許英華

(福建三鋼閩光股份有限公司，福建 三明 365000)

細(xì)化金屬凝固組織和提高元素分布均勻程度是鑄造和冶金工作者關(guān)注的熱點(diǎn)。由于選分結(jié)晶和凝固收縮，鋼在凝固過(guò)程中不可避免地存在成分不均勻和縮孔等缺陷，造成鋼組織和性能不均勻，嚴(yán)重影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量[1]。在實(shí)際生產(chǎn)中,由于工藝控制水平及裝備條件限制，這種問(wèn)題尤為突出，加之夾雜物等問(wèn)題，鋼中不同部位的組織和性能差異較大。根據(jù)木桶效應(yīng)，材料往往只能按照其最差部分的性能進(jìn)行設(shè)計(jì)，造成材料的巨大浪費(fèi)[2]。等軸晶率是鑄坯細(xì)化和均質(zhì)化的關(guān)鍵指標(biāo)，碳偏析是高碳鋼出現(xiàn)杯錐斷口的主要原因。某鋼廠生產(chǎn)的鑄坯等軸晶率較低，碳偏析指數(shù)不理想一直限制其產(chǎn)品質(zhì)量的提升，于是引入了結(jié)晶器脈沖磁致振蕩(pulsed magneto- oscillation, PMO)凝固均質(zhì)化技術(shù)對(duì)HRB400EG螺紋鋼鑄坯進(jìn)行均質(zhì)化處理，以提高連鑄坯內(nèi)部質(zhì)量。PMO技術(shù)的原理是二冷脈沖磁致振蕩形成的脈沖電流通過(guò)“電致過(guò)冷”效應(yīng)“促進(jìn)形核”，其最有效的作用時(shí)間是形核階段[2- 8]。研究發(fā)現(xiàn)，M- PMO能有效提高HRB400EG鑄坯中心等軸晶率，消除中心縮孔缺陷，抑制凝固中心元素富集。

1 試驗(yàn)條件及方法

1.1 澆注試驗(yàn)

M- PMO試驗(yàn)在7機(jī)7流連鑄機(jī)組上進(jìn)行，鑄坯斷面尺寸為160 mm×160 mm，連鑄機(jī)工藝參數(shù)及HRB400EG螺紋鋼的化學(xué)成分分別如表1和表2所示。

表1 7機(jī)7流連鑄機(jī)工藝參數(shù)Table 1 Process parameters of 7 machine 7 continuous casting machine

表2 HRB400EG螺紋鋼的化學(xué)成分Table 2 Chemical composition of the HRB400EG thread steel

如圖1所示，PMO裝備主要由控制電源柜、隔離變壓器、濾波儲(chǔ)能柜及PMO線圈等部件組成。PMO感應(yīng)線圈安裝在鑄機(jī)結(jié)晶器內(nèi)部，控制電源箱在總控系統(tǒng)的指令下產(chǎn)生控制信號(hào)，隔離變壓器用于隔離電網(wǎng)及調(diào)整輸入電壓， 三相交流電經(jīng)整流濾波形成直流電，隨后將直流電儲(chǔ)存并按照脈沖信號(hào)控制放電頻率， 形成脈沖電流輸入PMO線圈并感生脈沖式磁場(chǎng)，進(jìn)而在鑄坯內(nèi)部固/液界面前沿產(chǎn)生感應(yīng)脈沖電流， 促進(jìn)鑄坯固/液界面形核并產(chǎn)生“結(jié)晶雨”效應(yīng)，從而細(xì)化鑄坯凝固組織[6]。

圖1 PMO均質(zhì)化裝備示意圖[2]Fig.1 Schematic diagram of PMO homogenization equipment[2]

為研究M- PMO工藝參數(shù)對(duì)HRB400EG鑄坯質(zhì)量的影響，選用2種峰值電流和3種處理頻率進(jìn)行組合，2種試驗(yàn)方案如表3所示。

表3 M- PMO工藝參數(shù)Table 3 Parameters of M- PMO process

1.2 鑄坯檢測(cè)

