王 勇

（四川機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院材料工程系,四川 攀枝花 617000）

0 引言

方坯的潔凈度和夾雜物控制一直是煉鋼過程和煉鋼領(lǐng)域的主要關(guān)注熱點(diǎn)，煉鋼過程中產(chǎn)生的夾雜物對(duì)鋼的質(zhì)量影響很大[1-5]。夾雜物的存在會(huì)導(dǎo)致鋼的成分、組織和性能分布不均勻。因此，在不同的應(yīng)用場(chǎng)合，它會(huì)惡化鋼制品的力學(xué)性能和疲勞性能[6-7]。對(duì)鋼的機(jī)械性能如硬度、成形性、可加工等性能有害。鋼中的夾雜物主要是非金屬化合物，如硫化物、氧化物、硅酸鹽等[8-9]，是由鋼中溶解的元素之間的反應(yīng)或其他來源如松散的雜質(zhì)、破碎的耐火材料和陶瓷襯里顆粒污染鋼而產(chǎn)生的。電磁攪拌（EMS）作為控制凝固過程的有效手段，相關(guān)文獻(xiàn)[10-11]關(guān)注電磁攪拌對(duì)鑄坯的凝固組織、成分偏析、中心疏松及縮孔的影響，對(duì)于電磁攪拌對(duì)夾雜物的去除影響報(bào)道較少。筆者針對(duì)這種狀況，主要側(cè)重于檢測(cè)和表征低合金高強(qiáng)度鋼的非金屬夾雜物，探討了低合金高強(qiáng)度鋼在結(jié)晶器電磁攪拌過程中非金屬夾雜物的分離理論及結(jié)晶器電磁攪拌器的最佳操作參數(shù)。

1 去除夾雜物原理及試驗(yàn)工藝

1.1 電磁攪拌去除夾雜物原理

電磁力會(huì)影響熔融金屬中非金屬夾雜物粒子的分布。如果電流或磁場(chǎng)的方向和大小發(fā)生改變，非金屬粒子受到的應(yīng)力的方向和大小也會(huì)發(fā)生改變[11]。這將影響顆粒的傳輸速度，即顆粒與凝固界面之間的相對(duì)傳輸速度的變化，進(jìn)而影響鑄坯[1]中夾雜物的分布。電磁力對(duì)結(jié)晶器內(nèi)夾雜物分布的影響如圖1 所示。在不同力的作用下，鋼水中的粒子將經(jīng)歷兩個(gè)速度分量：垂直分量vn和水平分量vx。粘性阻力會(huì)沿這兩個(gè)方向產(chǎn)生力分量，從而達(dá)到平衡。根據(jù)文獻(xiàn)[5]，當(dāng)凝固速度大于運(yùn)動(dòng)速度vP，粒子(圖1 中以夾雜物B 表示)被吞沒在凝固前沿內(nèi)。在相反的條件下(圖1 中包含A)，粒子將向前移動(dòng)。vP的大小是由粒子的應(yīng)力條件決定的，而速度vP會(huì)影響固體鋼內(nèi)顆粒的分布。通過施加電磁場(chǎng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)粒子的應(yīng)力變化，因?yàn)殡姶帕梢缘玫奖痊F(xiàn)有施加在粒子上的其他力大得多的值。由于電磁力可以為鋼液中的粒子產(chǎn)生一個(gè)超過粒子被凝固液體吞沒的臨界速率的傳輸速度，這種電磁力可以用來增強(qiáng)潛在夾雜物從熔融金屬中的分離。

圖1 電磁力對(duì)鋼液中夾雜物分布的影響Fig.1 Influence of electromagnetic force on the distribution of inclusions within molted steel

與電磁攪拌有關(guān)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在鋼水中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的漩渦促進(jìn)夾雜物遠(yuǎn)離鋼水的外緣，并促進(jìn)它們向上移動(dòng)到渣相層，在渣相層被收集起來。彎月形振動(dòng)引起的彎月形區(qū)域內(nèi)爐渣的滯留往往會(huì)在鋼表面產(chǎn)生夾雜物。通過選擇合適的位置來調(diào)整彎月面振動(dòng)，以減少?gòu)澰旅嫒毕莅l(fā)生夾渣。因此，電磁攪拌可以加強(qiáng)從鋼水中去除非金屬夾雜物，這些夾雜物來源于脫氧產(chǎn)物、再氧化產(chǎn)物、難熔侵蝕材料、夾渣或噴嘴堵塞的結(jié)塊[6-8]。

