結(jié)晶器電磁攪拌對(duì)中碳鋁鎮(zhèn)靜鋼Φ450 mm圓坯中夾雜物的影響

郭俊波 陸 強(qiáng) 沈 昶 楊 崢

（1.馬鞍山鋼鐵股份有限公司技術(shù)中心； 2.軌道交通關(guān)鍵零部件安徽省技術(shù)創(chuàng)新中心）

0 引言

由于電磁攪拌可以有效改善鑄坯的表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量，因此在實(shí)際生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用[1］。在結(jié)晶器處合理使用電磁攪拌，可以改善鑄坯的表面和皮下質(zhì)量，提高鑄坯的等軸晶比例，抑制粗大枝狀晶的生長(zhǎng)[2～3］，減輕中心縮孔和心中偏析，提高鑄坯潔凈度。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)圓坯結(jié)晶器的冶金作用及行為進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，如流場(chǎng)與溫度場(chǎng)的分布情況[4-6］、凝固組織與電磁攪拌參數(shù)的關(guān)系[7-10］、水口形狀、水口直徑對(duì)流場(chǎng)的影響[11］等。

結(jié)晶器是煉鋼過(guò)程中夾雜物去除的最后一個(gè)重要環(huán)節(jié)。結(jié)晶器內(nèi)夾雜物的行為與鋼液的流動(dòng)軌跡、傳熱凝固密切相關(guān)。當(dāng)結(jié)晶器施加電磁攪拌后，促進(jìn)了結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動(dòng)，進(jìn)一步促進(jìn)了夾雜物的碰撞、長(zhǎng)大及上浮，從而使夾雜物總量減少，降低了夾雜物的尺寸，T.O 含量降低，可以改善鑄坯的潔凈度[9-10］，這主要是由于結(jié)晶器電磁攪拌使能把水口流股沖擊的軸向速度變?yōu)閺较蛩俣龋箠A雜物隨鋼液做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，夾雜物在結(jié)晶器中的停留時(shí)間增長(zhǎng)，有利于夾雜物上浮[4，11］。由于結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流場(chǎng)是不對(duì)稱(chēng)的，因此夾雜物在結(jié)晶器中的分布也呈現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)狀態(tài)。夾雜物在結(jié)晶器中的上浮與夾雜物的直徑有密切關(guān)系，直徑越大，則上浮、被保護(hù)渣吸附的機(jī)會(huì)也越大[12］。最終，夾雜物在結(jié)晶器中以3種形式消失：上浮到上表面被保護(hù)渣吸收；被彎月面附近的凝固坯殼捕捉，形成表面缺陷；被鋼液帶入到結(jié)晶器下部，被液相穴捕捉，形成內(nèi)部缺陷[13］。

前人的研究主要集中在結(jié)晶器電磁攪拌對(duì)鑄坯內(nèi)夾雜物總量的影響，而對(duì)鑄坯不同位置處的夾雜物分布特征缺乏系統(tǒng)研究。筆者借助Aspex Explorer 全自動(dòng)分析技術(shù)分別對(duì)無(wú)結(jié)晶器電磁攪拌和結(jié)晶器電磁攪拌條件下的Φ450 mm 圓坯內(nèi)不同位置處的夾雜物的數(shù)量、尺寸大小分布情況進(jìn)行了系統(tǒng)分析，從而為鑄坯不同位置處的夾雜物控制提供研究基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)條件

1.1 試驗(yàn)工藝及鑄坯取樣方案

Φ450 mm 圓坯。澆注全程進(jìn)行嚴(yán)格保護(hù)澆鑄，過(guò)熱度控制在15～35 ℃之間，所有結(jié)晶器電磁攪拌均為外置式。該連鑄機(jī)主要工藝參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 中碳鋁鎮(zhèn)靜鋼Φ450 mm 圓坯連鑄機(jī)的主要工藝參數(shù)

以中碳鋁鎮(zhèn)靜鋼為研究對(duì)象（其成分見(jiàn)表2），在同一包鋼水澆注過(guò)程中，分別對(duì)采用結(jié)晶器電磁攪拌的2 流和未采用結(jié)晶器電磁攪拌的4 流鑄坯，在垂直于拉坯方向的橫截面上取金相樣，用于夾雜物ASPEX 分析。取樣位置如圖1 所示，1#、2#、3#、4#、5#試樣分別對(duì)應(yīng)于距鑄坯邊部0～20 mm、44～64 mm、88～108 mm、132～152 mm以及176～196 mm 的區(qū)域，每個(gè)試樣大小約為20 mm×20 mm，試樣間的距離為24 mm。

表2 試驗(yàn)用中碳鋁鎮(zhèn)靜鋼的主要成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

圖1 金相樣取樣位置

1.2 夾雜物檢測(cè)

