连铸二冷区辊式电磁搅拌在硅钢生产中的应用

王洪涛，王金辉，陈宇，王峦涛

（鞍钢股份有限公司炼钢总厂，辽宁 鞍山114021）

工业应用表明，在连铸工序合理采用电磁搅拌装置能有效改善铸坯的内部组织结构，提高铸坯表面质量[1]。其中，二冷区辊式电磁搅拌能有效地减轻铸坯中心偏析和中心疏松，有效消除中心缩孔和裂纹，扩大铸坯中心等轴晶比率，显著提高连铸坯的内部质量[2]。二冷区辊式电磁搅拌装置经历了“辊间插入式搅拌装置”到“辊后箱式搅拌装置”，再到“辊式电磁搅拌装置”的演变过程。辊间插入式搅拌装置虽然搅拌效果好，但是存在设备庞大不利于检修维护的缺点；而辊后箱式搅拌装置由于距铸坯表面较远，在相同工辅条件下搅拌效果相对较差；而辊式电磁搅拌装置由于结构设计的优越性，可以获得更高的电磁搅拌效率和更低的维护安装成本。鞍钢股份有限公司炼钢总厂三分厂（以下简称“三分厂”）2号铸机原来一直采取低过热度浇铸的方式提高硅钢品种铸坯的等轴晶比率，这种方法可以使铸坯内部形成长的糊状区，有利于等轴晶晶粒的形成，但不利于去除夹杂物，不能避免浇铸中断事故。2015年安装二冷区辊式电磁搅拌装置以提升硅钢品种铸坯等轴晶比率，通过优化电磁搅拌装置的安装方式和工艺参数，在相对较高的中间包浇铸温度下，依靠二冷区辊式电磁搅拌装置有效地提高了硅钢铸坯内部的等轴晶比率。本文对此做一介绍。

1 二冷区辊式电磁搅拌装置研究条件

1.1 连铸机主要参数

三分厂2号铸机于2015年建成投产，设计年产量为250万t，主要生产的产品有碳素结构钢、低合金高强度钢、管线钢、船板钢、硅钢、容器钢板、耐磨钢板等。表1为铸机主要技术参数。

表1 铸机主要技术参数Table 1 Main Technological Parameters of Caster

1.2 辊式电磁搅拌装置的主要参数

三分厂二冷区辊式电磁搅拌装置由法国罗特莱克公司提供。表2为辊式电磁搅拌装置主要技术参数。

表2 辊式电磁搅拌装置主要技术参数Table 2 Main Technological Parameters of Roll Type Electromagnetic Stirring Device

1.3 等轴晶定义及评定标准

将晶粒长与宽的比值≤3的区域定义为等轴晶区。以等轴晶比率的多少来评定设备安装方案和工艺参数设定的效果。图1为等轴晶区宽度界线示意图，图2为取样位置示意图。

图1 等轴晶区宽度界线示意图Fig.1 Diagram for Width Boundary at Equiaxed Crystal Zone

图2 取样位置示意图Fig.2 Diagram for Sampling Locations

等轴晶区宽度界线以内（Te）的测量值和与测试板坯总厚度值（T）比较。按照Te/T的比值乘以100%定义为等轴晶区百分比。取样位置及计算方法：铸坯样宽度（W）的1/4、1/2、3/4处的三个垂直线处，宽度50 mm范围内Te的最大值，取三处平均值作为最终等轴晶区百分比计算值。

2 电磁搅拌装置安装方式

2.1 电磁搅拌辊的排列方式

中间包浇铸高温条件下，坯壳内钢水过热度较高，从坯壳掉落的细小等轴晶很快会被钢水融化，无法形核继续成长为等轴晶粒。因此需要应用电磁搅拌装置来均匀钢水温度，促进等轴晶的形成。二冷区电磁搅拌辊的排列方式是提高铸坯等轴晶比率的关键。电磁搅拌辊一般有两种布置方式，见图3。

图3 电磁搅拌辊布置方式Fig.3 Installation Mode of Electromagnetic Stirring Rolls

如图3（a）所示，电磁搅拌辊并排式布置可以提供分散的搅拌力，搅拌力影响范围相对较大；图3（b）所示的对面式布置可以提供集中的搅拌力，搅拌力影响范围相对较小。在相对较高的浇铸温度下，以上两种排列方式中的任何一种都无法获得较高的等轴晶比率。选择两组对面式布置的电磁搅拌辊，组成“双段式”的排列方式，能够获得足够的搅拌力和搅拌力影响区域，可以在搅拌力影响区域内，更有效的降低钢水过热度，有利于在浇铸高温条件下获得更多的铸坯等轴晶[3]。图4为“双段式”电磁搅拌辊排列方式。

