脉冲电流对钢液凝固过程中夹杂物迁移行为的影响
裴西硕1，贾丹彬1，田晨1，袁磊1，于景坤1,2
(1. 东北大学冶金学院， 辽宁 沈阳 110819；2. 东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室， 辽宁 沈阳 110819)
摘要：在钢液凝固过程中施加脉冲电流，通过观察和分析凝固试样中夹杂物的形貌、数量、尺寸和分布状态等，以研究施加脉冲电流对钢中夹杂物迁移行为的影响。结果表明，在脉冲电流的影响下，钢液凝固初期形成的晶核会发生脱落而形成结晶雨；在晶核下落过程中，钢中夹杂物也会随之向下部迁移。随着脉冲电流强度的逐渐增加，钢锭上、中部夹杂物逐渐减少，晶粒尺寸变小。在本试验条件下，当电流强度为56.6 A/cm2 时，钢锭上、中部夹杂物的总面积和总数量分别比未施加脉冲电流时的降低46.9% 和35.6%。对于夹杂物含量要求较高的钢种而言，在钢锭凝固过程中施加脉冲电流，控制结晶雨的形成和迁移过程不失为一种有效去除钢中夹杂物、提高钢锭质量的技术手段。
关键词：脉冲电流处理； 夹杂物； 钢液凝固； 结晶雨； 定向迁移
1 引言
目前，一些重要的机械部件以及大型铸锻件多采用模铸生产，因此，钢锭质量对于钢制品质量和性能具有重要影响。钢中夹杂物是衡量钢锭质量的重要指标，如果钢中夹杂物尺寸较大或集中分布，则会破坏钢基体的连续性，使其内部组织不均匀，从而引起钢制品的韧性、塑性和疲劳强度等的下降。为了降低钢中夹杂物含量，在钢锭生产过程中采用了诸多夹杂物去除技术和工艺，例如，在出钢过程中采用渣洗、在精炼过程中采用气体搅拌、在铸锭过程中采用真空浇注等技术措施。另外，为了进一步促进钢中夹杂物上浮，在钢水浇注结束后，一般在冒口中添加发热剂和保温材料以延迟钢水凝固，防止产生结晶雨而影响夹杂物上浮。
结晶雨是指钢水先期凝固而成的晶体从凝固层表面脱落、从钢锭顶部向钢锭底部迁移所形成的游离晶体。结晶雨在向下迁移过程中，会黏附钢中夹杂物并携带其一同迁移至底部形成等轴晶堆积区。对用于高品质机械部件和大型铸锻件生产的钢锭来说，需将钢锭底部含有较多夹杂物的部分切除才能使用。一般来说，在钢锭凝固过程中，形成的结晶雨越多、由其黏附并携带到底部的夹杂物也越多。因此，对于一些高端钢种，特别是对夹杂物含量要求较高的钢种而言，控制结晶雨的形成和迁移过程不失为一种有效去除钢中夹杂物、提高钢锭质量的技术手段。与一般钢锭生产工艺相比，采取前述技术措施会使钢锭底部含有夹杂物的部分增加。在将其作为高端钢种使用时，需要将这部分切除，因此会使钢锭收得率降低，进而影响经济效益。但作为高级别钢种来说，其品质提升所带来的效益会抵消钢锭收得率降低所带来的影响。
近年来，脉冲电流处理技术因效率高、能耗低等优点而被广泛应用于冶金领域。研究表明，对凝固过程中的熔融态金属施加脉冲电流时，会使在固液界面处析出的晶体断裂进入熔体，进而细化金属组织结构并改善其性能。
基于上述研究思路，若在钢锭凝固过程中施加脉冲电流，则会影响钢锭的凝固过程，特别是结晶雨的形成及迁移过程，进而影响钢锭质量。为此，本研究通过在钢液凝固过程中施加脉冲电流，分析其对钢中夹杂物数量、形态、分布和尺寸变化的影响，探索脉冲电流对夹杂物迁移行为的影响规律，为生产高品质钢提供一条参考途径。
2 精选图表
3 结论
(1)在钢液凝固过程中，因受到脉冲电流所产生的箍缩效应、振荡效应和焦耳热效应等因素的影响，并且在重力作用下，初生晶核会不断脱落并向下迁移而形成结晶雨。在晶核下落的过程中，钢中夹杂物也会被捕获并一同向下迁移。
(2)随着脉冲电流强度增加，上、中部夹杂物去除效果明显。当电流强度为28.3 A/cm2时，上、中部夹杂物总面积和总数量分别比未施加脉冲电流时降低了25.8%、17.1%；当电流强度为56.6 A/cm2时，上、中部夹杂物的总面积和总数量分别比未施加脉冲电流时降低了46.9%和35.2%。
(3)随着结晶雨效应逐渐增强，钢锭中部和下部的晶粒细化效果显著。当电流强度为56.6 A/cm2时，中部晶粒的尺寸比未施加脉冲电流时降低了41.9%，下部晶粒的尺寸比未施加脉冲电流时降低了51.7%。
(4)脉冲电流处理技术具有效率高、能耗低的优点。对于一些高端钢种，特别是对夹杂物含量要求较高的钢种而言，在钢锭凝固过程中通入脉冲电流，控制结晶雨的形成和迁移过程不失为一种有效去除钢中夹杂物、提高钢锭质量的技术手段。
