王同英
新疆天山钢铁巴州有限公司 新疆 841300
摘要：连铸坯是炼钢炉炼成的钢水经过连铸机铸造后所得的产品。其应用领域十分广泛，国内外在机械工程设备方面都在使用连铸坯制件。其中，一些钢用的连铸坯可以直接轧钢，制成管、板、型钢等。连铸坯在经过结晶器电磁搅拌后能够有效改善一些存在缺陷的地方。基于此，本文对结晶器电磁搅拌、连铸坯概念以及相关实验进行简要分析。
关键词：结晶器；电磁搅拌；连铸坯
引言：连铸坯中最关键的问题就是其中心偏析、夹杂物以及中心缩孔等严重影响铸坯的内部质量。电磁搅拌是最常使用的连铸生产技术，它通过电磁力来优化消除结晶器内钢水过热度。铸坯在经过电磁搅拌后其等轴晶率会有明显提高，从而得到良好凝固组织的铸坯，使得成品性能得到改善。可以有效地解决连铸坯中心缩孔、纯净度等问题。
一、结晶器电磁搅拌及连铸坯概述
连铸坯是钢水通过连续铸钢机铸成的钢坯。连续铸钢技术可以把生产钢水到钢坯的整个过程进行简化，不需要经过初轧过程。因此，连铸坯具备生产成本低、金属获得率高以及劳动条件好等一系列优点。目前，连铸坯已是轧钢生产的重要原料。然而，连铸坯也有一定的缺陷。例如，一般疏松、中心疏松、锭型偏析、一般点状偏析、边缘偏析、皮下气泡、内部气泡、缩孔残余、翻皮、白点、轴心晶体裂缝、非金属夹杂物和心部裂纹等。在低倍检验中会出现中心疏松、缩孔、中心偏析、表面角部裂纹、表面边部裂纹等缺陷。
电磁搅拌就是借助在铸坯的液相穴内感生的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，对提高铸坯质量具有积极的作用。其中，结晶器电磁搅拌是目前最常见的、适用于各类连铸机的装置，它对改善铸坯表面质量、细化晶粒和减少铸坯内部夹杂及中心疏松等都有明显的作用。一般情况下，为避免影响液面自动控制装置的使用，通常将其安装在结晶器的下部。结晶器电磁搅拌的作用有以下几点：第一，改善铸坯表面质量。铸坯在结晶器下面其表面呈现凝固的状态，此时可以将搅拌器置于结晶器的弯月面处，以起到对铸坯表面凝固开始前对其“清洗”的作用。第二，改善铸坯内部质量。它能够改善等轴晶区，细化晶粒度，减少中心疏松，降低中心偏析，甚至在试样上不存在白亮带现象。在使用结晶器电磁搅拌时应注意以下几点内容：第一，结晶器保护渣有可能卷入其中，从而导致铸坯的夹杂物更多。结晶器电磁搅拌可以有效改善铸坯的质量，搅拌时强度增大，效果就会更加显著。但也要控制强度在一个固定的范围内，若强度过大就会导致铸坯中有结晶器保护渣卷入，进而使得夹杂物增多，起到反作用。与此同时，电磁搅拌还是结晶器液面的检测效果的直接影响因素，目前普遍采取降低搅拌线圈安装位置来解决这一问题，不过也限制了结晶器电磁搅拌的冶金作用；第二，结晶器电磁搅拌?难以改善高碳钢的中心碳偏析。结晶器电磁搅拌虽然能够大大降低中心偏析的偏差值与峰值，但中心偏析的平均值没有很大变化。因此，仅采用结晶器电磁搅拌很难使碳的中心偏析得到根本改善[1]。
二、连铸机电磁搅拌实验
选用宝钢圆坯连铸机进行实验，所选连铸机相关参数为：弧形连铸机，弯曲半径十米，浇铸断面分别为53毫米、78毫米、60毫米，冶金长度17.35米，结晶器高度780毫米。中心缩孔影响实验选用St45连铸圆坯，将中心缩孔进行等级分类，没有缩孔设为0级，以此次序进行排列。中心偏析影响实验选用82B高碳钢连铸方坯，在实验铸坯中选取头坯、中间坯及尾坯作为样品，对其进行化学成分分析。由于钢是合金（主要是铁和碳），它的熔化温度是一个范围进行的，即由开始熔化温度和熔化终了温度组成。其中，开始熔化的温度就是固相温度，在此温度以下钢为固体。
