方坯连铸机末端电磁搅拌改造

张福来

(中冶京诚工程技术有限公司，北京 100176)



·设备改造·

方坯连铸机末端电磁搅拌改造

张福来

(中冶京诚工程技术有限公司，北京 100176)

研究了某钢厂方坯连铸机钢水过热度、拉速及二冷比水量对82B铸坯内部质量的影响。得出生产中最优参数后，结合射钉试验确定末端电磁搅拌装置的位置。保持工艺参数稳定后，确定最佳电磁搅拌参数。经过改造与调整后铸坯中心偏析和缩孔明显改善，铸坯内部质量相应提高。

方坯连铸；中心偏析； 缩孔； 末端电磁搅拌

0 前言

在方坯连铸生产过程中，碳偏析、中间裂纹和缩孔是一种常见的缺陷。但是在生产高碳钢过程中，铸坯二次冷却中出现的缩孔、V型偏析、中心偏析等质量缺陷将极大的影响随后的轧制过程。实践证明通过使用连铸电磁搅拌(EMS)技术控制凝固组织、改善铸坯质量取得了良好的效果。其中结晶器电磁搅拌应用最广，然而为了解决高碳钢的中心偏析缺陷，采用搅拌组合M-EMS和F-EMS可以在相同工艺条件下更有效改善铸坯中心偏析。

通过对某钢厂生产的高碳钢进行取样观察，钢坯成份控制和纯净度(非金属夹杂物、气体含量等)控制水平较好，能够满足产品质量要求。但是铸坯的中心偏析指数偏高，在目前稳定的生产工艺条件下，铸坯中心偏析指数存在较大波动，指数大于1.2的比例在15%左右，对于生产高档硬线和帘线钢等产品会存在一定的质量隐患和风险，限制了产品档次的提高。为改善铸坯质量，优化精品线材用坯工艺，在某方坯连铸机二冷区三段安装末端电磁搅拌装置(F-EMS)，并在生产82B钢种过程中做末端电磁搅拌对比试验。

1 连铸机和电磁搅拌器参数

某钢厂小方坯连铸机和末端电磁搅拌装置参数见表1、表2。

表1 连铸机主要参数

表2 末端电磁搅拌器基本参数

2 电磁搅拌原理与检验方法

2.1 电磁搅拌原理

电磁搅拌技术是利用不同形式的磁场发生装置，当连铸坯中的液态金属通过交变电磁场时，在液态金属中产生感生电流，感生电流与磁感应强度的作用产生电磁力。通过电磁力来控制连铸过程中钢水的流动、传热甚至凝固，从而提高钢的清洁度，扩大铸坯的等轴晶区，降低成分偏析，减轻或消除中心疏松和中心缩孔，实现生产优质、高等级钢材的目的[1]。

末端电磁搅拌装置放置在靠近液相穴区末端，能够搅拌小断面高粘度浓稠物质[2]。但它从不单独在铸流上使用，通常是和上游结晶器电磁搅拌装置组合使用。它的主要功能是能够降低高C和高合金钢中的中心偏析。本文中主要研究对高碳钢的作用，对高合金钢的影响没有涉及。

2.2 检验方法

2.2.1 低倍分析检验方法

在试验流上控制铸机拉速、比水量和电磁搅拌等参数，钢包在开浇20 min后进行取样[3]。在试验流上取500 mm左右的铸坯，沿纵向截取350 mm左右的坯子，再沿其纵向中心截成20 mm左右的坯样。余下坯子沿横向分成6块20 mm左右坯样进行检测。对截取的坯样进行热酸洗低倍分析，检验铸坯中心缩孔和疏松等缺陷，观察铸坯等轴晶和柱状晶情况。

2.2.2 偏析指数检验方法

采用φ5 mm合金钻头在铸坯中心取样，通过化学分析计算出C等元素含量，并与样坯平均成分做比较，计算出偏析指数，以下为计算方法：

钻取位置的选取，通常有两种方法，一是坯样的几何中心，二是冶金中心。几何中心是铸坯截面几何对角线的交点，冶金中心是铸坯横截面中缩孔的位置[4]。

C元素的名义含量也有两种选取方法，一是用此铸坯成品的C含量，一般取中间包中成分表示，为钢包开浇后12 min后中包取样所得碳含量。二是在铸坯对角线的1/4处取点，取4点位置分别钻样，取其平均值做为C的名义含量。

3 连铸过程生产参数对铸坯质量的影响

3.1 过热度对铸坯质量的影响

合适的中间包钢水温度是确保连铸稳定浇注的重要条件。在正常浇注82B钢种情况下，在中间包东西两个位置测温取样，每间隔12 min测温一次，经过多次现场试验，中间包钢水过热度控制数据如图1所示。由图可知实际生产中中间包钢水平均过热度集中在20～25 ℃之间。以此为基准匹配合适的拉速，确保浇注的稳定。

图1 钢水平均过热度控制情况Fig.1 Control condition of molten steel average superheat

钢水过热度对铸坯的低倍缩孔有较大的影响。从图2中可以看出：钢水过热度在20～25 ℃以内区域，铸坯的缩孔评级要明显低于其他过热度区域。红线范围之内，钢水平均过热度在25～30 ℃区间内，铸坯缩孔评级明显偏高，出现2～4级的严重缩孔评级。

