电磁搅拌对连铸板坯质量的影响

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1983.03.013 北京钢铁学院学报 1983年第3期 电磁搅拌对连铸板坯质量的影响 电治教研室邢文彬 摘要 在连续铸钢中采用电磁搅拌技术，可以有效的改善铸坯质量。]【】【】【]]本文报 导了电磁搅拌(EMS)对炭素钢连铸坯质量的影响，并提出了几点初步看法： 一、研究方法 实验是在R10M的全弧型连铸机上进行，电磁搅拌器安装在离结晶器钢液面4.6m处（图 1)。试验钢种全部是炭素钢，浇铸及搅拌条件均见表1。 根据实验要求，研究方法如下： 1.按试验设计要求，从铸坯上取出纵断面及 p p 横断面低倍组织试样，以观察与比较凝固组织的特 d 征， d d EMS 2.分析位于板坯厚度中心沿着宽度方向的炭 含量变化，对炭的偏析规律进行了讨论， 3.在铸坯内弧侧沿着厚度方向按取样要求取 Q O 出若干试片，利用x射线透过法进行观察和统计大 型夹杂物的含量及分布，讨了夹杂物的分布规律。 图1 电磁搅拌器线卷安装位置 表1 实验板坯的搅拌条件及浇铸条件 钢 成分(%) 电磁搅拌条件 浇铸 断面尺寸 (mm2) 频 电 种 号 P 流 搅拌 格变备注 11 I2 f 方 分) SS41 200×12400.100.0030.0211.5 600 925 1350 向右 0.8 30 SS41 2 他 0.100.0050.0222.5 400900 1557 0.9 23 SS41 3 0.100.0050.0222.5 1900 970 2092 0.9 18 SAE040 4 200×1120 0.410.0040.0201.5400970 1285 0.9 31 SAE040 5 0.430.0040.0181.5800940 1512 台 0.9 30 SK-5 6 200×940 0.860.0060.0220.7500 800 789 0.7 33 “文中数据来自作者在日本某公司研究所的部分实验结果 122

北 京 钢 铁 学 院 学 报 年第 期 电磁搅拌对连铸板坯质量的影响 电冶教研 室 邢文彬 摘 要 在连 续铸钢 中采用 电磁搅拌技术 ， 可 以有效的改 善铸坯 质量 。 ‘ ‘ ‘ 】 本文报 导 了电磁搅拌 对炭素钢连铸坯 质量 的影 响 ， 并提 出了几点 初步看法 一 、 研 究方法 实验是 在 的全 弧 型连铸机 上进行 ， 电磁搅拌器 安装在离结晶器钢 液面 处 图 。 试 验钢种 全部是 炭素钢 ， 浇铸及搅拌 条件均 见 表 。 根据 实验要求 ， 研究方 法如下 按试 验设计要求 ， 从铸坯 上取 出纵断面 及 横断 面 低 倍组织试样 ， 以观察与 比较凝 固组织 的特 征 ， 分析位于 板坯厚 度中心 沿着宽度方 向的炭 含量 变化 ， 对炭的 偏析规律进行 了讨论， 在铸坯 内弧侧 沿着厚 度方 向技取样 要求取 出若干 试片 ， 利用 射线 透过 法 进行 观察和统计大 型 夹 杂物的 含量 及分布 ， 探 讨 了夹杂物的 分布规 律 。 臼峨面 图 电磁 搅伴器 线卷安装位置 表 实验板坯 的 搅拌条件 及浇铸 条件 备往 几月一了、 人小刀比今一目‘‘ ‘口一户曰内甘︺门八甘，呢 ︸、一尹卜公， 之、产一曳临十七卜几犷‘ ‘、 钊人口锅汇卜爪了 习矛‘‘‘ 产、了一八︺︺八甘 成分 电磁 搅拌 条件 川 一 率频 流电卜 流电几 断 搅拌 方 向 钢种 坯板号 一 ， ，’ ，’ 一 ， 向右 ， ， 工 产队旧刀产的旧洒仁 甘八”︸︵︸ 八八 匕任勺 … 八﹃ ，‘一 任人，上‘月 八甘二一 … 八甘﹄ ‘，上‘，‘ · · 一 · · ﹃ 文 中数 据来 自作者 在 日 本某公 司研 究所 的部分实 验 结果 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1983．03．013

二、分析检验结果及讨论 1.电诚搅拌对凝固组织的影响 众所周知，没有电磁搅拌的凝固组织，由于弧型铸机的特点，柱状晶的生长条件不同， 造成了内弧侧的柱状晶生长比外弧侧较为发达【】。出现了沿厚度方向凝固组织的不对称 性，等轴晶率较低，某些钢种（例如不锈钢）甚至可以形成柱状晶穿晶结构。 电磁搅拌之后就不同了，为了说明电磁搅拌对凝固组织的影响，下面仅选取1铸还加以 分析说明（照片1,2）。 (A) 内测 外弧侧 方 (B) 柱 短 柱 向乱 品 照片1：1号铸坯两窄边（左和右）厚度中心的纵断面凝固组织 （A)一试样低倍组织 (B)一低倍组织示意图 左 (右B 浇铸方向 (B) 虾轴品 等轴品 “白带”伏品极 区组 照片2：1号铸坯宽度中心的纵断面凝固组织 (A)一试样低倍组织(B)一低倍组织示意图 123

