小方坯结晶器电磁搅拌工艺参数完-炼钢

1、小方坯结晶器电磁搅拌工艺参数选择及效果分析摘 要：采用对比试验研究的方法分析不同电磁搅拌强度下对45钢小方坯铸坯内部质量的影响，试验中采用搅拌电流分别为270、280、290、300 A。其结果表明：电磁搅拌的使用有助于提高铸坯质量,包括皮下气泡、非金属夹杂物、中心偏析、缩孔、角部裂纹的质量等级，电磁搅拌可有效降低高过热度钢连铸铸坯中的氧、氮含量，随着搅拌电流由270A提高到300A，铸坯中心等轴晶比率由24.2提高到31.5。关键词：连铸；结晶器电磁搅拌；内部质量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 前言随着连铸技术的快速发展，电磁搅拌技术应用越来越广泛，它的实质是借助在铸坯液相穴内感生的电磁力强化液相穴内钢液的运动，由此强化钢液的对流、传热和传质过程，产生抑制往状品发展、促进成分均匀、央杂物上浮细化、分布均匀的热力学和动力学条件，进而控制铃坯凝固组织，改善铆坯质量。结晶器电磁搅拌是应用最为广泛的连铸电磁搅拌技术，具有减少铸坯表面和皮下气孔、改善铸坯表面质量减少、降低中心缩孔和偏析、提高钢水纯净度等功能。随着公司品种开发的进一步深入，对产品质

6、量的要求越来越高，而铸坯质量作为轧制前的中间产品尤为重要，要求在现有条件下最大幅度地充分发挥出电磁搅拌冶金功能，因此，决定对结晶器电磁搅拌功能进一步优化，提高铸坯表面质量和控制中高碳钢的碳偏析，开展了小方坯连铸结晶器电磁搅拌技术应用研究，采用45钢铸坯为试验钢种进行了试验，重点研究确定电流和频率的最佳值，以及电磁搅拌电流参数的改变对铸坯的内、外部质量影响的研究。122 试验方案2.1装备及工艺试验用小方坯连铸机为连铸机，主要参数：铸机类型： 八机八流弧形连铸机；断面尺寸：165mm×165mm；拉速范围：1.82.2m/min。结晶器电磁搅拌成套装置由150KVA，380V/380V

7、主电力变压器8台、电源分配柜及冷却水控制柜2面、变频柜8面、纯水内冷结晶器外置式电磁搅拌器8台、冷却水装置1套及监控操作工控机1台构成。其主体设备结晶器电磁搅拌器设备型号：DJMR-540CW，数量：8台，主要技术参数：结构特点：环形铁芯，克兰姆绕组形式；适应的铸坯截面：165mm×165mm；中心磁感应强度：860GS；带结晶器铜管后中心磁感应强度：550M；自重：1160Kg。连铸机电磁搅拌器安装位置距结晶器铜管上口350mm处，搅拌方式为：连续正搅、连续反搅、正反交替搅拌。电磁搅拌器基本参数见表2。表1：连铸机结晶器电磁搅拌器的设备基本参数电磁搅拌器电气参数搅拌器尺寸视在功率电

8、流电压频率中心磁感应强度内径外径高度KVAAVHzGsmmmmmm2604003802-88605108705052.2结晶器电磁搅拌工艺参数优化试验方案以45#钢为代表，生产工艺路线：铁水转炉提钒转炉炼钢吹氩精炼（包括钢包喂线）方坯连铸（保护浇注）。在其中1流按不同参数的电磁搅拌设定，其他流不使用电磁搅拌控制，按上述20组参数在设定参数的流上每一组取150mm厚铸坯样一块，对应在其他流上取150mm厚铸坯样一块，酸洗后进行铸坯质量对比。检验项目包括：低倍和硫印检验、碳偏析分析、氮氧含量测定三个部分。3 试验过程3.1取样方式在连铸机上进行电磁搅拌效果的试验钢生产，共进行7炉，在连铸机第1流使

9、用电磁搅拌，第2流为无电磁搅拌进行对比，5连铸机生产试验钢的工艺参数见表2。表2：5连铸机生产试验钢的技术工艺参数编号炉号中包温度拉速结晶器进出水温差二次冷却各段流量/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试验样精选结果及试验安排对84块厚度为40mm的连铸坯样进行检查时发现，炉号为6503331编号为4-1、4-2、4-7、4-8的试样没有，其余试样多有重复编号现象，精选后采用12组试样共计36块试样进行对比检验。决定检验的试样中包括6个炉号，基本包括了电磁搅拌试验的工艺情况，能够说明电磁搅拌的试验效果，试样检验分析项目基本情况见表3。表3：连铸机电磁搅拌试验样精选结果及试验安排编号流次炉号搅拌参数低倍/硫印碳偏析氧氮含量电流电压频率方式1-116-33283003503反搅1-226-33282-116-33292803253反搅2-226-33

