采用脉冲磁致振荡技术提高矩形AM2锚链钢连铸坯的均匀性

2019-06-13朱富强任振海陈占领王海洋

上海金属 2019年3期

朱富强任振海陈占领王海洋

(常州中天钢铁集团有限公司，江苏常州 213011)

最早将液态金属连续浇注成形的技术可追溯到19世纪40年代，但其初期发展缓慢[1]。20世纪70年代发生世界性能源危机，连铸技术开始进入大发展期[2]。随着连铸技术的广泛应用，连铸坯凝固组织和性能的改善越来越受到人们的重视[3- 4]，特别是连铸坯组织和成分均匀性的控制。

冯远超[5]研究发现，低过热度浇注可有效减少重轨钢方坯的中心偏析，但控制难度较大，效果不稳定。陶红标等[6]研究发现，采用振动激发金属液形核技术有利于提高大型铸锭凝固组织中的等轴晶数量。电磁搅拌技术，如结晶器电磁搅拌和末端电磁搅拌，常被用于改善铸坯质量[7]，缺点是能耗均较大，而二冷区电磁搅拌因框型偏析已很少被采用。末端压下技术也是近年发展起来的改善铸坯质量的技术，根据压下量及压下方式，可分为轻压下、动态轻压下和大压下技术[8]。但末端压下技术需要精确控制末端位置及压缩比[9]，否则易产生内裂纹，这对需要生产较多特殊钢种的铸机的要求较高。

近年来，因具有能耗低、细晶效果显著等特点，脉冲电磁场引起了人们的重视。廖希亮等[10- 11]研究了脉冲电流对合金组织的影响，并揭示了脉冲电流细化金属组织的结晶雨机制。但脉冲电流细晶技术必须保证电极能与熔体接触，电极材料的选择也是难题，选择不当会对金属熔体造成污染，并且设备及工艺较为复杂，制约了其在生产中的应用。上海大学翟启杰教授团队在揭示了脉冲电流细化凝固组织的机制[11]的基础上，提出了脉冲磁致振荡(pulsed magneto- oscillation, PMO)凝固均质化技术[12- 13]并实现工业应用[14- 15]。苏钢程勇等[16]采用PMO改善了GCr15轴承钢的组织，试验结果显示PMO可以显著细化连铸GCr15轴承钢的组织，减少碳偏析。

本文在矩形AM2锚链钢连铸坯凝固过程中进行了PMO处理，研究了PMO参数对AM2锚链钢铸坯均匀性的影响。

1 试验过程

1.1 设备和材料

试验设备为中天特钢连铸机，共试验了两次。试验用AM2锚链钢的化学成分如表1所示。该铸机为5机5流弧形连铸机，弧形半径10 m，末端为多点矫直，且都安装了结晶器加末端电磁搅拌和PMO装置。铸坯横截面尺寸为220 mm×260 mm。PMO线圈置于结晶器下方第1个活动段内[16]，线圈内壁尺寸为280 mm×320 mm。脉冲电源通过导线向PMO线圈施加脉冲电流，并在连铸坯固- 液界面附近产生脉冲磁致振荡效应。试验时第5流为经PMO处理的铸坯(开启结晶器电磁搅拌和PMO)，第1流为未经PMO处理的铸坯(开启结晶器电磁搅拌，但不开启PMO)。

表1 试验用AM2锚链钢的化学成分(质量分数)
Table 1 Chemical composition of the tested AM2 anchor steel (mass fraction) %

元素CSiMnSP质量分数0.210.251.30≤0.01≤0.02

1.2 试验步骤

两次试验的工艺参数及PMO处理参数列于表2。在正常生产条件下浇注，待连铸坯通过PMO线圈后，启动脉冲电源进行PMO处理。每浇注1包(100 t)分别取1个处理样和1个未处理样，试样长400 mm。在大包浇注约50%时对铸坯取样。

表2 试验参数Table 2 Experimental parameters

图1 从连铸坯上取样示意图Fig.1 Schematic diagram of taking specimens from the continuously cast billet

2 试验结果

未经过PMO处理的AM2锚链钢中等轴晶的面积分数分别是13.08%和11.74%，而经过PMO处理的AM2锚链钢中等轴晶的面积分数分别增加至23.41%和25.24%，增加了79%和115%，如图2中黑线包围区所示。图3是铸坯内弧至外弧的枝晶组织，可以看出未经PMO处理的铸坯内弧柱状晶几乎生长到铸坯中心，形成穿晶组织且伴有缩孔，而经PMO处理的铸坯则消除了缩孔。从图3还可以看出，未经PMO处理的铸坯心部等轴晶比较发达，为典型的树枝晶，而经PMO处理的铸坯心部等轴晶明显细化，枝晶有球化趋势，如图3中白色虚线框内和图4所示。

表3所示为采用五点法测量的中心碳偏析指数。从表3可以看出，经PMO处理的铸坯中心碳偏析指数显著降低，不超过1.1。

3 讨论

图2 未经(a，c)和经过(b，d)PMO处理的AM2锚链钢连铸坯的横向宏观组织Fig.2 Transverse macrostructures of the continuously cast billets of AM2 anchor steel (a, c) not subjected to and (b, d)subjected to the PMO treatment

图3 未经(a，c)和经过(b，d)PMO处理的AM2锚链钢连铸坯的横向枝晶组织Fig.3 Transverse dendritic structures of the continuously cast billets of AM2 anchor steel (a,c) not subjected to and (b,d)subjected to the PMO treatment

图4 铸坯心部等轴晶形貌(编号对应图3中白色虚线框区域)Fig.4 Equiaxed crystals in the core of the cast billet cores (serial numbers correspond to white dotted frame in Fig.3)

表3 采用“五点法”测量的铸坯中心碳偏析指数及平均值Table 3 Central carbon segregation indexes of the cast billets measured by a ‘five- point method’ and their mean values

图5 PMO处理过程中铸坯内晶核受力示意图[17]Fig.5 Illustration of force acting on the crystal nucleus in the continuously cast billet during the PMO treating[17]

PMO处理会促进固- 液界面形核，且PMO产生的振荡电磁力不断使固- 液界面的晶核脱离型壁，在重力的作用下形成结晶雨[12]。结晶雨阻断了柱状晶的生长，因此经PMO处理的AM2钢铸坯柱状晶明显缩短，尤其是内弧侧。如图2和图3所示，在内弧面上，经PMO处理的铸坯与未处理铸坯相比，其柱状晶长度变化非常明显，而外弧侧的变化则较小。这是由于未处理铸坯也有一定量的游离晶粒，在重力作用下优先沉降到位置更低的外弧侧，阻碍了柱状晶生长。但是因为游离晶数量较少，不会堆积并阻碍内弧侧柱状晶生长，因此内弧侧几乎形成穿晶组织。PMO处理坯则形成了大量等轴晶粒，由于数量多，不仅促进外弧侧的柱状晶向等轴晶转变，也会发生堆积并阻碍内弧侧的柱状晶生长。