‘ 犷 二 分 析 检 验 结 果 及 讨 论 电磁 搅 拌 对疑 固 组 织 的影 响 众 所 周知 没 有 电磁 搅 拌的 凝 固 组织 由 于 弧型 铸 机 的特 点 柱 状 晶 的 生长 条 件 不同 造成 了 内 弧侧 的 柱状 晶 生 长 比外 弧侧 较 为 发达 〔 出 现了 沿 厚 度 方 向凝 固 组织 的 不 对 称 性 等 轴 晶率 较 低 某些 钢 种 例 如 不锈 钢 甚 至可 以 形 成柱 状 晶 穿晶 结 构 电 磁 搅拌 之 后 就 不同 了 为 了 说 明 电磁 搅 拌刘 凝 固 组织 的 影 响 下 面 仅选 取 铸坯 加 以 分析 说 明 照 片 一嘿…黔缨黔矍 竿 一黝耀照 片 号矍铸坯 两 窄 边 黝左 和 右 厚 度 麟中心 的 纵 断 面凝 固 组 鄂织 一 试 样 低倍 组 织 一 低倍 组 织 示意 图 ， 、 一黝照 片 号 铸坯 宽 度 中心 的 纵 断面 凝 固 组 织 一 试样 低 倍 组织 一 低 倍 组织 示 意 图

照片1是1#铸坯两窄边厚度中心的纵断面凝固组织，除了激冷层（照片1,2中的极细柱状晶 区)和柱状晶基本上左、右对称外，发现从柱状晶区向中心礙固时，左右两边的凝固组织在方 向上都发生了急剧的变化，且右边比左边更为明显，形成了一个特殊晶区一“白带”（white band)。 照片2是1铸坯宽度中心的纵断面凝固组织，从其特征来看，主要是在邻近柱状晶区的 中心一侧，生成了方向紊乱的柱状晶（或分枝柱状晶）、内弧侧与外孤侧稍有不同。 此外，还可以看到铸坯上对称存在的“白带”区及中心等轴晶区。 电磁搅拌对凝固组织的影响，怎么样呢？首先是增加了铸坯的等轴晶率。随搅拌强度不 同，等轴晶的细化程度和等轴晶带的宽度也不同。本实验中的1,2,3号铸坯(（含炭量相 同)，搅拌强度参数1√f分别为1350,1557,2092时，等轴晶率实测结果分别为48%， 52%,52.5%。发现1√f值从1557增加到2092时，等轴晶率的增加很少，说明等轴晶率随搅 拌强度的增加有一定的限度。关于这个问题，河西等〔1的研究结果也提出了类似的观点。 等轴晶的形成机理，许多人曾作过不少研究【！，一般认为由于电磁搅拌加速了钢液的 流动和改变了液相穴内的传热与传质过程，从而对柱状晶的生长方向产生了一定的影响【)， 也为凝固前沿的柱状晶熔断和机械折断创造了有利条件。在液相穴的上部，由于钢液的温度 较高，这些断下来的游离晶片可能又被熔解或部分熔解。而未被熔解的晶片则阻碍了柱状晶的 发展，在一定的凝固条件下，生成了分枝柱状晶区，在液相穴的下部，钢液的流动速度很弱， 钢液的温度也几乎接近于它的凝固温度，未熔解碎晶片的存在，大大促进了等轴晶区的形成。 实验证明，在电磁搅拌作用下，钢液流动方向发生变化的地方有利于生成分枝柱状晶， 这个特点明显的区别于一般铸坯的凝固组织，这种分枝柱状晶对于铸坯的组织结构来说，介 于等轴晶和柱状晶之间。因此，有些人【11在衡量电磁搅拌对凝固组织的影响时，往往把分 枝柱状晶和等轴晶合在一起讨论。 第二是电磁搅拌的铸坯柱状晶区的宽度变窄，从纵断面和横断面上的柱状晶成长方向来 看，都表现出不是严格的垂直于散热表面。这主要是由于钢液流动的特征不同所造成的。 第三是电磁搅拌后有些铸坯上产生了明显的“白带”区。而且该区的凝固组织特征至今 尚未弄清，但可以肯定该处的钢液流动处于一个复杂的状态。有明显的炭元素偏析，夹杂物 含量也很少。值得指出的是虽然电磁搅拌带来了某些元素的负偏析，但在低倍组织照片上并 不见得都能观察到“白带”的存在。实验证明，最佳搅拌参数的选择，将对改善成分偏析和 减轻“白带”有明显的效果。 2.电磺搅拌对钢液流动的影响 (左) 首先是钢液的流动方向，许多研究者 证明【11]，凝固过程中柱状晶的生长 上部 10 2 方向与钢液流动的方向存在一定的关系， 根据铸坯厚度中心的纵断面凝固组织（照 35 片1)的特征，即可推断左、右两窄边钢 中部流40 液流动的方向。图2示意的表示了1#铸坯 右窄边各层的凝固组织。它可以形象地说 下部流 明铸坯液相穴内钢液流动的特征。例如： 根据搅拌器中心位置的凝固组织方向发生 54321 的变化（距右窄边表面的40mm处），就可 图21号铸中钢液流动模型 124