將金相試樣經(jīng)過(guò)磨樣、拋光及干燥處理后使用全自動(dòng)夾雜物分析儀（Aspex Explorer）對(duì)試樣中的夾雜物的成分、數(shù)量、尺寸大小等進(jìn)行分析。鑄坯中的夾雜物主要有硫化物夾雜、氧化物夾雜、硫化物和氧化物組成的復(fù)合物夾雜三類(lèi)（見(jiàn)表3 和圖2）。其中，硫化物夾雜以MnS 夾雜物為主，主要呈現(xiàn)長(zhǎng)條狀。氧化物夾雜主要為球狀、含有少量MgO 的CaO-Al2O3-MgO 系夾雜物。硫化物和氧化物組成的復(fù)合物呈現(xiàn)“包裹”狀，外層為MnS，中間部分為Al2O3為主的氧化物夾雜。由于氧化物夾雜對(duì)鋼材的性能影響較大，因此本文筆者只討論氧化物夾雜的特征。

表3 鑄坯中夾雜物組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

圖2 鑄坯中的夾雜物形貌

連鑄機(jī)為五流全弧形連鑄機(jī)，鑄坯規(guī)格為

2 結(jié)果及分析

2.1 夾雜物數(shù)量

用單位面積上夾雜物的數(shù)量，即數(shù)量密度來(lái)表征夾雜物的數(shù)量分布情況。兩種工藝鑄坯不同位置處的夾雜物的數(shù)量情況如圖3 所示。

從圖3 可以看出，兩種工藝條件下，鑄坯邊部夾雜物數(shù)量最多，由鑄坯邊部逐漸向中心移動(dòng)，夾雜物數(shù)量呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，在距離邊部176～196 mm的區(qū)域內(nèi)，夾雜物數(shù)量分別降至2.14 個(gè)/mm2和2.28 個(gè)/mm2，分別減少了63.2%和53.4%。

圖3 鑄坯不同位置處夾雜物的數(shù)量密度對(duì)比情況

鑄坯邊部（0～20 mm 區(qū)域內(nèi)），采用電磁攪拌工藝的鑄坯的夾雜物數(shù)量較無(wú)電磁攪拌工藝的多，這是由于采用結(jié)晶器電磁攪拌后，加快了結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動(dòng)，結(jié)晶器內(nèi)鋼水溫度較為均勻，在一定程度上減輕了由于結(jié)晶器的冷卻作用使結(jié)晶器壁面處的鋼水溫度的下降程度，其凝固坯殼相對(duì)于無(wú)電磁攪拌工藝變薄，壁面處夾雜物以湍流擴(kuò)散形式傳輸并被初始凝固坯殼(壁面)所吸附，造成壁面附件夾雜物的數(shù)量較多[14］。

隨著從鑄坯邊部向鑄坯中心移動(dòng)，采用電磁攪拌后夾雜物數(shù)量逐漸均比無(wú)電磁攪拌工藝的數(shù)量少，這主要是由于無(wú)電磁攪拌條件下，夾雜物隨鋼液進(jìn)入結(jié)晶器后，少部分在上部區(qū)域隨鋼液回流，大部分隨鋼液直流向下流動(dòng)，直至流出結(jié)晶器，然后被凝固前沿捕捉，上浮直至被保護(hù)渣吸附的機(jī)會(huì)很少，從而留在鑄坯中。而采用電磁攪拌后，夾雜物在結(jié)晶器內(nèi)隨鋼液旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，在結(jié)晶器上部區(qū)域內(nèi)停留時(shí)間隨之延長(zhǎng)，其上浮到自由液面被保護(hù)渣吸收的概率隨之增加，因此其數(shù)量較少。

是否采用結(jié)晶器電磁攪拌對(duì)鑄坯不同區(qū)域內(nèi)夾雜物的去除效率有明顯的影響。采用電磁攪拌工藝后，距離鑄坯邊緣88 mm 內(nèi)夾雜物數(shù)量基本不變，而未采用結(jié)晶器電磁攪拌后，距離鑄坯132 mm 內(nèi)夾雜物的數(shù)量基本不變。這主要是由于無(wú)電磁攪拌條件下時(shí)，距離鑄坯邊部88～108 mm區(qū)域所對(duì)應(yīng)的鋼液直接向下流動(dòng)，直至流出了結(jié)晶器，從而導(dǎo)致鋼液中的夾雜物被凝固前沿捕捉，留在了鑄坯中。當(dāng)采用電磁攪拌時(shí)，此區(qū)域所對(duì)應(yīng)的鋼液在旋轉(zhuǎn)電磁力的作用下仍然在結(jié)晶器中做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其碰撞、長(zhǎng)大直至上浮去除的幾率較高，因此數(shù)量較少。