將鑄錠切割成30 mm厚的低倍試樣，經(jīng)過(guò)銑、磨兩道工序，確保試樣表面粗糙度Ra≤1.6 μm，表面油污及加工痕跡除盡，以滿足熱酸腐蝕標(biāo)準(zhǔn)。低倍酸洗采用體積分?jǐn)?shù)為50%的HCl水溶液進(jìn)行熱酸蝕試驗(yàn)，酸液溫度為70 ℃，酸浸時(shí)間30 min。腐蝕結(jié)束后將鑄坯取出并立即用NaOH溶液清洗，再用熱水沖洗，最后用酒精擦拭、熱風(fēng)吹干。

利用碳硫檢測(cè)儀(CS- 2800)檢測(cè)鑄坯中C元素的含量及分布。用φ5 mm鎢合金鋼鉆頭在低倍試樣對(duì)角線1/4處及凝固中心鉆取5個(gè)碳硫檢測(cè)試樣(見(jiàn)圖 2)，鑄坯中心碳偏析指數(shù)計(jì)算公式為：

圖2 碳硫檢測(cè)取樣位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of sampling positions for carbon and sulfur detection

(1)

(2)

式中：C1、C2、C3、C4分別為鑄坯對(duì)角線1/4處碳含量，C5為鑄坯凝固中心碳含量，C為鑄坯中心碳偏析指數(shù)。

2 結(jié)果與討論

由于對(duì)比坯的澆注過(guò)程未啟動(dòng)M- PMO，不受外場(chǎng)的影響，且6爐次采用相同拉坯速度，統(tǒng)一冷卻水制度，中間包過(guò)熱度相近，故僅對(duì)方案1中3爐次對(duì)比坯進(jìn)行研究。對(duì)6組不同M- PMO工藝參數(shù)處理的螺紋鋼連鑄坯低倍觀察(圖3)發(fā)現(xiàn)，方案1對(duì)比坯的中心等軸晶比例(面積分?jǐn)?shù))分別為5.78%、9.20%、10.53%，6爐次處理坯的中心等軸晶比例分別為20.29%、15.38%、12.09%、13.80%、11.67%、10.82%。方案1和方案2處理坯的中心等軸晶比例較對(duì)比坯分別提高了87.29%和42.35%。兩種方案鑄坯等軸晶比例見(jiàn)表4。

圖3 螺紋鋼鑄坯低倍組織Fig.3 Macrostructures of the thread steel billet

表4 不同工藝生產(chǎn)的鑄坯中心等軸晶比例Table 4 Proportion of central equiaxed grains in the billets produced by different processes %

通過(guò)碳硫儀測(cè)定并計(jì)算得到，方案1的3爐次對(duì)比坯的中心碳偏析指數(shù)分別為1.27、1.06、1.10，6爐次M- PMO處理坯的中心碳偏析指數(shù)分別為1.15、1.03、1.04、1.11、1.01、1.13。對(duì)比坯中心偏析指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.09，M- PMO處理坯的僅為0.05，中心偏析指數(shù)離散度明顯下降。螺紋鋼鑄坯中心碳偏析指數(shù)見(jiàn)表5。

表5 螺紋鋼鑄坯中心碳偏析指數(shù)Table 5 Central carbon segregation index of the thread steel billets

連鑄坯凝固組織的細(xì)化一直是冶金界關(guān)注的重點(diǎn)。擴(kuò)大鑄坯中心等軸晶比例，細(xì)化鑄坯凝固組織不僅可以改善鑄坯及最終成品的力學(xué)性能，更重要的是可以基本消除鑄坯中心的宏觀偏析、中心縮孔等[9- 10]。

鋼水從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的凝固過(guò)程中，鑄坯中形成表面細(xì)晶區(qū)、柱狀晶區(qū)以及中心等軸晶區(qū)3種組織。由于連鑄坯凝固特性及生產(chǎn)過(guò)程中的表面激冷作用，鑄坯內(nèi)柱狀晶粗大，異常發(fā)達(dá)，為了擴(kuò)大鑄坯中心等軸晶區(qū)，需對(duì)凝固過(guò)程進(jìn)行控制，使發(fā)達(dá)的柱狀晶停止生長(zhǎng)，并促使其向等軸晶轉(zhuǎn)變(columnar- to- equiaxed transtion,簡(jiǎn)稱CET)，而鋼液成分、冷卻速率、溫度梯度、中間包過(guò)熱度等因素均會(huì)對(duì)鑄坯CET轉(zhuǎn)變產(chǎn)生影響[11- 15]。

