復合電磁攪拌對45鋼連鑄圓坯碳偏析的影響

范方國，賀繼勇，解洪超，劉 磊，李鵬超

（臨沂鋼鐵投資集團特鋼有限公司，山東 臨沂 276023）

1 前 言

45鋼是一種優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，碳含量為0.42%～0.50%，屬于中碳鋼的一種，廣泛應(yīng)用于機械零件制造。因為本身硬度不高且易切削加工，經(jīng)調(diào)質(zhì)熱處理后，可獲得一定的韌性、塑性和耐磨性，具有良好的綜合機械性能，廣泛應(yīng)用于各種重要的結(jié)構(gòu)零件，尤其是在交變載荷條件下工作的部件如齒輪、軸、螺栓、連桿等。由于45鋼中只加了少量一些普通合金Si和Mn，比較經(jīng)濟適用，因而得到了廣泛使用。但如今行業(yè)對產(chǎn)品的質(zhì)量和穩(wěn)定性要求越來越高，對45鋼的內(nèi)在質(zhì)量要求也會越來越嚴格。特別是用45鋼連鑄圓坯做齒輪的時候，齒輪鋼對鋼的淬透性和變形性要求比較高，這主要取決于鋼的化學成分的均勻性，特別是對其影響最大的元素碳，這就要求齒輪用連鑄圓坯鋼成分的均勻性要好，特別是碳的偏析要小。近年來，隨著連鑄裝備和技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，結(jié)晶器電磁攪拌與末端電磁攪拌技術(shù)在連鑄中已得到廣泛應(yīng)用[1-2］，結(jié)晶器與末端電磁攪拌參數(shù)的選擇對連鑄鋼水凝固過程的成分偏析有較大影響[3］，因此優(yōu)化電磁攪拌參數(shù)對減輕連鑄坯的碳偏析和促進連鑄坯橫截面硬度均勻性具有重要意義。

2 試驗條件和方法

臨沂鋼鐵投資集團特鋼有限公司（以下簡稱鋼投特鋼）10 機10 流方圓坯連鑄機配有結(jié)晶器電磁攪拌與末端電磁攪拌裝置，設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)為：鋼包容量120 t；中包容量45 t；結(jié)晶器電磁攪拌參數(shù)范圍：頻率2～5 Hz，電流20～600 A；末端電磁攪拌參數(shù)范圍：頻率2～8 Hz，電流20～800 A。中間包過熱度20～35 min。結(jié)晶器電磁攪拌裝置安裝在距結(jié)晶器口380 mm 處，攪拌方式為順時針旋轉(zhuǎn)攪拌；末端攪拌器安裝在鋼水凝固的前端，攪拌方式為交替式旋轉(zhuǎn)攪拌，均可通過改變電磁攪拌頻率及電流改變攪拌強度。

試驗鋼種為碳含量在0.42%～0.50%的45齒輪用鋼，規(guī)格為Φ210 mm 連鑄圓坯。對不同試驗條件下的連鑄坯取樣，采用Φ5 mm 鉆頭在Φ210 mm連鑄坯的橫斷面上取樣，每個連鑄斷面上共計取9個點（5 點為中心點，3、7 為1/2R 處，1、9 為皮下10 mm 處，其他點分別為1/4R、3/4 R 處）如圖1 所示，用C-S 分析儀分析各點的碳含量。以現(xiàn)生產(chǎn)工藝參數(shù)為對比基礎(chǔ)，分析不同電磁攪拌參數(shù)對連鑄坯碳偏析的影響。

圖1 連鑄圓坯及成分分析取樣位置

3 試驗結(jié)果與分析

對同一爐的不同流上采用不同的電磁攪拌參數(shù)進行試驗，參數(shù)如表1 所示，拉速均為0.22 m/min。按照圖1 中的方式進行取樣測試，碳含量測試結(jié)果如表2所示。

表1 Φ210 mm 45鋼連鑄圓坯電磁攪拌試驗工藝參數(shù)

表2 Φ210 mm 45鋼連鑄圓坯電磁攪拌試驗結(jié)果 %

從表2 的試驗結(jié)果可看出：采用M+F-EMS 效果明顯優(yōu)于單獨采用M-EMS。單獨使用M-EMS時，碳成分變化大，極差（最大值與最小值之差）達到0.11%以上；而采用復合電磁攪拌碳成分變化比較小，極差都在0.09%以下；使用復合電磁攪拌碳含量的最高點大多在1/2R 處，而單獨使用M-EMS時其碳含量的最高點出現(xiàn)在中心處；從對碳成分的穩(wěn)定性和極差看，45 鋼Φ210 mm 連鑄圓坯最佳使用參數(shù)為：M-EMS 為2 Hz/200 A；F-EMS 為8 Hz/250 A，極差都在0.06%以下。

不同電磁攪拌參數(shù)下的C偏指數(shù)變化如圖2～圖4 所示。從圖中可以看出，使用M+F-EMS 比單獨使用M-EMS時對連鑄圓坯碳偏析的改善效果要好。單獨使用M-EMS時C偏指數(shù)的最大值達到了1.14，最小值到了0.89；而使用M+F-EMS時，C偏指數(shù)的最大值都在1.10 以內(nèi)，最小值到了0.90 以上；使用M+F-EMS 時，C 偏指數(shù)的最高點大多出現(xiàn)在1/2R 處。從不同的M+F-EMS 參數(shù)效果看，C 偏指數(shù)曲線波動范圍最小最穩(wěn)定時對應(yīng)的電磁攪拌參數(shù)為：M-EMS為2 Hz/200 A；F-EMS為8 Hz/250 A。此時連鑄坯的C偏指數(shù)最大值都在1.08以內(nèi)，最小值都在0.93以上。

圖2 爐號100在不同電磁攪拌參數(shù)橫截面上C偏指數(shù)

圖3 爐號200在不同電磁攪拌參數(shù)橫截面上C偏指數(shù)

圖4 爐號300在不同電磁攪拌參數(shù)橫截面上C偏指數(shù)

4 結(jié) 論

4.1 使用復合電磁攪拌比單獨使用結(jié)晶器電磁攪拌對45鋼連鑄圓坯碳偏析的改善效果要好。

4.2 使用復合電磁攪拌碳偏析的高點大多出現(xiàn)在1/2R處。

4.3 45 鋼Φ210 mm 連鑄圓坯使用復合電磁攪拌（M+F-EMS）最佳參數(shù)，M-EMS 為2 Hz/200 A，F(xiàn)EMS為8 Hz/250 A。