小方坯結(jié)晶器電磁攪拌工藝參數(shù)完-煉鋼

1、小方坯結(jié)晶器電磁攪拌工藝參數(shù)選擇及效果分析摘 要：采用對比試驗(yàn)研究的方法分析不同電磁攪拌強(qiáng)度下對45鋼小方坯鑄坯內(nèi)部質(zhì)量的影響，試驗(yàn)中采用攪拌電流分別為270、280、290、300 A。其結(jié)果表明：電磁攪拌的使用有助于提高鑄坯質(zhì)量,包括皮下氣泡、非金屬夾雜物、中心偏析、縮孔、角部裂紋的質(zhì)量等級，電磁攪拌可有效降低高過熱度鋼連鑄鑄坯中的氧、氮含量，隨著攪拌電流由270A提高到300A，鑄坯中心等軸晶比率由24.2提高到31.5。關(guān)鍵詞：連鑄；結(jié)晶器電磁攪拌；內(nèi)部質(zhì)量Process parameters optimization and effects analysis of billet mo

2、ld electromagnetic stirringGAO Hai（1. School of Metallurgical and Ecological Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China；2.Chengde Branch of Hebei Iron & Steel Co., Ltd., Chengde 067102, China；3.Engineering and Technology Research Center of vanadium and titanium

3、 HeBei, Chengde 067102, China.）Abstract: The continuous billet internal quality analysis of 45 steel are studied with the different mould electromagnetic stirring current by the comparative method. The result showed electromagnetic stirring improved the level of billet internal quality such as the s

4、ubcutaneous blebs, nonmetallic inclusions, central segregation, shrinkage cavity and corner cracks, effectively reduced the content of oxygen and nitrogen in the high superheat billet, increased the billet center equiaxed crystal ration from 24.2% to 31.5% with stirring current from 270A to 300A.Key

5、 words: continuous billet；Mould electromagnetic stirring；Internal quality1 前言隨著連鑄技術(shù)的快速發(fā)展，電磁攪拌技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，它的實(shí)質(zhì)是借助在鑄坯液相穴內(nèi)感生的電磁力強(qiáng)化液相穴內(nèi)鋼液的運(yùn)動(dòng)，由此強(qiáng)化鋼液的對流、傳熱和傳質(zhì)過程，產(chǎn)生抑制往狀品發(fā)展、促進(jìn)成分均勻、央雜物上浮細(xì)化、分布均勻的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件，進(jìn)而控制鈴坯凝固組織，改善鉚坯質(zhì)量。結(jié)晶器電磁攪拌是應(yīng)用最為廣泛的連鑄電磁攪拌技術(shù)，具有減少鑄坯表面和皮下氣孔、改善鑄坯表面質(zhì)量減少、降低中心縮孔和偏析、提高鋼水純凈度等功能。隨著公司品種開發(fā)的進(jìn)一步深入，對產(chǎn)品質(zhì)

6、量的要求越來越高，而鑄坯質(zhì)量作為軋制前的中間產(chǎn)品尤為重要，要求在現(xiàn)有條件下最大幅度地充分發(fā)揮出電磁攪拌冶金功能，因此，決定對結(jié)晶器電磁攪拌功能進(jìn)一步優(yōu)化，提高鑄坯表面質(zhì)量和控制中高碳鋼的碳偏析，開展了小方坯連鑄結(jié)晶器電磁攪拌技術(shù)應(yīng)用研究，采用45鋼鑄坯為試驗(yàn)鋼種進(jìn)行了試驗(yàn)，重點(diǎn)研究確定電流和頻率的最佳值，以及電磁攪拌電流參數(shù)的改變對鑄坯的內(nèi)、外部質(zhì)量影響的研究。122 試驗(yàn)方案2.1裝備及工藝試驗(yàn)用小方坯連鑄機(jī)為連鑄機(jī)，主要參數(shù)：鑄機(jī)類型： 八機(jī)八流弧形連鑄機(jī)；斷面尺寸：165mm×165mm；拉速范圍：1.82.2m/min。結(jié)晶器電磁攪拌成套裝置由150KVA，380V/380V