照 片 是 纷 铸坯 两 窄边 厚 度中心的纵 断而 凝 固组织 ， 除 了激 冷层 照片 ， 中的极 细柱状 晶 区 和柱状 晶 垫本 上左 、 右 对称外 ， 发现从柱状 晶 区 向 中心 凝 固时 ， 左右 两边的凝 固组织 在方 向上都发生 了急剧 的变 化 ， 且右 边 比左边更 为 明显 ， 形 成 了一个特殊 晶 区一 “ 白带 ” 。 照 片 是 铸坯宽度 中心 的纵断面 凝 固组织 ， 从其特征来看 ， 主 要是在邻近 柱状 晶 区的 中心一侧 ， 生成 了方 向紊 乱 的柱状 晶 或分枝柱状 晶 、 内弧侧 与外 弧侧 稍有 不 同 。 此外 ， 还 可 以看 到铸坯 上对称 存在 的 “ 白带 ” 区 及中心等轴晶 区 。 电磁搅拌对凝 固组 织 的影响 ， 怎么样 呢 首先是增加 了铸坯 的等轴晶 率 。 随搅拌强度 不 同 ， 等轴晶 的细化程度和等轴晶带 的宽度也 不同 。 本 实验 中的 ， ， 号铸坯 含炭量 相 同 ， 搅拌强度参数 侧了分别 为 ， ， 时 ， 等 轴晶率 实测结果 分别 为 ， ， 。 发 现 亿 植从 增加 到 时 ， 等轴晶 率的 增加 很少 ， 说 明等轴 晶率随 搅 拌强度的增 加有一 定的 限度 。 关于这个 问题 ， 河西 等 了 的 研 究结果 也提 出了类似 的 观点 。 等轴晶 的形成机 理 ， 许 多人 曾作过 不少 研 究 ， 一 般认 为 由于 电磁搅拌加 速了钢 液的 流 动 和改 变 了液相穴 内的 传热 与传质过程 ， 从而对柱状 晶的 生长方 向产 生 了一 定的影 响 ， 也为凝 固前 沿的 柱状 晶熔断 和机械折断 创造 了有 利 条 件 。 在 液相 穴的 上部 ， 由于钢 液 的温 度 较高 ， 这些断下来 的游 离晶片可 能 又被熔解或 部分熔解 。 而未被熔解 的晶片则阻碍 了柱状 晶 的 发展 ， 在一定 的 凝 固条件下 ， 生成 了分枝 柱状 晶 区， 在液 相穴 的下 部 ， 钢 液的 流动 速度 很 弱 ， 钢 液的温 度也 几乎接近于 它的 凝 固温度 ， 未熔解 碎晶片的 存在 ， 大大促 进 了等轴晶 区的 形 成 。 实验证 明 ， 在 电磁搅拌作用下 ， 钢 液流 动方 向发 生变化的地方有 利于 生成 分枝 柱状 晶 ， 这个特点 明显的区 别 于一 般铸坯 的凝 固组 织 ， 这种 分枝柱状 晶 对于 铸坯 的组织结 构来 说 ， 介 于 等 轴晶 和柱状 晶 之 间 。 因此 ， 有些人 ‘ 。 在衡量 电磁搅拌 对凝 固组 织 的 影 响时 ， 往往把 分 枝柱状 晶 和等 轴晶 合在一 起讨论 。 第二是 电磁搅拌的 铸坯柱状 晶 区 的宽度变 窄 ， 从纵断面 和横断面 上的柱状 晶成 长方 向来 看 ， 都表现 出不是严格的垂 直于 散 热表面 。 这主 要是 由于钢 液 流 动的特征 不 同所造成的 。 第三是 电磁搅拌后有些铸坯 上产 生 了明显 的 “ 白带” 区 。 而且 该 区 的 凝 固组织特征至 今 尚未弄清 ， 但可 以肯定该 处的钢 液流 动处于一个复杂的 状 态 。 有 明显 的炭元 素 偏析 ， 夹杂物 含声也很少 。 值得 指 出的是 虽然 电磁搅拌带来 了某 些 元素 的 负偏析 ， 但 在低 倍组织照片 上并 不见得 都能 观察到 “ 白带 ” 的存在 。 实验证 明 ， 最佳搅拌参数的选择 ， 将对改 善成分偏 析 和 减轻 “ 白带” 有明显的效果 。 电曦搜摔对钥玻流动的形晌 首先是钢 液的流 动方 向 ， 许多研 究者 证 明 。 ‘ 。 凝 固过 程 中 柱状 晶 的 生长 方 向与钢 液流 动的方 向存在一 定的 关系 ， 根据铸坯 厚 度 中心的纵断面 凝 固组织 照 片 的特征 ， 即可 推断左 、 右 两 窄边钢 液 流 动 的方 向 。 图 示意 的 表示 了 铸坯 右 窄边 各层 的 凝 固组织 。 它可 以形 象地 说 明铸坯 液 相穴 内钢 液 流 动的特征 。 例如 根据搅拌器 中心位 置的凝 固组织方 向发 生 的 变化 距右窄边 表面 的 处 ， 就可 左 右 旧艇泥健留圈赛︶︵‘ 图 号铸 中钢液 流动模型

以推断这里的钢液流动方向有U,和U4,通过分析可以认为这是电磁搅拌器引起的钢液流 动。总体来看，液相穴内的钢液流动特点，在本实验条件下，层流是主要的，方向相反的层 流之间也可能产生涡流，特别是两个层流流股正面冲突之后，还会产生乱流，从而使该处的 凝固组织变得复杂化。 第二是钢液流股的位置，根据各层凝固组织距铸坯表面的实际距离，可以计算出流股沿 着浇注方向所处的位置。 第三是钢液流股的流速，由于铸坯内钢液流动状态非常复杂，流动速度的测定在技术上 存在许多困难。本次研究通过分析钢液流动引起的炭的偏析，定量的计算了钢液流股的流 速。关于这方面，佐佐木等11)已详细报导过他的研究结果，并提出了如下的关系式 1一K。 i=K。 =2.88×103(U/V)0.58 (1) 式中： K。一溶质元素的有效分配系数 K。一溶质元素的平衡分配系数 U一钢液的流动速度(cm/sec) V一凝固速度(cm/sec) 具体计算中 Ke=C。 (2) ,一铸坯中炭的化学分析值 C。一中间包内钢水的平均含炭量 K:C=0.1~0.45%时 K。=0.18 C≈0.85%时 K。=0.36 1.0 0.9 0.8 0.7 0.7 (左) 40(右) 30 730 20 10 25 3035 40 4550504540353025 矩左窄面的距离（mm) 距右窄面的距离（mm) X> 图3钢液流动速度和有效分配系数的变化关系 125

