高磁场板坯二冷区电磁搅拌辊在碳素结构钢连铸上的应用研究
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【摘 要】本文针对碳素结构钢连铸铸坯上常见缺陷，如中间裂纹、中心偏析、中心线裂纹等，通过采用高磁场板坯二冷区电磁搅拌辊技术，结合实际案例进行应用研究。
0 前言
普碳钢已逐步趋向低合金的优质碳素结构钢钢发展，由于多种原因，现在碳素钢的连铸板坯中不同程度地存在着一些质量问题，如果能将二冷区电磁搅拌技术成功地运用于碳素钢连铸，将很大程度推动连铸电磁搅拌技术的进步。
1 高磁场板坯二冷区电磁搅拌辊应用连铸条件及主要技术
1.1 连铸机主要技术参数
1.2 电磁搅拌的选择
为满足大断面连铸坯的使用，电磁搅拌辊采用湖南中科电气的两项专利技术：
（1）高磁场板坯二冷区电磁搅拌辊
电磁搅拌辊的结构由一个固定的激发磁场感应器、起调节作用辊套、接线盒及冷却水路构成。感应器主要由铁芯及线圈组成，采用纯净水直接冷却，对线圈绝缘性能要求较高，辊套由非磁高强度耐热合金钢制成。
在辊套与感应器之间加装有带缺口的防漏磁屏蔽环，磁屏蔽环的缺口面为工作面，从而极大增强电磁搅拌辊运行时产生的中心电磁推力，其推力比国外同类产品约大1.7-2.5倍。
（2）二冷区电磁搅拌辊支撑装置
辊面长度超过2000mm的电磁搅拌辊的机械强度明显不够，极易使辊套变形甚至断裂等。采用图2支撑结构后，明显改善了其承受的最大弯曲应力，强度的增强使辊套很大程度得到减薄同时是磁场加强，使电磁搅拌辊能够应用于各种断面的连铸机。
3 连铸工艺条件和电磁搅拌参数对碳素结构钢连铸冶金效果的影响
3.1 试验钢种及参数
3.2 高磁场板坯二冷区电磁搅拌辊对碳素结构钢连铸坯的影响
3.2.1 形成等轴晶区
二冷区的电磁搅拌辊可以扩大铸坯内部等轴晶区的面积，给定连铸工艺制度条件下，搅拌位置决定了柱状晶和等轴晶厚度之比。
图4为低倍上有明显的方框形白亮带（负偏析带），这是使用SEMS搅拌后钢液运动对凝固前沿冲刷后出现的，白亮带以外代表电磁搅拌辊搅拌之前已凝固坯壳的厚度，白亮带以内为磁搅拌器搅拌之后未凝固钢液的厚度。
电磁搅拌辊的安装位置决定了铸坯内部的最大等轴晶区面积，安装位置处凝固率越低，SEMS所能形成的最大等轴晶区域就越大，反之则越小。如图6安装位置在第三扇形段时，铸坯在搅拌前的凝固坯壳厚度相对于图4有所增加，所以白亮带以内的等轴晶区就变窄。
若SEMS电流和频率参数过小，水平电磁推力不够，不能在搅拌区域打断柱状晶前沿形成足够的游离晶核，过了搅拌区后晶核便由于钢水的粘稠静止，游离晶核会向外弧侧沉积形成“结晶雨效应”，形成图5所示低倍。图5中H2为搅拌区域，H3为实际形成的等轴晶区域。这样的铸坯虽然有等轴晶区域形成，但是在内外弧侧分布不对称，对铸坯性能有一定的影响。
因此若需控制铸坯等轴晶率，应当从连铸工艺、SEMS安装位置、合理的SEMS参数这几点着手。
3.2.2 解决中间裂纹缺陷
铸坯经过二次冷却区时冷却不匀称，凝固前沿的固液交界面及附近区域富集溶质元素聚集，温度回升大而孕育发生的热应力造成的。图3中未使用SEMS时铸坯中存在图3-②中间裂纹。
电磁搅拌辊对两相区进行搅拌，加速了两相区的钢水流动和熔化，使钢液内的过热度迅速消失，从而使得凝固前沿的温度和溶质浓度场更加均匀，创造了等轴晶形成的条件，杜绝了中间裂纹的生成。图4-③处裂纹由于在电磁搅拌作用之前已经形成，因此无法消除。即电磁搅拌辊可以杜绝在搅拌区域内形成裂纹，但是不能解决SEMS作用之前已形成的裂纹。
图5 SEMS参数过小，电磁搅拌后又形成柱状晶区，中间裂纹再次形成，如图5-④。
判断中间裂纹形成位置后，应尽量在其还未形成之前使用SEMS。对于图3-①的皮下各种小裂纹，SEMS暂时还无法解决。
3.2.3 解决中心偏析、中心线裂纹缺陷
要减少中心偏析及中心线裂纹，那么搅拌位置应适当靠下。表4为SEMS安装在第二扇形段入口和第三扇形段出口的对比，前者尽管有37.63%的等轴晶率，但是在中心仍然有中心偏析；当SEMS安装到第三扇形段时，搅拌区接近凝固末端，从而改变最后凝固阶段的传热及物质迁移，使其均质化，中心偏析相应得到改善。
但SEMS安装位置不能太低，一般来说安装位置的未凝固液芯厚度不应小于铸坯厚度的20%。
表4 SEMS安装位置对铸坯中心偏析低倍组织对比（无轻压下）
4 结束语
综上述，板坯二冷区电磁搅拌器中心的最佳位置约在液芯为坯厚的60～30%范围内。
要求宽的等轴晶区又要解决好中心偏析问题的钢种，一般采取多扇形段组合搅拌方式，前一段搅拌产生宽等轴晶区，后一段搅拌解决中心偏析问题。
合理的设计与工艺参数使电磁搅拌能够产生足够的电磁推力来搅拌钢液，也是铸坯取得良好冶金效果必要条件之一。
【参考文献】
[1]毛斌，李爱武，杨立军，等.板坯连铸二冷区电磁搅拌（SEMS）技术[Z].中国（西安）炼钢连铸设备技术交流会，2010.
[2]冶金工业科学技术成果评价证书[Z].中国金属学会评字[2009]第3号，2009.