1.2 試驗(yàn)工藝

EMS 安裝在結(jié)晶器頂部以下300 mm 處，并連接到一個(gè)外部三相交流電源，工作頻率可調(diào)；攪拌方向?yàn)轫槙r(shí)針；通過調(diào)整施加電流和電流的頻率，可以改變攪拌強(qiáng)度。EMS 的基本額定參數(shù)是功率4.8 kW，額定電流400 A，額定電壓310 V，EMS 頻率2～8 Hz。試驗(yàn)在年產(chǎn)60 萬t 鋼的方坯連鑄機(jī)上進(jìn)行，鑄坯斷面150 mm×150 mm，試驗(yàn)鋼種為ML35 鋼，共試驗(yàn)9 個(gè)爐號(hào)，每個(gè)爐號(hào)對(duì)應(yīng)一個(gè)澆注工藝參數(shù)和電磁攪拌參數(shù)，澆注工藝參數(shù)見表1。

表1 連鑄澆注工藝參數(shù)Table 1 Process parameters for the continuous casting

2 結(jié)果與討論

通過對(duì)比試驗(yàn)，分析了不同電流強(qiáng)度對(duì)方坯中夾雜物去除的影響?？紤]到連鑄結(jié)晶器的額定EMS 電流為400 A，在3 Hz 的EMS 頻率下，試驗(yàn)所用的EMS 電流分別為0、200、250、300 A。測(cè)定了120 個(gè)方坯樣品，并對(duì)其進(jìn)行了能譜分析，研究了不同攪拌電流對(duì)方坯中夾雜物去除的影響。

2.1 電磁攪拌對(duì)非金屬夾雜物去除的影響

采用3 種不同的EMS 電流200、250 A 和300 A對(duì)方坯坯料進(jìn)行了夾雜物分離和去除試驗(yàn)，并采集樣品進(jìn)行能譜分析。鋼中的缺陷，如夾雜物、偏析、氣孔、針孔等，由于其尺寸小或塑性變形，使其與鋼基體相連，肉眼難以識(shí)別。研究采用合適的刻蝕劑對(duì)缺陷和鋼基體進(jìn)行選擇性刻蝕。由于缺陷與基體的侵蝕程度不同，樣品或紙張上的缺陷顏色與基體的顏色不同，肉眼即可辨別。結(jié)晶器內(nèi)電磁攪拌過程中非金屬夾雜物在方坯坯料中的分布如圖2 所示（放大40 倍）。

由圖2 可以看出，當(dāng)EMS 頻率為3 Hz，電流分別為0、200、250 A 和300 A 時(shí)，高強(qiáng)低合金鋼坯料中的非金屬夾雜物逐漸減少。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)結(jié)晶器的電磁攪拌參數(shù)為300 A 電流和3 Hz 電磁攪拌頻率時(shí)，可大大減少鑄坯中的非金屬夾雜物。

圖2 不同EMS 電流下夾雜物分布（×40）（酸浸的低倍組織結(jié)果）Fig.2 Inclusions distribution under different EMS currents (×40)

2.2 鑄坯夾雜物能譜分析

圖3 是能譜樣取樣位置，試驗(yàn)中結(jié)晶器電磁攪拌參數(shù)分別為I=200 A，f=3 Hz；I=250 A，f=3 Hz；I=300 A，f=3 Hz。

圖3 方坯能譜樣取樣位置Fig.3 Sampling locations of energy spectrum on billet

圖4 是沒有采用電磁攪拌時(shí)夾雜物能譜。由圖4 可知，鑄坯中的夾雜物從邊緣多高熔點(diǎn)夾雜物（如：Al2O3、CaS、高Al/Ca 比高的鈣鋁酸鹽夾雜），到心部逐漸變?yōu)槎嗟腿埸c(diǎn)夾雜物（如：MnS、Al/Ca接近于1 的鈣鋁酸鹽夾雜）。夾雜物尺寸多在10 μm以下，大尺寸夾雜物多為Al2O3，最大尺寸達(dá)15 μm左右。

圖4 無電磁攪拌夾雜物能譜圖（I=0 A，f=0 Hz）Fig.4 Energy spectrum of the inclusion without electromagnetic stirring (I=0 A,f=0 Hz)

