一种高频脉冲电流和末端电磁搅拌复合技术降低圆坯中碳钢碳偏析极差的方法

技术领域

本发明属于合金领域，具体涉及一种高频脉冲电流和末端电磁搅拌复合技术降低圆坯中碳钢碳偏析极差的方法。

背景技术

中碳钢作为曲轴制造用钢，在发动机中承受冲击载荷、传递动力的任务，其服役条件非常恶劣，工作中承受周期性的载荷，并在压力作用下以很大的相对速度与轴承发生滑动摩擦，产生较高的温度和磨损。因此制造该类零件的材料要具有较好的强度、塑性和韧性等综合力学性能，而其中的力学性能均匀性与材料的成分偏析程度有直接关系。碳是钢液中的主要溶质元素，在凝固过程中随着凝固进行，碳元素会沿着固、液界面往中心推移，最终凝固时形成碳偏析，对成品质量影响较大，碳元素的偏析情况是评判连铸坯重要指标之一。

经专利检索及市场调研，针对该问题国内冶金厂家大多均采用两种方式：第一种为调整连铸机工艺参数(含电磁搅拌参数)来控制碳偏析，如2020年6月5日公开的专利，公开号为CN 111230061A，其公开了一种降低中碳钢圆坯碳偏析的方法，其工艺核心在于通过合理匹配连铸机工艺参数，控制铸坯凝固过程中柱状晶生产条件及在末端电磁搅拌处铸坯固相率能满足电磁搅拌要求。其工艺的缺点是：其一、工艺窗口较窄，碳偏析控制稳定性效果较差；其二，由于各冶金企业工装设备不同，工艺参数推广性、重复性较差；其三，无法满足高品质中碳钢对铸坯碳元素偏析要求。第二种为借助连铸机本体外设备来控制碳偏析，如在线压下设备，2017年5月31日公开的专利公开号为CN 10673502A，公开的“一种连铸坯凝固末端单点与连续重压下工艺”。其工艺的核心在于在扇形段处设定实施大压下量的压下辊，达到将应变量传递到铸坯心部的效果，弥合铸坯中心缩孔，降低铸坯中心碳偏析。其工艺的缺点是：压下工艺运用在连铸圆坯上，无法避免圆坯椭圆度增加的问题。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提供一种高频脉冲电流和末端电磁搅拌复合技术降低圆坯中碳钢碳偏析极差的方法，对连铸机工艺参数波动容忍度较大，碳偏析控制稳定性好；能够满足高品质中碳钢对铸坯碳元素偏析要求，碳偏析控制在≤0.03％。

本发明具体技术方案如下：

一种高频脉冲电流和末端电磁搅拌复合技术降低圆坯中碳钢碳偏析极差的方法，具体方法为：

钢水进入连铸机开浇后，待连铸铸坯通过高频脉冲电流和末端电磁搅拌时，开启感应线圈和末端电磁搅拌。

所述钢水为中碳钢钢水；

优选的，所述钢水为中碳40Cr钢；所述钢水包括以下质量百分比成分：C 0.37-0.44％、Si 0.20-0.30％、Mn 0.60-0.70％、P≤0.015％、S≤0.015％、Cr 0.90-1.00％；余量是Fe和不可避免的杂质。

所述钢水为中碳40Cr钢时，其转炉吹炼及精炼炉造渣脱氧工艺按常规优特钢执行，控制以下工艺及参数：1)单炉次连铸工艺操作前确保钢包内钢液元素成分均匀；2)单炉次连铸工艺操作前确保钢包内钢液温度要满足20-50℃，以免连铸机发生生产事故，损坏高频脉冲电流技术所用的装备。