图2 钢水过热度与铸坯缩孔评级关系Fig.2 Relationship between the molten steel superheat and billet shrinkage

3.2 拉速对铸坯质量的影响

拉速对铸坯表面温度和液相穴长度的影响很大，随着拉速的提高，铸坯表面温度升高[5]。对于高碳钢，在高拉速下中心偏析和疏松严重，中心缩孔等级较高；在低拉速下，中心偏析和疏松得到了改善[6]。另外，在浇注过程中如果拉速频繁的发生变化，将增大结晶器卷渣的几率。所以，在连铸过程中采用恒拉速工艺，避免液面频繁波动，减少卷渣的几率。图3为不同拉速下铸坯的中心碳偏析值分布，可以看出：方坯的中心偏析随着拉速的降低有降低的趋势，当拉速为1.2 m/min和1.4 m/min时，铸坯中心碳偏析值较小，拉速为1.8 m/min以上时，出现铸坯中心碳偏析大于1.2的值增加。在保证精炼周期生产前提下，综合考虑铸机拉坯速度控制应按照1.60 m/min为宜。

图3 拉速对高碳钢方坯偏析的影响Fig.3 Effect of casting speed on the segregation of high carbon steel billet

3.3 二冷配水对铸坯质量的影响

合适的二冷配水对保证铸坯的均匀冷却至关重要，经过多个二冷配水表试验结果表明，采用水表6(比水量约0.72 L/kg)自动配水、中包钢水过热度为25 ℃左右的情况下，82B方坯的中心偏析随着拉速的降低有加重的趋势；1.6～1.8 m/min的拉速下铸坯的中心疏松级别较低；当拉速继续降低到1.6 m/min以下，高碳钢方坯的疏松、缩孔有加重的趋势。当拉速超过2.0 m/min时，82B的疏松、缩孔和中心裂纹的级别明显高于拉速1.8 m/min相应的缺陷级别。图4为各种水表的情况下，所有铸坯中心偏析的平均值汇总。从图中可以看出：使用配水表6的铸坯缩孔评级较好，铸坯碳偏析值最小，平均为1.06。可以这样认为，比水量约0.72 L/kg是比较适合的配水。

综上，钢水过热度、拉速、二冷水量都会影响铸坯内部质量，它们对铸坯内部质量缺陷相互影响。在目前铸机各项设备基本已定的情况下，通过优化铸机以上三种生产工艺参数，使其铸坯中心缺陷最小，并兼顾产量与质量最佳化，为安装末端电磁搅拌装置做好准备。生产实践得出目前最优的生产参数为钢水平均过热度20～25 ℃，拉速1.6 m/min和二冷比水量0.72 L/kg。

4 末端搅拌器安装位置的确定

为了进一步改善铸坯中心偏析和缩孔等缺陷，必须在稳定的生产条件下，选择合适的末端电磁搅拌安装位置和合适的搅拌参数。根据凝固公式[7]：

δ为坯壳厚度，mm;K为综合凝固系数，mm/min1/2；t为凝固时间，min；l为弯月面到测量点的距离，m；v为连铸坯拉速，m/min。

由上式可知，在稳定的二冷生产条件下，l为固定值，拉速v和坯壳厚度δ也趋于稳定，故综合凝固系数K可以得出。因此通过射钉法测定坯壳厚度和液芯尺寸，进而得到凝固系数，并反算便可确定末端电磁搅拌的安装位置[8]。选取82B钢种采用160×160mm断面方坯为研究对象，进行凝固壳厚度的测定，在拉速1.6～1.8m/min，平均过热度25 ℃及其不同的二冷比水量条件下，进行计算。

(1)从铸机结晶器弯月面到二冷区水管结束位置为7.7m，到二冷墙内侧为10.3m，到二冷墙外侧射钉位置为10.75m，到第一个拉矫辊为13.13m。

(2) 如按目前可达到的条件1.6～1.8m/min拉速、0.72～1.2L/kg二冷比水量、94.5m3/h结晶器水量(射钉得到坯壳厚度64～69mm)进行计算，为保证凝固末端搅拌器的使用效果，连铸坯液芯直径一般应保证大于35mm以上[9]。经计算末端搅拌器的安装位置约在距离弯月面8.7～10m之间。根据最常使用的1.6m/min为基准，末端搅拌器的安装位置约在距离弯月面9m(可调至9.5m)处，此位置铸坯液芯约为42mm，这一液芯区域对于搅拌器而言能够使其发挥有效的作用。

5 电磁搅拌相关参数的确定

5.1 搅拌频率的影响

保持其它连铸工艺参数恒定，搅拌器频率对铸坯偏析指数的影响如图5所示。数据显示，搅拌频率在6Hz以上时，频率的增加会引起铸坯偏析指数的增加，在12Hz时也出现了较低的偏析，但与6Hz的工作条件下相比，12Hz的频率使搅拌器投入更多的能量，因而能耗较高，故6Hz是比较合适频率。

