采用脈沖磁致振蕩技術(shù)提高矩形AM2錨鏈鋼連鑄坯的均勻性

朱富強(qiáng) 任振海 陳占領(lǐng) 王海洋

(常州中天鋼鐵集團(tuán)有限公司，江蘇 常州 213011)

最早將液態(tài)金屬連續(xù)澆注成形的技術(shù)可追溯到19世紀(jì)40年代，但其初期發(fā)展緩慢[1]。20世紀(jì)70年代發(fā)生世界性能源危機(jī)，連鑄技術(shù)開始進(jìn)入大發(fā)展期[2]。隨著連鑄技術(shù)的廣泛應(yīng)用，連鑄坯凝固組織和性能的改善越來越受到人們的重視[3- 4]，特別是連鑄坯組織和成分均勻性的控制。

馮遠(yuǎn)超[5]研究發(fā)現(xiàn)，低過熱度澆注可有效減少重軌鋼方坯的中心偏析，但控制難度較大，效果不穩(wěn)定。陶紅標(biāo)等[6]研究發(fā)現(xiàn)，采用振動(dòng)激發(fā)金屬液形核技術(shù)有利于提高大型鑄錠凝固組織中的等軸晶數(shù)量。電磁攪拌技術(shù)，如結(jié)晶器電磁攪拌和末端電磁攪拌，常被用于改善鑄坯質(zhì)量[7]，缺點(diǎn)是能耗均較大，而二冷區(qū)電磁攪拌因框型偏析已很少被采用。末端壓下技術(shù)也是近年發(fā)展起來的改善鑄坯質(zhì)量的技術(shù)，根據(jù)壓下量及壓下方式，可分為輕壓下、動(dòng)態(tài)輕壓下和大壓下技術(shù)[8]。但末端壓下技術(shù)需要精確控制末端位置及壓縮比[9]，否則易產(chǎn)生內(nèi)裂紋，這對(duì)需要生產(chǎn)較多特殊鋼種的鑄機(jī)的要求較高。

近年來，因具有能耗低、細(xì)晶效果顯著等特點(diǎn)，脈沖電磁場(chǎng)引起了人們的重視。廖希亮等[10- 11]研究了脈沖電流對(duì)合金組織的影響，并揭示了脈沖電流細(xì)化金屬組織的結(jié)晶雨機(jī)制。但脈沖電流細(xì)晶技術(shù)必須保證電極能與熔體接觸，電極材料的選擇也是難題，選擇不當(dāng)會(huì)對(duì)金屬熔體造成污染，并且設(shè)備及工藝較為復(fù)雜，制約了其在生產(chǎn)中的應(yīng)用。上海大學(xué)翟啟杰教授團(tuán)隊(duì)在揭示了脈沖電流細(xì)化凝固組織的機(jī)制[11]的基礎(chǔ)上，提出了脈沖磁致振蕩(pulsed magneto- oscillation, PMO)凝固均質(zhì)化技術(shù)[12- 13]并實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用[14- 15]。蘇鋼程勇等[16]采用PMO改善了GCr15軸承鋼的組織，試驗(yàn)結(jié)果顯示PMO可以顯著細(xì)化連鑄GCr15軸承鋼的組織，減少碳偏析。

本文在矩形AM2錨鏈鋼連鑄坯凝固過程中進(jìn)行了PMO處理，研究了PMO參數(shù)對(duì)AM2錨鏈鋼鑄坯均勻性的影響。

1 試驗(yàn)過程

1.1 設(shè)備和材料

試驗(yàn)設(shè)備為中天特鋼連鑄機(jī)，共試驗(yàn)了兩次。試驗(yàn)用AM2錨鏈鋼的化學(xué)成分如表1所示。該鑄機(jī)為5機(jī)5流弧形連鑄機(jī)，弧形半徑10 m，末端為多點(diǎn)矯直，且都安裝了結(jié)晶器加末端電磁攪拌和PMO裝置。鑄坯橫截面尺寸為220 mm×260 mm。PMO線圈置于結(jié)晶器下方第1個(gè)活動(dòng)段內(nèi)[16]，線圈內(nèi)壁尺寸為280 mm×320 mm。脈沖電源通過導(dǎo)線向PMO線圈施加脈沖電流，并在連鑄坯固- 液界面附近產(chǎn)生脈沖磁致振蕩效應(yīng)。試驗(yàn)時(shí)第5流為經(jīng)PMO處理的鑄坯(開啟結(jié)晶器電磁攪拌和PMO)，第1流為未經(jīng)PMO處理的鑄坯(開啟結(jié)晶器電磁攪拌，但不開啟PMO)。

表1 試驗(yàn)用AM2錨鏈鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))
Table 1 Chemical composition of the tested AM2 anchor steel (mass fraction) %