所述高频脉冲电流，控制感应线圈设备电压为210-243V；

所述末端电磁，控制末端电磁搅拌电流参数为(300-400)A，频率为(5-8)HZ；

所述连铸机生产工艺参数：拉速为(0.7-1.0)m/min、过热度(25-35)℃、二冷比水量为(0.25-0.3)L/Kg、结晶器水量为(115-125)m

优选的，本发明还提供了连铸机生产拉速、控制末端电磁搅拌电流和高频脉冲电流控制中电压控制的关系，具体如下：

在0.70m/min≤拉速≤0.75m/min时，电压控制在210V，控制末端电磁搅拌电流为400A；

在0.75m/min＜拉速≤0.80m/min时，230V≤电压控制≤235V，控制末端电磁搅拌电流为400A；

在0.80m/min＜拉速≤0.85m/min时，240V＜电压控制≤243V，控制末端电磁搅拌电流为400A；

在0.85m/min＜拉速≤0.90m/min时，235V＜电压控制≤240V，控制末端电磁搅拌电流为400A；

在0.90m/min＜拉速≤0.95m/min时，220V＜电压控制≤223V，控制末端电磁搅拌电流为350A；

在0.95m/min＜拉速≤1.00m/min时，210V＜电压控制≤215V，控制末端电磁搅拌电流为300A。

本发明方法可以用于所有断面尺寸的圆坯，尤其用于大圆坯端面尺寸≥φ300mm，大断面圆坯受凝固传热影响，初生坯壳较厚，有效冷却长度较短，因此大圆坯连铸机凝固速率慢，铸坯凝固过程中会形成粗大的柱状晶和等轴晶，导致坯材残留较严重的碳偏析和点状疏松类缺陷。特别是对于1/2R位置的碳偏析，往往成为成品碳超标的主要原因，因此，1/2R位置碳偏析的控制成为大圆坯中碳钢生产的技术难点。很多冶金工作者致力于大圆坯连铸机1/2R位置的碳偏析形成机理和控制措施方面的研究，虽然形成这种碳偏析的机理早已明确，但是1/2R位置碳偏析控制手段方面进展缓慢，几乎没有一项可从根本上抑制这种偏差的有效方法。目前，就控制手段而言，有些存在着共识，例如：在减小碳成分目标、防止增碳、稳定浇注、软吹氩、低过热度等方面，但这些措施在生产过程中受炼钢工序流程长、变量因素多、管控复杂等因素的制约，很难100％满足工艺制定要求，即使少部分企业执行很到位，但是并不能有效控制1/2R位置的碳偏析。本发明通过高频脉冲电流和末端电磁搅拌，实现协同作用，能够降低圆坯中碳钢碳偏析极差，对大圆坯端面尺寸≥φ300mm也同样适用，能够将碳偏析控制在≤0.03％。

本发明的作用机理如下：圆坯中碳钢凝固机理为铸坯凝固过程中枝晶前沿从表层向中心移动，在枝晶生长的过程中，受平均温度梯度(G)和平均凝固速率(V)的影响，二次枝晶间存在间距，枝晶间距越大，凝固偏析越严重，从而导致铸坯CET转变区碳含量较高。铸坯凝固接近尾声时，由于已凝固的枝晶发达，阻碍内部钢液的流动，铸坯中心处补缩困难，从而导致中心碳含量较高。基于以上的凝固机理，本发明利用高频脉冲电流在铸坯固液界面附近金属熔体中形成的高频振荡磁场，实现磁致过冷效应，降低平均温度梯度(G)，细化凝固组织，从而减小枝晶间间距，降低铸坯CET转变区碳含量偏析。与此同时，为防止细化凝固组织发生二次重熔结晶，采用末端电磁搅拌技术，继续降低铸坯芯部的平均温度梯度(G)和打碎重熔结晶，从而降低铸坯中心的碳偏析。

与现有技术相比，本发明创新性提出了一种控制碳元素偏析的方法，首次将脉冲磁致振荡技术引用到圆坯连铸机生产领域，为同行业圆坯连铸机生产高品质40Cr钢提供较强参考平台；本发明所述的工艺方法还具有方/圆坯共用的特性，打破在线压下工艺方案不能适用于圆坯弊端；本发明所述的工艺方法较传统工艺条件下(调整连铸机基础工艺参数)圆坯控制碳偏析方法，效果要稳定、可靠；本发明所述的工艺方法为圆坯连铸机高效化生产提供了新的思路。