(拉速1.6 m/min；二冷0.72 L/kg；电流300A、350A、400A)图5 偏析指数平均值Fig.5 The average value of segregation index

5.2 搅拌电流的影响

在6 Hz工作条件下，在不同搅拌电流下采用上述2.2所述的不同检验方法分析各坯样中心碳偏析指数和等轴晶比例。可以看出，在此生产条件下，增大搅拌电流，试样中心碳偏析指数随之下降，而等轴晶比例有上升趋势，如图6所示。

图6 不同搅拌电流下对应的中心碳偏析指数和等轴晶比例Fig.6 The central segregation index and the proportion of equiaxial crystal under different stirring current

通过对搅拌器工作电流和工作频率的实验研究及分析，可以得出在其他工艺条件稳定的情况下，该搅拌器合适的工作电流为400 A，工作频率为6 Hz。在此条件下，铸坯中心偏析指数最小，等轴晶比例最高。

6 铸坯末端电磁搅拌的应用效果

通过以上多浇次实验及取样分析，结合高碳钢连铸工艺，最终确定了末端电磁搅拌器的安装位置在距离弯月面9 m的区域，得到了该搅拌器合适的工作电流为400 A，工作频率为6 Hz，并在此参数条件下进行高碳钢的生产。

铸坯在应用末端电磁搅拌技术之前，生产82B系列高碳钢中心缩孔2.0级别以下的占统计数量的92%，1.0级别以下的占比为73%；中心碳偏析在≤1.10的比例为58%，中心碳偏析≤1.15的比例为76%，中心碳偏析≥1.20的比例为11%，分别如图7所示。

图7 改造前82B偏析统计和缩孔评级Fig.7 82B segregation statistics and shrinkage rating before revamping

应用末端电磁搅拌之后，铸坯中心偏析和缩孔得到较为明显的改善，82B缩孔在2.0级以下的占统计数量的98%，1.0级别以下的占比为87%；而中心碳偏析在≤1.10的比例达到89%，中心碳偏析≤1.15的比例达到97%，中心碳偏析最大值不超过1.20，如图8所示。

图8 改造后82B偏析统计和缩孔评级Fig.8 82B segregation statistics and shrinkage rating after revamping

7 结论

(1)通过对末端电磁搅拌技术的研究可知，该铸机生产高碳钢时，连铸工艺参数在钢水过热度25 ℃，连铸拉速1.60 m/min，二冷比水量0.72 L/kg的情况下，在距离弯月面9 m处安装电磁搅拌装置，搅拌器合适的工作电流为400 A，工作频率为6 Hz，可以取得较好的工艺效果。

(2)在应用末端电磁搅拌技术优化工艺条件下，82B系列高碳钢中心偏析指数平均值由原来的1.09降低到1.06以下，铸坯内部质量得到显著提高。

[1] 陈伟，王琛. 电磁技术在连铸中的应用及发展 [J].河北理工大学学报，2011，33(11).

[2] 王晓东， 李廷举 ，金俊泽，等. 电磁驱动力对金属铸坯凝固的影响[J].材料工程，2001(6).

[3] 杜家恩， 吴春璟 ，肖年根. 末端电磁搅拌电流对SWRH82B中心偏析的影响[J].江西冶金，2012(6).

[4] 李家征，张志强，底跟顺,等.末端电磁搅拌技术对82B钢中心偏析的影响[J].河北冶金，2011(8).

[5] 孙向东, 朱立光 ,朱新华. 连铸圆坯凝固传热行为与铸坯质量的控制[J].河北联合大学学报，2013(2).

[6] 王韬，陈伟庆，王宏斌,等.连铸参数和末端电磁搅拌对SWRH82B钢小方坯中心碳偏析的影响[J].特殊钢，2013(1).

[7] 岳铁军，张宝全，孙奇松,等.首钢第二炼钢厂3号小方坯连铸机凝固末端电磁搅拌技术的研究和应用[J].首钢科技，2011(1).

[8] 丁宁，包燕平，孙奇松,等.末端电磁搅拌位置确定及对SWRH82B钢中心偏析的影响[J].北京科技大学学报，2011(1).

[9] 陈永，杨树波，朱苗勇.结晶器电磁搅拌改善重轨钢连铸坯内部质量的试验研究[J].钢铁，2007(2).

Revamping and research on F-EMS of billet casting machine

ZHANG Fu-lai

(MCC Capital Engineering & Research Incorporation Ltd., Beijing 100176, China)

An effect of how much the superheat, casting speed, secondary cooling specific water flow rate of a billet casting machine affects on internal quality of 82B billet in one steel-making plant. Optimum parameters in production are obtained, while it considers the pin-shooting test to determine the end position of the final electromagnetic stirring device. The optimal parameters of electromagnetic stirring steady process condition come after the steady process condition. It reduces the central segregation and shrinkage after revamping, and improves the internal quality of the billet.

billet casting; central segregation; shrinkage; F-EMS

2016-01-10；

2016-04-01

张福来 (1984-)，男，中冶京诚工程技术有限公司工程师，硕士，主要从事连铸设备管理工作。

TF777

A

1001-196X(2016)05-0102-05