7、主電力變壓器8臺、電源分配柜及冷卻水控制柜2面、變頻柜8面、純水內(nèi)冷結(jié)晶器外置式電磁攪拌器8臺、冷卻水裝置1套及監(jiān)控操作工控機(jī)1臺構(gòu)成。其主體設(shè)備結(jié)晶器電磁攪拌器設(shè)備型號：DJMR-540CW，數(shù)量：8臺，主要技術(shù)參數(shù)：結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：環(huán)形鐵芯，克蘭姆繞組形式；適應(yīng)的鑄坯截面：165mm×165mm；中心磁感應(yīng)強(qiáng)度：860GS；帶結(jié)晶器銅管后中心磁感應(yīng)強(qiáng)度：550M；自重：1160Kg。連鑄機(jī)電磁攪拌器安裝位置距結(jié)晶器銅管上口350mm處，攪拌方式為：連續(xù)正攪、連續(xù)反攪、正反交替攪拌。電磁攪拌器基本參數(shù)見表2。表1：連鑄機(jī)結(jié)晶器電磁攪拌器的設(shè)備基本參數(shù)電磁攪拌器電氣參數(shù)攪拌器尺寸視在功率電

8、流電壓頻率中心磁感應(yīng)強(qiáng)度內(nèi)徑外徑高度KVAAVHzGsmmmmmm2604003802-88605108705052.2結(jié)晶器電磁攪拌工藝參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)方案以45#鋼為代表，生產(chǎn)工藝路線：鐵水轉(zhuǎn)爐提釩轉(zhuǎn)爐煉鋼吹氬精煉（包括鋼包喂線）方坯連鑄（保護(hù)澆注）。在其中1流按不同參數(shù)的電磁攪拌設(shè)定，其他流不使用電磁攪拌控制，按上述20組參數(shù)在設(shè)定參數(shù)的流上每一組取150mm厚鑄坯樣一塊，對應(yīng)在其他流上取150mm厚鑄坯樣一塊，酸洗后進(jìn)行鑄坯質(zhì)量對比。檢驗(yàn)項(xiàng)目包括：低倍和硫印檢驗(yàn)、碳偏析分析、氮氧含量測定三個(gè)部分。3 試驗(yàn)過程3.1取樣方式在連鑄機(jī)上進(jìn)行電磁攪拌效果的試驗(yàn)鋼生產(chǎn)，共進(jìn)行7爐，在連鑄機(jī)第1流使

9、用電磁攪拌，第2流為無電磁攪拌進(jìn)行對比，5連鑄機(jī)生產(chǎn)試驗(yàn)鋼的工藝參數(shù)見表2。表2：5連鑄機(jī)生產(chǎn)試驗(yàn)鋼的技術(shù)工藝參數(shù)編號爐號中包溫度拉速結(jié)晶器進(jìn)出水溫差二次冷卻各段流量/Lkg-1南中包北中包M/min-1一段二段三段16-3328151715161.795.64.95.43.526-3329151815171.805.855.53.736-3330150715091.936.94.54.963.2446-3331150915171.696.53.944.442.9756-3332150514991.946.84.314.82.0466-3878151515271.714.856.676-387

10、9152215281.744.856.63.2試驗(yàn)樣精選結(jié)果及試驗(yàn)安排對84塊厚度為40mm的連鑄坯樣進(jìn)行檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，爐號為6503331編號為4-1、4-2、4-7、4-8的試樣沒有，其余試樣多有重復(fù)編號現(xiàn)象，精選后采用12組試樣共計(jì)36塊試樣進(jìn)行對比檢驗(yàn)。決定檢驗(yàn)的試樣中包括6個(gè)爐號，基本包括了電磁攪拌試驗(yàn)的工藝情況，能夠說明電磁攪拌的試驗(yàn)效果，試樣檢驗(yàn)分析項(xiàng)目基本情況見表3。表3：連鑄機(jī)電磁攪拌試驗(yàn)樣精選結(jié)果及試驗(yàn)安排編號流次爐號攪拌參數(shù)低倍/硫印碳偏析氧氮含量電流電壓頻率方式1-116-33283003503反攪1-226-33282-116-33292803253反攪2-226-33

11、293-116-33302903353正攪3-226-33305-116-33322904154正攪5-226-33326-116-38782703153反攪6-226-38787-116-38792903353正攪7-226-3879注：記號為“”是表示需進(jìn)行檢驗(yàn)的項(xiàng)目。編號中1-1、1-2，前面的數(shù)字代表爐號，1代表爐號為6-3328，依此類推；后面的數(shù)字代表有無電磁攪拌，1代表有電磁攪拌，2代表無電磁攪拌。試驗(yàn)鑄坯鋸切為厚度為165mm×165mm×40mm的坯樣，按表3所示，每個(gè)爐號的試驗(yàn)坯樣為4塊，2塊為有電磁攪拌的鑄坯樣，從一塊鑄坯上依次切取，2塊鑄坯樣組織成分