以推断这 里的 钢 液流 动 方 向有 和 ， 通 过 分析可 以 认为 这是 电磁 搅拌器 引起 的钢 液流 动 。 总体来看 ， 液 相穴 内的钢 液 流 动特 点 ， 在 本 实验 条件下 ， 层 流是 主 要的 ， 方 向相反 的 层 流 之 间也可 能产生涡 流 ， 特 别 是 两个层 流 流股 正面 冲突之 后 ， 还 会产 生 乱流 ， 从 而使 该 处的 凝 固组织 变得 复杂 化 。 第二是钢 液 流股 的位 置 ， 根据 各层 凝 固组 织 距铸坯 表而 的 实际 距 离 ， 可 以计算出流 股 沿 着浇 注方 向所 处的 位 置 。 第三 是钢 液 流 股 的 流 速 ， 由于 铸坯 内钢 液流 动状 态非常复杂 ， 流动 速度的测 定在 技 术上 存在许 多困 难 。 本 次 研究通 过分析 钢 液 流 动 引起的炭的 偏 析 ， 定量 的计算了 钢 液流 股 的 流 速 。 关于这 方面 ， 佐 佐木等 “ 已详 细报 导过他 的 研究结 果 ， 并提 出了如下 的关 系式 一一 一 一 “ ” “ 式 中 。 一溶质元素的有效分 配 系数 。 一溶质元素 的 平 衡 分 配 系 数 一钢 液 的 流 动 速度 一凝 固速度 具体计算中 ︸一 玉 刀 一铸坯 中炭 的化学 分析值 。 一 中间包 内钢 水 的 平均 含炭量 。 时 。 岛 时 。 。 、心“。 吕 左 ’ “ ’ 口 一 ， 八 口、 。明。 … 图 钢液流动速度 和 有效分 配 系数 的变化关 系

V=K: 2d (3) K一凝固系数(mm/min1/2) d一坯壳厚度(mm) 利用式(2)通过碳的分析值计算出Ke,利用式(3)计算出实际铸坯不同坯壳厚度时 的凝固速度，则钢液的流动速度就可以计算出来（图3）。随着钢液流动速度增大，，有效分 !系数变小，实验中六块铸坯计算的结果指出：由电磁搅拌引起的水平流到窄边与坯壳冲突 之后而产生的上升流的速度为10~35cm/sec左右，下降流为510cm/sec左右。·搅拌强度 参数I√「和钢液流动速度最大值(Umax)之关系如图4所示，随着【√f增大，Umax也 增大，I√f相同的情况下，高炭钢 的Umgx较小。 水平流可以根据横断面柱状晶的 60 ●C=0.10 偏斜角去定量度估算，用冈野等【1】 50 ▲Cg0.46(%) 的经验式计算得出：上部流速度为10 ©C=0.86 40F cm/sec,中部流速度为40cm/sec, 下部流由于相应的柱状晶偏转角度难 以测定，故速度还不能定量。 钢液的流动速度，据研究者不同 10以 的计算方法，结果也各有差异。但对 “3”号铸坯分别采用佐佐木等【11】 0- 300 9001200150018002100 和高桥等[]的计算方法，所得结果 IVT (图5)还比较接近。 图4I√f和Umx的关系 3.电磁搅拌对正、负偏析的影 响 一般来说，在钢液边流动边凝固 60 ·一佐佐木等 时，其溶质元素容易形成负偏析，流 50 动速度愈快，而且凝固速度慢时，负 ·一高桥等 偏析会更显著。 电磁搅拌对碳元素偏析的影响： 日 (1)电磁搅拌条件相近的铸 20 坯，在两个窄边离表面大约40mm附 近都形成了负偏析带（图6），负偏 析峰值也在此处。大约位于搅拌器的 25 30 35 40 中心，负偏析程度右边比左边大。 离表面距离(mm) “白带”区几乎与炭的负偏析完全对 图53号铸坯右窄边钢液流动速度的计算结果 应。在负偏析带的铸坯中心一侧形成 了明显的正偏析带： (2)高炭钢铸坯负偏析带发生在离窄边表面约60mm处，大大移向了铸坯中心一侧，并 且在炭的负偏析区看不出低倍上的“白带”特征，这也许是炭的相对偏析度较为轻微的缘故。 (3)搅拌强度增大，·负偏析量也增加(K。相同时)，搅拌强度参数与炭元素的有效 126

一凝 固系数 一坯 壳厚 度 利用 式 通 过碳 的 分析值计算 出 ， 利用式 计算出实际铸坯 不 同坯 壳厚度时 的 凝 固速度 ， 则钢 液 的 流 动 速度就可 以 计算 出来 图 。 随 着钢 液流 动速度增大 ， 有效分 配 系数变小 ， 实验中六块铸坯计算的 结果指 出 由电磁搅拌 引起的水 平 流到窄边与坯 壳 冲突 之 后 而产生的 上升 流的 速度为 沁 。 左右 ， 下降 流为 左右 。 搅拌强度 参数 亿 和钢液流 动速度最大值 之关系如 图 所示 ， 随 着 训 增大 ， 二 。 也 增大 ， 侧 相 同的情 况下 ， 高炭钢 的 二 。 较小 。 二 ‘ 勺 二 ， ‘ 介 厂 ’ ‘ 日沪户 沪 。‘ 日， 匀 水 平流可 以根据 横断面柱状晶的 偏 斜角去定量 度估算 ， 用 冈野 等 ’ “ ， 的经 验式计算得 出 上部流速度为 ， 中部流速度为 ， 下部流 由于 相应 的 柱状晶偏转角度难 以测 定 ， 故速度还 不能 定量 。 钢 液的 流动 速度 ， 据 研究者 不 同 的 计算方 法 ， 结 果也 各有差 异 。 但 对 “ ” 号铸坯 分别采用 佐佐木等 ‘ ’ 和 高桥 等 的 计算方 法 ， 所得结果 图 还 比较接 近 。 电磁 搅拌对 正 、 负偏析 的影 晌 一 般来说 ， 在钢 液 边流 动边凝 固 时 ， 其 溶质元素 容易形 成 负偏 析 ， 流 动 速度愈快 ， 而且 凝 固速度慢时 ， 负 偏 析 会更 显著 。 电磁搅拌对碳元素偏 析的影 响 电磁 搅拌 条件 相近 的 铸 坯 ， 在 两个窄边 离表面 大 约 附 近 都形 成 了负偏 析带 图 ， 负偏 析峰值 也在 此 处 。 大 约 位于 搅拌器 的 中心 ， 负 偏 析 程 度右 边 比左 边大 。 “ 白带 ” 区 几乎 与炭 的 负偏析完全 对 ‘ 二‘ 一 护一 加切抓功时 又 一 一 了 图 侧 和 的关 系 ‘ 一 佐佐木等 、 － 离桥等 幼 ︵。日。” 离 报面距离 《 图 号铸坯 右 窄边 钢 液 流动速度 的计算结果 应 。 在负偏 析带 的 铸坯 中心一 侧 形成 了明显 的 正 偏 析带 高炭钢 铸坯 负偏 析带发生在 离窄边 表面 约 处 ， 大大移向了铸坯 中心一侧 ， 并 且 在炭 的 负偏 析 区看 不 出低 倍 上的 “ 白带 ” 特 征 ， 这也许是炭 的 相 对偏 析度较为轻微 的 缘故 。 搅拌 强度增 大 ， 负偏 析量 也增加 。 相 同时 ， 搅拌强度参数与炭元素 的 有效