附图说明

图1为碳偏析极差制样示意图。

具体实施方式

本发明术语和定义：

1)中碳钢定义：参照GB/T3077-2015、GB/T699-2015所规定，一般是指碳含量区间为0.2％-0.60％的碳素钢或合金结构钢；为方便本领域技术人员对本发明的理解，本发明实施步骤及实施案例中以40Cr钢为代表。

2)碳偏析极差：铸坯横截面上取点分析碳含量最高值与最低值之间差值。

3)高频脉冲电流技术：利用变频技术，在单位时间内改变电流的方向和强度，从而形成高频振荡磁场。

4)碳偏析极差制样及分析方法：在铸坯横截面上任意2条垂直直径方向上每间隔10mm取点，取点深度不低于5mm，单点取样重量不低于3克，取样钻头为5mm，如图1所示。取样完毕，送CS分析仪进行化验分析碳元素含量。

5)高品质中碳钢对铸坯碳偏析极差要求：经市场调研及部分汽车行业、工程机械客户反馈，中碳钢铸坯碳偏析极差要求必须≤0.03％。

6)本发明所用连铸机基本工况如表1所示。

表1、本发明所述连铸机基本概况

对比例1

现有生产技术只采用末端电磁搅拌，条件为：拉速为0.75m/min、过热度(25-35)℃、二冷比水量为0.25L/Kg、结晶器水量为120m

表2、原工艺条件下40Cr钢铸坯横截面碳偏析极差

表2可以看出，现有技术生产工艺对C极差的控制稳定性不高，只有个别生产能达到碳偏析极差≤0.03％，大多数都是碳偏析极差≥0.03％；但是，客户要求的是稳定性，此方法因为不稳定，不能满足市场需求。

本发明以下的实施例按照以下工艺进行控制：

步骤一：中碳40Cr钢转炉吹炼及精炼炉造渣脱氧工艺按常规优特钢执行，但需注意以下几个细节工艺方案的设定：1)单炉次连铸工艺操作前确保钢包内钢液元素成分均匀；2)单炉次连铸工艺操作前确保钢包内钢液温度要满足20-50℃，以免连铸机发生生产事故，损坏高频脉冲电流技术所用的装备(以下简称感应线圈)；

步骤二：中碳40Cr钢连铸浇铸工艺按常规的优特钢执行，即连铸机开浇后，待连铸铸坯通过感应线圈和末端电磁搅拌时，开启感应线圈和末端电磁搅拌。

步骤三：工艺参数调整后，取铸坯试样进行分析，铸坯试样长度不低于300mm。

为了确保本发明所述的冶炼工艺数据准确性和重复性，以下列举具体实施例的具体生产参数：

实施例1

一种高频脉冲电流和末端电磁搅拌复合技术降低圆坯中碳钢碳偏析极差的方法，具体方法为：

在生产过程中按照上面的方法使用高频脉冲电流与末端电磁搅拌复合技术，具体的参数如下：

1)中碳40Cr钢成分要求，如表3所示。

表3、实施例1钢种成分表，余量为Fe和不可避免的杂质

2)连铸机生产工艺参数：拉速为0.75m/min、过热度(25-35)℃、二冷比水量为0.25L/Kg、结晶器水量为120m

3)取样分析结果：按照上述的工艺参数生产的40Cr钢碳元素偏析极差如表4。从实验的结果来看，感应线圈设备电压为210、230V，铸坯横截面碳元素偏析极差相对较低。

