应用结晶器PMO提高连铸小方坯质量研究

徐 衡 李莉娟 蔡常青 郑原首 仲红刚 翟启杰

(1.上海大学材料科学与工程学院，上海 200444； 2.福建三钢闽光股份有限公司炼钢厂，福建 三明 365000)

连续铸钢技术从根本上改变了传统钢锭到初轧的工艺，大大降低了能耗，使钢铁生产流程更加合理化，极大地提高了钢铁工业的生产效率，但是连续铸钢生产的钢坯质量也存在一定问题。在实际凝固过程中，由于冷却强度不同、合金组元密度差和熔体内部的对流等各种因素影响，连铸坯容易形成严重的宏观偏析、微观偏析、粗大的枝晶组织以及裂纹等缺陷，继而延续到轧材，严重影响了最终型材的质量和性能[1]。

为了提高连铸坯质量，国内外学者进行了大量研究和技术开发，如电磁搅拌[2]，轻压下[3]、微合金化[4]、低过热处理及浇注[5]等技术。其中工业化应用比较成熟的主要是电磁搅拌和末端轻压下技术。但使用结晶器电磁搅拌有时会引起强烈的弯月面波动和卷渣[6]，采用二冷区电磁搅拌容易产生负偏析带[7]，因此实际应用效果并不十分理想。轻压下技术则由于自身的复杂性和特殊性，在实际应用过程中还有很多问题尚待解决[8]。

脉冲磁致振荡(pulse magneto- oscillation, PMO)凝固均质化技术[9]，应用于连铸上，能有效地改善铸坯质量。PMO技术的原理是：脉冲电流通过感应线圈在铸坯固液界面前沿形成特定的电磁感应效应，促进固液界面前沿金属液形核、脱落、飘移、增殖，并形成结晶雨，从而细化凝固组织，改善铸坯均匀性。龚永勇等对PMO作用下工业纯铝[10]、铝铜合金[11]、65Mn钢[12]和GCr15轴承钢[1]的凝固组织进行了大量研究，发现PMO能够显著细化凝固组织，改善元素偏析。目前该技术已经成功应用于常州中天钢铁连铸生产二冷区，显著提高了铸坯的等轴晶率，有效改善了中心偏析。

对于小断面铸坯，由于坯壳厚度的限制，二冷区液芯面积占比较小，因此在二冷区施加PMO形成的等轴晶区域较小。若在结晶器中进行PMO处理，则等轴晶面积占比有望显著提高，且将线圈设置于结晶器内可避免漏钢对线圈的影响。因此，本文制作了结晶器PMO总成，并针对某钢厂HRB400EG螺纹钢铸坯存在的等轴晶率低、中心碳偏析严重、中心疏松和缩孔等内部质量问题，在小方坯连铸机开展了结晶器PMO工业试验，研究其均质化效果，并最终改善了铸坯内部质量。

1 试验材料及方法

工业试验采用7机7流小方坯连铸机，断面为160 mm×160 mm，HRB400EG螺纹钢的主要化学成分如表1所示。表2为实际生产过程中的连铸工艺参数。

表1 HRB400EG螺纹钢的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical composition of the HRB400EG threaded steel (mass fraction) %

表2 连铸工艺参数Table 2 Continuous casting process parameters

PMO设备主要由脉冲电源、PMO线圈、结晶器等组成。PMO线圈整合在结晶器内部，在工作过程中线圈铜管内部通有循环冷却水，以确保线圈在高温下能够持续稳定运行，待拉坯稳定后开启脉冲电源进行PMO处理。PMO的电流峰值为350Ki A，频率为45hi Hz，脉宽为62.5bi ms(Ki、hi及bi与电源性质有关)。

PMO线圈放置在铸机1流结晶器上，并与7流进行对比。试验铸坯内部质量检测分为低倍检测、显微组织观察和宏观碳偏析检测。取样位置示意图如图1所示，试样经铣床加工后浸入50%(体积分数)盐酸溶液中，80 ℃恒温浸蚀30 min，观察铸坯横截面低倍组织。金相试样经细磨、精抛后再浸入70 ℃过饱和苦味酸水溶液中，恒温腐蚀约45 s，在距离铸坯内弧边缘30、45、60 mm处统计40个二次枝晶臂间距，取平均值作为该位置的二次枝晶臂间距。采用φ5 mm钻头钻取屑状试样，通过NCS2800碳硫分析仪测定铸坯不同部位的碳含量，并用碳偏析指数代表试样的宏观碳偏析程度。

图1 取样示意图Fig.1 Schematic diagram of sampling

2 试验结果与分析

2.1 宏观组织

图2为螺纹钢铸坯横断面的宏观组织，表3为根据GB/T 226—2015评定的钢的低倍组织级别。由图2和表3可见，经过结晶器PMO处理后铸坯横断面上中心疏松和缩孔显著减少，并且中心偏析得到明显改善。根据图2计算得出原始工况的等轴晶比例为8.4%，经过结晶器PMO处理的等轴晶比例为11.28%，等轴晶率提高了34.3%，等轴晶区的面积明显增大。PMO作用下等轴晶率提高主要是由于两个效应：(1)结晶雨效应[13]，铸坯固液前沿处由于脉冲磁场作用，会产生感应脉冲电流，脉冲电流通过电致过冷促进金属液在固液界面形核，晶核在电磁力的作用下不断脱落形成结晶雨，从而增加等轴晶；(2)振荡效应[14]，PMO处理熔体时，熔体受电磁力作用产生振荡效应，导致熔体内部强迫对流，一方面促使铸壁晶核脱落，游离到熔体内部，促进等轴晶的形成，另一方面，枝晶受振荡作用及溶质扩散的影响，易熔断、破碎，破碎的枝晶颗粒变成新的晶核，从而提高等轴晶率。此外，振荡形成的环流也有利于夹杂物的上浮和去除。