4T. 正 003D0方0000的5100807050030 左定游衣派的打（日中) 阳省边表的题高(m) 写65号，还的碳偏折和凝固组织的对应关系 1.0 0.9 0.8 C=0.10 s0.7 E △C≈0.45（单方向揽拌） 0c/ oC=0.86 0.5 3006009001200150018002100 U Ivi 图7【√f和K。min的关系 图8凝固过渡层的钢液流动情 况示意图 分配系数的关系如图7所示，低炭钢比高炭钢更易形成偏析。 上述现象，均与钢液凝固过程的特征有关，六家知道，在凝固过渡层中，固、液同时存 在，随着柱状晶的生长，凝固前沿集中了被炭浓化了的钢液，当有钢液流动时，就产生了大 魔钢液和被发浓化的钢液之间的混流现象，在凝固前沿会发生冲洗作用（图8）。同时钢液流 股的一部分还会侵入到柱状晶枝晶之间，将枝晶间被炭浓化了的钢液也进行冲洗（图8中的 虚线)。侵入的钢液流速随冲洗点固相率（或凝固分率）Sh的减小而变大(u>u>u:) [。 丧2列出了部分实验铸坯中的炭偏析状况(K。值)，根据计算结果可以把钢液的流动 速度，负偏析程度和凝固速应的关系表示为图9。显然，如钢液流动速度相同，凝固速度愈 慢，则冲洗效果愈加明显，麦3如固相率和正、负偏析的有效分配系数的关系。在本实验条 127

弓 号挤坯 的碳 扁析和凝 固组 织 的对应 关 系 洛耳。 、 二 。 · 。 二 · 小、 众单方向搅拌 ‘ 、 。 。 二 。 留一‘ 叨 功石 八 一 图 训 和 。 ‘ 的关系 卜畏 抓 ‘ “ 、 杖 户抓 ’ 图 凝 固过 渡 层 的铜液 流 动情 况 示 意 图 分 配 系数 的关系如 图 所 示 ， 低 炭钢 比高炭钢 更 易形成偏 析 。 上述 现象 ， 均 与钢 液凝 固过 程 的特 征有关 。 六 家知 道 ， 在凝 固过 渡层 中 ， 固 、 液 同时存 在 ， 随 若柱状 晶 的 生长 ， 凝 固前 沿集巾 了被炭浓 化 了的钢 液 ， 当有钢 液 流 动时 ， 就产 生 了大 量钢 液 和被炭浓 化的 钢 液 之 间的 混流 现象 ， 在 凝 固前 沿 会发 生冲洗 作用 图 。 同时 钢 液 流 股 的一 部分还 会侵 入 到柱状 晶 枝 晶 之 间 ， 将 枝 晶 间被炭浓 化 了的 钢 液 也 进行 冲洗 图 中的 虚线 。 侵 入 的 钢 浓流 速随 冲洗点 固相率 或 凝 固 分率 的减小 而变大 。 】 友 列 出 了部分 实验 铸坯 中的 炭偏 析状 况 。 值 ， 根据 计算结果 可 以 把 钢液 的 流动 速 度 ， 负偏 析 程 度 和 凝 固速 应的 关 系表 示为图 。 显 然 ， 如 钢液 流 动 速 度相 同 ， 凝 固速 度愈 慢 ， 则 冲洗 效果愈 加 明 显 ， 表 如 固相 率 和正 、 负偏 析 的 有效 分 配 系数的 关 系 。 在 本实验条

件下，低碳和中碳钢的固相率约30~40%而高碳钢大概是由于搅拌强度太小的缘故，最大固 表2 铸坯中炭的有效分配系数，凝固速度及钢液的流动速度 铸坯号 凝固系数 离右窄边表面 凝固速度 钢液流动速度有效分配系数 (K) 距离(mm) (c m/sec) 备注 (c m/sec) (K。) 35 0.0081 15.80 0.81 18.5 4 0.0071 23.43 0.74 47 0.0060 1.17 0.95 35 0.0081 28.75 0.73 3 18.5 40 0.0071 35.96 0.67 47 0.0060 0 35 0.0081 0.47 0.975 18.5 40 0.0071 18.73 0.775 4 0.0060 0 1 35 0.0081 0.44 0.976 6 18.5 40 0.0071 13.63 0.809 4 0.0060 9.30 0.833 表3 固相率和正负偏析的有效分配系数 铸坯号 C% K。 Umax Kemin -) Shma× ema黑 (+) 搅拌方向备注 1 0.10 0.18 1350 26.5cm/sec 0.72 0.34 1.10 向右窄边 3 0.10 0.18 2092 36.0n 0.67 0.40 1.10 4 0.41 0.18 1285 21.7n 0.75 0.30 1.05 5 0.43 0.18 1512 30.6 n 0.69 0.38 1.05 6 0.86 0.36 789 5.2 0.895 0.16 1.01 1.0 (Kgg0.10) 4、号铸还 0.5 1、3母钠坯 0.9 6号 韩还 0.4 0.8 V (cm/sec) 0.3 0.7 0.007 0.006 号0. 0.6 10 20304050 U (em/see) 3006009001200150018002200 Ivf 图9 钢液流动速度和有效分配 系数的关系 图10I√f和Shmax的关系 相率仅16%（图10）。随着搅拌强度的增加，负偏析量也增加，即凝固过渡层的冲洗作用变 大。I√F相同时，低炭钢更容易被冲洗。相反，高碳钢因为搅拌力较小，钢液流速较慢所 128