11、293-116-33302903353正搅3-226-33305-116-33322904154正搅5-226-33326-116-38782703153反搅6-226-38787-116-38792903353正搅7-226-3879注：记号为“”是表示需进行检验的项目。编号中1-1、1-2，前面的数字代表炉号，1代表炉号为6-3328，依此类推；后面的数字代表有无电磁搅拌，1代表有电磁搅拌，2代表无电磁搅拌。试验铸坯锯切为厚度为165mm×165mm×40mm的坯样，按表3所示，每个炉号的试验坯样为4块，2块为有电磁搅拌的铸坯样，从一块铸坯上依次切取，2块铸坯样组织成分

12、变化极小，其中：一块用于加工低倍检验样，一块用于钻取成分分析样和切割出金相样、氧氮气体分析样。另外2块为无电磁搅拌的对比铸坯样，加工过程相同。4、试验结果及分析4.1铸坯低倍检验分析结果及讨论4.1.1铸坯低倍检验分析结果试验钢铸坯低倍检验的评级结果见表4。表4：试验钢铸坯低倍检验的评级结果炉号中心偏析中心疏松皮下气泡非金属夹杂物缩孔角部裂纹皮下裂纹中间裂纹中心裂纹电磁搅拌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否比较表4中的各项低倍检验评级结果可知：电磁搅拌铸坯试样和无电磁搅拌对比样的中心裂纹、中间裂纹、中心疏松、皮下裂纹无明显变化，皮下气泡、非金属夹杂物、中心偏析、缩孔、角部裂纹有所好转。4.1.2不同连铸电磁搅拌条件下铸坯等轴晶比率 通过肉眼观察试验铸坯的低倍照片，量出等轴晶区、柱状晶区和边缘激冷层的面积，从而得到等轴晶率的数值，等轴晶率=等轴晶区面积/铸坯面积×100%，试验铸坯样的等轴晶区、柱状晶区和边缘激冷层的比率见图1。图1：铸坯

14、样的等轴晶区、柱状晶区和边缘激冷层的比率注：1表示经过电磁搅拌；2表示未经电磁搅拌。根据上表的数据计算可知，有电磁搅拌铸坯样的平均中心等轴晶比率为26.1，无电磁搅拌铸坯对比样的平均中心等轴晶比率为11.7，有电磁搅拌铸坯样比无电磁搅拌铸坯对比样的中心等轴晶比率平均高出14.4，试验铸坯样的等轴晶比率分布图见图1。结合表2的试验钢生产工艺参数中的钢水过热度和表3连铸结晶器电磁搅拌工艺参数中搅拌电流强度、搅拌频率的数据对铸坯中心等轴晶比率进行对比分析，结果见表5。表5：不同连铸电磁搅拌条件下有无电磁搅拌铸坯中心等轴晶比率对比电流强度过热度频率中心等轴晶比率%比率/A/Hz有搅拌无搅拌差值%270

15、24324.215.38.928027325.214.410.829014425.715.99.829034323.87.716.130026331.55.426.1中心等轴晶比率平均值26.111.714.4试验结果分析表明：使用电磁搅拌的流次, 随着搅拌电流由270A提高到300A，铸坯中心等轴晶比率由24.2提高到31.5。使用电磁搅拌可以提高铸坯中心等轴晶比率,有电磁搅拌铸坯中心等轴晶率比无电磁搅拌的铸坯对比样平均提高了14.4。4.2铸坯成分偏析分析结果及讨论4.2.1铸坯成分偏析结果将用于加工成分分析铸坯样在钻床上沿内弧侧到外弧侧的中心线上，依次钻取13个直径为8mm的钻孔，深度2

16、0mm，将钻出的钢屑进行C成分分析，取样位置如表6所示。对试验铸坯碳偏析的分析方法采用偏析度来计算，通过计算每块铸坯从内弧侧到外弧侧各个取样点的元素成分偏析的偏析度，结合冶炼连铸的工艺参数，判断铸坯成分偏析的分布规律。碳的偏析度计算公式：KC/Co 。其中：C：某一点的碳含量，Co：铸坯中碳的平均含量。当K1时，为正偏析；K1时，为负偏析。表6： 成分分析试样的取样点在铸坯上距离内弧侧的距离编号1234567距内弧侧距mm34.542.550.558.566.574.582.5编号8910111213距内弧侧距mm90.598.5106.5114.5122.5130.5表7：试验铸坯碳成分偏析

17、分析结果（单位：C）炉号6-33286-33296-33306-33326-38786-3879编号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铸坯成分偏析度分布根据表7的数据做出有电磁搅拌铸坯碳成分偏析图，见图2。由图可见，在距铸坯内弧侧58.5mm和106.5mm处最容易出现碳的正偏析，两点呈对称状态，距铸坯中心距离为24mm，其中距内弧侧106.