图2 HRB400EG钢铸坯横截面的宏观组织Fig.2 Cross- sectional macrostructures of the HRB400EG steel billets

表3 HRB400EG钢铸坯的低倍组织评级Table 3 Macrostructure rating of the HRB400EG steel billets

2.2 微观组织

图3为铸坯横断面从内弧表层到外弧表层的微观组织。区域1由于受到结晶器快冷的影响，表层形成了细小的激冷晶；区域2由于凝固速率的降低，形成了较长的一次枝晶，并且随着凝固的继续进行，主轴上又生长出二次枝晶、三次枝晶；随着固液界面向中心继续推进至区域3，由于垂直铸坯表面方向与平行铸坯表面方向的温度梯度近似，因此固液界面前沿大量的晶核沿各个方向竞相生长形成等轴枝晶。从图3中还可以发现，与原始工况相比，PMO处理的铸坯在内弧区域2处的柱状晶长度明显较短，且中心区域3处的等轴晶区面积大幅增加。此外，原始工况铸坯的中心区域主要以交叉树枝晶为主，而PMO处理的铸坯的中心区域形成了大量等轴枝晶，这些表明PMO可以促进等轴晶的形成。在靠近外弧区域4处，原始工况铸坯的一次柱状晶发达，而经过PMO处理的铸坯，枝晶破碎，形成了较短且更致密的一次枝晶。

图3 HRB400EG钢铸坯横截面的微观组织Fig.3 Cross- sectional microstructures of the HRB400EG steel billets

二次枝晶臂间距作为金属凝固组织的重要参数之一，其大小直接影响合金成分的偏析和显微缩孔的大小与分布，进而影响着铸坯的质量。图4为距铸坯内弧表层30、45、60 mm处的组织形貌。与原始工况对比可见，经过PMO处理的铸坯相同取样位置的二次枝晶更加致密。图5为铸坯不同位置所对应的二次枝晶臂间距。可以看出，随着距铸坯边缘距离的增加，二次枝晶臂间距也随之增大，经过PMO处理的铸坯二次枝晶臂间距由68 μm增大到86 μm，原始工况铸坯的二次枝晶臂间距由75 μm增加到95 μm，可见经过PMO处理后铸坯的二次枝晶臂间距减小，凝固组织更为细密。二次枝晶臂间距减小，说明枝晶凝固时间缩短，即冷却速率增加，这说明结晶器PMO处理有利于加快液相降温，提高冷却速率。

2.3 中心碳偏析

图4 距离内弧边缘不同位置处的枝晶组织Fig.4 Dendritic structures at different locations from the edge of the inner arc

图5 二次枝晶臂间距的比较Fig.5 Comparison of the secondary dendrite arm spacing

碳偏析指数计算公式为：C偏=C/C0，式中：C偏为碳偏析指数，C为铸坯实际取样点的碳含量，C0为铸坯平均碳含量。图6为螺纹钢铸坯横断面对角线的碳偏析指数分布。可见经过PMO处理的铸坯碳偏析指数一般在0.95～1.04之间，中心碳偏析指数仅为1.01，且整个铸坯的碳偏析指数波动范围较窄。而原始工况铸坯中碳偏析指数波动较大，中心碳偏析指数高达1.18。

图6 碳偏析指数分布曲线Fig.6 Distribution curves of the carbon segregation index

钢在凝固过程中二次枝晶臂间距决定着金属材料的偏析行为。在连铸过程中，铸坯的凝固组织都是以枝晶形式生长的， 铸坯凝固前沿的固液两相区称为铸坯的糊状区。糊状区中的枝晶结构具有阻塞液相流动的作用，凝固前沿固相排出的溶质在糊状区内流动后凝固收缩形成了铸坯的中心偏析。渗透率是反映糊状区内固、液相之间的摩擦、固相分率和微观结构形态之间的函数关系。渗透率越高，则中心碳偏析越严重。渗透率的计算通常采用Kozeny Carman公式[15]：

(1)

式中：KP为糊状区渗透率，μm2；fS为固相率；CKC为Kozeny Carman常数；S0为界面面积浓度。

假设枝晶界面面积浓度等于均匀球体比表面积的情况下，S0的计算公式[16]：

(2)

由式(1)和式(2)可得渗透率与二次枝晶臂间距的关系式为：

(3)

式中λ2为二次枝晶臂间距，μm。从式(3)中可以看出，随着二次枝晶臂间距的增大，渗透率也增加，溶质就不断地在铸坯中心富集，随着糊状区不断向铸坯中心推进，直到中心，富集的溶质无法继续前进，便在铸坯中心凝固，造成了中心碳偏析。因此铸坯中心区域的二次枝晶臂间距较大，中心碳偏析也较重。而经过结晶器PMO处理后，铸坯的二次枝晶臂间距整体减小，其中接近铸坯中心的二次枝晶臂间距由95 μm减小到86 μm，渗透率降低，中心碳偏析明显减轻。

3 结论

经过结晶器PMO处理后，螺纹钢铸坯的等轴晶率提高了34.3%，铸坯的中心缩孔由0.5级降低为0级，中心偏析由2级降低为0.5级，铸坯组织更为致密，铸坯质量明显改善。

经过结晶器PMO处理后，铸坯中二次枝晶臂间距整体减小，其中接近铸坯中心的二次枝晶臂间距由95 μm减小到86 μm，渗透率降低，中心碳偏析指数由1.18减小到1.01，中心碳偏析基本消除。