件下 ， 低碳 和 中碳 钢的 固相率约 而高碳 钢大概是 由于搅拌强 度太小的 缘故 ， 最大固 表 铸坯 中炭的有效 分配系数 ， 凝 固速度 及钢液的 流动速度 铸坯 号 … 凝 黔 数 离右窄边 表面 凝 固速 度 钢 液流动速度 距 离 任怪口任井月叮甘尸门‘民了﹄ 表 固相率 和正 负偏析的有效分 配 系数 备一 ﹃注 泳拼甘 一 … 。 搅拌方 向 勺目 向右 窄 边 ，上‘，上， ，上八 户， 姆姆玲朴器 ﹄产工甘 品甘‘‘ 洲 声﹄甘几， 产‘甘 洲自弓 州岛月 一 妈日 ，， 产沪工口﹄ 产﹄甘几‘ 尸，︸甘 洲产工 尸沪工甘 洲尸 产︸甘内， 尹沪肠仙 洲户口月 虎。 · 。 七 幻 斌 图 钢液 流 动速度和 有 效分 配 系数 的关 系 图 。 随 着搅拌 强度 的增 加 ， 图 侧 和 二 。 的关 系 相率 仅 负偏析量 也增 加 ， 即 凝 固过 渡层 的 冲洗 作用 变 大 。 亿 相 同时 ， 低 炭 钢更 容易被冲洗 。 相反 ， 高碳 钢因为搅拌力较小 ， 钢浓 流速 较 慢 所

以相对负偏析量有所减少。 至于铸坯左、右两个窄边的负偏析程度不同，那是由于钢液流动状态不同而引起的。 另外，负偏析带的内侧形成了一个明显的正偏析带，它的形成与凝固组织有密切的关 系，与等轴晶的形成几乎相互对应。关于这个问题，藤井等【1]也提出过同样的观点。在实 际凝雨过程中，负偏析带的内侧存在着被炭浓化的钢液，在它的流动速度逐渐减弱，过热度 很小和不断冷却的条件下，这部分钢液很可能就在负偏析带的附近进行凝固，形成了炭正偏 析的等轴晶带。 4.电碰搅拌对铸还中夹杂物分布的影响 检验结果如图11所示，明显晉出电磁搅拌后夹杂物分布沿着铸坯厚度方向从内弧侧表面 到厚度中心出现了两个分布峰值，分别约在离面30mm和55mm处发生。为了对比方便， 不加电磁搅拌时的夹杂一般分布曲线【1]①也画在图11中。人所共知，弧型铸机板坯中的大 型夹杂物容易在：内弧侧距表 ② 面板厚的士附近集聚【11。 集聚量的多少决定于钢液流 股运我的夹杂物在液相穴中 300 2 的侵入深度。关于这个问 260 10 题，恒生等141曾进行过详 200 细研究。 150外 聚 将实验结果与铸坯液湘 100 穴内的钢液流动及铸坯的礙 固过程连系起来进行分析 (图12)，可以发现，第一分布峰 10 值出现在距铸坯内侧孤表面 距情还内孤表面的距离（m血) 25~30mm的范图内，这个 图11电磁搅拌时夹东物分布的影响 位置离结晶器液面约1.3m, ①恒生等行的研究结果(>≥50μ的夹杂物分布) ②本次研究结果(3号铸还) 即钢液上部流的上部，该处 的钢液流动比上部流较慢， 外 内 夹杂物指敏 从侵入式水口喷出钢流中的 12 一部分夹杂物很容易被柱状 钢液面 晶所捕捉。实验结果证明，大 型夹杂物(>300μ)的90% 都在这一峰值区；第二个分 布峰值出现在内弧侧表面 约55mm附近，这个位置离 结晶器液面4.2m,卸钢液中 部流的上部，此处由于电磁 搅拌为环状流股所包围，钢 液的定向流动速度变慢，山 口②一表示沿着铸还宽度流动的钢液的水平浅方向 搅拌产生的下降流所带的夹 )一由左向右 。一由右向左 杂物就要被这个地区的分枝 图12沿着浇注方向夹杂物分布峰值的出现位置 129

