脈沖磁致振蕩（PMO）凝固均質(zhì)化技術(shù)
一、研究的背景與問(wèn)題
目前全世界98%以上鋼種采用連鑄工藝生產(chǎn)。但是由于選分結(jié)晶和強(qiáng)制冷卻，連鑄坯存在嚴(yán)重的宏觀偏析和軸線縮孔等缺陷，極大地影響了最終產(chǎn)品性能均勻性和質(zhì)量穩(wěn)定性。
為解決凝固均質(zhì)化這一冶金領(lǐng)域共性技術(shù)難題，國(guó)內(nèi)外冶金工作者進(jìn)行了長(zhǎng)期不懈的努力，先后產(chǎn)生了末端壓下和電磁攪拌等技術(shù)，為冶金工業(yè)的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。但是這些技術(shù)都要求鑄坯末端位置穩(wěn)定，而實(shí)際生產(chǎn)中隨著鋼種的改變、澆鋼溫度和冷卻條件的波動(dòng)，鑄坯凝固末端位置很難穩(wěn)定。凝固均質(zhì)化至今仍然是國(guó)際冶金界產(chǎn)品質(zhì)量提升的瓶頸。
二、技術(shù)解決方案
研究和生產(chǎn)實(shí)踐表明，細(xì)化凝固組織是解決凝固均質(zhì)化的最有效途徑，促進(jìn)異質(zhì)形核是細(xì)化凝固組織的最佳手段。
PMO技術(shù)的提出源于對(duì)脈沖電流細(xì)化金屬凝固組織機(jī)制的認(rèn)識(shí)。1990年，麻省理工學(xué)院Flemings等發(fā)現(xiàn)脈沖電流（簡(jiǎn)稱(chēng)ECP）可顯著細(xì)化金屬凝固組織。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了大量跟蹤研究，但是ECP細(xì)化金屬凝固組織的機(jī)制和條件一直沒(méi)有完全搞清楚，這一發(fā)現(xiàn)也沒(méi)能轉(zhuǎn)化成工業(yè)技術(shù)。
上海大學(xué)先進(jìn)凝固技術(shù)中心（簡(jiǎn)稱(chēng)CAST）經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究，揭示了ECP細(xì)化金屬凝固組織的機(jī)制和條件。熱分析和分階段處理實(shí)驗(yàn)表明，ECP通過(guò)“電致過(guò)冷”促進(jìn)形核，其作用的最有效時(shí)間是形核階段（圖1a）。隔離網(wǎng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，形核的位置是固液界面附近，晶核在電磁力和重力作用下脫落、漂移、增殖，形成“結(jié)晶雨”（圖1b），從而細(xì)化整個(gè)金屬熔體。
基礎(chǔ)研究表明，要細(xì)化凝固組織，不需要在整個(gè)金屬熔體內(nèi)引入電磁場(chǎng)，而只要把電磁場(chǎng)導(dǎo)入固液界面前沿即可。受此啟發(fā)，CAST團(tuán)隊(duì)提出了脈沖磁致振蕩（Pulse Magneto-Oscillation，簡(jiǎn)稱(chēng)PMO）凝固均質(zhì)化技術(shù)。
PMO技術(shù)是將脈沖激勵(lì)電流導(dǎo)入纏繞在鑄坯外側(cè)的感應(yīng)線圈，從而在固液界面前沿產(chǎn)生特定的電磁感應(yīng)效應(yīng)，達(dá)到細(xì)化凝固組織的目的（見(jiàn)圖2）。
PMO細(xì)化金屬凝固組織的機(jī)制：
（1）通過(guò)特定的整形存儲(chǔ)電路將大功率工頻電轉(zhuǎn)換成脈沖激勵(lì)電流并導(dǎo)入環(huán)繞在鑄坯外側(cè)的感應(yīng)線圈，從而在鑄坯固液界面附近形成特定的感應(yīng)脈沖磁場(chǎng)（圖3a）；
（2）感應(yīng)脈沖磁場(chǎng)通過(guò)“磁致過(guò)冷”效應(yīng)（圖3b）促進(jìn)金屬液形核；
