·798 工程科学学报，第43卷.第6期 symmetric behavior when applying a roller-type electromagnetic stirrer(R-EMS).At an electrical power of 400 kW and frequency of 7 Hz,the current intensity of the R-EMS is higher than that of the B-EMS by 75 A,achieving a more efficient stirring effect for promoting equiaxed crystal nucleation in front of the solidified shell.In casting experiments in a stainless-steel slab caster,both the B- EMS and R-EMS are found to inhibit the growth of columnar crystals through nucleation of the heads of the dendrites,which realizes an equiaxed crystal ratio of the slab casting 45%higher than its threshold value.In addition,an R-MES with two pairs of rollers using inverse thrust EMS forces can produce an equiaxed crystal ratio 17%higher than that achieved by the B-EMS,and can thus be used in the casting production of ferritic stainless steels to obtain final strip products with no ridging defects KEY WORDS ferritic stainless steel;traveling-wave magnetic field;roller-type electromagnetic stirrer;box-type electromagnetic stirrer;equiaxed crystal ratio 铁素体不锈钢是一类节镍经济型铬系不锈 随着电磁搅拌器安装位置的下移，可以在过热度 钢，具有很好的耐均匀腐蚀、耐点蚀和应力腐蚀性 波动条件下也能获得较高的等轴品率.有鉴于此， 能，应用广泛.由于其导热性好、凝固温区窄且多 基于结晶器下部二冷区电磁搅拌提高板坯等轴晶 没有固态相变，凝固过程极易产生粗大的柱状晶 率、进而改善不锈钢抗皱性能的研究开始受到国 组织川现有研究表明，各向异性柱状晶铸态组织 内外冶金工作者的重视)然而，连俦板坯断面宽 对其后续板材加工性能具有不良影响，是导致铁 厚比大、铸机设备复杂，在二冷区铸机辊列间设计 素体不锈钢冷轧或深冲加工过程常见皱折或瓦楞 与安装合适的电磁搅拌器技术难度较大，至今也 状缺陷(Wrinkling/ridging defect)的重要原因 只有少数几个电气工程公司可以独立开发，如欧 Hamada等B-研究指出，柱状晶热轧后形成的带 洲ABB、Rotelec以及我国的中科电气等.其中，行 状织构可能是这类产品发生皱折缺陷的诱因，提 波磁场搅拌器可以在铸坯凝固前沿产生较强的横 高铸坯等轴晶组织比例则可以改善产品的表面质 向电磁推力、抑制柱状晶生长，是当前发展板坯铸 量.实践表明，板坯等轴晶率(Equiaxed crystal ratio, 流电磁搅拌的主导技术.基于搅拌器线圈设计和 ECR)若能提高到45%以上则可基本消除其冷轧 安装形式的差异，当前主要有新日铁DKS的插入 材成形加工的皱折缺陷. 