電磁攪拌對中碳錳鋼圓坯成分偏析的影響

宋景凌，劉全勝，付 劍，楊澤世，薛波濤

（1.衡陽華菱鋼管有限公司，湖南衡陽421001；2.中南大學資源加工與生物工程學院，湖南長沙410083）

電磁攪拌就是借助在連鑄坯液相穴內感生的洛倫茲力，強化液相內鋼液的流動，從而強化鋼液的對流傳熱和傳熱傳質的過程，近而掌控連鑄坯凝固傳熱過程，它對改善連鑄坯質量問題起到了積極的作用，成為連鑄的重要手段。冶金工作者在該領域開展了多項相關研究。

桂仲林[1]研究了二冷汽霧冷卻和全水冷卻條件下拉速、比水量和結晶器電磁攪拌對SWRH82B碳偏析指數的影響，得出比水量為1.6 L/kg，拉速為1.7 m/min，結晶器電磁攪拌350 A/3Hz為最佳參數，鑄坯中心碳偏析平均指數達到最小值1.05。孫彥輝[2]開展了優化軸承鋼連鑄結晶器電磁攪拌工藝參數的試驗，研究發現，大方坯心部和邊部均為負偏析，1/4處為正偏析，320 mm×480 mm大方坯碳偏析指數基本在0.87～1.05，軋材碳偏析指數基本在0.94～1.03。龐永剛[3]研究了電磁攪拌對小方坯連鑄生產45#鋼低倍組織和碳成分偏析的影響，研究發現：電磁攪拌的應用可以有效提高連鑄小方坯的內部質量，提高中心等軸晶比率，承鋼連鑄生產45#鋼應用電磁攪拌后鑄坯中心等軸晶率平均提高了14.4%。王彪[4]研究發現：經過末端電磁攪拌的連鑄坯試樣中心，碳和硫的偏析程度與未經過末端電磁攪拌的試樣相比有不同程度的減輕，冶金效果比較理想。陳永，朱苗勇[5]等人利用80 mm×80 mm方坯建立數學模型，分析結晶器內電磁的分布特征，以及改變電流強度和頻率對電磁場和電磁力的影響。

某鋼管公司于2005年引進達涅利技術，設計投產3#連鑄機，生產Φ（220～330）mm規格管坯供Φ340mm連軋管機組使用，配備了結晶器電磁攪拌（外置式、連續攪拌）；2015年自主設計了Φ250mm規格管坯以適應公司品種開發需要；2016年對電磁攪拌控制系統進行改造，使其具備交替攪拌方式；本文針對37Mn系列連鑄圓管坯生產進行電磁攪拌參數調整，分析其對管坯橫截面化學成分偏析的影響。

1 技術方案及連鑄機主要參數

1.1 工作原理

電磁攪拌技術因其具有不接觸鋼液而在鋼液中產生攪拌作用的優點，在連鑄工藝上得到了廣泛的應用[6]。旋轉攪拌器類似于異步電機的定子，而鋼水類似于電機的轉子。借助在鑄坯的液相穴內感生的電磁力，強化液相穴鋼水的運動，旋轉吹刷凝固前沿的柱狀晶，被打碎的柱狀晶進入鋼液，形成形核中心；同時凝固前沿的鋼液溫度均勻降低，使結晶速度加快，并形成大量的等軸晶，使凝固組織更加致密、均勻，從而改善鑄坯內部質量。

1.2 試驗方案

3#連鑄機生產的管坯主要供Φ340 mm連軋管機組使用，工藝路線為：90t電弧爐（EBT）→100t爐外精煉（LF+VD）→弧形連鑄，連鑄機主要參數見表1。

本文通過調整電磁攪拌電流、攪拌方式，評價不同電磁攪拌情況下鑄坯的碳含量偏析。目前常規工藝各規格結晶器冷卻水量、電磁攪拌參數設置、中間包過熱度各范圍與對應拉速控制見表2。試驗共進行了12爐，不同爐次修改電磁攪拌參數在Ⅰ流取鑄坯樣。