結(jié)晶器電磁攪拌參數(shù)I=200 A，f=3 Hz 下的鑄坯試驗(yàn)結(jié)果見圖5。鑄坯夾雜物中出現(xiàn)SiO2、MgO。

圖5 SiO2、MgO 夾雜物能譜圖（I=200 A，f=3 Hz）Fig.5 Energy spectrum of the inclusion MgO (I=200 A，f=3 Hz)

結(jié)晶器電磁攪拌參數(shù)I=250 A，f=3 Hz 下的鑄坯試驗(yàn)結(jié)果見圖6，鑄坯邊緣有CaS 夾雜物出現(xiàn)。

圖6 CaS 夾雜物能譜圖（I=250 A，f=3 Hz）Fig.6 Energy spectrum of the inclusion CaS (I=250 A，f=3 Hz)

結(jié)晶器電磁攪拌參數(shù)I=300 A，f=3 Hz 下的鑄坯試驗(yàn)結(jié)果見圖7。圖7 顯示了鈣化效果較好的鋁酸鈣夾雜物能譜，在鑄坯內(nèi)部夾雜物數(shù)量較少，有少量的鋁酸鈣夾雜物，鈣化效果也較好，鋁酸鈣在鑄坯中部多呈簇狀分布。

圖7 鈣化效果較好的鋁酸鈣夾雜物能譜圖（I=300 A，f=3 Hz）Fig.7 Energy spectrum of calcium aluminate inclusions with good calcification effect

根據(jù)夾雜物能譜分析，電磁攪拌參數(shù)：I=300 A，f=3 Hz 時(shí)的夾雜物能譜分析效果較好。由此可以得知，隨著電磁攪拌強(qiáng)度的增加，旋轉(zhuǎn)鋼水的沖刷作用及夾雜物的向心運(yùn)動(dòng)增強(qiáng),使鑄坯中的夾雜物明顯減少，特別是鑄坯皮下部分的夾雜物的減少，將有利于提高軋制成材后的盤條表面質(zhì)量。

2.3 對(duì)夾雜物含量、分布的影響

在現(xiàn)有工藝條件下,想完全去除鋼中的夾雜物是不可能的,盡管在煉鋼和爐外精煉時(shí)可以使夾雜物含量降到較低水平,但在澆鑄的過程中又會(huì)生成一些新的夾雜物 。從鑄坯缺陷產(chǎn)生的機(jī)理可知,鑄坯中非金屬夾雜物的主要來源是鋼水的二次氧化、鋼包及中間包的熔渣、結(jié)晶器保護(hù)渣、水口等熔損形成的外來夾雜物。采用電磁攪拌正是為了降低這些夾雜物的含量 。由于一般的夾雜物都比鋼液輕,在電磁力的作用下,可使它們向液相中心集結(jié)并上浮到彎月面被熔渣熔解 。同時(shí),攪拌作用也使得與鋼液相接觸的保護(hù)渣經(jīng)常得到更新,即使得鋼渣之間的接觸面積增加,因而上浮的夾雜物容易轉(zhuǎn)移到保護(hù)渣中,并被保護(hù)渣吸收 。

另外,電磁攪拌還可以使注入結(jié)晶器中的鋼液浸入深度變淺,使鑄坯表層及斷面上的夾雜物含量均降低。圖8 是某廠連鑄機(jī)采用M -EMS 澆鑄前后夾雜物分布對(duì)比。由圖8 可以看出,采用M -EMS 后，鑄坯夾雜物含量大幅度下降。采用錐形樣品進(jìn)行超聲波檢測(cè)的結(jié)果為鑄坯夾雜物含量減少了35%。

圖8 采用和未采用M-EMS 對(duì)夾雜物分布影響的比較Fig.8 Comparison of inclusions distribution with and without M-EMS

3 結(jié)論

1)電磁力影響金屬熔體中非金屬夾雜物的分布。當(dāng)電流或磁場(chǎng)的方向和大小改變時(shí)，非金屬顆粒受到的應(yīng)力的方向和大小也會(huì)發(fā)生變化。電磁力影響顆粒的傳輸速度，進(jìn)而影響鑄件中夾雜物的分布，促使夾雜物從鋼液中分離，被去除。

2)試驗(yàn)表明，電磁攪拌能將方坯中的大部分非金屬夾雜物分離。在300 A 電流和3 Hz 頻率下，方坯中的非金屬夾雜物含量比不采用電磁攪拌降低35%。