（3）晶核在脈沖電磁力作用下脫離形核位置，在電磁阿基米德效應(yīng)和重力（圖3c）作用下漂移下沉并增殖，形成“結(jié)晶雨”（圖3d），從而細(xì)化鑄坯凝固組織。
三、主要?jiǎng)?chuàng)新性進(jìn)展
1、通過(guò)對(duì)ECP細(xì)化凝固組織機(jī)制和條件認(rèn)識(shí)這一理論突破（ACTA Materialia, 2007,55(9):3103-3109），形成了PMO凝固均質(zhì)化原創(chuàng)核心技術(shù)（專(zhuān)利ZL200510030736.4）。
2、圍繞核心技術(shù)研制了PMO電源（專(zhuān)利ZL200510030739.8）和PMO感應(yīng)線圈（專(zhuān)利ZL201420157140.5）兩個(gè)關(guān)鍵裝備，可滿(mǎn)足連鑄生產(chǎn)多包連澆作業(yè)要求（見(jiàn)圖4）。
3、在此基礎(chǔ)上形成了將PMO應(yīng)用于連鑄生產(chǎn)的技術(shù)、裝備和規(guī)范的系統(tǒng)集成（圖5），最終實(shí)現(xiàn)了PMO技術(shù)工業(yè)應(yīng)用。
4、本發(fā)明的技術(shù)優(yōu)勢(shì)及同類(lèi)技術(shù)比較
從技術(shù)特點(diǎn)看，PMO是在鋼液凝固初期促進(jìn)大量形核，因此PMO效果顯著、穩(wěn)定、能耗低，對(duì)處理時(shí)坯殼厚度沒(méi)有嚴(yán)格要求（對(duì)連鑄工藝容偏度較高）。此外，PMO處理時(shí)鋼液平穩(wěn)，感應(yīng)線圈可以安放在靠近結(jié)晶器的位置。PMO不僅可以用于方坯連鑄，也適用于圓坯、矩形坯和板坯連鑄。
從作用效果看，PMO處理坯的碳偏析和低倍組織顯著改善。從能耗看，PMO能耗低。從實(shí)際應(yīng)用效果看，由于PMO對(duì)澆鋼過(guò)熱度和坯殼厚度沒(méi)有嚴(yán)格要求，并顯著改善鑄坯質(zhì)量，應(yīng)用該技術(shù)可以提高鑄坯拉速，從而提高企業(yè)生產(chǎn)效率。
四、應(yīng)用情況與效果
PMO技術(shù)首先在蘇鋼240方坯連鑄機(jī)建立了示范線。2016年起，在中天特鋼電爐廠五機(jī)五流連鑄機(jī)組實(shí)現(xiàn)整套安裝并開(kāi)始商業(yè)應(yīng)用。其鑄坯斷面為260×220矩形坯，生產(chǎn)30余鋼種，連鑄工藝復(fù)雜多變。經(jīng)過(guò)調(diào)試和優(yōu)化PMO處理工藝，實(shí)現(xiàn)了鑄坯及軋材質(zhì)量的顯著提高。在PMO技術(shù)支持下，對(duì)中包過(guò)熱度的寬容度明顯提升，并且實(shí)現(xiàn)連鑄拉速提高10%以上。
1、利用PMO改善鑄坯低倍組織
產(chǎn)品檢測(cè)統(tǒng)計(jì)表明，PMO技術(shù)使軸承鋼方坯截面等軸晶率提高至35%以上，碳偏析降至1.06及以下，基本消除了碳偏析和軸線縮孔（見(jiàn)圖6和圖7）。
2、利用PMO減少鑄坯心部碳化物
對(duì)于軸承鋼等高碳鋼，宏觀偏析往往造成鑄坯中心存在一定數(shù)量的偽共晶碳化物。PMO通過(guò)改善鑄坯偏析顯著減少鑄坯心部的共晶碳化物（圖8 ）。
3、利用PMO提高拉坯速度
通過(guò)對(duì)主要連鑄工藝參數(shù)（拉坯速度和中間包過(guò)熱度）變動(dòng)對(duì)PMO均質(zhì)化效果影響發(fā)現(xiàn)，PMO對(duì)連鑄工藝容偏度較高，可以在過(guò)熱度控制不理想的情況下穩(wěn)定鑄坯質(zhì)量，也可在保持鑄坯質(zhì)量的前提下，較大幅度提高拉坯速度。圖9是鑄坯中心碳偏析指數(shù)的軸向分布狀態(tài)，可以看出，PMO處理坯的中心碳偏析顯著優(yōu)于未經(jīng)PMO處理的鑄坯。拉速提高，PMO處理坯的中心碳偏析在軸向上波動(dòng)略有增加。但是，拉速提高，未經(jīng)PMO處理鑄坯的中心碳偏析波動(dòng)程度顯著增加。