12、變化極小，其中：一塊用于加工低倍檢驗(yàn)樣，一塊用于鉆取成分分析樣和切割出金相樣、氧氮?dú)怏w分析樣。另外2塊為無電磁攪拌的對比鑄坯樣，加工過程相同。4、試驗(yàn)結(jié)果及分析4.1鑄坯低倍檢驗(yàn)分析結(jié)果及討論4.1.1鑄坯低倍檢驗(yàn)分析結(jié)果試驗(yàn)鋼鑄坯低倍檢驗(yàn)的評級結(jié)果見表4。表4：試驗(yàn)鋼鑄坯低倍檢驗(yàn)的評級結(jié)果爐號中心偏析中心疏松皮下氣泡非金屬夾雜物縮孔角部裂紋皮下裂紋中間裂紋中心裂紋電磁攪拌6-332811-0.510010是1.51-0.51.51010否6-332911-0.510000是11-10.50000否6-333011-0.500010是11-101000否6-333211-0.50.51.500

13、0是11-121.5010否6-387811-0.50.50000是1.5110.511000否6-387911-100000是11-0.500000否比較表4中的各項(xiàng)低倍檢驗(yàn)評級結(jié)果可知：電磁攪拌鑄坯試樣和無電磁攪拌對比樣的中心裂紋、中間裂紋、中心疏松、皮下裂紋無明顯變化，皮下氣泡、非金屬夾雜物、中心偏析、縮孔、角部裂紋有所好轉(zhuǎn)。4.1.2不同連鑄電磁攪拌條件下鑄坯等軸晶比率 通過肉眼觀察試驗(yàn)鑄坯的低倍照片，量出等軸晶區(qū)、柱狀晶區(qū)和邊緣激冷層的面積，從而得到等軸晶率的數(shù)值，等軸晶率=等軸晶區(qū)面積/鑄坯面積×100%，試驗(yàn)鑄坯樣的等軸晶區(qū)、柱狀晶區(qū)和邊緣激冷層的比率見圖1。圖1：鑄坯

14、樣的等軸晶區(qū)、柱狀晶區(qū)和邊緣激冷層的比率注：1表示經(jīng)過電磁攪拌；2表示未經(jīng)電磁攪拌。根據(jù)上表的數(shù)據(jù)計(jì)算可知，有電磁攪拌鑄坯樣的平均中心等軸晶比率為26.1，無電磁攪拌鑄坯對比樣的平均中心等軸晶比率為11.7，有電磁攪拌鑄坯樣比無電磁攪拌鑄坯對比樣的中心等軸晶比率平均高出14.4，試驗(yàn)鑄坯樣的等軸晶比率分布圖見圖1。結(jié)合表2的試驗(yàn)鋼生產(chǎn)工藝參數(shù)中的鋼水過熱度和表3連鑄結(jié)晶器電磁攪拌工藝參數(shù)中攪拌電流強(qiáng)度、攪拌頻率的數(shù)據(jù)對鑄坯中心等軸晶比率進(jìn)行對比分析，結(jié)果見表5。表5：不同連鑄電磁攪拌條件下有無電磁攪拌鑄坯中心等軸晶比率對比電流強(qiáng)度過熱度頻率中心等軸晶比率%比率/A/Hz有攪拌無攪拌差值%270

15、24324.215.38.928027325.214.410.829014425.715.99.829034323.87.716.130026331.55.426.1中心等軸晶比率平均值26.111.714.4試驗(yàn)結(jié)果分析表明：使用電磁攪拌的流次, 隨著攪拌電流由270A提高到300A，鑄坯中心等軸晶比率由24.2提高到31.5。使用電磁攪拌可以提高鑄坯中心等軸晶比率,有電磁攪拌鑄坯中心等軸晶率比無電磁攪拌的鑄坯對比樣平均提高了14.4。4.2鑄坯成分偏析分析結(jié)果及討論4.2.1鑄坯成分偏析結(jié)果將用于加工成分分析鑄坯樣在鉆床上沿內(nèi)弧側(cè)到外弧側(cè)的中心線上，依次鉆取13個(gè)直徑為8mm的鉆孔，深度2