式辊间搅拌器、ABB辊后箱式搅拌器和Rotelec辊 然而，常规连铸生产工艺中，通过诸如降低浇 式搅拌器等，由于DKS的安装需要对铸机二冷 铸过热度、弱化冷却，乃至常规的结晶器电磁搅拌 扇形段辊列结构进行较大改造，箱式和辊式成为 等均很难有效提高铁素体不锈钢板坯等轴晶率阿 目前最受关注的连铸板坯二冷区搅拌器.Barna等 近年来，在结品器下部的连铸二冷辊列区使用铸 研究了辊后箱式搅拌器作用下铸坯内部钢液的流 流电磁搅拌，尤其是使用能产生横向电磁推力的 动情况，揭示了其具有在铸坯内外弧产生不对称 行波磁场搅拌来抑制板坯连铸柱状晶生长已成为 磁场分布的特征.本文作者提出了一种辊式搅 国内外关注的重点，并已在不锈钢、硅钢等凝固柱 拌器的两对辊结构，认为其不仅具有较低的装备 状晶倾向较大钢种连铸生产中得到不同程度的应 成本，也具有较大的有效搅拌区域和凝固前沿冲 用门.深入研究各种行波磁场电磁搅拌机理、冶金 刷速度：这将有利于促进铸坯中心钢液过热耗散、 效果，以实现铸坯等轴品率的稳定提高已成为行 有效地促进等轴晶生成.张开等对比了几种辊 业十分关注的问题 式搅拌器安装形式对磁场和流场的影响，发现相 Burden等图早期研究指出，凝固过程中一定 邻安装的电磁辊电磁力最大但搅拌区域较小 的流体流动可耗散钢液过热度、熔断枝晶，促进等 当前生产应用中，选择箱式还是辊式搅拌，以 轴晶形核.Itoh等9发现在430铁素体不锈钢连铸 及辊式搅拌如何配置还存在一定的盲目性.基于 坯生产过程中施加机械振动，可以促进枝晶游离、 行波磁场特性及其电磁流体动力学分析，合理设 提高铸坯等轴晶率；并发现在低过热度浇铸过程 计与选用板坯二冷区铸流电磁搅拌至今仍鲜有报 的机械振动能够将铸坯等轴晶率提高到很高的程 道.本研究通过建立分段电磁-流动-传热和凝固 度，但实际生产中钢水过热度过低会造成浇铸不 耦合模型，揭示基于行波磁场的不同搅拌方式对 畅乃至水口冷凝堵塞等现象而影响连铸顺行 不锈钢板坯二冷区内冶金传输行为的影响，并通 Takeuchi-和Ujiie等Ia研究了过热度和电磁搅 过实验验证模型的预测，以期为提高铸坯内部等 拌对430不锈钢铸坯等轴晶率的综合影响，发现 轴晶率、改善不锈钢产品表面质量提供理论与实symmetric behavior when applying a roller-type electromagnetic stirrer (R-EMS). At an electrical power of 400 kW and frequency of 7  Hz,  the  current  intensity  of  the  R-EMS  is  higher  than  that  of  the  B-EMS  by  75  A,  achieving  a  more  efficient  stirring  effect  for promoting equiaxed crystal nucleation in front of the solidified shell. In casting experiments in a stainless-steel slab caster, both the B￾EMS and R-EMS are found to inhibit the growth of columnar crystals through nucleation of the heads of the dendrites, which realizes an equiaxed crystal ratio of the slab casting 45% higher than its threshold value. In addition, an R-MES with two pairs of rollers using inverse thrust EMS forces can produce an equiaxed crystal ratio 17% higher than that achieved by the B-EMS, and can thus be used in the casting production of ferritic stainless steels to obtain final strip products with no ridging defects. KEY  WORDS    ferritic  stainless  steel； traveling-wave  magnetic  field； roller-type  electromagnetic  stirrer； box-type  electromagnetic stirrer；equiaxed crystal ratio 铁素体不锈钢是一类节镍经济型铬系不锈 钢，具有很好的耐均匀腐蚀、耐点蚀和应力腐蚀性 能，应用广泛. 