結(jié)晶器電磁攪拌對ML40Cr小方坯凝固組織及偏析的影響

張康暉,馬建超,李 強(qiáng),陳少慧

(江蘇省(沙鋼)鋼鐵研究院,江蘇 張家港215625)

引 言

ML40Cr冷鐓鋼具有優(yōu)越的冷變形能力和強(qiáng)韌性,被廣泛用于生產(chǎn)高級別的緊固件和零配件。冷鐓軋材由于變形量大且變形速率高,對材料均質(zhì)性要求較高,如果軋材存在偏析,容易造成軋材受力不均,局部產(chǎn)生應(yīng)力集中,從而導(dǎo)致冷鐓開裂[1]。軋材偏析遺傳自連鑄坯偏析,因此需要對連鑄坯偏析進(jìn)行控制。電磁攪拌是改善連鑄坯偏析的重要措施,其借助在鑄坯內(nèi)鋼液感生的電磁力,強(qiáng)化鋼液的流動形態(tài)和流動速度,從而影響鑄坯的凝固組織及成分偏析,成為當(dāng)前品種鋼連鑄的重要技術(shù)手段[2-3]。

本文通過對比不同結(jié)晶器電磁攪拌參數(shù)條件下ML40Cr冷鐓鋼連鑄坯凝固組織形貌和碳偏析分布,分析結(jié)晶器電磁攪拌對凝固組織演變、枝晶間距、枝晶偏斜和均質(zhì)性的影響,為改善連鑄坯凝固組織及均質(zhì)性提供了結(jié)晶器電磁攪拌參數(shù)優(yōu)化的方向。

1 試驗(yàn)方法

ML40Cr冷鐓鋼采用6機(jī)6流的弧形連鑄機(jī)生產(chǎn),采用結(jié)晶器電磁攪拌(M-EMS)+末端電磁攪拌(F-EMS)組合電磁攪拌技術(shù),主要成分如表1所示,連鑄機(jī)及生產(chǎn)工藝參數(shù)如表2所示。生產(chǎn)過程中選取同一爐次的不同流進(jìn)行對比測試,連鑄參數(shù)基本相同,分析結(jié)晶器電磁攪拌使用和關(guān)閉條件下的連鑄坯低倍和偏析特征。

表1 ML40Cr冷鐓鋼的化學(xué)成分/%

表2 連鑄機(jī)及生產(chǎn)工藝基本參數(shù)

連鑄坯加工成厚度為20 mm的橫斷面試樣,采用GB/T 226低倍缺陷酸蝕的熱酸法腐蝕,鑄坯低倍如圖1所示。為了對枝晶偏斜角度和枝晶間距進(jìn)行精細(xì)研究,將試樣從表面至中心切取70 mm×18 mm×20 mm的金相樣進(jìn)行鑄態(tài)枝晶形貌觀察,金相樣經(jīng)過粗磨、細(xì)磨、拋光后,選用苦味酸腐蝕液(苦味酸6 g+洗滌劑2 m L+水500 m L)進(jìn)行枝晶浸蝕。采用電子顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察,用圖像分析處理軟件測量柱狀枝晶偏斜角度。組織分析后,在鑄坯橫截面鉆屑取樣,鉆屑點(diǎn)即圖1中的紅點(diǎn),利用碳硫分析儀測定碳含量,研究鑄坯橫斷面的成分偏析情況。

2 試驗(yàn)結(jié)果

從熱酸洗后的鑄坯低倍和苦味酸腐蝕后的金相樣可以看出,鑄坯表面至中心依次為激冷層、柱狀晶區(qū)和等軸晶區(qū),如圖1和圖2所示。施加M-EMS時柱狀晶區(qū)寬度為35 mm,未施加M-EMS時柱狀晶區(qū)寬度為49 mm,M-EMS顯著促進(jìn)柱狀晶向等軸晶的轉(zhuǎn)變,擴(kuò)大等軸晶區(qū)。在M-EMS作用下,柱狀晶則沿電磁力方向發(fā)生偏斜,偏斜角在18°-30°,而未開M-EMS時柱狀晶偏斜角在-10°-18°。

在柱狀晶區(qū),隨著與鑄坯表面距離的增加,一次和二次枝晶間距增大,同時一次和二次枝晶粗化;與未施加M-EMS相比,施加M-EMS時一次和二次枝晶間距均增大,如圖3和圖4所示。同時施加MEMS時鑄坯心部等軸晶明顯粗化,但致密度較未施加結(jié)晶器電磁攪拌時要高,如圖5所示。