2.2 夾雜物尺寸大小分布

對(duì)兩種工藝條件下鑄坯不同位置的夾雜物尺寸大小的分布情況進(jìn)行了分析，如圖4 和圖5所示。

電磁攪拌工藝條件下，鑄坯邊部0～20 mm 區(qū)域內(nèi)主要為1～3 μm 的小尺寸夾雜物，其比例達(dá)到78%，其次是3～5 μm 和5～10 μm 的夾雜物，其比例分別為13%和8%，尺寸大于10 μm 的夾雜物數(shù)量為5 個(gè)，說(shuō)明鑄坯邊部以小尺寸的夾雜物為主。隨著由鑄坯邊部逐漸向中心移動(dòng)，1～3 μm 的小尺寸夾雜物的數(shù)量逐漸減少，其所占比例也逐漸降低，在距離鑄坯邊部132～152 mm 區(qū)域達(dá)到最低值，然后在中心部位升高。這主要是由于隨著凝固的進(jìn)行，夾雜物在液相鋼液中不斷碰撞、長(zhǎng)大、上浮直至被保護(hù)渣吸收。在鑄坯中心部位，由于液相區(qū)中的鋼液已經(jīng)向下流出結(jié)晶器，再加上鋼水溫度較低，因此夾雜物上浮、去除的動(dòng)力學(xué)條件不好，同時(shí)由于凝固前沿將夾雜物推動(dòng)至液相鋼液中，因此小尺寸夾雜物的數(shù)量增加。

3～5 μm 的夾雜物數(shù)量呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)，在距離邊部44～64 mm 的區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)最大值，這是由于邊部區(qū)域小顆粒夾雜物數(shù)量較多，其碰撞、長(zhǎng)大成較大尺寸夾雜物的概率較大，因此數(shù)量最多。隨著向鑄坯中心移動(dòng)，小尺寸夾雜物數(shù)量減少，其碰撞、長(zhǎng)大成3～5 μm 夾雜物的速率低于其上浮、去除的速率，因此其數(shù)量呈現(xiàn)減少趨勢(shì)。

尺寸大于5 μm 的夾雜物的數(shù)量變化趨勢(shì)與3～5 μm 夾雜物的基本一致，但其在距離邊部132～152 μm 的區(qū)域內(nèi)達(dá)到最高值，這是由于此處為凝固組織柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變的混晶區(qū)，枝晶較為混亂，有很多突出的枝晶，很容易捕捉到較大尺寸夾雜物。其中，尺寸大于10 μm的夾雜物的比例達(dá)到16.6%，需要引起足夠的重視。

無(wú)電磁攪拌條件下的鑄坯不同位置的夾雜物尺寸大小的分布趨勢(shì)與施加電磁攪拌工藝的趨勢(shì)基本一致，從每個(gè)區(qū)域的分布情況看，1～3 μm 的小尺寸夾雜物所占的比例要高于電磁攪拌工藝，這說(shuō)明施加電磁攪拌工藝后，鋼水在結(jié)晶器內(nèi)呈現(xiàn)切向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，有助于小尺寸夾雜物的碰撞、長(zhǎng)大，同時(shí)由于鋼水在結(jié)晶器內(nèi)的停留時(shí)間較長(zhǎng)，因此其上浮的概率較大，所占比例較小。

值得注意的是，距離邊部132～152 mm 的區(qū)域內(nèi)，無(wú)電磁攪拌條件下鑄坯內(nèi)的大尺寸夾雜物數(shù)量和比例低于電磁攪拌工藝的。如前所述，距離邊部132～152 mm 處為混晶區(qū)組織，此區(qū)域中的大尺寸夾雜物以被枝晶頭捕捉為主。與電磁攪拌工藝相比，未采用電磁攪拌時(shí)，由于不存在電磁力和鋼液強(qiáng)制流動(dòng)的作用，鋼中的小尺寸夾雜物碰撞、長(zhǎng)大成大尺寸夾雜物的概率低于采用電磁攪拌工藝的，因此，被捕捉、殘留在鑄坯中的大尺寸夾雜物的數(shù)量較少。

3 結(jié)論

（1）無(wú)論是否采取電磁攪拌工藝，鑄坯邊部夾雜物數(shù)量最多，隨著由鑄坯邊部逐漸內(nèi)移，兩種工藝鑄坯的夾雜物數(shù)量均逐漸減少；隨著從鑄坯邊部向鑄坯中心移動(dòng)，電磁攪拌工藝鑄坯各區(qū)域的夾雜物數(shù)量逐漸低于無(wú)電磁攪拌工藝的。

（2）采用電磁攪拌工藝條件下，隨著由鑄坯邊部逐漸向中心移動(dòng)，1～3 μm 的小尺寸夾雜物的數(shù)量逐漸減少，距離鑄坯邊部132～152 mm 區(qū)域時(shí)達(dá)到最低值，然后在中心部位升高；3～5 μm 以及＞5 μm 的夾雜物數(shù)量呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)，分別在距離邊部44～64 mm、132～152 μm 的區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)最大值。

（3）無(wú)電磁攪拌工藝條件下，鑄坯不同位置的夾雜物尺寸大小的分布趨勢(shì)與施加電磁攪拌工藝的趨勢(shì)基本一致，但1～3 μm 的夾雜物所占的比例較高，132～152 μm 的區(qū)域內(nèi)大尺寸夾雜物的數(shù)量、比例較低。

圖4 電磁攪拌工藝鑄坯不同尺寸大小的夾雜物的分布情況

圖5 無(wú)電磁攪拌工藝鑄坯不同尺寸大小的夾雜物的分布情況