提高拉速可以显著提高连铸机的生产效率，拉速增加后钢液/铸坯经过结晶器、 二冷区的时间变短，铸坯内部钢液的过热散失变差，铸坯凝固组织中等轴晶区域变少，铸坯的中心偏析、宏观偏析加重 [1-7]。 脉冲磁致振荡技术(Pulsed magnetooscillations,PMO)可以通过增加初生晶核数量，抑制柱状晶生长，提高铸坯的等轴晶区域占比，改善铸坯中心质量，实现凝固匀质化[8-16]。 该技术已在中天钢铁实现工业化应用，将PMO处理线圈安装在二冷区一区位置，与EMS(Electromagnetic Stirring，电磁搅拌)组合形成国际首创的PMO-EMS组合调控技术，并通过金属学会认证。
为了研究PMO-EMS组合调控在提高铸坯生产拉速中的应用潜能，进行了试验，以期扩大产能。
1 试验条件和设备
采用五机五流， 铸坯断面尺寸为220 mm×260 mm， 配有PMO-EMS组合调控均质化装置和二冷区自动配水冷却的连铸机进行增产提质试验，以扩大稳定性生产。根据试验设计工艺，比水量自动控制，试验工艺方案见表1，连铸装置如图1所示。 在保证连铸坯和轧制棒材的质量前提下， 通过优化工艺参数小批量试验以及扩大稳定性生产进行， 实现提产增效目标，挖掘铸机产能潜力。
图1 PMO-EMS 组合调控装置示意图
Fig.1 Schematic of PMO-EMS combined control
表1 试验方案
Tab.1 Experimental scheme
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试验过程中在钢包浇铸中间时段取连铸坯样，后续加工取横断面试样，分别进行低倍腐蚀和横断面碳成分分布情况检测。
将试验炉次的取样铸坯采用锯床切割，铣床加工平面，磨床精磨表面后获得待酸洗横断面的低倍样品，低倍样品在温度为70 ℃的盐酸：水的体积比为1∶1的盐酸水溶液中腐蚀15 min， 获得低倍组织，根据标准 《优质结构钢连铸坯低倍组织缺陷评级图》(YB/T 153-2015) 进行铸坯横向低倍组织进行评级。为了避免统计的偶然性，每个工艺试验统计的低倍样本不少于200个。根据统计结果分别计算两种工艺条件下45钢和40Cr的中心疏松和偏析的评级平均值，并统计各个级别的百分比占比情况，以此对比评价两种工艺下铸坯质量。
2 结果与分析
图2为不同工艺下铸锭质量分析图， 可以看出，在工艺2中1.15 m/min拉速下45钢和40Cr的铸坯低倍中心疏松评级平均值均有下降，45钢中心偏析评级平均值明显下降，40Cr中心偏析评级平均值略有下降。
图2 45 钢和40Cr 工艺参数优化前后中心质量平均评级对比
Fig.2 Comparison of average quality rating between 45 steel and 40Cr before and after process parameter optimization
由图3(a)中两个工艺下的45钢铸坯中心疏松评级级数比例对比可见， 工艺1中拉速为1.05 m/min，铸坯中心疏松评级≤1.0级的占比为53.6%，均为1.0级，≥2.0级的占21.4%； 工艺2中拉速为1.15 m/min，铸坯中心疏松评级≤1.0级的占比为63.7%， 提高10%，且0.5级的占比为24.6%，≥2.0级的消失，仅有26.3%的1.5级。 铸坯中心偏析评级≤0.5级的占比为72.4%，基本不变，但是攻关后0.0级的提高了20%，同时占比3.6%的1.5级的消失，取代为了1.0级。 由图3(b)中两个工艺下的40Cr铸坯中心疏松评级级数比例对比可见，工艺1中拉速为1.05 m/min，铸坯中心疏松评级≥2.0级的占35.3%， 由2.9%为2.5级，工艺2中拉速为1.15 m/min，铸坯中心疏松评级≥2.0级的占2.6%，且未出现2.5级的，降低了32.7%。工艺1中0.5级占比5.9%，工艺2中提高了12%，占比为17.9%。由此可见，1.0级和1.5级占比两个工艺下相差不大。工艺1中拉速为1.05 m/min，40Cr铸坯中心偏析评级≤0.5级的占比为61.8%， 工艺2中拉速为1.15 m/min， 铸坯中心偏析评级≤0.5级的占比为97.4%，且48.7%为0.0级。工艺1下的铸坯低倍组织中心偏析评级38.2%的≥1.0级， 包含8.8%的1.5级，5.9%的2.0级改善为了工艺2下2.6%的1.0级，中心偏析得到大幅改善。