以相 对 负偏析量 有所减 少 。 至于 铸坯 左 、 右 两个 窄边 的 负偏析 程 度 不 同 ， 那是 由于 钢液 流动状态 不 同 而 引起的 。 另外 ， 负偏 析带 的 内侧 形 成 了 一 个 明显 的 正 偏 析带 ， 它 的形 成 与凝 固组织 有密 切的关 系 ， 与等 轴晶 的 形 成 几乎相互 对应 。 关于 这个 问题 ， 藤井 等 ’ 也提 出过 同样 的 观点 。 在 实 际 凝 固过 程 中 ， 负偏 析带 的 内侧 存在着被炭浓 化的 钢 液 ， 在它 的 流 动速度逐渐 减弱 ， 过 热度 很小 和 不断 冷 却的 条件下 ， 这 部 分钢 液 很可 能 就 在 负偏 析带 的 附近进行 凝固 ， 形 成 了炭正 偏 析 的 等 轴晶带 。 电磁搅拌对铸 坯 中夹 杂物分 布的影 晌 检 验结果 如 图 所示 ， 明显 看出电滋搅拌后 夹 杂物分布 沿着铸坯 厚 度方 向从 内弧侧 表面 到厚 度 中心 出现 了两个分布峰 值 ， 分 别 约在 离友面 和“ 处发生 。 为 了对 比方 便 ， 不加 电磁 搅拌时 的 夹杂一 般分布 曲线 “ ‘ ，① 也 画 在图 中 。 人 听共知 ， 弧 酗铸机 板坯 甲的大 ’ 摄帐把橙成娜︵︾众 。 衅撤习叮叶琳朴“卜 、碟袱矛基昔阔八叫 ‘ 的 距钧坯内弧表面的距 离 《 ， 图 电磁 搅拌时夹 杂物分布 的影响 ① 恒 生等 【 “ 的研 究结果 件 的夹 杂物分布 ② 本 次研 究 结果 号 铸 坯 夹杂物指救 扭 外侧弧 侧内弧 俐液面 衬 二 丈从 、 ’ ‘ 日 月咭 口 姐圈日 型 夹杂物容易 在 内弧侧 距 表 面 板厚 的 去 附近 集聚 ’ “ 。 集聚 量 的 多少 决 定于 钢 液 流 股 运 载的 夹杂 物 在 液 相 穴 中 的 侵 入 深度 。 关于 这 个问 题 ， 恒生 等 ’ ‘ 曾进行 过详 细研究 。 将实验 结果 与铸坯 液 相 穴 内的 钢 液 流 动 及铸坯 的凝 固过程 连 系 起 来 进行 分析 图 ，可 以发现 ， 第一 分布峰 值 出现在 距铸坯 内侧 弧 表面 的 范 围 内 ， 这 个 位 置 离结晶 器 液面 约 ， 即 钢液 上部流 的 上部 ， 该 处 的 钢液 流 动 比 上部 流较慢 ， 从侵 入 式水 口 喷 出钢 流 中的 一 部分夹杂 物很 容易被柱状 晶所捕捉 。 实验 结果 证 明 ， 大 型夹杂 物 协 的 都在这一 峰值 区 第二个 分 布峰值 出现 在距 内弧侧 表 面 约 附近 ， 这个位 置 离 结 晶器 液 面 ， 即钢液 中 部 流的 上部 ， 此 处由于 电磁 搅拌为环状 流 股所 包 围 ， 钢 液 的 定 向流 动 速 度变慢 ， 山 搅拌产生 的下 降 流所带 的 夹 杂物就要被这个地 区的 分枝 一表示沿着铃坯宽度流动的钥浓的 水平流万 向 份 一 由左向右 一 由右向左 图 沿着浇注 方 向夹 杂物分布 峰值 的 出现位 皿

柱状晶（或方向紊乱的柱状晶）所捕捉。实验结果也证明了，这个峰值区大型夹杂物极少。 图12中的两个峰值之间，大约相当于上部流附近，也是由于钢液流动的冲洗作用，形成 了夹杂物减少的区域，与所谓的“白带区”相对应。 前面讲到的夹杂物被柱状晶所捕捉的分析与铸坯的凝固组织特征也有较好的对应关系， 照片3为“3”号铸坯的内弧侧凝閩组织。第一个峰值区的凝固组织是明显的柱状晶，第二 个峰值区的凝固组织是方向素乱的柱状晶（即分枝柱状晶）。 内弧 一纵断面 机断面 极细柱状鼻 柱状品 白带区组织 方向乱的柱快鼎 白带区组织 等轴品 一厚度中心 10m m 照片33号铸坯宽度中心的纵横断面的凝固组织 电磁搅拌作用下，夹杂物随钢液流股侵入的深度与搅拌方向关系很大，成田等)的实 验结果证明：向下搅拌时，铸坯中的夹杂物显著增加，这是臼于搅拌产生的下降流和水口喷 出的钢液流股产生了合流，从而将夹杂物带到了较深处的缘故。根据本文曾讨论过的铸坯内 钢液流动的状况可以预料：铸坯左窄边由于搅拌产生的下降流和水口喷出的钢液流股形成了 合流，夹杂物的侵入深度将会增加。当然，影响夹杂物侵入深度的因素比较复杂，上述实验 条件下的夹杂物分布规律仍是值得今后继续研究的一个问题。 三、总结 曾在提高铸坯等轴晶率减少中心偏析的电磁搅拌，至今仍是冶金工作者所普遍重视的一 个课题，许多问题并未得到解决。本文通过前面的讨论，初步提出以下几点看法： 1.电磁搅拌对于改善铸坯的凝固组织有明显的作用，可以显著地提高铸坯的等轴晶 率，由于强化了对柱状晶凝面先端的熔断和机械折断，使内外弧侧的分枝柱状晶区也明显的 增加。在一定的连铸条件下，都有一个最佳的搅拌参数。在本实验中，认为搅拌强度参数 I√f大约在1500左、右较好， 2.在本实验条件下，根据搅拌强度不同，计算出的钢液流动速度最大可达35cm/sec, 3.电磁搅拌器安装在离结晶器液面4.6m附近，搅拌范围大约是4.0m左右，上部域距 结晶器液面在2~4.6m之间，下部域距结晶器液面在4.66.0m之间， 4.单方向搅拌的条件下，两窄边钢液流动的速度和方向有着不同的变化，所以凝固组 织也不对称，形成负偏析的程度也不相同。同时低炭钢比高炭钢更容易形成负偏析： 5.在本实验的条件下，铸坯中夹杂物在内弧阅的分布有两个“峰值”，几庄“白带” 130