圖3 連鑄坯不同位置的柱狀晶組織

圖4 鑄坯不同位置的一次和二次枝晶間距

圖5 鑄坯心部的枝晶形貌

3 分析討論

為了更好地分析ML40Cr小方坯連鑄過程凝固組織的演變,通過有限差分法求解凝固傳熱,計算鑄坯的凝固傳熱情況。

3.1 結(jié)晶器電磁攪拌對鑄坯凝固組織的影響

鑄坯凝固組織的形成與演變與凝固前沿的溫度梯度和凝固速度等條件有關(guān)。在彎月面附近,鋼液直接與結(jié)晶器銅管接觸,在銅管激冷作用下,形成表層激冷細(xì)晶區(qū)組織。隨著凝固的進(jìn)行,鋼液中的熱量不斷通過結(jié)晶器銅管及隨后二冷區(qū)的冷卻水帶走,凝固坯殼表面至鑄坯心部存在較大的溫度梯度,凝固組織主要以柱狀晶定向生長。隨著凝固的進(jìn)行,固相散熱能力逐漸變?nèi)?溫度梯度逐漸減小[4-6]。同時,攪拌過程中,凝固前沿低溫熔體和中心高溫熔體以對流方式混合,使得溫度相對均勻,降低了鋼液的溫度梯度G;同時也延緩了結(jié)晶器壁和液面處熔體的冷卻速度V[2-3]。當(dāng)G/V1/2＜常數(shù)CCET時,即會發(fā)生柱狀晶-等軸晶轉(zhuǎn)變(Columar to Equiaxed Transition,即CET轉(zhuǎn)變)[3]。

由圖6凝固傳熱計算結(jié)果可知,在結(jié)晶器電磁攪拌位置處(此處凝固坯殼約7～12 mm,),未發(fā)現(xiàn)CET轉(zhuǎn)變,而是在距表面35 mm處才發(fā)生CET轉(zhuǎn)變。當(dāng)未施加結(jié)晶器電磁攪拌時,距表面49 mm處才發(fā)生CET轉(zhuǎn)變(根據(jù)圖6凝固計算,末端電磁攪拌位置凝固坯殼厚度約為48～53 mm)。因此,可以得出,盡管結(jié)晶器電磁攪拌具有降低溫度梯度和冷卻速度的效果,但(300 A,4 Hz)的攪拌強(qiáng)度不足以打斷原有柱狀晶組織,使得此處未發(fā)生CET轉(zhuǎn)變,隨著凝固的推移,溫度梯度和冷卻速度進(jìn)一步降低,在距表面35 mm處形成等軸晶組織。圖6中fs為中心固相率

圖6 未施加M-EMS時鑄坯的凝固傳熱情況

施加(300 A,4 Hz)結(jié)晶器電磁攪拌后,由于成分和溫度的混合作用,降低了柱狀晶凝固前沿的溫度梯度和溶質(zhì)濃度梯度,延緩了柱狀晶的形核和生長。Makkonen[7]通過建立全局熱平衡求解一次枝晶臂間距λ1,Kim等[8]提出鈴木實(shí)驗(yàn)方程求解二次枝晶臂間距λ2,見下式:

式中L為溶化潛熱,J/g;c v為體積熱溶,J/(m3·K);G為溫度梯度,℃/mm;r為枝晶尖端曲率半徑,μm;V為冷卻速度,℃/min。根據(jù)公式,一次枝晶間距隨溫度梯度降低而增加,二次枝晶間距隨冷卻速度降低而增加。

由圖4可知,柱狀晶一次枝晶間距和二次枝晶間距較未施加結(jié)晶器電磁攪拌時有所增加,也說明了施加結(jié)晶器電磁攪拌后,溫度梯度和冷卻速度有所降低。但文獻(xiàn)[2]結(jié)果顯示,施加結(jié)晶器電磁攪拌,且隨著攪拌電流的增加,ML40Cr小方坯二次枝晶間距降低,這與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果相反,推測可能與結(jié)晶器電磁攪拌的位置和攪拌強(qiáng)度有關(guān)。

當(dāng)凝固坯殼經(jīng)過末端電磁攪拌位置時,攪拌力作用下凝固前沿未凝鋼液溫度梯度和冷卻速度進(jìn)一步降低,導(dǎo)致心部組織進(jìn)一步粗化。