图3 45 钢和40Cr 工艺参数优化前后中心质量评级占比对比
Fig.3 Comparison of proportion of quality rating between 45 steel and 40Cr before and after process parameter optimization
采用碳硫分析仪检测碳含量，对两种工艺下45钢铸坯横断面从内弧到外弧钻屑取样进行碳成分检测，并计算偏析指数。 钻屑取样位置如图4所示，碳偏析指数分布如图5所示。 由图5可以看出，两种工艺下，连铸坯横断面从内弧到外弧的碳分布偏析指数基本在1±0.05范围内，从整体波动综合看，工艺2下碳偏析指数分布更优一些。
图4 铸坯横剖面碳偏析分析取样位置示意图
Fig.4 Schematic diagram of sampling location for carbon segregation analysis in cross section of cast billet
图5 铸坯横截面从内弧到外弧碳偏析指数对比
Fig.5 Comparison of carbon segregation index from inner arc to outer arc in the cross section of cast billet
综上可以看出，连铸机拉速由工艺1中的1.05m/min提升到了工艺2中的1.15 m/min。 采用PMO-EMS组合调控均质化技术，优化二冷参数、结晶器电搅电压参数、PMO峰值电压以及末搅电压参数，45钢和40Cr的铸坯低倍中心质量都得到了保证，中心疏松和中心偏析可以得到显著改善。
连铸生产拉速提高， 结晶器内的钢液过热量散失需要的时间增加，延缓中心等轴晶的生成。 同时，拉速提高会增加液穴深度， 扩大固液两相区， 促进“凝固桥”的形成，加剧中心偏析和缩松缩孔。提高结晶器电磁搅拌电压可以增大结晶器内电磁力， 增加的钢水流动，促进过热散失，打碎树枝晶，增加等轴晶核心。 加大二冷区的比水量可以加快钢液过热的散失，形成稳定坯壳厚度，避免漏钢风险，同时增大凝固前沿温度梯度，抑制柱状晶粗大。
二冷区对钢液进行PMO处理过程中，可以在固液界面附近以及凝固前沿产生振荡作用， 在磁致过冷作用下大量初始晶核在凝固前沿产生， 并在振荡作用下从凝固前沿脱落成为自由晶核，晶核脱落、游离、增殖，形成“结晶雨”效应，增加初生晶核和细小等轴晶数量[17-19]。 在PMO引起的强制对流的作用下，温度分布更加均匀，有利于初生晶核的存活和长大，促进等轴晶区的扩大， 同时垂直于拉坯方向的梯度降低，抑制柱状晶生长，增大中心组织致密的等轴晶区域，有利于改善中心偏析和缩松缩孔[20-22]。 PMO脉冲频率的提高， 可以增加单位时间内的初生晶核数量， 有利于促进晶粒等轴晶化减轻枝晶搭桥对补缩的影响， 在提高拉速下可以保证单位时间内对钢液施加的脉冲能量，维持对钢液的处理次数，保持处理效果，减轻铸坯心部缺陷。
末端电磁搅拌作用在凝固末端糊状枝晶两相区，破坏和阻碍粗大柱状晶的长大，使心部富集溶质的糊状液体分散趋于均匀，同时产生较多的晶核，扩大等轴晶区，实现晶粒细化。增大末端电磁搅拌电压可以增大电磁力，打断铸坯心部搭桥，可以改善凝固补缩效果，均匀富集溶质，显著减轻中心偏析、中心疏松缺陷。
3 结论
(1)采用PMO-EMS组合调控均质化技术，优化连铸E-EMS、PMO、F-EMS电磁参数以及二冷区冷却比水量，提高结晶器电搅强度，保证单位内PMO处理次数和施加的能量。
(2)增大末端电磁力实现糊状区富集溶质均匀化，打断搭桥，改善补缩，通过工艺参数优化，可以实现提质增产目标。
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