王璞等：连铸控流模式对大方坯及棒材组织结构与宏观偏析影响 ·1085· 组织不对称性，由此可以推测，大方坯连铸M 状晶生长到达甚至穿过铸坯几何中心)，依据YB/ EMS强搅拌促进等轴品形核率或铸机对弧不良、 T4003一2016标准低倍组织缺陷评级图，中心缩 铸坯行走不稳促进枝晶游离均有可能增强这种不 孔缺陷级别均为1.5级，如图3(a)和3(b)所示；外 对称组织形态.固化末端搅拌工艺，传统直通水口 弧侧的柱状晶长度随M-EMS的开启而有所变短 浇注模式下，M-EMS关闭(115-S3B)和开启工况 而五孔水口的浇注模式下，铸坯中心等轴晶区面 (115-S3Z)时的铸坯内弧侧都形成了穿晶结构（柱 积明显增大，中心缩孔也得到明显减轻（图3(c) (a b 5cm 5cm 图3结品器不同控流模式下大方坯横截面低倍情况.(a)115-S3B:(b)115-S3Z:(c)536-S1B Fig.3 Macrostructure of the bloom cross-section under different flow control modes in the mold:(a)115-S3B:(b)115-S3Z:(c)536-S1B 利用Photoshop软件分别对结晶器不同控流 又可促使凝固前沿成分过冷，最终导致大方坯中 模式下铸坯的等轴晶比例进行统计，结果如图4 心等轴晶率明显高于常规直通式水口工况 所示.可见，直通水口浇注模式下，M-EMS电流由 2.2末端搅拌与拉速对凝固组织的影响 0增大到800A时，铸坯中心等轴晶率由6.06%仅 生产实践表明，铸坯等轴晶率的提高往往会加 增大至11.71%：而即使不开启M-EMS,甚至在生 重铸坯疏松、点状偏析缺陷.为了综合提升大方坯 产试验工况中整体过热度还略高的情形下，五孔 内部质量，在使用五孔水口的前提下，仍需要配合铸 水口浇注模式下铸坯中心等轴晶率仍可达23.1%. 流凝固末端流动与凝固控制技术，如采用F-EMS或 五孔水口强化了流动钢液对坯壳凝固前沿的冲 调整拉速控制搅拌位置等方法，以钝化中心等轴 刷、并促进枝晶臂的“熔断”2-2到，游离的枝晶臂便 枝晶、实现固液混合的质量补缩(Mass feeding).图5 成为铸坯中心等轴晶形核与发展的基底(Substrate). 为常规生产拉速0.38mmin1工况下不同F-EMS参 一定强度旋流还可以强化钢液与初凝坯壳的换 数大方坯横、纵截面低倍对比.由图5(a)和(c)可 热、促进过热耗散，从而也有利于等轴晶的形核 知，增加F-EMS搅拌强度(579-S1A>578-S2A),铸坯 此外，流动产生的溶质冲刷效应会导致坯壳凝固 横截面中心疏松明显减轻，由2.0级降低为1.5级； 前沿溶质元素含量降低，致使当地液相线温度升 纵截面断续的中心缩孔数量明显减少，中心质量得 高、钢水实际过热度降低综合可见，五孔水口 以提升.此时，铸坯试样578-S2A和579-S1A的中 浇注模式下铸坯凝固不仅对钢水过热度敏感性下 心等轴晶率分别为30.9%和31.0%.可见，该工况 降，其流动模式既能增加铸坯液相穴中的形核率， 下F-EMS强度增大后的铸坯等轴品率变化不大，但 疏松级别明显降低，说明更大的末端搅拌强度促进 25 23 了中心等轴枝晶的有效钝化、从而提高了铸坯中心 20 致密度，也将有助于均质性的提高 图6为拉速0.38mmin工况下不同F-EMS参 15 11.71 数热轧圆棒横、纵截面低倍对比.两种末搅强度 10 工艺下轧材横、纵截面中心致密度良好、均表现 6.06 为探伤合格.同时，轧材纵截面心部均表现有断续 的深色条带状细密疏松组织，这显然是由铸坯等 轴晶区分散疏松经轧制变形所致.鉴于凝固末期 115-S3B 115-S3Z 536-S1B Sample number 等轴晶间的疏松点常伴随点状偏析2，其尺度大 图4结品器不同控流模式下铸坯等轴品率 小与等轴品尺寸与形貌有关、并将对所形成的轧 Fig.4 Equiaxed crystal ratios under different flow control modes in the 材带状偏析缺陷宽度与断面成分均匀性有重要影 mold 响，从而也会影响轧材产品热处理性能的一致性组织不对称性. 由此可以推测，大方坯连铸 M￾EMS 强搅拌促进等轴晶形核率或铸机对弧不良、 铸坯行走不稳促进枝晶游离均有可能增强这种不 对称组织形态. 