3.2 結(jié)晶器電磁攪拌對成分偏析的影響

鋼液中的元素偏析是隨凝固前沿的推移而逐漸產(chǎn)生的,是鋼液流動傳熱和溶質(zhì)再分配的結(jié)果。在未施加結(jié)晶器電磁攪拌時,隨著凝固的進(jìn)行,碳含量逐漸增加,直至進(jìn)入末端電磁攪拌作用區(qū)域,如圖7(a)所示。施加結(jié)晶器電磁攪拌后,電磁力作用對以柱狀晶生長的凝固前沿進(jìn)行了沖刷和清洗,促使凝固前沿溶質(zhì)富集元素與中心鋼液互相混合,使溶質(zhì)濃度趨于均勻,導(dǎo)致距表層10 mm處出現(xiàn)碳元素輕微負(fù)偏析,如圖7(b)所示。同時,攪拌過程中,凝固前沿低溫熔體和中心高溫熔體以對流方式混合,使得溫度相對均勻,降低了鋼液的溫度梯度,同時也延緩了結(jié)晶器壁和液面處熔體的冷卻速度[2]。電磁攪拌對凝固前沿的沖刷作用可以從柱狀晶一次枝晶的偏斜得到驗(yàn)證,在攪拌力作用下,凝固前沿鋼液產(chǎn)生切向流動,促使柱狀晶逆著流動方向生長。

圖7 連鑄坯碳偏析結(jié)果

由圖7(b)還可以看出,施加結(jié)晶器電磁攪拌后,CET轉(zhuǎn)變界面處存在碳含量的峰值,造成這一峰值的原因在于無論是柱狀晶和等軸晶,生長過程中溶質(zhì)元素均隨著凝固界面推移而富集,在兩種組織交匯面出現(xiàn)溶質(zhì)元素的富集[9]。在隨后的末端電磁攪拌過程中,攪拌力會導(dǎo)致未完全凝固的等軸晶間富集溶質(zhì)元素溶體與中心液相的對流,從而使得末端電磁攪拌前等軸晶區(qū)出現(xiàn)較寬的負(fù)偏析區(qū)域。對比圖7(a)和(b)還可以看出,未施加結(jié)晶器電磁攪拌時負(fù)偏析出現(xiàn)在距表面50-60 mm位置,而開結(jié)晶器電磁攪拌后負(fù)偏析出現(xiàn)在距表面40-55 mm區(qū)域,這一現(xiàn)象也證實(shí)了施加結(jié)晶器電磁攪拌延緩了枝晶生長速度。

4 結(jié) 論

通過對比分析施加(300 A,4 Hz)結(jié)晶器電磁攪拌對ML40Cr小方坯凝固組織和成分偏析的影響,得出以下結(jié)論:

(1)施加結(jié)晶器電磁攪拌促進(jìn)了等軸晶組織的形成,柱狀晶區(qū)寬度由49 mm縮短至35 mm;凝固前沿柱狀晶發(fā)生偏斜,偏斜角在18°-30°;柱狀晶區(qū)一次枝晶間距及二次枝晶間距均增大,心部等軸晶也發(fā)生粗化。

(2)施加結(jié)晶器電磁攪拌后,在連鑄坯皮下10 mm左右形成輕微負(fù)偏析;CET轉(zhuǎn)變界面處出現(xiàn)碳含量峰值,CET轉(zhuǎn)變前沿的等軸晶區(qū)存在較寬的負(fù)偏析;中心粗等軸晶區(qū)致密度升高,出現(xiàn)碳含量最高峰。

(3)施加結(jié)晶器電磁攪拌后,中心等軸晶率由9%提升至24%,中心碳含量由0.432%降至0.425%,對中心偏析有改善效果,但碳的負(fù)偏析區(qū)變寬,最低碳含量降低0.008%,不利于改善斷面均質(zhì)性。

盡管結(jié)晶器電磁攪拌具有促進(jìn)等軸晶形成,改善連鑄坯中心偏析有著積極作用,但有時對斷面碳含量均勻性有著負(fù)面影響[9-11]。因此結(jié)晶器電磁攪拌的合理應(yīng)用,還需要結(jié)合鋼種使用特性、與末端電磁攪拌/二冷電磁攪拌合理搭配,以及綜合考慮連鑄坯表面及皮下質(zhì)量,探索適合于產(chǎn)量質(zhì)量需求的合理工藝參數(shù)。