元素CSiMnSP質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.210.251.30≤0.01≤0.02

1.2 試驗(yàn)步驟

兩次試驗(yàn)的工藝參數(shù)及PMO處理參數(shù)列于表2。在正常生產(chǎn)條件下澆注，待連鑄坯通過PMO線圈后，啟動(dòng)脈沖電源進(jìn)行PMO處理。每澆注1包(100 t)分別取1個(gè)處理樣和1個(gè)未處理樣，試樣長(zhǎng)400 mm。在大包澆注約50%時(shí)對(duì)鑄坯取樣。

表2 試驗(yàn)參數(shù)Table 2 Experimental parameters

圖1 從連鑄坯上取樣示意圖Fig.1 Schematic diagram of taking specimens from the continuously cast billet

2 試驗(yàn)結(jié)果

未經(jīng)過PMO處理的AM2錨鏈鋼中等軸晶的面積分?jǐn)?shù)分別是13.08%和11.74%，而經(jīng)過PMO處理的AM2錨鏈鋼中等軸晶的面積分?jǐn)?shù)分別增加至23.41%和25.24%，增加了79%和115%，如圖2中黑線包圍區(qū)所示。圖3是鑄坯內(nèi)弧至外弧的枝晶組織，可以看出未經(jīng)PMO處理的鑄坯內(nèi)弧柱狀晶幾乎生長(zhǎng)到鑄坯中心，形成穿晶組織且伴有縮孔，而經(jīng)PMO處理的鑄坯則消除了縮孔。從圖3還可以看出，未經(jīng)PMO處理的鑄坯心部等軸晶比較發(fā)達(dá)，為典型的樹枝晶，而經(jīng)PMO處理的鑄坯心部等軸晶明顯細(xì)化，枝晶有球化趨勢(shì)，如圖3中白色虛線框內(nèi)和圖4所示。

表3所示為采用五點(diǎn)法測(cè)量的中心碳偏析指數(shù)。從表3可以看出，經(jīng)PMO處理的鑄坯中心碳偏析指數(shù)顯著降低，不超過1.1。

3 討論

圖2 未經(jīng)(a，c)和經(jīng)過(b，d)PMO處理的AM2錨鏈鋼連鑄坯的橫向宏觀組織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

圖3 未經(jīng)(a，c)和經(jīng)過(b，d)PMO處理的AM2錨鏈鋼連鑄坯的橫向枝晶組織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

圖4 鑄坯心部等軸晶形貌(編號(hào)對(duì)應(yīng)圖3中白色虛線框區(qū)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“五點(diǎn)法”測(cè)量的鑄坯中心碳偏析指數(shù)及平均值Table 3 Central carbon segregation indexes of the cast billets measured by a ‘five- point method’ and their mean values

圖5 PMO處理過程中鑄坯內(nèi)晶核受力示意圖[17]Fig.5 Illustration of force acting on the crystal nucleus in the continuously cast billet during the PMO treating[17]

PMO處理會(huì)促進(jìn)固- 液界面形核，且PMO產(chǎn)生的振蕩電磁力不斷使固- 液界面的晶核脫離型壁，在重力的作用下形成結(jié)晶雨[12]。結(jié)晶雨阻斷了柱狀晶的生長(zhǎng)，因此經(jīng)PMO處理的AM2鋼鑄坯柱狀晶明顯縮短，尤其是內(nèi)弧側(cè)。如圖2和圖3所示，在內(nèi)弧面上，經(jīng)PMO處理的鑄坯與未處理鑄坯相比，其柱狀晶長(zhǎng)度變化非常明顯，而外弧側(cè)的變化則較小。這是由于未處理鑄坯也有一定量的游離晶粒，在重力作用下優(yōu)先沉降到位置更低的外弧側(cè)，阻礙了柱狀晶生長(zhǎng)。但是因?yàn)橛坞x晶數(shù)量較少，不會(huì)堆積并阻礙內(nèi)弧側(cè)柱狀晶生長(zhǎng)，因此內(nèi)弧側(cè)幾乎形成穿晶組織。PMO處理坯則形成了大量等軸晶粒，由于數(shù)量多，不僅促進(jìn)外弧側(cè)的柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變，也會(huì)發(fā)生堆積并阻礙內(nèi)弧側(cè)的柱狀晶生長(zhǎng)。

4 結(jié)論

PMO處理可以顯著提高矩形AM2錨鏈鋼連鑄坯等軸晶區(qū)的面積，降低鑄坯中心碳偏析指數(shù)，并消除中心縮孔。經(jīng)PMO處理的連鑄坯心部等軸晶面積分?jǐn)?shù)超過23%，比未經(jīng)PMO處理的鑄坯增大1倍左右；中心碳偏析指數(shù)則降低0.2以上，不超過1.1，鑄坯的組織均勻性得到了顯著改善。