电脉冲处理技术在冶金工业连铸凝固过程中的应用研究

摘要 在工业生产中利用电脉冲孕育处理技术，开展改善和细化连铸坯凝固组织的探索性实验研究和半工业化应用试验。对高碳钢和低合金钢的方坯和板坯进行电脉冲处理的结果表明，可以明显细化连铸坯的凝固组织，与未经电脉冲处理的连铸坯相比，连铸坯的柱状晶低倍形态由粗长的凝固组织变成细短的凝固组织，柱状晶的长度缩短，一次枝晶臂间距减小；连铸坯的巾心等轴晶区扩大，中心缩孔得到改善。

关键词：电脉冲；孕育；凝固组织：细化。

1 前言

凝固过程是钢铁牛产的重要阶段，也是决定钢铁产品质量与性能的关键。长期以来，人们在改善细化凝崮组织、提高铸坯内部质量方面已作了大量的研究。自1985年印度学者A．K．Misra利用电场来改变铅锡合金的凝固过程之后，国内外许多学者开展了这方面的研究工作，这些工作的共同之处在于其施加脉冲电场的时段是在金属的凝固过程之中。由于金属的凝固过程时间很短，可控性差，因此这方面的研究工作多限于较低温的合金和实验室研究。在钢铁冶金中运用电脉冲技术开展半工业化实验尚少见报道。

近年来，鞍钢开展了利用电场对钢液进行孕育处理的半工业化实验，改善和细化了连铸坯凝固组织，尽管其微观作用机理尚需探讨，缺乏支承的理论体系，但其改善和细化金属凝固组织的良好效果已为冶金研究者们所认可，认为这是具有开创性和前瞻性的研究工作。本文根据电脉冲(Electro--pulse modification，简称EPM)处理技术，在冶金工业生产中采用电脉冲技术处理高碳钢和低合金钢连铸方坯和板坯，开展了电脉冲改善连铸坯凝固组织的研究。

2．半工业实验方法

在鞍钢超低头板坯连铸机中间罐内进行电脉冲处理实验，实验过程示意如图1所示。

板坯和方坯连铸电脉冲处理过程如下：转炉冶炼高碳钢65Mn、DJl00和低合金钢09CuPCrNi；在连铸生产过程中进行电脉冲处理，连铸坯规格：方坯150mm×150mm，板坯150 mm×1200mm。

浇注过程采用长水口保护浇铸，在中问罐盖上方放置电极，进行电脉冲孕育处理。电极提前放入中间罐内，固定在中间罐盖上。中间罐开浇后15分钟，取一块未经电脉冲处理的连铸坯样，然后加电脉冲处理，参数A为1级，参数B为3级，参数C为4级。连续处理20分钟后，在生产线上取经电脉冲处理过的第一块连铸坯样，以后每罐钢均取处理样，样长200 mm。将未经处理的和已经处理的连铸坯样进行加工，制样，做酸浸低倍分析和枝晶分析。

2．1试验的钢种及数量

试验钢种为09CuPCrNi耐大气腐蚀钢，处理一罐，104．3吨钢；取样2块。

第12浇次：K001：空白样，D003：处理样； 钢种：09CuPCrNi

从经过电脉冲处理和未处理的铸坯低倍组织看，经电脉冲处理的铸坯低倍组织明显细化，内部裂

纹、缩孔和疏松已经消除，坯子的内在质量得到了改善。

2．2方坯09CuPCrNi钢电脉冲处理试验的分析

试验结果表明，经电脉冲处理后，连铸坯凝固组织明显细化，如图2、图3所示。

由图2可以看出未经EPM处理的铸坯柱状晶粗大，中心缩孔明显，内弧侧气泡缺陷明显。柱状晶长度约为14．55mm，宽度约为0．455 mm。

由图3可以看出，电脉冲处理后，凝固组织细化非常明显，中心缩孔已消除，内弧侧气泡已不可见，内部裂纹和疏松已基本消除。柱状晶长度约为6．019 mm，宽度约为0．175 mm，柱状晶宽度细了约2．6倍，柱状晶长度短了约2．4倍。