20、5mm处出现最大正偏析；出现负偏析位置距铸坯中心16mm处，距铸坯内弧侧的距离分别为66.5mm和98.5mm，其中距内弧侧98.5mm处出现最大负偏析，铸坯外弧的碳成分偏析度比内弧侧严重。分析认为是铸坯内弧侧冷却强度较大，相应的钢液凝固速度较快，溶质来不及析出，铸坯碳成分偏析受到一定程度的抑制；而外弧侧相对冷却强度较内侧小，并由于电磁搅拌造成未凝固钢液的环流，使得铸坯凝固前沿切断后的细小树枝晶被搅拌漩流向铸坯内部聚集，铸坯最大的碳成分正偏析出现在外弧侧等轴晶与柱状晶交界处，随之向内出现的是以聚集的细小树枝晶为核的等轴晶，由于选份结晶而形成铸坯的最大负偏析。通过图2中碳成分偏析度与表2给出的对

21、应连铸工艺参数可得：图2中编号为3-1（炉号为6-3330）的钢水浇注过热度为16、搅拌频率为3Hz，和编号为5-1（炉号为6-3332）的钢水过热度为14、搅拌频率为4Hz的连铸坯中的碳成分偏析最轻。图2：试验铸坯样碳的偏析度分布图4.2.3结晶器电磁搅拌对碳偏析度的影响将有电磁搅拌试验铸坯样与无电磁搅拌对比样的距内弧侧距离分别为98.5mm、106.5mm的碳偏析度计算结果列表，见表8。计算结果表明：有电磁搅拌铸坯在出现最大正偏析位置（距内弧侧106.5mm）的碳偏析度比无电磁搅拌对比样的正偏析严重，在最大负偏析出现的位置（距内弧侧98.5mm）也有同样的现象。表8：有电磁搅拌试验铸坯样与

22、无电磁搅拌对比样的碳偏析度比较电磁搅拌距内弧侧的距离(mm)1-12-13-15-16-17-1有98.50.940.96110.960.96106.51.040.961.021.021.041.07电磁搅拌距内弧侧的距离(mm)1-22-23-25-26-27-2无98.51.021.02110.980.98106.51.0211.020.9810.984.2.4不同连铸电磁搅拌条件下的铸坯中心碳偏析度结合表2试验钢生产工艺参数中的钢水过热度、拉速和表2连铸结晶器电磁搅拌工艺参数中的搅拌频率数据对铸坯中心碳偏析度进行对比分析（结果见表9）可见，在铸坯中心部位的碳偏析在搅拌电流强度为280A，

23、钢水过热度为27时，铸坯中心碳偏析度较小，而在搅拌电流强度为290A，钢水过热度为34时，铸坯中心碳偏析度较大。因此，降低钢水过热度和提高电磁搅拌的搅拌频率有利于降低铸坯中碳的偏析度。表9：不同连铸电磁搅拌条件下的铸坯中心碳偏析度电流强度/A过热度/拉速/mmin-1频率/Hz铸坯中心碳偏析度270241.5731.02280271.83129014241.02290341.831.07300261.7931.024.3铸坯氧、氮含量检验结果及讨论4.3.1铸坯氧、氮含量检验结果将钻取完成分分析样后的铸坯样用线切割机床沿坯样的外弧侧1/4处（距铸坯角部约40mm处）进行线切割，在距铸坯样边部4

24、0mm处，切割一个直径为5mm的圆柱样，进行铸坯全氧全氮分析，结合试验钢生产工艺参数中的钢水过热度、拉速和表4连铸结晶器电磁搅拌工艺参数中的搅拌电流强度、搅拌频率数据对铸坯氧、氮含量进行对比分析，结果见表10。表10：不同连铸电磁搅拌条件下铸坯的氧、氮含量对比分析过热度拉速搅拌参数铸坯全氧含量 wO备注/mmin-1电流A频率Hz有电磁搅拌无电磁搅拌炉号14229040.00540929030.00610.00646-3330241.5727030.00480.00496-3878261.7930030.00590.00586-3328271.828030.0048

25、0.00466-3329341.829030.00430.00666-3879过热度拉速搅拌参数铸坯全氮含量 wN备注/mmin-1电流A频率Hz有电磁搅拌无电磁搅拌炉号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铸坯显微夹杂物粒径大小检测结果用电镜（XJX-200-00251）观察试样的抛光面，是在400倍

26、下观察夹杂物的尺寸、形状、数量及分布情况。每个样观察100（520）个视场。表11是试验铸坯金相观测夹杂物尺寸分布统计结果。夹杂物粒径分布是将钢中显微夹杂物按照其粒径大小分为4 个粒径区间（05m、512.5m、12.525m、25m）。炉号05m512.5m12.525m>25m电磁搅拌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%否从上述统计可知，炉号为6