柱状晶 或方 向紊乱的柱状晶 所捕 捉 。 实验结果 也证 明了 ， 这个峰值区大型央杂物极少 。 图 中的 两个 峰值 之 间 ， 大 约 相 当于 上部 流附近 ， 也是 由于 钢液 流动 的 冲洗作用 ， 形 成 了夹杂物减少的 区域 ， 与所谓 的 “ 白带 区” 相 对应 。 前面讲 到的夹杂物被柱状 晶所捕 捉的 分析 与铸坯 的 凝 固组织特征也有较好 的对应关系 ， 照片 为 “ ” 号铸坯 的 内弧侧 凝 固组织 。 第一 个 峰值 区 的凝 固组 织 是 明显 的 柱状 晶， 第二 个峰 值区的 凝 固组织是方 向紊乱的柱状 晶 即分枝 柱状晶 。 内甄侧 泰 踢 获 汉 在 犯 扭 攀肠愁脚舞娜 月】 黔铃荡 淤 卜 拙油 袋 舒到 盔万触徽尽么 飞盈份犷线 石巴沪 盆峨弓 七哪怂口进吕 白带区组织 白带区组织 纵断面 内弧侧 伏断面 ‘ 一 一一 曰‘ 一 一一一一 厚度中心 一 丝鱼竺 ， 照片 号铸坯 宽度 中心 的纵横断 面 的凝 固组 织 电磁搅拌作用下 ， 夹杂物随钢 液 流股侵 入 的 深度 与搅拌方 向关系很大 ， 成 田 等 ’ “ 】 的 实 验结果证 明 向下 搅拌时 ， 铸还 中的夹杂 物显著增加 ， 这是 由于 搅拌产 生的下降 流和水 口 喷 出的 钢 液 流股产 生了合 流 ， 从而将夹杂物带 到 了较 深处的 缘 故 。 根据 本文 曾讨论过 的铸坯 内 钢液 流动的状 况可 以预 料 铸坯 左窄边 由于搅拌产 生的下降流 和水 口 喷出的 钢液 流股形 成了 合流 ， 夹杂物 的侵入 深度将会增加 。 介了 热 ， 影 响夹杂物侵入 深度的 因素 比铰复杂 ， 上述 实 验 条件下 的 夹杂物 分布规律仍是 值得 今后继 续研究的一个问题 。 二 汪 若姿 一 、 矛义公 口 旨在提 高铸坯 等轴晶 率减少 中 』舀偏 析的 电磁搅拌 ， 至 今仍是 冶金 工作者所普遍 重视 的 一 个 课 题 ， 许 多问题并 未得 到解决 。 本 文通过前面 的讨论 ， 初步提 出 以下 几点看法 电磁搅拌 对于改 善铸坯 的 凝 固组织 有 明显 的作用 ， 可 以显著地 提 高铸坯 的等轴晶 率 ， 由子强 化 了对柱状 晶 凝 固先端 的熔断 和机械折断 ， 使 内外 弧侧 的 分枝 柱状 晶 区也 明显 的 增加 。 在一 定的连 铸条件下 ， 都有一 个最佳 的搅拌参数 。 在 本实验中 ， 认 为搅拌强度参数 侧 大约在 左 、 右 较好 ， 在本实验条件下 ， 根据 搅拌 强度 不 同 ， 计算 出的 钢 液 流 动速度 最大 一 可达 电磁搅拌器 安装 在 离结 晶器 液面 附近 ， 搅拌 范围大约是 左右 ， 上部域 距 结 晶器 液面 在 之 间 下 部域 距 结晶器 液面 在 之 间 单方 向搅拌的 条件下 ， 两窄边钢 液流 动的 速 度和方 向有着 不 同的 变化 ， 所 以凝 固组 织 也 不 对称 ， 形成 负偏 析的 程度也 不相 同 。 同时低炭 钢 比高炭 钢更 容易 形成 负偏析 ， 在 本 实验 的 条件下 ， 铸坯 中夹杂物 在 内弧侧 的 分布 有两 个 ，’ 条值 ” ， 几 在 “ 白带

风夹杂物含量很少。 综上所述，电磁搅拌对于改善铸坯质量起了良好的作用，同时也认为负偏析等问题的存 在会给铸坯质量带来坏的影响。如使电磁搅拌尽快在连续铸钢中推广使用，今后必须根据连 铸的钢种、选用的机型和铸坯断面尺寸等条件合理地选择搅拌器的参数（如功肃、频率、电 压、电流、搅拌方向等)及其安装的位置，同时加强电磁搅拌过程的理论研究，以求不断改 善电磁搅拌提高铸坯质量的效果。 参考文献 〔1)弧形连续铸钢设备北京钢铁学院冶金机械教研室编1976年 〔2)川上公成铁之钢1981年 ,〔3)宫村6铁上钢1977年 〔4)森3神户制钢技报1979年 〔5)竹内6铁之钢1980年 〔6)石墨G铁上钢1974年 〔7)河西%（未发表）1981年 〔8)连铸钢坯质量史篾兴编译 〔9)高桥%铁之钢1975年 〔10)长谷川6特殊钢1981年 〔11)佐夕本6铁上钢，1979年 〔12)罔野5铁上钢1975年 〔13)藤井7铁上钢1979年 〔14)恒生6铁上钢1974年 〔15)成田弓铁钢1979年.· 131

冈夹杂 物 含量 很少 。 综 上所述 ， 电磁搅拌对于改 善铸坯 质量 起 了 良好 的 作用 ， 同时也 认 为负偏 析等问题 的 存 在会给铸坯 质量 带 来坏 的 影 响 。 如 使电磁搅拌尽快 在连 续 铸 钢 中推广使用 ， 今后 必 须 根据连 铸的 钢种 、 选 用 的 机 型和铸坯 断面 尺 寸 等条件 合理地 选择搅拌器 的 参数 如 功率 、 频率 、 电 压 、 电流 、 搅拌方 向等 及 其安装 的 位 置 ， 同 时加 强 电磁搅拌过程 的理论研究 ， 以求 不断 改 善电磁搅拌提 高铸坯 质量 的效果 。 参 考 文 献 弧形连 续铸钢设备 北 京钢 铁 学院冶金机械教研室 编 年 川 上公 成 铁 巴钢 年 宫村 心 铁 七钢 年 森 心 神户 制 钢 技报 年 竹 内 今 铁 巴钢 年 石墨 弓 铁 巴钢 年 河西 今 未发 表 年 连 铸 钢坯 质量 史 震兴 编译 高桥 今 铁 之钢 年 年年月片了乙匕甘口曰分通 。 甘 曰，‘了 几上孟土 二 铁 巴钢一 长谷 川 弓 佐 夕 本 弓 阁野 弓 藤井 弓 恒生 仑 成 田 弓 年 只年 一 、产、 · ， 户产， 、沪‘ · 沪产尹、﹄、产、户、 、产几、、尹、 拐