3. 电脉冲对连铸坯宏观低倍组织缺陷的影响

3．1第一次电脉冲处理试验宏观低倍组织缺陷统计分析

对第一次方坯电脉冲试验的宏观低倍组织评级数据进行了统计分析，组织评级的部分参数有提高，总体评价宏观低倍组织均有改善：

中心裂纹0级率提高：2．5％

中心疏松0级率提高：11．1％

缩孔0级率提高：8．3％

3．2第二次电脉冲处理试验宏观低倍组织缺陷统计分析

对第二次方坯电脉冲试验的宏观低倍组织评级数据进行了统计分析，评级均有提高，总体评价电脉冲对改善低倍组织有较明显效果：

中心疏松0级率提高：0．7％

缩孔0级率提高：12．1％

皮下裂纹、皮下汽泡、中心偏析、中间裂纹、角部裂纹5项的0级率均达到了100％

3．3电脉冲对宏观低倍组织缺陷影响的分析结果

(1)电脉冲处理后的连铸坯低倍评级均有提高，总体评价电脉冲对改善低倍组织缺陷有较明显效果。

(2)电脉冲处理钢液对于改善连铸坯中心疏松、缩孔、中间裂纹、角部裂纹有较好效果。

4．板坯电脉冲处理半工业试验

4．1试验的钢种及数量

板坯电脉冲处理试验的钢种为65Mn；DJl00，各处理钢水一个浇次，

4．2实验结果

未经电脉冲处理和经电脉冲处理的65Mn钢方坯低倍凝固组织如图4所示。DJl00钢板坯低倍凝固组织如图5所示。

4．3实验结果分析

实验结果表明，经电脉冲处理后，连铸坯凝固组织明显细化，如图4、图5所示。由图4可以看出未经电脉冲处理的铸坯柱状晶粗大。而经电脉冲处理后，凝固组织细化非常明显，内部裂纹和疏松已基本消除。

4．4电脉冲作用机理分析

根据液态金属团簇结构假说[3]，认为在液态金属中有能够稳定存在的结构不同于固态金属结构且满足幻数特征的团簇[4，5]，称其为晶坯。在熔点温度以上，稳定存在的晶坯主要以传统所说临界晶坯为主。采用电脉冲处理孕育出稳定的大尺度晶坯是通过外电场对原有晶坯外电层进行反复的畸变和松弛的作用，在反复畸变和松弛过程中，液态金属原子被结合到晶坯中，使稳定的小尺度晶坯转变为稳定的大尺度晶坯。

对于已经存在的团簇来讲，当施加电脉冲时，团簇外电层结构将由于电场作用而发生畸变。这种畸变将会导致团簇一侧外电层电位的降低，而团簇一侧外电层电位的降低有利于该团簇周围的团簇或原子与之结合。当向钢液加入电脉冲时，实质上是向液态金属施加了电场；由于电场的影响使团簇外电层结构发生畸变，该原子团或团簇就长大成为尺度更大的团簇，按照传统凝固理论的观点，原子团或团簇尺度越大，其形核或结晶需要克服的位垒(或势垒)就越小，从而形核率也就越高，形核率提高会增大等轴晶区，减少柱状晶区，使金属的凝固组织得到均匀细化[6]。

5．结论

(1)在板坯和方坯连铸中间罐内对高碳钢和低合金钢进行电脉冲处理可明显细化连铸坯的凝固组织，同时也增加了凝固组织中形成等轴晶的比例。

(2)电脉冲处理可减少高碳钢和低合金钢方坯和板坯的中心缩孔、疏松和内部裂纹等低倍缺陷，有助于提高连铸坯质量。

(3)电脉冲处理可以改善高碳钢和低合金钢的柱状晶形态，使粗大的柱状晶组织转变为细短的柱状晶(或等轴晶)组织形态。

(4)试验尚在继续进行，关于电脉冲处理对铸坯组织影响机理的研究将进一步进行。