固化末端搅拌工艺，传统直通水口 浇注模式下，M-EMS 关闭 (115-S3B) 和开启工况 (115-S3Z) 时的铸坯内弧侧都形成了穿晶结构（柱 状晶生长到达甚至穿过铸坯几何中心），依据 YB/ T4003—2016 标准低倍组织缺陷评级图，中心缩 孔缺陷级别均为 1.5 级，如图 3（a）和 3（b）所示；外 弧侧的柱状晶长度随 M-EMS 的开启而有所变短. 而五孔水口的浇注模式下，铸坯中心等轴晶区面 积明显增大，中心缩孔也得到明显减轻（图 3（c））. (a) (b) (c) 5 cm 5 cm 5 cm 图 3    结晶器不同控流模式下大方坯横截面低倍情况. （a）115-S3B；（b）115-S3Z；（c）536-S1B Fig.3    Macrostructure of the bloom cross-section under different flow control modes in the mold: (a) 115-S3B；(b) 115-S3Z；(c) 536-S1B 利用 Photoshop 软件分别对结晶器不同控流 模式下铸坯的等轴晶比例进行统计，结果如图 4 所示. 可见，直通水口浇注模式下，M-EMS 电流由 0 增大到 800 A 时，铸坯中心等轴晶率由 6.06% 仅 增大至 11.71%；而即使不开启 M-EMS，甚至在生 产试验工况中整体过热度还略高的情形下，五孔 水口浇注模式下铸坯中心等轴晶率仍可达 23.1%. 五孔水口强化了流动钢液对坯壳凝固前沿的冲 刷、并促进枝晶臂的“熔断” [22−23] ，游离的枝晶臂便 成为铸坯中心等轴晶形核与发展的基底 (Substrate). 一定强度旋流还可以强化钢液与初凝坯壳的换 热、促进过热耗散，从而也有利于等轴晶的形核. 此外，流动产生的溶质冲刷效应会导致坯壳凝固 前沿溶质元素含量降低，致使当地液相线温度升 高、钢水实际过热度降低[24] . 综合可见，五孔水口 浇注模式下铸坯凝固不仅对钢水过热度敏感性下 降，其流动模式既能增加铸坯液相穴中的形核率， 又可促使凝固前沿成分过冷，最终导致大方坯中 心等轴晶率明显高于常规直通式水口工况. 2.2    末端搅拌与拉速对凝固组织的影响 生产实践表明，铸坯等轴晶率的提高往往会加 重铸坯疏松、点状偏析缺陷. 为了综合提升大方坯 内部质量，在使用五孔水口的前提下，仍需要配合铸 流凝固末端流动与凝固控制技术，如采用 F-EMS 或 调整拉速控制搅拌位置等方法，以钝化中心等轴 枝晶、实现固液混合的质量补缩 (Mass feeding). 图 5 为常规生产拉速 0.38 m·min−1 工况下不同 F-EMS 参 数大方坯横、纵截面低倍对比. 由图 5（a）和（c）可 知，增加 F-EMS 搅拌强度 (579-S1A>578-S2A)，铸坯 横截面中心疏松明显减轻，由 2.0 级降低为 1.5 级； 纵截面断续的中心缩孔数量明显减少，中心质量得 以提升. 此时，铸坯试样 578-S2A 和 579-S1A 的中 心等轴晶率分别为 30.9% 和 31.0%. 可见，该工况 下 F-EMS 强度增大后的铸坯等轴晶率变化不大，但 疏松级别明显降低，说明更大的末端搅拌强度促进 了中心等轴枝晶的有效钝化、从而提高了铸坯中心 致密度，也将有助于均质性的提高. 图 6 为拉速 0.38 m·min−1 工况下不同 F-EMS 参 数热轧圆棒横、纵截面低倍对比. 两种末搅强度 工艺下轧材横、纵截面中心致密度良好、均表现 为探伤合格. 同时，轧材纵截面心部均表现有断续 的深色条带状细密疏松组织，这显然是由铸坯等 轴晶区分散疏松经轧制变形所致. 鉴于凝固末期 等轴晶间的疏松点常伴随点状偏析[20] ，其尺度大 小与等轴晶尺寸与形貌有关、并将对所形成的轧 材带状偏析缺陷宽度与断面成分均匀性有重要影 响，从而也会影响轧材产品热处理性能的一致性. 6.06 11.71 23.1 115-S3B 115-S3Z 536-S1B 0 5 10 15 20 25 Equiaxed crystal ratio/ % Sample number 图 4    结晶器不同控流模式下铸坯等轴晶率 Fig.4    Equiaxed crystal ratios under different flow control modes in the mold 王    璞等： 连铸控流模式对大方坯及棒材组织结构与宏观偏析影响 · 1085 ·