根據(jù)表3數(shù)據(jù)繪制工藝參數(shù)不同的鑄錠的等軸晶率和混晶率柱狀圖，如圖6所示?？梢钥闯觯T錠的等軸晶率和混晶率變化趨勢相反，這與連鑄過程中鑄錠的三層凝固組織變化規(guī)律相符。由圖6(a)可以看出，隨著電流的增大，等軸晶率逐漸增大。在350 A電流下，等軸晶率達(dá)到最大；過熱度在38～95 ℃變化時(shí)，等軸晶率逐漸降低。由圖6(b)可以看出，電流一定時(shí)，過熱度逐漸降低，混晶率也逐漸降低。攪拌電流增大時(shí)，混晶率逐漸降低。

使用Origin Pro 2019對等軸晶區(qū)和混晶區(qū)離散點(diǎn)進(jìn)行插值處理，然后進(jìn)行模型擬合并投影，得到過熱度、電流與鑄坯等軸晶率及混晶率的關(guān)系圖，分別如圖7和圖8所示?？梢钥闯觯珽GR與MGR的變化趨勢相反。隨著過熱度的降低及攪拌電流的增大,EGR提高而MGR降低。這說明強(qiáng)烈的電磁攪拌及低過熱度可以促進(jìn)鑄坯的CET轉(zhuǎn)變。此外，相比降低過熱度，增大攪拌電流更有利于增大等軸晶區(qū)及減小混晶區(qū)。這是因?yàn)殡姶艛嚢枋逛撘寒a(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)流動(dòng)會(huì)沖刷凝固前沿，打斷枝晶，阻礙柱狀晶生長，分離下來的枝晶作為新的晶核，并隨著鋼液的進(jìn)一步冷卻而生長，攪拌產(chǎn)生的流動(dòng)充滿液相穴，阻礙柱狀晶向中心生長，提高了中心等軸晶率[24- 25]。

圖6 工藝參數(shù)不同的鑄錠的等軸晶率和混晶率Fig.6 Equiaxed crystal ratio and mixed crystal ratio of the ingots obtained from different process parameters

圖7 過熱度、攪拌電流與等軸晶率的關(guān)系圖Fig.7 Relationship among superheat degree, stirring current and equiaxed crystal ratio

圖8 過熱度、攪拌電流與混晶率的關(guān)系圖Fig.8 Relationship among superheat degree, stirring current and mixed crystal ratio

3.2 宏觀偏析

為了定量描述工藝參數(shù)對連鑄坯偏析程度的影響，采用偏析比表征偏析程度。偏析比定義為測量點(diǎn)的實(shí)際元素含量與鑄錠的平均值之比：

(3)

表4為根據(jù)式(3)計(jì)算得出的鑄錠中碳元素的宏觀偏析比，根據(jù)表4數(shù)據(jù)繪制工藝參數(shù)不同的鑄錠的碳偏析比的最大值和極差柱狀圖，如圖9所示?？梢钥闯?，在250 A電流下，隨著過熱度的提高，碳元素的最大偏析比和偏析比極差均下降。當(dāng)攪拌電流增加到300 A時(shí)，隨著過熱度在10～44 ℃之間變化，碳元素的最大偏析比和偏析比極差均先增大后減小。在300 A電流下，當(dāng)過熱度為26 ℃時(shí)，碳元素的最大偏析比和偏析比極差均達(dá)到最大值，分別為1.14和0.36。當(dāng)電流達(dá)到350 A時(shí)，隨著過熱度的提高，最大碳偏析比先增大后減小，偏析比極差逐漸減小。

表4 鑄錠中碳元素的宏觀偏析比Table 4 Macro- segregation ratio of carbon in the ingot

圖9 工藝參數(shù)不同的鑄錠的碳偏析比的最大值和極差Fig.9 Maximum and range of carbon segregation ratio of the ingots obtained from different process parameters

圖10和圖11分別為過熱度、電流與最大碳偏析比及碳偏析比極差之間的關(guān)系圖。從圖10(b)和11(b)可以發(fā)現(xiàn)，弱電磁攪拌及低過熱度時(shí)，由于鋼液流動(dòng)性較差，鑄錠中心碳偏析嚴(yán)重。隨著過熱度的提高及攪拌電流的增大，碳元素的最大偏析比及偏析比極差均先減小后增大，在310 A電流附近出現(xiàn)拐點(diǎn)，達(dá)到最小值，說明鋼液的劇烈流動(dòng)導(dǎo)致鑄錠中心元素分布不均勻。Choudhary等[26]的研究發(fā)現(xiàn)，過熱度較高時(shí)，鑄坯的偏析度波動(dòng)較大，中心碳偏析較嚴(yán)重。隨著過熱度的降低，等軸晶區(qū)擴(kuò)大，有利于減輕中心偏析。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出，在合理的過熱度范圍內(nèi)，GCr15軸承鋼最優(yōu)的電磁連鑄工藝參數(shù)為：過熱度44 ℃，電磁攪拌電流和頻率分別為300 A和5 Hz。

圖10 過熱度、攪拌電流與最大碳偏析比的關(guān)系圖Fig.10 Relationship among superheat degree, stirring current and the maximum carbon segregation ratio

圖11 過熱度、攪拌電流與碳偏析比極差的關(guān)系圖Fig.11 Relationship among superheat degree, stirring intensity and the range of carbon segregation ratio

4 結(jié)論

(1)隨著過熱度的降低及電磁攪拌電流的增大,GCr15 軸承鋼鑄錠的等軸晶率提高,混晶率降低。相比降低過熱度，增大攪拌電流更有利于增大等軸晶區(qū)及減小混晶區(qū)。

(2)弱電磁攪拌及低過熱度時(shí)，鑄錠中心碳偏析嚴(yán)重，隨著過熱度的提高及攪拌電流的增大，碳元素的最大偏析比及偏析比極差均先減小后增大，說明鋼液的劇烈流動(dòng)導(dǎo)致鑄錠中心元素分布不均勻。

(3)根據(jù)熱模擬試驗(yàn)結(jié)果，GCr15軸承鋼最優(yōu)的電磁連鑄工藝參數(shù)為：過熱度44 ℃，電磁攪拌電流和頻率分別為300 A和5 Hz。