二冷電磁攪拌在車軸鋼大圓坯上的工業(yè)應(yīng)用★

王松偉， 張錦文， 趙志剛

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司， 山西 太原 030009）

LZ50 車軸鋼廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外鐵路客貨車輛車軸制造，是當(dāng)下鐵路車軸系列品種中產(chǎn)量最大，用途最廣的鋼種。但因?yàn)槠涑煞煮w系中碳含量恰好在0.50%附近，其凝固結(jié)構(gòu)上柱狀晶十分發(fā)達(dá)，連鑄坯內(nèi)弧側(cè)等軸晶比例極低[1]，容易出現(xiàn)穿晶現(xiàn)象，形成嚴(yán)重的中心縮孔。

電磁攪拌技術(shù)是連鑄過程中控制凝固結(jié)構(gòu)及宏觀偏析的有效手段[2]。太鋼大圓坯連鑄機(jī)于2015 年建成投產(chǎn)，起初裝備有結(jié)晶器和末端電磁攪拌，但LZ50 車軸鋼生產(chǎn)中內(nèi)弧一側(cè)柱狀晶過于發(fā)達(dá)，引起嚴(yán)重縮孔問題。為了改善鑄坯凝固結(jié)構(gòu)，提高內(nèi)弧側(cè)等軸晶比例，增加了二冷電磁攪拌（S-EMS）裝置。

1 主要技術(shù)參數(shù)

山西太鋼不銹鋼股份有限公司（以下簡稱太鋼）大圓坯連鑄機(jī)為全弧形鑄機(jī)，基本參數(shù)見表1，主要生產(chǎn)鐵路輪軸用鋼，其中LZ50 車軸鋼鑄坯選用Φ690 mm規(guī)格，生產(chǎn)試驗(yàn)中鋼水成分范圍如表2 中所示。

表1 大圓坯連鑄機(jī)的基本參數(shù)

鑄機(jī)的二冷電磁攪拌裝置可安裝在弧形四段或五段上，主要參數(shù)見表3。

表2 LZ50 車軸鋼成分范圍 %

表3 S-EMS 拌裝置主要技術(shù)參數(shù)

2 應(yīng)用效果

2.1 對(duì)鑄坯等軸晶比例的影響

一般認(rèn)為電磁攪拌技術(shù)通過打碎枝晶增加形核、均勻液相溫度來促進(jìn)等軸晶轉(zhuǎn)變[3]，合理的電磁攪拌可有效增加連鑄坯凝固的等軸晶。圖1 為LZ50車軸鋼裝備S-EMS 前后的鑄坯內(nèi)弧側(cè)等軸晶情況，增加S-EMS 后內(nèi)弧一側(cè)等軸晶區(qū)長度由未裝備時(shí)的50 mm 提高至134 mm，效果顯著。

圖1 裝備S-EMS 前后圓坯內(nèi)弧側(cè)等軸晶比例對(duì)比

2.2 對(duì)鑄坯中心縮孔的影響

鑄坯縮孔是凝固末期鋼液無法補(bǔ)充自然收縮而引起，圖2 為使用S-EMS 前后鑄坯縱剖低倍上中心200 mm 寬度范圍內(nèi)低倍照片，使用S-EMS 后縮孔程度明顯減輕。對(duì)該寬度范圍內(nèi)的縮孔進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖3 所示，10 mm 以上縮孔基本消除，5 mm 以下縮孔數(shù)量則明顯增多。等軸晶比例提升后，凝固自然收縮的體積被分散在整個(gè)等軸晶區(qū)域內(nèi)，從而提高鑄坯中心質(zhì)量。

圖2 裝備S-EMS 前后圓坯縱剖低倍質(zhì)量對(duì)比

圖3 裝備S-EMS 前后圓坯縱剖低倍縮孔對(duì)比

3 關(guān)鍵參數(shù)討論

3.1 白亮帶問題控制

對(duì)于LZ50 車軸鋼而言，因?yàn)槠涑煞痔攸c(diǎn)，凝固柱狀晶十分發(fā)達(dá)，S-EMS 施加過程中，強(qiáng)制流動(dòng)的鋼液沖刷凝固前沿，極易產(chǎn)生白亮帶問題[4]。圖4 為鑄機(jī)弧形4 段裝備S-EMS 后生產(chǎn)中出現(xiàn)的白亮帶低倍圖片。白亮帶的產(chǎn)生主要與電磁攪拌強(qiáng)度直接相關(guān)，實(shí)踐中通過減小電流、調(diào)低頻率、施加換向等措施來降低攪拌強(qiáng)度，消除白亮帶。

3.2 攪拌位置對(duì)二冷攪拌效果的影響

應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，S-EMS 的安裝位置對(duì)其攪拌效果的影響最為顯著。表4 為不同工藝條件下LZ50 車軸鋼大圓坯內(nèi)弧側(cè)等軸晶比例統(tǒng)計(jì)情況，S-EMS 安裝在鑄機(jī)弧形5 段時(shí)（白亮帶大小計(jì)算液芯比例為26%），并不能起到增加等軸晶比例的作用，前移至弧形4 段后（白亮帶大小計(jì)算液芯比例為46%）則攪拌效果顯著。

圖4 二冷攪拌白亮帶問題

表4 不同S-EMS 工藝條件下等軸晶統(tǒng)計(jì)結(jié)果

4 結(jié)論

1）施加S-EMS 可將LZ50 車軸鋼Φ690 mm 大圓坯的內(nèi)弧側(cè)等軸晶比例提升至30%左右，達(dá)到基本消除10 mm 以上縮孔的效果。

2）S-EMS 出現(xiàn)的白亮帶問題可通過減小攪拌電流、調(diào)低攪拌頻率、施加換向等措施進(jìn)行控制。

3）S-EMS 的安裝位置對(duì)其攪拌效果影響最為顯著，45%液芯附近是適宜的安裝位置。