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        電磁攪拌器控制系統(tǒng)對(duì)大方坯中心偏析的改善

        2019-03-05 03:08:10邵龍剛
        世界有色金屬 2019年23期
        關(guān)鍵詞:軸晶柱狀晶攪拌器

        邵龍剛

        (河鋼唐鋼集團(tuán),河北 唐山 064200)

        目前冶金企業(yè)連鑄坯中心偏析問題對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量影響是比較嚴(yán)重的,而采用電磁攪拌的方式可改善連鑄坯的質(zhì)量,而采用結(jié)晶器電磁攪拌的方式能夠提升鑄坯等軸晶率,降低這種中心偏析問題,明顯改善鑄坯質(zhì)量。目前很多國內(nèi)鋼鐵公司在大方坯連鑄過程中使用的就是電磁攪拌的方式,可在結(jié)晶器以及足棍間安裝電磁攪拌裝置[1]。在本研究中主要針對(duì)大方坯中心存在的偏析問題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析,并從電磁攪拌工藝、參數(shù)這兩個(gè)角度提出了對(duì)中心偏析改善的一些方法。

        1 電磁攪拌器自動(dòng)化控制系統(tǒng)

        電磁攪拌器控制系統(tǒng)由5部分組成:供電部分(變壓器及高、低壓配電)、變頻電源部分、電磁攪拌器部分、制水機(jī)冷卻水裝置部分及PLC系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控操作部分,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如下:

        圖1 電磁攪拌器自動(dòng)化控制系統(tǒng)

        HMI為上位機(jī)WinCC編寫的操作界面,用戶可以通過該界面完成系統(tǒng)的基本操作和監(jiān)控。HMI主要是用來顯示各變頻柜輸出的電流、頻率及水流量,水溫及各類報(bào)警信息等。PLC柜是系統(tǒng)的控制核心,系統(tǒng)中必要的過程控制、電流和頻率的閉環(huán)控制及信號(hào)輸入輸出采集,都是由PLC系統(tǒng)完成[2]。變頻柜的功能是在PLC設(shè)定程序控制下,使輸出的電流和頻率達(dá)到需要值。制水機(jī)裝置是生產(chǎn)電磁攪拌器所需純水的設(shè)備,純凈水的硬度應(yīng)達(dá)到小于或等于10ppm。

        2 實(shí)驗(yàn)條件分析

        本實(shí)驗(yàn)是在大方坯連鑄機(jī)上完成鑄坯,尺寸為250×320毫米,足輥段長度為430毫米,具體參數(shù)如下表所示。

        表1 鑄柸實(shí)驗(yàn)具體參數(shù)

        在具體生產(chǎn)過程中連續(xù)工藝參數(shù)和電磁攪拌具體參數(shù)如下表所示。

        表2 實(shí)際生產(chǎn)工藝參數(shù)

        完成取樣之后沿著方坯軸心方向鉆直徑為7毫米,深度為8毫米的孔作為樣品,以分析存在的中心偏析偏差。

        3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        (1)電磁攪拌器的磁場強(qiáng)度對(duì)中心偏析的影響。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)過熱度較高時(shí)存在的中心偏析也較大,當(dāng)?shù)陀?5℃時(shí)偏析長度較小,而高于25℃則偏析長度顯著增加。由于鋼液澆筑溫度對(duì)等軸晶晶核長大起重要作用,當(dāng)過熱度較低時(shí)澆筑會(huì)產(chǎn)生大量晶核,等軸晶長大之后從一定程度上阻止柱狀晶進(jìn)一步發(fā)展,減輕中心偏析問題。按照結(jié)晶游離理論,在處于液相線情況下彎月面位置會(huì)出現(xiàn)晶核游離,如果過熱度較高時(shí)無法獲得良好的等軸晶體,且會(huì)增加鑄坯的中心偏析。除此之外,當(dāng)拉速提高時(shí)會(huì)降低中心偏析作用,在正常條件下拉速高于0.6米每分鐘時(shí),會(huì)降低中心偏析作用,在實(shí)際生產(chǎn)過程中需要合理匹配過熱度和拉速。

        同時(shí)當(dāng)對(duì)電磁攪拌器增加電流時(shí)會(huì)增加攪拌力,在流動(dòng)速度加快時(shí)會(huì)在短時(shí)間內(nèi)使過熱度消失,柱狀晶端部位置的溫度梯度逐漸減小,等軸晶增長時(shí)凝固釋放的熱量,會(huì)從柱狀晶傳出,促使等軸晶生長使中心偏析降低。

