连铸坯结晶器电磁搅拌的工业试验研究

连铸坯结晶器电磁搅拌的工业试验研究

连绵不断的中心缩孔、中心偏差和混合物都是影响铸造材料内部质量的严重缺陷。电磁搅拌作为控制凝固过程的有效手段在生产中得到了广泛的应用。根据电磁搅拌的位置可分为结晶器电磁搅拌(M-EMS)、二冷电磁搅拌(S-EMS)和凝固末端电磁搅拌(F-EMS)。本文以600多炉的工业化试验为基础,研究了结晶器电磁搅拌对连铸坯中心缩孔、偏析以及纯净度等的影响,为工业生产优化电磁搅拌参数、发挥结晶器电磁搅拌的作用提供参考。1试验材料及试样制备试验在宝钢圆(方)坯连铸机上进行,连铸机的主要技术参数如表1所示。电磁搅拌对中心缩孔影响的试验钢种为St45连铸圆坯。对每炉连铸坯不同流分别取低倍试样,进行酸洗,按标准评定中心缩孔的级别。0级是没有缩孔,1、2、3、4级按次序缩孔逐渐严重。研究电磁搅拌对夹杂物和中心偏析影响的试验钢种为82B高碳钢连铸方坯,分别在每炉试验铸坯的头坯、中间坯和尾坯取试样。对每块试样进行元素化学成分分析,对试样电解萃取后进行夹杂物的定量金相分析。两钢种的主要成分如表2所示。2试验结果及分析2.1平均拉速,二冷比水试验钢种为St45,中间包过热度为15~35℃,平均拉速为2.3~2.8m/min,二冷比水量为0.6L/kg。低级别的缩孔发生频度越高,说明缩孔控制得越好。2.1.1电流对结晶器缩孔的影响0级和1级缩孔发生频度增加,说明改善中心缩孔效果明显。当达到一定值时,随着强度增加,改善缩孔的效果不明显甚至对改善缩孔不利。这是因为电磁力与磁感应强度的平方成正比,而磁感应强度与电流成正比,所以增加电流可显著增加搅拌力。搅拌力增加加快了结晶器内钢水温度的散失,使结晶器内温度分布更均匀,因此对改善连铸坯的缩孔有利。当电流增大到一定程度后,磁场强度过大时,结晶器弯月面形状将发生变化,使弯月面的凹陷深度变大,即靠近结晶器壁处液面上升,中心部分液面下降。波动的弯月面使结晶器内温度场变得不均匀,对改善缩孔不利,甚至加重了缩孔的形成。对St45钢种,电磁搅拌强度的最佳值是270A。2.1.2增加电磁搅拌频率,增加磁由试验结果,频率与内部质量也呈曲线变化,在低频率时,随着频率的增加,内部质量变好;当频率达到一定值时,对内部质量不利。这是因为电磁力与频率成正比,频率增加将有效地增加搅拌力,因此增加电磁搅拌频率对改善缩孔有利。另外由于结晶器是铜制成的,对交变磁场有屏蔽作用,其集肤层厚度δ可由式(1)表示:δ=2σωμ−−−√(1)δ=2σωμ(1)式中,σ为金属的导电率,ω为电流的角频率,μ为金属的导磁率。在电磁搅拌装置中,无论钢水、结晶器铜板或不锈钢板的导磁率接近于真空导磁率,因此渗透深度只与金属的导电率和电流频率有关。随电流频率的提高,集肤层厚度减小,对磁场的屏蔽作用增强,结晶器内的磁感应强度降低,因此对改善内部质量不利。对于St45钢,对应最大搅拌力,最优的电磁搅拌频率为4Hz。2.1.3过热对铸坯缩孔率的影响生产中当过热度较高(>35℃),拉速会降低至2.3m/min;当过热度<20℃,拉速提高为2.8m/min。当过热度较低时(<35℃),有无电磁搅拌,铸坯中小于2级的缩孔发生率相差不多,即电磁搅拌对缩孔的影响不明显。当过热度较高时(>35℃),无电磁搅拌的铸坯,2级以下缩孔发生率只有75%左右;有电磁搅拌的铸坯,2级以下缩孔发生率在92%左右,电磁搅拌改善缩孔效果明显。由此可见,在高浇铸温度条件下,结晶器电磁搅拌对改善缩孔的效果更明显,这对稳定生产非常有利。2.2钻头钻屑成分分析连铸高碳钢方坯的中心偏析是影响线材尤其是钢帘线、钢绞线等高级线材性能的致命缺陷,使线材在拉拔、合股过程发生断裂。以82B高碳钢为对象钢种,研究了结晶器电磁搅拌对元素中心偏析的影响。在断面尺寸为160mm×160mm连铸坯取样,用↣φ5mm的钻头钻屑进行成分分析。对于碳元素用红外分析,其他元素用光谱分析。由试验结果,没有电磁搅拌的连铸坯,碳、锰、磷都存在比较严重的中心偏析。施加了结晶器电磁搅拌后,中心偏析明显改善,随着强度的增加,效果会越好。以碳元素为例,无电磁搅拌时,中心偏析度达到1.1,当电磁搅拌强度为300A时,碳元素的中心偏析度降为1.02。2.3晶体搅拌对连接铸造件的纯净度的影响2.3.1电磁搅拌的基础分析图1(a)是电磁搅拌对82B钢种连铸方坯全氧、全氮的影响。在图中,平均线以上的点是铸坯开浇阶段的头坯试样,其余点是铸坯正常浇铸过程的试样。由图1(a)可见,没有电磁搅拌铸坯全氮平均在53×10-6,全氧平均在18×10-6。随着电磁搅拌强度增加到300A,全氮平均在45×10-6,全氧在10×10-6。为进一步分析电磁搅拌因素及水平对氧和氮影响的显著水平,对数据进行试验次数不等的方差分析。方差分析如表3所示。由自由度F分布表查出临界值,α(0.1)=2.9对于给定的显著性水平,结晶器电磁搅拌对于氧的影响是显著的,对于氮的影响不显著。笔者认为这是因为电磁搅拌加速了氧化物的聚集长大,使氧化物以夹杂的形式上浮,因此钢水中的总氧降低。而钢水中氮化物形成元素少,因此氮减少量小。2.3.2缺陷物的表征及显著性分析将82B连铸坯加工成↣φ15mm×110mm和↣φ50mm×150mm标准试样,并经过油淬处理,采用电解萃取方法,在电解沉渣中分离提取夹杂物,分别测定氧化物、硫化物总量,同时将分离出来的夹杂物用电子探针分析成分。图1(b)是电磁搅拌对铸坯氧化物、硫化物夹杂总量的影响。为进一步分析电磁搅拌因素及水平对夹杂物影响的显著性,对数据进行试验次数不等的方差分析。方差分析如表4所示。由自由度F值分布表查出临界值,α(0.1)条件下,F(2,8)=3.11,对于给定的显著性水平,结晶器电磁搅拌对于氧化物的影响是显著的,对于硫化物的影响不显著。3结晶器电磁搅拌的作用(1)结晶器电磁搅拌可有效地改善连铸坯的中心缩孔。电磁搅拌强度和频率的增加,对改善缩孔有利;超过最佳值时,对改善缩孔的效果不明显。(2)在低过热度浇铸时,结晶器电磁搅拌改善缩孔的效果不明显;在高过热度条件下(大于35℃),结