表1 3#連鑄機主要設備工藝參數

1.3 分析方法

表2 常規工藝各規格連鑄工藝參數控制

（1）鑄坯樣橫截面車削加工刨平后，在內外弧方向中心線鋸切20 mm×30 mm試樣、從內弧側到外弧側分別編號，共計157個試樣，采用光譜儀對鑄坯不同位置的化學成分進行分析，鑄坯樣橫截面取樣點位置如圖1所示。

（2）計算取樣點碳含量最大值與最小值的極差，并統計超過鋼種碳含量工藝要求的范圍上、下限值的點數。

2 試驗結果及分析

2.1 成分偏析綜合分析

試驗爐號中間包取成品樣碳含量，連鑄工藝參數，取樣點碳含量最大、最小值等數據分析結果見表3。

圖1 鑄坯樣橫截面取樣點位置

表3 試驗爐號結果分析

將表3數據按電磁攪拌電流、攪拌方式不同，分析對鑄坯成分偏析情況見表4。

表4數據分析：攪拌電流280A與380A比較，碳含量極差平均值高0.020%，說明攪拌電流較小，攪拌作用效果較弱；3種攪拌方式各試驗4爐，8S→3S→8S交替方式碳含量極差平均值相對較低。同時，攪拌電流或攪拌方式不同，碳含量極差平均值較高的參數設置，各取樣點超過鋼種碳含量工藝要求的范圍的點數比例也較高。其中3爐攪拌電流380A、8S→3S→8S交替攪拌方式的碳含量極差平均值為0.058%，因此，此種電磁攪拌參數組合方式對改善鑄坯成分偏析的效果較好。

表4 鑄坯成分偏析情況

2.2 同一澆次不同攪拌方式碳含量偏析對比

（1）同一澆次的Φ250 mm規格37Mn/1鋼，在同一澆次第8、9、10爐相同攪拌電流380A的條件下，分別調整不同攪拌方式，取鑄坯樣分析8S→3S→8S、15S→5S→15S、連續，3種攪拌方式碳含量極差分別為0.058%、0.068%、0.091%，呈上升趨勢，各點碳含量對比情況見圖2，各爐碳含量較高點在鑄坯橫截面半徑的一半位置且基本對稱分布[2]。

圖2 Φ250 mm規格37Mn/1鋼不同攪拌方式碳偏析情況對比

（2）同一澆次的Φ280 mm規格37Mn/2鋼，在同一澆次第1、2、3爐相同攪拌電流380A的條件下，分別調整不同攪拌方式，取鑄坯樣分析8S→3S→8S、15S→5S→15S、連續，3種攪拌方式碳含量極差分別為0.053、0.071、0.078，呈上升趨勢，各點碳含量對比情況見圖3，與圖2類似，各爐碳含量較高點在鑄坯橫截面半徑的一半位置且基本對稱分布：

圖3 Φ280 mm規格37Mn/2鋼不同攪拌方式碳偏析情況對比

3 結論

（1）通過調整電磁攪拌電流、攪拌方式，取鑄坯樣在橫截面內外弧方向中心線鋸切20mm×30mm試樣157個，采用光譜儀對不同位置的化學成分進行分析：攪拌電流280A與380A比較，碳含量極差平均值高0.020%，說明攪拌電流較小，攪拌作用效果較弱；8S→3S→8S交替、15S→5S→15S交替、連續攪拌3種方式，碳含量極差平均值呈上升趨勢；其中3爐攪拌電流380A、8S→3S→8S交替攪拌方式的碳含量極差平均值為0.058%，說明此種電磁攪拌參數組合方式對改善鑄坯成分偏析的效果較好。

（2）攪拌電流或攪拌方式不同，碳含量極差平均值較高的參數設置，各取樣點超過鋼種碳含量工藝要求的范圍的點數比例也較高。

（3）分別對比同一澆次的Φ250 mm規格37Mn/1鋼、Φ280 mm規格37Mn/2鋼各3爐，在相同的380A攪拌電流情況下，采用3種不同攪拌方式，各爐碳含量較高點在鑄坯橫截面半徑的一半位置且基本對稱分布。