由于其导热性好、凝固温区窄且多 没有固态相变，凝固过程极易产生粗大的柱状晶 组织[1] . 现有研究表明，各向异性柱状晶铸态组织 对其后续板材加工性能具有不良影响，是导致铁 素体不锈钢冷轧或深冲加工过程常见皱折或瓦楞 状缺陷 （ Wrinkling  /ridging  defect）的重要原因 [2] . Hamada 等[3−5] 研究指出，柱状晶热轧后形成的带 状织构可能是这类产品发生皱折缺陷的诱因，提 高铸坯等轴晶组织比例则可以改善产品的表面质 量. 实践表明，板坯等轴晶率（Equiaxed crystal ratio, ECR）若能提高到 45% 以上则可基本消除其冷轧 材成形加工的皱折缺陷. 然而，常规连铸生产工艺中，通过诸如降低浇 铸过热度、弱化冷却，乃至常规的结晶器电磁搅拌 等均很难有效提高铁素体不锈钢板坯等轴晶率[6] . 近年来，在结晶器下部的连铸二冷辊列区使用铸 流电磁搅拌，尤其是使用能产生横向电磁推力的 行波磁场搅拌来抑制板坯连铸柱状晶生长已成为 国内外关注的重点，并已在不锈钢、硅钢等凝固柱 状晶倾向较大钢种连铸生产中得到不同程度的应 用[7] . 深入研究各种行波磁场电磁搅拌机理、冶金 效果，以实现铸坯等轴晶率的稳定提高已成为行 业十分关注的问题. Burden 等[8] 早期研究指出，凝固过程中一定 的流体流动可耗散钢液过热度、熔断枝晶，促进等 轴晶形核. Itoh 等[9] 发现在 430 铁素体不锈钢连铸 坯生产过程中施加机械振动，可以促进枝晶游离、 提高铸坯等轴晶率；并发现在低过热度浇铸过程 的机械振动能够将铸坯等轴晶率提高到很高的程 度，但实际生产中钢水过热度过低会造成浇铸不 畅乃至水口冷凝堵塞等现象而影响连铸顺行. Takeuchi[10−11] 和 Ujiie 等[12] 研究了过热度和电磁搅 拌对 430 不锈钢铸坯等轴晶率的综合影响，发现 随着电磁搅拌器安装位置的下移，可以在过热度 波动条件下也能获得较高的等轴晶率. 有鉴于此， 基于结晶器下部二冷区电磁搅拌提高板坯等轴晶 率、进而改善不锈钢抗皱性能的研究开始受到国 内外冶金工作者的重视[13] . 然而，连铸板坯断面宽 厚比大、铸机设备复杂，在二冷区铸机辊列间设计 与安装合适的电磁搅拌器技术难度较大，至今也 只有少数几个电气工程公司可以独立开发，如欧 洲 ABB、Rotelec 以及我国的中科电气等. 其中，行 波磁场搅拌器可以在铸坯凝固前沿产生较强的横 向电磁推力、抑制柱状晶生长，是当前发展板坯铸 流电磁搅拌的主导技术. 基于搅拌器线圈设计和 安装形式的差异，当前主要有新日铁 DKS 的插入 式辊间搅拌器、ABB 辊后箱式搅拌器和 Rotelec 辊 式搅拌器等[14] . 由于 DKS 的安装需要对铸机二冷 扇形段辊列结构进行较大改造，箱式和辊式成为 目前最受关注的连铸板坯二冷区搅拌器. Barna 等[15] 研究了辊后箱式搅拌器作用下铸坯内部钢液的流 动情况，揭示了其具有在铸坯内外弧产生不对称 磁场分布的特征. 本文作者[16] 提出了一种辊式搅 拌器的两对辊结构，认为其不仅具有较低的装备 成本，也具有较大的有效搅拌区域和凝固前沿冲 刷速度；这将有利于促进铸坯中心钢液过热耗散、 有效地促进等轴晶生成. 张开等[17] 对比了几种辊 式搅拌器安装形式对磁场和流场的影响，发现相 邻安装的电磁辊电磁力最大但搅拌区域较小. 当前生产应用中，选择箱式还是辊式搅拌，以 及辊式搅拌如何配置还存在一定的盲目性. 基于 行波磁场特性及其电磁流体动力学分析，合理设 计与选用板坯二冷区铸流电磁搅拌至今仍鲜有报 道. 本研究通过建立分段电磁‒流动‒传热和凝固 耦合模型，揭示基于行波磁场的不同搅拌方式对 不锈钢板坯二冷区内冶金传输行为的影响，并通 过实验验证模型的预测，以期为提高铸坯内部等 轴晶率、改善不锈钢产品表面质量提供理论与实 · 798 · 工程科学学报，第 43 卷，第 6 期