表4实施例1高频脉冲电控制不同感应线圈设备电压下碳偏析极差情况

对比例2

一种高频脉冲电流和末端电磁搅拌复合技术降低圆坯中碳钢碳偏析极差的方法，具体方法为：

在生产过程中按照上面的方法使用高频脉冲电流与末端电磁搅拌复合技术，具体的参数如下：

1)中碳40Cr钢成分要求，如表5所示。

表5、对比例2钢种成分表，余量为Fe和不可避免的杂质

2)连铸机生产工艺参数：拉速为0.75m/min、过热度(25-35)℃、二冷比水量为0.25L/Kg、结晶器水量为120m

3)取样分析结果：按照上述的工艺参数生产的40Cr钢碳元素偏析极差如表6。从实验的结果来看，感应线圈设备电压为50、100、150、200、250、300V，铸坯横截面碳元素偏析极差相对较高，且不稳定。可见，与实施例1相比，即使只是感应线圈设备电压的调整，都会对铸坯横截面碳元素偏析极差造成较大的影响，不能满足≤0.03％。

表6对比例2高频脉冲电控制不同感应线圈设备电压下碳偏析极差情况

对比例3

一种高频脉冲电流和末端电磁搅拌复合技术降低圆坯中碳钢碳偏析极差的方法，具体方法为：

具体的参数如下：

1)中碳40Cr钢的成分如表7所示；

表7、对比例3钢种成分表，余量为Fe和不可避免的杂质

2)连铸工艺参数为：连铸机生产工艺参数：拉速为0.70m/min、过热度(25-35)℃、二冷比水量为0.25L/Kg、结晶器水量为120m

3)取样分析结果：按照上述的工艺参数生产的40Cr钢碳元素偏析极差如表8所示。

表8、不同感应线圈电压下碳偏析极差情况

对比例4

一种降低圆坯中碳钢碳偏析极差的方法，具体方法为：

1)中碳40Cr钢的成分如表9所示；

表9、对比例4钢种成分表，余量为Fe和不可避免的杂质

2)连铸工艺参数为：分别单独实验末端电磁搅拌(即按照对比例1工艺参数)和脉冲磁致振荡技术(按照实施例1方法，只是关闭末端电磁搅拌)，具体参数如表10所示。从实验结果来看，铸坯横截面碳偏析效果均不理想。

表10、对比例4不同工艺条件下铸坯碳偏析极差情况

实施例2

一种高频脉冲电流和末端电磁搅拌复合技术降低圆坯中碳钢碳偏析极差的方法，具体方法为：

具体的参数如下：

1)中碳40Cr钢的成分如表11所示；

表11、实施例2钢种成分表，余量为Fe和不可避免的杂质

2)连铸工艺参数为：拉速为0.75m/min、过热度(25-35)℃、二冷比水量为0.25L/Kg、结晶器水量为120m

3)取样分析结果：按照上述的工艺参数生产的40Cr钢碳元素偏析极差如表12所示。

表12、实施例2生产的40Cr钢铸坯横截面碳偏析极差

实施例5

结合实施例1～2的成果，本发明继续扩大实验成果，在保证碳偏析极差的基础上(碳偏析极差≤0.03％)，摸索不同拉速条件下脉冲磁致振荡和末端电磁搅拌复合参数。本发明所述的连铸机拟提高台时效率，因此按照本发明步骤继续实验了不同拉速条件下的脉冲磁致振荡和末端电磁搅拌复合参数，依据实验结果，制定了40Cr钢不同拉速条件下工艺参数执行表，如表13所示。

表13、40Cr钢不同拉速条件下工艺参数执行表

实施例3

一种高频脉冲电流和末端电磁搅拌复合技术降低圆坯中碳钢碳偏析极差的方法，具体方法为：

具体的参数如下：

1)中碳40Cr钢的成分如表11所示；

表14、实施例3钢种成分表，余量为Fe和不可避免的杂质

2)连铸工艺参数为：拉速分别为0.80、0.90、1.0m/min、过热度(25-35)℃、二冷比水量为0.25L/Kg、结晶器水量为120m

综上，采用本发明所述工艺后，圆坯40Cr钢铸坯横截面碳偏析极差能稳定的控制在0.03％以下，较工艺优化前的平均碳偏析极差0.05％有明显的降低；采用本发明所述工艺后，在保证产品质量的前提下，能助力连铸机实现高效化生产。