高碳钢连铸结晶器和凝固末端组合电磁搅拌技术

高碳钢连铸结晶器和凝固末端组合电磁搅拌技术

一、方坯连铸电磁搅拌技术的基本知识

连铸是铸坯在强制冷却下在其运动过程中具有很长液相穴的凝固过程，它受钢水对流运动和传热两个基本物理现象所控制。液相穴内钢水对流运动对消除过热度、凝固组织和成份偏析有重大的影响。而钢水对流的驱动力来自注流的动能和外力，前者与浇注方式有关，后者则可以在液相穴的任何位置上外加电磁力即使用电磁搅拌，而后者的影响比前者强得多。

电磁搅拌的实质简单地说是借助在铸坯的液相穴内感生电磁力强化液相穴内钢水的运动。由此强化钢水的对流、传热和传质过程，从而控制铸坯的凝固过程，对改善铸坯质量起了重大的作用，成为连铸技术的重要一环。 1.1电磁搅拌的意义

连铸使用电磁搅拌技术的意义在于：

① 改善铸坯表面、皮下和内部质量，如：

●减少表面和皮下的气孔、针孔、夹杂物和表面裂纹； ●减少中心偏析、V形偏析； ●减少中心疏松、缩孔和内裂； ② 放宽连铸工艺条件，如： ●过热度；

●铸机对中要求； ??

③ 扩大连铸钢种，如 ●沸腾钢； ●易切钢；

●轴承钢和滚珠钢； ??

1.2电磁搅拌的模式

根据电磁搅拌器在铸机冶金长度上的不同安装位置和组合方式，大致可分为以下几种模式，见图1。 a．一段电磁搅拌技术

①结晶器电磁搅拌（Mold EMS：MEMS）

● 结晶器区域内电磁搅拌（MEMS）：采用旋转磁场搅拌器，使钢水产生旋转运动。 ● 跨于结晶器和足辊的电磁搅拌器（M-IEMS）：采用旋转磁场搅拌器，使钢水产生旋转运动。

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②铸流电磁搅拌器(Strand EMS：SEMS) ● 结晶器下口电磁搅拌器(SubMold EMS：SMEMS)：采用旋转磁场搅拌器，使钢水产生旋转运动。 ● 足辊下电磁搅拌(Intinial EMS：IEMS)：通常采用旋转磁场搅拌器，使钢水产生旋转运动。 ● 二冷区电磁搅拌(Secodary Cooling Zone EMS：SEMS): 采用旋转磁场搅拌器或行波磁场搅拌器，使钢水产生旋转运动或直线运动。在改善白亮带缺陷上，后者比前者好。

③凝固末端电磁搅拌(Finil Solidification Zone：FEMS) 通常采用旋转磁场搅拌器，使钢水产生旋转运动。

在电磁搅拌技术的发展初期，SEMS占主导地位，随着MEMS开发成功，SEMS已逐渐被MEMS所代替。从目前在线使用情况看，除MEMS外已很少单独使用SEMS和FEMS。通常SEMS和FEMS与MEMS组合成二段或三段组合搅拌。

b．二段或三段组合搅拌

根据钢种、铸坯断面和质量要求及EMS的冶金机理，组合方式也是多种多样的，具体有：

二段组合搅拌：M+S，M+F，S+F， S1+S2等，从在线使用情况看，多数使用M+F。

三段组合搅拌：M+S +F

图1

1.3电磁搅拌的冶金机理和效果

由EMS诱发的流体流动改进凝固组织的机理包括：

①降低固液界面大容量钢水的温度梯度，使等轴晶成核、生存和生长；

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②打断枝晶梢成为等轴晶成核；

③增加横过粥状区的温度梯度，增加粥状区中的局部传热，减少局部凝固时间。

针对各类电磁搅拌技术，其作用机制和冶金效果大致见表1。 搅拌方式 作用机理 冶金效果 减少表面和皮下夹杂物 减少表面和皮下的气孔和针孔 坯壳均匀化 增大等轴晶率 SEMS 降低过热度 增加等轴晶区 切断枝晶梢 减小中心偏析 减小中心缩孔 FEMS 分散浓化钢水 细化等轴晶 打断柱状晶“搭桥” 有效地改进中心偏析和V形偏析 有效改进中心缩孔和疏松 表1

由表1可见，由于MEMS从凝固一开始就起作用，MEMS能有效地改进铸坯表面和皮下质量，这是其他模式所无法代替的。同时由于在凝固初期能有效地降低过热度，从而能产生宽且细的等轴晶区，且不会出现白亮带，还能降低中心偏析。实践表明，MEMS在改进表面质量和生成等轴晶区上优于SEMS，见图2。 ● MEMS△ SEMS(直线的） □●□ 未搅拌的●△● ●●●●●●● △△△