熔化终了的温度就是液相温度，在此温度以上钢为液体状态。在连铸工艺中还可加入钢水过热度控制。首先，尽可能减少包钢过程温降；其次，稳定炼钢操作；最后，加强生产调度。在此基础上与电磁搅拌相结合。电磁搅拌的工作原理为：首先，依据电磁感应定律，闭回路内的磁通量发生变化时闭合回路将产生感应电动势。电磁搅拌器产生的交变电磁场(B)，在围绕导电的金属熔体变化时，磁场和金属液间产生相对运动，使导电回路内的磁通量发生变化由于磁场以一定的速度(V)切割处于交变磁场之中的金属熔体，使其内部产生感应电流，该电流与磁场相互作用产生电磁力，电磁力作用在金属熔体上，从而驱动金属熔体运动。电磁搅拌机械效应：第一，可以促进壁面处结晶的形成和游离，增加晶核数量；第二，当搅拌强度较小时(层流)，树枝晶会迎着流动方向倾斜；第三，磁场作用下，钢液冲刷速度加大，凝固前沿不光滑，强制对流流动呈紊流状态，树枝晶受到很大抑制;一部分不仅可以切断及熔蚀柱状晶的晶臂，形成大量的枝晶碎片充当等轴晶的晶核，使晶粒成倍增长，从而有利于凝固组织中晶粒的细化。电磁搅拌热效应：第一，电磁搅拌所引起的强制流动加速了熔液的传热，而使钢液内的过热度迅速消失，最初阶段形成的晶核能够保存下来;连同因电磁搅拌作用形成的晶核一起被打碎、熔蚀而增殖；第二，当过热释放掉，钢液温度下降到液相线温度和固相线温度之间时，又会出现一些小晶核，并保留在液体中，随着进一步冷却而生长，最终以体积结晶方式凝固，形成细等轴晶结构的凝固组织。
三、实验结果分析
（一）结晶器电磁搅拌对连铸坯缩孔的影响
结晶器电磁搅拌强度对连铸坯缩孔的影响在同一频率下，随着电磁搅拌强度的增加而变大。若0级和1级的缩孔发生频率增高说明中心缩孔改善情况良好。当达到一定值时随着强度增加改善缩孔的效果不明显甚至对改善缩孔不利。搅拌力增加会导致结晶器内钢水的温度散失速度变快，让结晶器内温度更加均匀的分布开。所以有利于改善连铸坯的中心缩孔。而波动的弯月面会让结晶器内温度变得不均匀,不利于改善缩孔甚至还会促进缩孔的形成。
（二）结晶器电磁搅拌对连铸坯中心偏析的影响
连铸高碳钢方坯的中心偏析问题是一种对线材性能有严重影响的致命缺陷,它的出现会导致线材在拉拔合股时发生断裂。以82B高碳钢为对象钢种研究了结晶器电磁搅拌对元素中心偏析的影响在断面尺寸为160mmx160mm连铸坯取样,用电钻头钻屑并分析其成分。使用红外来分析碳元素，用光谱分析其他元素。试验结果表明，没有经过电磁搅拌的连铸坯碳存在中心偏析的情况比较严重。而经过结晶器电磁搅拌后明显出现改善，并且强度越强效果越好。
（三）结晶器电磁搅拌对连铸坯纯净度的影响
首先，结晶器电磁搅拌对连铸坯的全氧的影响是非常显著的，主要由于电磁搅拌过程中氧化物逐渐聚集从而形成夹杂物而漂浮上来。而结晶器电磁搅拌对连铸坯的全氮的影响不明显，主要因为钢水中氮化物元素含量低；其次，结晶器电磁搅拌对连铸坯中夹杂物有一定的影响。在实验中82B连铸坯加工为标准规格，通过油淬、电解萃取等一系列处理分离出夹杂物并分析其所含成分。可以判断出结晶器电磁搅拌对连铸坯中氧化物影响明显、硫化物影响不明显[2]。
一般情况下，钢水过热度太小便容易受到夹杂物的污染，而过热度太大又会使得中心偏析严重。因此，在施工中要重点控制过热度的最佳值。以此来保证铸坯质量得到有效改善。
结论：综上所述，结晶器电磁搅拌是高效解决连铸坯中心缩孔、高碳钢中心偏析等问题的技术。使用改善后的结晶器电磁搅拌技术所得铸坯的质量也同样会得到很大的提升。并且结晶器电磁搅拌技术可以清除钢水中所存在的氧化物杂质，搅拌强度越高，去除的效果越佳。总之，结晶器电磁搅拌对连铸坯的积极影响更多，可以加强投入使用。
参考文献：
[1]马靓. 连铸大方坯结晶器电磁搅拌器结构优化研究[D].燕山大学,2020.
[2]赵登飞. 大方坯结晶器电磁搅拌器数值模拟及其结构优化设计研究[D].燕山大学,2019.
作者简介：姓名：王同英（1987.01--）；性别：男，民族：汉，籍贯：甘肃省张掖人，学历：函授本科；现有职称：无；研究方向：冶金工程。