PMO處理過(guò)程中，對(duì)鑄坯連續(xù)施加脈沖磁場(chǎng)，鑄坯受周期性變化電磁力的作用，相當(dāng)于對(duì)鑄坯施加了一個(gè)磁壓強(qiáng)。磁壓強(qiáng)隨著脈沖磁場(chǎng)的變化而快速變化，促使鑄坯內(nèi)部發(fā)生振蕩效應(yīng)。在PMO電磁力作用下，鑄坯固/液界面形成特定電磁過(guò)冷效應(yīng)，使晶核在鑄坯固/液界面不斷生成，振蕩效應(yīng)使其從固/液界面脫落，并在電磁力、晶核自身浮力及重力的疊加作用下在鑄坯內(nèi)部游離、長(zhǎng)大、增殖，最后形成“結(jié)晶雨”[16- 18]。鑄坯中心等軸晶的爆發(fā)式增殖不僅擴(kuò)大了等軸晶區(qū)，而且使柱狀晶的生長(zhǎng)受到抑制，促使鑄坯提前進(jìn)入CET轉(zhuǎn)變，凝固組織得到明顯細(xì)化[19- 20]。

鑄坯內(nèi)鋼水凝固時(shí)，由于選分結(jié)晶，富含溶質(zhì)元素的液相在固/液界面富集，由于溶質(zhì)元素在液相中不能充分?jǐn)U散，使凝固界面前沿形成濃度較高的溶質(zhì)富集層。隨著凝固過(guò)程的進(jìn)行，發(fā)達(dá)的柱狀晶將富含溶質(zhì)的鋼液推向鑄坯凝固中心，造成中心元素特別是碳元素的偏聚，如果柱狀晶生長(zhǎng)過(guò)于發(fā)達(dá)，易造成鑄坯心部“搭橋”現(xiàn)象的“小鋼錠”形態(tài)，由此產(chǎn)生中心縮孔[21- 23]。鑄坯中心等軸晶區(qū)的擴(kuò)大能基本消除鑄坯“小鋼錠”結(jié)構(gòu)，使鑄坯中心得到鋼液的有效填補(bǔ)，消除中心縮孔。通過(guò)凝固組織細(xì)化，易偏析元素均勻分布在細(xì)小的等軸晶間，達(dá)到均質(zhì)化效果[7]。

不同M- PMO峰值電流及處理頻率的組合對(duì)螺紋鋼澆注過(guò)程進(jìn)行外場(chǎng)干預(yù)的結(jié)果表明：方案1中，當(dāng)M- PMO峰值電流為350 KIA，處理頻率為40 KfHz時(shí)，鑄坯中心等軸晶比例為20.29%，中心碳偏析指數(shù)下降了0.12，鑄坯內(nèi)部質(zhì)量得到較大改善。隨著PMO脈沖峰值電流的增大，柱狀晶生長(zhǎng)受到抑制，枝晶生長(zhǎng)變得不穩(wěn)定，固/液界面附近枝晶出現(xiàn)熔斷和游離現(xiàn)象，并且一次枝晶明顯細(xì)化[19]。但峰值電流過(guò)大，PMO產(chǎn)生的焦耳熱效應(yīng)開(kāi)始顯現(xiàn)，枝晶尖端的溫度梯度增加，晶粒發(fā)生重熔，柱狀晶得到了生長(zhǎng)動(dòng)力和生長(zhǎng)空間。當(dāng)PMO峰值電流不變，即作用在鑄坯固/液界面的單次磁壓力大小不變時(shí)，增大處理頻率相當(dāng)于單位時(shí)間內(nèi)PMO處理次數(shù)增加，有利于提高PMO均質(zhì)化效果。但處理頻率過(guò)高，焦耳熱效應(yīng)疊加，更有利于柱狀晶生長(zhǎng)[24]。

3 結(jié)論

(1)經(jīng)過(guò)M- PMO處理的HRB400EG螺紋鋼鑄坯中心等軸晶比例提高，中心碳偏析指數(shù)下降，鑄坯內(nèi)部質(zhì)量得到明顯改善。

(2)在試驗(yàn)工藝條件下，采用M- PMO峰值電流為350 KIA、頻率為40 KfHz處理的HRB400EG螺紋鋼鑄坯內(nèi)部質(zhì)量最佳。