连铸坯中心偏析控制技术的发展

连铸坯中心偏析控制技术的发展

1电磁搅拌技术

电磁搅拌技术是20世纪60年代开发的一种电磁冶金技术，其实质是借助电磁力的作用，强化铸坯液相穴中钢水的运动，从而改善钢水凝固过程中的流动、传热和迁移过程，达到改善铸坯质量的目的。电磁搅拌按安装位置有：结晶器电磁搅拌(M-EMS)、二冷区电磁搅拌(S-EMS)、凝固末端电磁搅拌(F-EMS)、结晶器及足辊区电磁搅拌(MI-EMS)，为了生产的需要还可以将其任意组合来使用。搅拌形式有：旋转型、直线型、螺旋型。使用电磁搅拌技术，特别是结晶器电磁搅拌和二冷区电磁搅拌，可以显著增加连铸坯的等轴晶率，等轴晶率的提高有利于减少连铸坯的“晶桥”现象，从而减轻铸坯中心偏析。

实际生产中，对于铸坯凝固末端电磁搅拌技术，由于安装位置一定，而浇注钢种、拉坯速度等工艺参数发生变化，使得最佳的搅拌区位置偏离设备的位置，电磁搅拌效果差；同时，在该区域如果搅拌强度过于强烈，会导致铸坯液相穴中的轻相物质(如碳元素)向中心集聚，导致中心偏析更为严重。为此，可以采用长距离的弱搅拌方法或采用行波磁场型的F-EMS技术，使钢水在较大范围内进行上下交换，以改善中心偏析。

另外，冶金工作者还开发出一种水口注流电磁搅拌技术，在浸入式水口对钢液进行电磁搅拌，水口外壁通气冷却，为强化冷却效果，水口外壁开有许多凹槽。该技术中，既能保证钢水温降较大，实现低过热度浇注，又可防止水口堵塞。试验结果表明，该技术可以起到很好地控制铸坯中心偏析的作用。

2 低过热度浇注技术

连铸过程中，采用低过热度浇注时，钢水过冷度减小，临界形核半径变小，形核率高，晶核数量多，铸坯等轴晶率大幅度提高，有利于抑制晶桥的产生及铸坯凝固末端枝晶间钢液的不合理流动。但是，钢水过热度较低时，水口易堵塞，而且钢中夹杂物不易上浮。对于钢液中的夹杂物不易上浮问题，可以采用二次精炼手段及中间包冶金技术，提高钢液纯净度。对于钢水低温浇注时温度波动带来的浇注困难，冶金工作者开发出了中间包等离子加热技术及中间包电磁感应加热技术，可以保持钢液浇注温度的稳定。

3 结晶器插入钢带技术

O. V. Nosochenko和O. B. Isaev等人采用在板坯连铸结晶器插入钢带的技术来控制铸坯中心偏析。其基本原理是在结晶器内插入厚度为1.5mm厚的钢带，将钢带作为冷却剂，利用钢带的吸热和熔化，降低结晶器内钢水的过热度，实现提高铸坯等轴晶率，减小中心偏析程度的目的，同时还可实现微合金化。

该研究表明，钢带的碳含量在0.25%～0.40%时比较合适，应用的实际浇注钢种也多些，这是因为碳含量低于0.1%时，钢带强度亦低，熔点高，会导致结晶器内出现较多的较大未熔碎钢片，给浇注及铸坯质量带来不利影响。

受插入钢带宽度的影响，这一技术用在板坯连铸中较为合适，对方坯连铸而言，因断面尺寸小，应用这一技术存在空间不足的局限性；

4 加成核剂技术

对钢液进行形核处理也是控制铸坯中心偏析的一种有效手段，形核剂的作用还与形核剂的加入工艺、形核剂的成分、尺寸和加入量有关。于艳等人通过在高碳钢中采用Fe-C合金作为形核剂，研究发现，向钢液中加入形核剂可有效地扩大等轴晶区。对高碳钢，中碳铁合金形核剂既可扩大等轴晶区，又可细化晶粒；而低碳形核剂可以扩大等轴晶区，但细化晶粒效果差。为有效地发挥形核剂的作用，对不同钢种要合理地选择形核剂的碳含量。

