脈沖磁致振蕩（PMO）凝固均質化技術
一、研究的背景與問題
目前全世界98%以上鋼種采用連鑄工藝生產。但是由于選分結晶和強制冷卻，連鑄坯存在嚴重的宏觀偏析和軸線縮孔等缺陷，極大地影響了最終產品性能均勻性和質量穩(wěn)定性。
為解決凝固均質化這一冶金領域共性技術難題，國內外冶金工作者進行了長期不懈的努力，先后產生了末端壓下和電磁攪拌等技術，為冶金工業(yè)的發(fā)展做出了重要貢獻。但是這些技術都要求鑄坯末端位置穩(wěn)定，而實際生產中隨著鋼種的改變、澆鋼溫度和冷卻條件的波動，鑄坯凝固末端位置很難穩(wěn)定。凝固均質化至今仍然是國際冶金界產品質量提升的瓶頸。
二、技術解決方案
研究和生產實踐表明，細化凝固組織是解決凝固均質化的最有效途徑，促進異質形核是細化凝固組織的最佳手段。
PMO技術的提出源于對脈沖電流細化金屬凝固組織機制的認識。1990年，麻省理工學院Flemings等發(fā)現(xiàn)脈沖電流（簡稱ECP）可顯著細化金屬凝固組織。國內外許多學者進行了大量跟蹤研究，但是ECP細化金屬凝固組織的機制和條件一直沒有完全搞清楚，這一發(fā)現(xiàn)也沒能轉化成工業(yè)技術。
上海大學先進凝固技術中心（簡稱CAST）經(jīng)過系統(tǒng)的理論和實驗研究，揭示了ECP細化金屬凝固組織的機制和條件。熱分析和分階段處理實驗表明，ECP通過“電致過冷”促進形核，其作用的最有效時間是形核階段（圖1a）。隔離網(wǎng)實驗證實，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“結晶雨”（圖1b），從而細化整個金屬熔體。
基礎研究表明，要細化凝固組織，不需要在整個金屬熔體內引入電磁場，而只要把電磁場導入固液界面前沿即可。受此啟發(fā)，CAST團隊提出了脈沖磁致振蕩（Pulse Magneto-Oscillation，簡稱PMO）凝固均質化技術。
PMO技術是將脈沖激勵電流導入纏繞在鑄坯外側的感應線圈，從而在固液界面前沿產生特定的電磁感應效應，達到細化凝固組織的目的（見圖2）。
PMO細化金屬凝固組織的機制：
（1）通過特定的整形存儲電路將大功率工頻電轉換成脈沖激勵電流并導入環(huán)繞在鑄坯外側的感應線圈，從而在鑄坯固液界面附近形成特定的感應脈沖磁場（圖3a）；
（2）感應脈沖磁場通過“磁致過冷”效應（圖3b）促進金屬液形核；
（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和重力（圖3c）作用下漂移下沉并增殖，形成“結晶雨”（圖3d），從而細化鑄坯凝固組織。
三、主要創(chuàng)新性進展
1、通過對ECP細化凝固組織機制和條件認識這一理論突破（ACTA Materialia, 2007,55(9):3103-3109），形成了PMO凝固均質化原創(chuàng)核心技術（專利ZL200510030736.4）。
2、圍繞核心技術研制了PMO電源（專利ZL200510030739.8）和PMO感應線圈（專利ZL201420157140.5）兩個關鍵裝備，可滿足連鑄生產多包連澆作業(yè)要求（見圖4）。
3、在此基礎上形成了將PMO應用于連鑄生產的技術、裝備和規(guī)范的系統(tǒng)集成（圖5），最終實現(xiàn)了PMO技術工業(yè)應用。
4、本發(fā)明的技術優(yōu)勢及同類技術比較
從技術特點看，PMO是在鋼液凝固初期促進大量形核，因此PMO效果顯著、穩(wěn)定、能耗低，對處理時坯殼厚度沒有嚴格要求（對連鑄工藝容偏度較高）。此外，PMO處理時鋼液平穩(wěn)，感應線圈可以安放在靠近結晶器的位置。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。從實際應用效果看，由于PMO對澆鋼過熱度和坯殼厚度沒有嚴格要求，并顯著改善鑄坯質量，應用該技術可以提高鑄坯拉速，從而提高企業(yè)生產效率。
四、應用情況與效果
PMO技術首先在蘇鋼240方坯連鑄機建立了示范線。2016年起，在中天特鋼電爐廠五機五流連鑄機組實現(xiàn)整套安裝并開始商業(yè)應用。其鑄坯斷面為260×220矩形坯，生產30余鋼種，連鑄工藝復雜多變。經(jīng)過調試和優(yōu)化PMO處理工藝，實現(xiàn)了鑄坯及軋材質量的顯著提高。在PMO技術支持下，對中包過熱度的寬容度明顯提升，并且實現(xiàn)連鑄拉速提高10%以上。
1、利用PMO改善鑄坯低倍組織
產品檢測統(tǒng)計表明，PMO技術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（見圖6和圖7）。
2、利用PMO減少鑄坯心部碳化物
對于軸承鋼等高碳鋼，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
通過對主要連鑄工藝參數(shù)（拉坯速度和中間包過熱度）變動對PMO均質化效果影響發(fā)現(xiàn)，PMO對連鑄工藝容偏度較高，可以在過熱度控制不理想的情況下穩(wěn)定鑄坯質量，也可在保持鑄坯質量的前提下，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程度顯著增加。