        通過研究發(fā)現(xiàn)在電流為570~580A時(shí),中心偏析作用較小。在本研究中發(fā)現(xiàn)電源頻率產(chǎn)生的影響對(duì)于中心偏析的具體情況是比較復(fù)雜的,由于結(jié)晶器存在磁屏蔽效應(yīng),當(dāng)頻率較高時(shí)其穿透能力較低,攪拌能力越弱則改善這種中心偏析的作用越不明顯。通過研究發(fā)現(xiàn)使用低頻率進(jìn)行攪拌,在2.0~2.5Hz頻率下逐漸增加電源頻率,其產(chǎn)生的中心偏析作用較小。

        (2)大方坯中心偏析原理及電磁攪拌的作用。針對(duì)上述鑄坯凝固存在的中心偏析問題,可以采取下列理論進(jìn)行分析:首先研究學(xué)者提出小鋼錠凝固理論,認(rèn)為由于存在枝晶搭橋的作用,會(huì)生成鋼錠結(jié)構(gòu),會(huì)產(chǎn)生中心偏析和中心疏松這兩種作用。此外還存在溶質(zhì)元素析出和富集這種理論,主要認(rèn)為在鋼液中存在一些可溶元素,包括碳,錳,磷等,在一定范圍上完成溶解并可實(shí)現(xiàn)平衡性移動(dòng),能夠從柱狀晶吸出這種可溶元素,將其排到未完全凝固的金屬液中水解,繼續(xù)會(huì)將經(jīng)過富集后的溶質(zhì)推向凝固中心,最終形成鑄坯中心偏析。還有鑄坯芯部空穴抽吸的理論,認(rèn)為在結(jié)晶的末期鑄坯由于出現(xiàn)液相逐漸向固相進(jìn)行改變,隨著體積收縮或者鑄坯鼓肚形成空穴,導(dǎo)致經(jīng)過富集后的溶質(zhì)元素鋼液被吸入芯部,進(jìn)而形成中心偏析問題。針對(duì)這些問題我們認(rèn)為由于鑄坯凝固是非平衡的過程,在固相中這些可溶的元素溶解度相比液相中要低,因此在開始凝固過程中液、固界面處會(huì)出現(xiàn)可溶元素析出,逐漸增加濃度,可溶元素向液相擴(kuò)散。

        當(dāng)凝固前溫度梯度較大時(shí)則濃度梯度也越高,存在的可溶元素中心偏析程度也越大,而使用電磁攪拌裝置之后基于電磁作用力條件下,凝固前液相對(duì)流會(huì)逐漸加劇,這對(duì)狀柱狀晶生長凝固之前存在沖刷作用,凝固前液相流動(dòng)能夠使母液與液固相液體相混合,進(jìn)而使溶質(zhì)濃度逐漸趨于穩(wěn)定。

        這種情況下電磁攪拌能夠發(fā)揮以下作用:基于電磁作用力下,流速逐漸加快,過熱度在短時(shí)間內(nèi)快速消失,柱狀晶的端部溫度梯度逐漸減小,等軸晶在凝固釋放過程中強(qiáng)熱會(huì)由柱狀晶位置傳出,伴隨著攪拌過程的流動(dòng)帶走,加快等軸晶的生長并擴(kuò)大其比例,使中心偏析逐漸降低。在電磁作用力下這種流動(dòng)會(huì)將生長的樹枝晶沖斷,使其形成碎晶,在凝固之前粘附于柱狀晶體上,并在其固液相界面上生長,進(jìn)而能夠阻止柱狀晶的繼續(xù)生長。電磁攪拌作用力對(duì)于兩相存在一定的沖刷和清洗作用,會(huì)導(dǎo)致凝固界面存在不平整,很容易捕獲液相存在的自由晶體,在凝固界面進(jìn)行依附,并且以等軸晶的方式逐漸長大,因此在使用電磁攪拌器結(jié)晶時(shí),對(duì)擴(kuò)大等軸晶比例降低和大方坯中心偏析是十分重要的。

        4 小結(jié)

        通過本次研究表明在使用電磁攪拌的基礎(chǔ)上,針對(duì)降低過熱度,改善連鑄工藝參數(shù)能夠減小中心偏析,增加拉速可以減小中心偏析,針對(duì)電磁攪拌的工藝參數(shù)可以增加電流進(jìn)而增加攪拌力,來降低中心偏析,比如可以在2.0~2.5Hz下采用低頻方式進(jìn)行攪拌,進(jìn)一步降低大方配坯的中心偏析。

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