电磁搅拌器控制系统对大方坯中心偏析的改善

2019-03-05邵龙刚

世界有色金属 2019年23期

邵龙刚

（河钢唐钢集团，河北唐山 064200）

目前冶金企业连铸坯中心偏析问题对产品质量影响是比较严重的，而采用电磁搅拌的方式可改善连铸坯的质量，而采用结晶器电磁搅拌的方式能够提升铸坯等轴晶率，降低这种中心偏析问题，明显改善铸坯质量。目前很多国内钢铁公司在大方坯连铸过程中使用的就是电磁搅拌的方式，可在结晶器以及足棍间安装电磁搅拌装置[1]。在本研究中主要针对大方坯中心存在的偏析问题进行实验分析，并从电磁搅拌工艺、参数这两个角度提出了对中心偏析改善的一些方法。

1 电磁搅拌器自动化控制系统

电磁搅拌器控制系统由5部分组成：供电部分(变压器及高、低压配电)、变频电源部分、电磁搅拌器部分、制水机冷却水装置部分及PLC系统和远程监控操作部分，网络拓扑图如下：

图1 电磁搅拌器自动化控制系统

HMI为上位机WinCC编写的操作界面，用户可以通过该界面完成系统的基本操作和监控。HMI主要是用来显示各变频柜输出的电流、频率及水流量，水温及各类报警信息等。PLC柜是系统的控制核心，系统中必要的过程控制、电流和频率的闭环控制及信号输入输出采集，都是由PLC系统完成[2]。变频柜的功能是在PLC设定程序控制下，使输出的电流和频率达到需要值。制水机装置是生产电磁搅拌器所需纯水的设备，纯净水的硬度应达到小于或等于10ppm。

2 实验条件分析

本实验是在大方坯连铸机上完成铸坯，尺寸为250×320毫米，足辊段长度为430毫米，具体参数如下表所示。

表1 铸柸实验具体参数

在具体生产过程中连续工艺参数和电磁搅拌具体参数如下表所示。

表2 实际生产工艺参数

完成取样之后沿着方坯轴心方向钻直径为7毫米，深度为8毫米的孔作为样品，以分析存在的中心偏析偏差。

3 实验结果

（1）电磁搅拌器的磁场强度对中心偏析的影响。通过实验发现当过热度较高时存在的中心偏析也较大，当低于25℃时偏析长度较小，而高于25℃则偏析长度显著增加。由于钢液浇筑温度对等轴晶晶核长大起重要作用，当过热度较低时浇筑会产生大量晶核，等轴晶长大之后从一定程度上阻止柱状晶进一步发展，减轻中心偏析问题。按照结晶游离理论，在处于液相线情况下弯月面位置会出现晶核游离，如果过热度较高时无法获得良好的等轴晶体，且会增加铸坯的中心偏析。除此之外，当拉速提高时会降低中心偏析作用，在正常条件下拉速高于0.6米每分钟时，会降低中心偏析作用，在实际生产过程中需要合理匹配过热度和拉速。

同时当对电磁搅拌器增加电流时会增加搅拌力，在流动速度加快时会在短时间内使过热度消失，柱状晶端部位置的温度梯度逐渐减小，等轴晶增长时凝固释放的热量，会从柱状晶传出，促使等轴晶生长使中心偏析降低。

通过研究发现在电流为570～580A时，中心偏析作用较小。在本研究中发现电源频率产生的影响对于中心偏析的具体情况是比较复杂的，由于结晶器存在磁屏蔽效应，当频率较高时其穿透能力较低，搅拌能力越弱则改善这种中心偏析的作用越不明显。通过研究发现使用低频率进行搅拌，在2.0～2.5Hz频率下逐渐增加电源频率，其产生的中心偏析作用较小。

（2）大方坯中心偏析原理及电磁搅拌的作用。针对上述铸坯凝固存在的中心偏析问题，可以采取下列理论进行分析：首先研究学者提出小钢锭凝固理论，认为由于存在枝晶搭桥的作用，会生成钢锭结构，会产生中心偏析和中心疏松这两种作用。此外还存在溶质元素析出和富集这种理论，主要认为在钢液中存在一些可溶元素，包括碳，锰，磷等，在一定范围上完成溶解并可实现平衡性移动，能够从柱状晶吸出这种可溶元素，将其排到未完全凝固的金属液中水解，继续会将经过富集后的溶质推向凝固中心，最终形成铸坯中心偏析。还有铸坯芯部空穴抽吸的理论，认为在结晶的末期铸坯由于出现液相逐渐向固相进行改变，随着体积收缩或者铸坯鼓肚形成空穴，导致经过富集后的溶质元素钢液被吸入芯部，进而形成中心偏析问题。针对这些问题我们认为由于铸坯凝固是非平衡的过程，在固相中这些可溶的元素溶解度相比液相中要低，因此在开始凝固过程中液、固界面处会出现可溶元素析出，逐渐增加浓度，可溶元素向液相扩散。

当凝固前温度梯度较大时则浓度梯度也越高，存在的可溶元素中心偏析程度也越大，而使用电磁搅拌装置之后基于电磁作用力条件下，凝固前液相对流会逐渐加剧，这对状柱状晶生长凝固之前存在冲刷作用，凝固前液相流动能够使母液与液固相液体相混合，进而使溶质浓度逐渐趋于稳定。

这种情况下电磁搅拌能够发挥以下作用：基于电磁作用力下，流速逐渐加快，过热度在短时间内快速消失，柱状晶的端部温度梯度逐渐减小，等轴晶在凝固释放过程中强热会由柱状晶位置传出，伴随着搅拌过程的流动带走，加快等轴晶的生长并扩大其比例，使中心偏析逐渐降低。在电磁作用力下这种流动会将生长的树枝晶冲断，使其形成碎晶，在凝固之前粘附于柱状晶体上，并在其固液相界面上生长，进而能够阻止柱状晶的继续生长。电磁搅拌作用力对于两相存在一定的冲刷和清洗作用，会导致凝固界面存在不平整，很容易捕获液相存在的自由晶体，在凝固界面进行依附，并且以等轴晶的方式逐渐长大，因此在使用电磁搅拌器结晶时，对扩大等轴晶比例降低和大方坯中心偏析是十分重要的。