16、0mm，將鉆出的鋼屑進(jìn)行C成分分析，取樣位置如表6所示。對試驗(yàn)鑄坯碳偏析的分析方法采用偏析度來計(jì)算，通過計(jì)算每塊鑄坯從內(nèi)弧側(cè)到外弧側(cè)各個(gè)取樣點(diǎn)的元素成分偏析的偏析度，結(jié)合冶煉連鑄的工藝參數(shù)，判斷鑄坯成分偏析的分布規(guī)律。碳的偏析度計(jì)算公式：KC/Co 。其中：C：某一點(diǎn)的碳含量，Co：鑄坯中碳的平均含量。當(dāng)K1時(shí)，為正偏析；K1時(shí)，為負(fù)偏析。表6： 成分分析試樣的取樣點(diǎn)在鑄坯上距離內(nèi)弧側(cè)的距離編號1234567距內(nèi)弧側(cè)距mm34.542.550.558.566.574.582.5編號8910111213距內(nèi)弧側(cè)距mm90.598.5106.5114.5122.5130.5表7：試驗(yàn)鑄坯碳成分偏析

17、分析結(jié)果（單位：C）爐號6-33286-33296-33306-33326-38786-3879編號1-11-22-12-23-13-25-15-26-16-27-17-210.460.460.440.460.460.440.440.460.460.450.450.4320.460.450.450.450.450.470.450.460.470.450.430.4530.470.460.450.450.480.470.430.470.440.450.430.4440.490.470.450.450.460.470.460.450.440.440.440.4450.450.460.430.440

18、.440.480.440.430.480.470.450.4360.480.470.450.420.480.460.430.440.460.450.440.4470.480.450.430.460.460.460.460.440.460.460.480.4580.470.460.460.460.450.480.430.460.460.450.470.4590.440.470.430.460.460.470.450.460.430.450.430.43100.490.470.430.450.470.480.460.450.470.460.480.43110.450.460.460.450.470

19、.460.450.470.440.460.430.43120.460.450.470.440.460.470.440.470.450.470.440.43130.450.450.450.460.450.460.450.470.440.460.430.44平均值0.47 0.46 0.45 0.45 0.46 0.47 0.45 0.46 0.45 0.46 0.45 0.44 4.2.2鑄坯成分偏析度分布根據(jù)表7的數(shù)據(jù)做出有電磁攪拌鑄坯碳成分偏析圖，見圖2。由圖可見，在距鑄坯內(nèi)弧側(cè)58.5mm和106.5mm處最容易出現(xiàn)碳的正偏析，兩點(diǎn)呈對稱狀態(tài)，距鑄坯中心距離為24mm，其中距內(nèi)弧側(cè)106.

20、5mm處出現(xiàn)最大正偏析；出現(xiàn)負(fù)偏析位置距鑄坯中心16mm處，距鑄坯內(nèi)弧側(cè)的距離分別為66.5mm和98.5mm，其中距內(nèi)弧側(cè)98.5mm處出現(xiàn)最大負(fù)偏析，鑄坯外弧的碳成分偏析度比內(nèi)弧側(cè)嚴(yán)重。分析認(rèn)為是鑄坯內(nèi)弧側(cè)冷卻強(qiáng)度較大，相應(yīng)的鋼液凝固速度較快，溶質(zhì)來不及析出，鑄坯碳成分偏析受到一定程度的抑制；而外弧側(cè)相對冷卻強(qiáng)度較內(nèi)側(cè)小，并由于電磁攪拌造成未凝固鋼液的環(huán)流，使得鑄坯凝固前沿切斷后的細(xì)小樹枝晶被攪拌漩流向鑄坯內(nèi)部聚集，鑄坯最大的碳成分正偏析出現(xiàn)在外弧側(cè)等軸晶與柱狀晶交界處，隨之向內(nèi)出現(xiàn)的是以聚集的細(xì)小樹枝晶為核的等軸晶，由于選份結(jié)晶而形成鑄坯的最大負(fù)偏析。通過圖2中碳成分偏析度與表2給出的對

21、應(yīng)連鑄工藝參數(shù)可得：圖2中編號為3-1（爐號為6-3330）的鋼水澆注過熱度為16、攪拌頻率為3Hz，和編號為5-1（爐號為6-3332）的鋼水過熱度為14、攪拌頻率為4Hz的連鑄坯中的碳成分偏析最輕。圖2：試驗(yàn)鑄坯樣碳的偏析度分布圖4.2.3結(jié)晶器電磁攪拌對碳偏析度的影響將有電磁攪拌試驗(yàn)鑄坯樣與無電磁攪拌對比樣的距內(nèi)弧側(cè)距離分別為98.5mm、106.5mm的碳偏析度計(jì)算結(jié)果列表，見表8。計(jì)算結(jié)果表明：有電磁攪拌鑄坯在出現(xiàn)最大正偏析位置（距內(nèi)弧側(cè)106.5mm）的碳偏析度比無電磁攪拌對比樣的正偏析嚴(yán)重，在最大負(fù)偏析出現(xiàn)的位置（距內(nèi)弧側(cè)98.5mm）也有同樣的現(xiàn)象。表8：有電磁攪拌試驗(yàn)鑄坯樣與

