拉速和脉冲磁致振荡对GCr15轴承钢铸坯质量的影响

2020-01-17任振海朱富强陈占领

上海金属 2020年1期

任振海朱富强陈占领李亚

（中天钢铁集团有限公司，江苏常州 213011）

连铸坯的宏观偏析和缩孔等缺陷影响轧制和退火工艺，严重时甚至不能通过有关加工工艺消除。控制连铸坯的凝固过程是确保钢材质量的关键工序［1-2］。但是，激烈的市场竞争和环保压力要求企业不断提高连铸效率，从而产生提质与增效之间的矛盾［3］。

为提高铸坯纯净度和表面质量，连铸生产常采用二次精炼［4］、中间包加热［5］、结晶器电磁搅拌［6］、非正弦振动等技术［7］，铸坯凝固中心的偏析和缩孔问题则一般采用低过热度浇注［8］、末端电磁搅拌和压下技术［9-10］来解决。但对于特钢连铸，由于钢种较多，加之连铸工艺的变化，导致铸坯心部凝固组织［11-13］及其末端部位的变化较大，很难应用末端搅拌和压下技术。因此，对于特钢连铸，亟需更好的连铸工艺和均质化技术，以有效控制铸坯的凝固过程。

上海大学翟启杰等在弄清脉冲电流细晶机制［14-15］的基础上开发的脉冲磁致振荡（pulsed magneto-oscillation，PMO）技术［16-18］，能有效提高铸坯的等轴晶率并解决中心缩孔和偏析问题［19］。该技术利用磁致过冷效应促进金属液形成大量的新晶核，从而细化凝固组织，也适用于细化钢锭凝固组织［20-22］。由于PMO技术将感应线圈置于足辊下方，此处坯壳厚度变化较小，因此适用于多钢种连铸。中天特钢在矩形坯连铸机上采用该技术，轴承钢、齿轮钢等铸坯均质化水平及其稳定性得到了大幅度提高［23-24］。

本文采用PMO技术进行了GCr15轴承钢提高拉速对铸坯质量影响的试验，以期在保证铸坯质量的前提下提高连铸效率。

1 试验材料与过程

试验在中天特钢0号连铸机上进行，该铸机为五机五流全弧形铸机，弧形半径10 m，铸坯断面尺寸为220 mm×260 mm，配置了结晶器电磁搅拌（M-EMS）、PMO和末端电磁搅拌（F-EMS），其中PMO感应线圈的安装位置及基本原理见文献［16，19，23-24］。

进行了两组试验，均开启M-EMS和F-EMS。试验中，第一流关闭PMO，其余4流开启 PMO。具体的试验参数见表1。

在大包浇注近50%时取样。为保持对称性，分别在第一流和第五流切割800 mm长铸坯，再锯切约30 mm厚铸坯横断面作为低倍检验试样。将低倍试样磨平，用50%体积比的70℃盐酸水溶液热浸蚀45 min。铸坯中心疏松和缩孔按YB／T 153—2015评级。根据横断面的缩孔位置确定铸坯凝固中心，然后加工铸坯纵剖面（长度400 mm，剖面距凝固中心4 mm），并钻取用于检测碳偏析的试样，钻孔深度8 mm，每个铸坯取10点，钻样点间隔30 mm。采用LECO CS900红外碳硫仪测定碳含量，每个试样测2遍，取平均值。如碳的质量分数偏差超过0.02%，则测3遍，舍弃偏差最大的值，取2个近邻值的平均值。铸坯纵剖面取样及钻样位置如图1所示。

表1 GCr15轴承钢的连铸试验参数Table 1 Parameters of continuous casting test for the GCr15 bearing steel

图1 从铸坯纵剖面钻取碳偏析检测试样的示意图Fig.1 Schematic diagram of taking carbon segregation test samples from longitudinal section of the billet

2 试验结果

图2是两炉试验铸坯横断面的低倍组织。从图2可以看出，未经PMO处理的铸坯等轴晶数量明显少于PMO处理的铸坯，且中心都有集中缩孔。PMO处理坯的等轴晶区显著扩大，中心缩孔几乎消失，但疏松区扩大，这与等轴晶区扩大有关。

表2列出了两种拉速条件下，铸坯低倍检测的等轴晶面积分数、中心疏松和缩孔级别。可以看出，PMO处理坯的等轴晶面积分数明显高于未经PMO处理的铸坯，为30%左右，中心疏松级别高于未经PMO处理铸坯，但中心缩孔几乎消除，而未经PMO处理的铸坯中心缩孔较为严重。拉速提高，未经PMO处理铸坯的等轴晶数量有所减少，中心疏松减少；PMO处理坯等轴晶区面积略有增加，中心疏松和缩孔没有明显变化。

图2 GCr15钢铸坯横截面的低倍照片Fig.2 Macrographs of cross-section of the GCr15 steel billet

表2 铸坯低倍检验结果Table 2 Macroscopic test results of the casting billets

图3为铸坯中心碳偏析指数的轴向分布。对比图3（a）和图3（b）可以看出，PMO处理坯的中心碳偏析显著少于未经PMO处理的铸坯，碳偏析指数均在1.1以内。拉速提高，PMO处理坯的轴向中心碳偏析波动略有增大，但仍保持在1.1以内。拉速提高，未经PMO处理铸坯的中心碳偏析更为严重，波动幅度增大，碳偏析指数最大值达1.27。

3 讨论

如图2（a～c）所示，提高拉速会使未经PMO处理铸坯的柱状晶区扩大，等轴晶区缩小，同时中心疏松减少。其原因为，试验中按比例增加了二冷区配水，促进了铸坯厚度方向的定向凝固，有利于柱状晶生长。而柱状晶由于排列整齐，致密度较高，故疏松减少。由于柱状晶增多，导致固-液界面前沿更多的富集溶质的钢液向铸坯中心推移，使铸坯心部碳偏析加重，如图3所示。此外由于心部枝晶尺寸较大，易形成枝晶搭桥现象，使心部高溶质浓度液相被分隔在不同区域。随着最后凝固阶段的收缩，残余液相被抽吸到枝晶网络的不同间隙，因此心部偏析的波动范围也随之增大。

图3 以不同拉速铸造的PMO处理和未处理坯的中心碳偏析指数的轴向分布Fig.3 Axial distributions of central carbon segregation indexes for the billets treated and untreated with PMO produced at different casting speeds

如图2（b～d）和图3所示，提高拉速对PMO处理坯的等轴晶量和碳偏析的影响均较小。根据“结晶雨”理论［14，16，25］，PMO会促进铸坯固-液界面前沿形核，晶核形成结晶雨堆积在铸坯心部，从而显著扩大了等轴晶区并细化晶粒。提高拉速对PMO线圈处的铸坯坯壳厚度影响很小，因此PMO处理效果的差异不明显。另外，由于等轴晶区的枝晶生长方向混乱，其致密度略低于柱状晶区，因此PMO处理坯的中心疏松区扩大。