□□

□□

□ 过热度（℃）图2．使用MEMS和SEMS的等轴晶率与过热度的关系 SEMS显然不能有效地改进表面和皮下质量，只能改进内部质量。SEMS能产生等轴晶组织，其宽度主要取决于搅拌位置处的液相穴宽度。如果要获得宽的等轴晶区，可采用高位的SMEMS或IEMS。目前单独使用SEMS已不多

MEMS 清洗凝固面 切断枝晶梢 降低过热度 等轴晶区宽度（%）3

见，主要原因，一是产生白亮带，白亮带是成份负偏析带，它是热处理事故的一个来源，因此，对淬火比较敏感的钢种是不允许的；二是其改进内部质量的效果已大部分被MEMS所取代。当然，SEMS在经济上还具有一定的优势。

若单独使用FEMS，不能导致充分的质量改进，只有在MEMS形成相当数量的细等轴晶下，FEMS才能获得充分的质量改进。 1.4组合搅拌的选择思路

实践表明，一段搅拌虽可以达到一定的等轴晶率，但对减少中心偏析是不充分的，因此，对中、高碳钢及难于连铸的钢种或者在一些特殊的浇注条件，如高浇注速度、高过热度、小断面或抑制白亮带形成所要求的弱搅拌等条件下，要产生充分大的等轴晶区或中心偏析和中心缩孔尽可能减少，需要采用二段或三段组合搅拌。

采用多段组合搅拌的目的就是要使钢水在冶金长度上不停地搅拌，使其中的晶核、合金元素和夹杂物等均匀游离而不聚集，从而较好地控制凝固过程。采用多段组合搅拌，由于搅拌时间延长了，相对地提高了有效搅拌功率的范围。这样不仅改善表面质量和内部质量，也抑制白亮带的形成。

选择多段组合搅拌技术，既要根据铸机工艺和钢种，又要考虑冶金目标，特别是等轴晶区或中心偏析等。但最重要的是从以下两方面出发选择。

①不同含碳量的钢种 钢的化学成份 (当量碳含量)0.1%0.3%0.6%0.9% 超低碳和 低碳钢中碳钢和超高碳钢高碳钢钢种准沸腾钢低合金钢 表面和皮 下质量 凝固组织和 中心偏析 中心偏析 图3．电磁搅拌技术的选择 图3表示不同含碳量的钢种和冶金效果选择组合搅拌的思路。 根据目前在线使用情况看，S1+S2—EMS通常应用在大方坯的高碳钢连铸中，但为数不多；M+S +F—EMS多数应用于小断面和超碳钢和难于连铸的钢种，为数也不多。目前应用最多的是M+S —EMS和M+F—EMS，特别是后者。 MEMSMEMSSEMSM+SEMSMEMS S1+S2S-EMSM+FEMSS+F-EMSM+S+FEMSMEMSSEMSS1+S2S-EMS4 ②提高等轴晶率和减少中心偏析

图4和图5是各种电磁搅拌技术对等轴晶率和中心偏析的影响。由图可见，M+S —EMS比M+F—EMS在增加等轴晶宽度上略好些，但在改善中心偏析上后者比前者好得多；另外，SEMS易产生白亮带，而FEMS一般不会产白亮带。因此，对中心偏析和中心缩孔要求比较高的钢种，以采用M+F—EMS为好！ 100 80 60 40 20 0M+F-S+F-M+S-M+S+F-未搅拌S-搅拌M-搅拌F-搅拌 搅拌搅拌搅拌 搅拌 图4．各种EMS对高碳钢连铸等轴晶宽度的影响 1.4 1.3 1.2 1.1 1.0 S M M+S M+FM+S+F 未S M M+S M+FM+S+F 未 搅拌搅拌搅拌搅拌 图5．各种EMS对中、高碳钢连铸中心偏析的影响 下面针对高碳钢连铸着重介绍MEME和FEMS组合搅拌的一些思路。 二、高碳钢连铸的组合电磁搅拌技术 2.1高碳钢连铸的凝固特点 高含碳量有使凝固组织恶化的趋向。高碳钢的液相穴间温度区间较大，凝固区间温度变化也较大，凝固间隙长度增加，粥状区加宽。而高碳钢连铸坯的两个主要缺陷即中心偏析和中心缩孔是在粥状区形成和发展的，而且一旦形成，对产品的机械性能和耐腐蚀性能产生有害的影响，如产品中心硬度的异常性、在冷拔过程中的内裂、在冷挤压过程中的内裂、拔丝时的杯形和锥形断裂，以及减少疲劳寿命等等。

中心偏析率（c/c0）等轴晶区宽度（%）5

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