22、無電磁攪拌對比樣的碳偏析度比較電磁攪拌距內(nèi)弧側(cè)的距離(mm)1-12-13-15-16-17-1有98.50.940.96110.960.96106.51.040.961.021.021.041.07電磁攪拌距內(nèi)弧側(cè)的距離(mm)1-22-23-25-26-27-2無98.51.021.02110.980.98106.51.0211.020.9810.984.2.4不同連鑄電磁攪拌條件下的鑄坯中心碳偏析度結(jié)合表2試驗(yàn)鋼生產(chǎn)工藝參數(shù)中的鋼水過熱度、拉速和表2連鑄結(jié)晶器電磁攪拌工藝參數(shù)中的攪拌頻率數(shù)據(jù)對鑄坯中心碳偏析度進(jìn)行對比分析（結(jié)果見表9）可見，在鑄坯中心部位的碳偏析在攪拌電流強(qiáng)度為280A，

23、鋼水過熱度為27時(shí)，鑄坯中心碳偏析度較小，而在攪拌電流強(qiáng)度為290A，鋼水過熱度為34時(shí)，鑄坯中心碳偏析度較大。因此，降低鋼水過熱度和提高電磁攪拌的攪拌頻率有利于降低鑄坯中碳的偏析度。表9：不同連鑄電磁攪拌條件下的鑄坯中心碳偏析度電流強(qiáng)度/A過熱度/拉速/mmin-1頻率/Hz鑄坯中心碳偏析度270241.5731.02280271.83129014241.02290341.831.07300261.7931.024.3鑄坯氧、氮含量檢驗(yàn)結(jié)果及討論4.3.1鑄坯氧、氮含量檢驗(yàn)結(jié)果將鉆取完成分分析樣后的鑄坯樣用線切割機(jī)床沿坯樣的外弧側(cè)1/4處（距鑄坯角部約40mm處）進(jìn)行線切割，在距鑄坯樣邊部4

24、0mm處，切割一個(gè)直徑為5mm的圓柱樣，進(jìn)行鑄坯全氧全氮分析，結(jié)合試驗(yàn)鋼生產(chǎn)工藝參數(shù)中的鋼水過熱度、拉速和表4連鑄結(jié)晶器電磁攪拌工藝參數(shù)中的攪拌電流強(qiáng)度、攪拌頻率數(shù)據(jù)對鑄坯氧、氮含量進(jìn)行對比分析，結(jié)果見表10。表10：不同連鑄電磁攪拌條件下鑄坯的氧、氮含量對比分析過熱度拉速攪拌參數(shù)鑄坯全氧含量 wO備注/mmin-1電流A頻率Hz有電磁攪拌無電磁攪拌爐號14229040.00540929030.00610.00646-3330241.5727030.00480.00496-3878261.7930030.00590.00586-3328271.828030.0048

25、0.00466-3329341.829030.00430.00666-3879過熱度拉速攪拌參數(shù)鑄坯全氮含量 wN備注/mmin-1電流A頻率Hz有電磁攪拌無電磁攪拌爐號14229040.00590.00546-3332161.929030.00520.00546-3330241.5727030.00630.00666-3878261.7930030.00550.00526-3328271.828030.00530.00486-3329341.829030.00520.00736-38794.3.2鑄坯顯微夾雜物粒徑大小檢測結(jié)果用電鏡（XJX-200-00251）觀察試樣的拋光面，是在400倍

26、下觀察夾雜物的尺寸、形狀、數(shù)量及分布情況。每個(gè)樣觀察100（520）個(gè)視場。表11是試驗(yàn)鑄坯金相觀測夾雜物尺寸分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果。夾雜物粒徑分布是將鋼中顯微夾雜物按照其粒徑大小分為4 個(gè)粒徑區(qū)間（05m、512.5m、12.525m、25m）。爐號05m512.5m12.525m>25m電磁攪拌6-332872.47%27.00%0.53%是70.17%28.23%1.37%0.23%否6-332965.83%32.74%1.31%0.12%是62.99%34.54%2.08%0.39%否6-333067.92%31.75%0.33%是69.15%30.54%0.31%否6-333256.62%42.01%1.37%是49.29%46.21%3.34%1.16%否6-387872.43%26.69%0.75%0.13%是73.62%20.42%5.53%0.43%否6-387969.40%29.27%0.94%0.39%是28.39%63.81%4.84%2.96%否從上述統(tǒng)計(jì)可知，爐號為6