图4 “双段式”电磁搅拌辊排列方式Fig.4 Arrangement Mode of Double-section Electromagnetic Stirring Rolls

2.2 电磁搅拌辊安装位置

在电磁力不影响结晶器液位波动的情况下，二冷区电磁搅拌装置安装位置越靠近结晶器，越能提高铸坯的等轴晶比率。对辊式电磁搅拌装置电磁力影响区域测量后发现，搅拌装置附近3.5～4.0 m的区域内均能检测到电磁力信号。因此选择将其安装在弧形段1段上，避免对结晶器液位带来不利影响。

3 工艺参数研究

在电磁搅拌应用过程中，其他工艺参数相同的情况下，随着频率的增加，电磁力增大。当频率达到某最佳值后，随着搅拌频率的增加，电磁力反而减小。实验检验了搅拌器在“交替”和“连续”两种不同搅拌模式下的应用效果。这两种模式的主要区别在于“交替模式”在工作过程中，通过改变电流方向的方式，使电磁力反向，使铸坯内钢水反向流动。实验结果表明：同等工艺参数条件下，“交替模式”的应用虽然降低了铸坯等轴晶比率，但是有效的减轻了铸坯“白亮带”现象；而“连续模式”可以获得更高的等轴晶比率，但是铸坯“白亮带”现象相对较严重。

在过热度、浇铸速度相同的条件下，对同一炉钢水进行不同工艺参数的对比实验。表3为不同频率、电流下铸坯等轴晶比率。图5为搅拌方式示意图。由表3看出，在电流相同的情况下，频率为5 Hz时等轴晶比率较高；同样的频率下，电流为380～400 A时的等轴晶比率较高；“三零型”（电磁力方向一致）搅拌的等轴晶比率比“双蝶型”（电磁力方向不一致）的高2.3%，因此，确定搅拌装置的最佳频率为5 Hz，最佳电流为400 A，搅拌方式为“三零型连续模式”。生产中需要同时评价“白亮带”是否影响冷轧工序的产品最终性能。

表3 不同频率、电流下铸坯等轴晶比率Table 3 Equiaxed Crystal Rates under Different Frequencies and Current

图5 搅拌方式示意图Fig.5 Diagram for Stirring Methods

4 应用效果

采用上述工艺参数生产后，取铸坯样进行等轴晶比率评定。表4为不同硅含量的硅钢铸坯等轴晶比率，铸坯宽度为1 150～1 280 mm。由表4看出，在相近中间包过热度条件下，硅含量越高的铸坯等轴晶比率越高；应用辊式电磁搅拌装置可以有效提高铸坯等轴晶比率，平均增加30%左右；中间包过热度在20～25℃范围内时，不应用电磁搅拌的铸坯等轴晶比率仅为26.08%，应用电磁搅拌后的等轴晶比例达到55%以上。

表4 不同硅含量硅钢铸坯等轴晶比率Table 4 Equiaxed Crystal Rates of Silicon Steel Casting Blanks with Different Silicon Content

图6为硅含量为2.5%～3.0%的硅钢应用电磁搅拌前后铸坯内部等轴晶分布情况。由图6（a）看出，不应用电磁搅拌的等轴晶晶区外柱状晶依然发达；由图6（b）看出，铸坯中心等轴晶晶区范围扩大。生产中铸坯样存在“白亮带”现象，但是冷轧工序未检测到性能不良产品。

图6 应用电磁搅拌前后铸坯内部等轴晶分布情况Fig.6 Distribution of Equiaxed Crystals inside Casting Blanks before and after Using Electromagnetic Stirring Device

5 结语

钢水中硅含量对铸坯中心等轴晶比率有一定的影响，硅含量越高，铸坯的中心等轴晶比率越高。连铸二冷区应用辊式电磁搅拌装置能够有效扩大铸坯中心等轴晶比率，显著提高连铸坯内部质量。鞍钢股份有限公司炼钢总厂三分厂连铸二冷区辊式电磁搅拌装置的应用表明，二冷区应用辊式电磁搅拌装置后，硅钢铸坯等轴晶比率平均提高30%左右，高牌号硅钢铸坯等轴晶比率可以达到55%以上。