5 钢水旋流加入技术

结晶器内钢水的旋转流动可以打碎凝固前沿枝晶，显著提高铸坯等轴晶率。除结晶器电磁搅拌技术之外，还可以通过控制由浸入式水口进入结晶器内钢水流动状态来实现。Dyudkin D.A等人采用Al-C质材料制成一特殊结构的浸入式水口，使进入结晶器内的钢水传热、传质加强，产生旋转流。 Shinichiro YOKOYA等人通过在浸入式水口内安装旋转叶片，水口出口有直通式加喇叭式两种，使得进入结晶器内的钢水产生旋转流动。

实验结果表明，采用旋流法，经浸入式水口进入结晶器内的钢液产生旋转流动，铸坯中心偏析程度明显降低。但是，旋流浸入式水口结构复杂，对水口材质、加工工艺要求严格，使用寿命低。Shinichiro YOKOYA的研究还停留在水模型研究阶段，还未见应用于工业生产的报道。

6 轻压下技术

轻压下技术有两大类：机械轻压下、热轻压下。机械轻压下技术一般用于板坯和大方坯连铸机上，热轻压下技术一般用于小方坯连铸机。

机械轻压下技术起始于20世纪80年代初，是在收缩辊缝技术的基础上发展而来的，分为静态轻压下和动态轻压下两种方式，是近年来推广较快的连铸技术之一。轻压下技术的基本原理是指通过在连铸坯液芯末端附近施加压力，产生一定的压下量来补偿铸坯凝固的收缩量，消除或减少铸坯收缩形成的内部空隙，让枝晶间富集溶质的剩余液相仍保留在原来的位置，防止向铸坯中心横向移动形成偏析，同时轻压下的压下作用使液芯钢液沿拉坯的反向流动，使中心钢液重新分配，从而使中心凝固组织更加致密，成分更加均匀，起到降低中心碳偏析和改善中心疏松的作用。

生产实践证明，轻压下技术的运用要想取得良好的效果就必须选择合理的工艺参数，它包括轻压下区间、压下率、压下速率及总压下量等。目前，机械轻压下技术在板坯连铸上应用较为成功，但在方坯、圆坯连铸上应用效果不太理想，这主要是与铸坯浇注的断面形状有关。

热轻压下技术最早是由P. Sivession等人提出的，并且在165mm×165mm方坯上获得比较满意的结果。在铸坯凝固未端区域，热轻压下技术通过采用向铸坯四周施加强冷却水的新型冷却制度，来控制方坯的外部温降，使方坯中心温度与外部温降相适应，消除因中心收缩较大而产生的补缩困难，限制富含杂质元素钢液的流动，因此避免铸坯产生中心偏析、中心疏松等缺陷。

与凝固末端电磁搅拌技术和机械轻压下技术相比，热轻压下技术的控制方式更灵活，可

以随不同钢种、不同浇注温度、不同拉坯速度、不同一冷和二冷的冷却强度灵活地控制铸坯凝固末端的热轻压下量。同时，在现有连铸机上安装电磁搅拌和机械轻压下设备，还需对现有方坯连铸机进行大幅度的改造，成本较高，而热轻压下技术的改造幅度远小于前两者，成本更低。但是通过凝固未端的强冷使铸坯产生的凝固收缩量有限，因此热轻压下技术只适合断面较小的方坯连铸。

7 连续锻压技术

连续锻压技术为机械重压下，该技术是在铸坯的最后凝固阶段对铸坯进行锻压。当铸坯受到锻压后尺寸急剧变小，在液相穴末端形成致密的固相，从而防止富含合金元素钢液的不合理流动，避免中心偏析的形成。

连续锻压技术虽然能够取得较为理想的效果，但控制不当时，极易导致铸坯产生压下裂纹缺陷，且该技术运用对设备的要求高，基建成本较高，因而实际生产中运用较少。

8 静磁场控制技术

静磁场对钢液的流动有抑制作用，基于这一原理，薄板坯连铸结晶器中广泛采用了电磁制动技术。除此之外，静磁场对凝固的金属还有细化晶粒的作用。从抑制铸坯中心偏析的思路来看，在连铸机二冷区某一位置上设立静磁场装置，应该能够有效控制铸坯的中心偏析。Nakada 等人利用热模拟实验，在铸锭凝固过程中应用磁感应强度为O.2～0.42T的静磁场，成功地达到了减少铸锭V型偏析和中心缩孔的目的，证明了静磁场可用于改善铸坯的中心偏析。但是连铸条件和模铸冷却条件存在差异，利用静磁场控制连铸坯的中心偏析还值得进一步探索，需研究合理的磁场强度、作用区域的长短及位置与铸坯中心偏析改善程度的关系。