522 工程科学学报，第42卷，第4期 Slag surface Slag pool Solidified slag Slag-metal interface 15×15 Gap between slag Metal pool and mold Solidifying metal 图8渣皮形成过程 图6试样切取示意图（单位：mm) Fig.8 Formation of slag skin during the ESR process Fig.6 Schematic of sample cutting (unit:mm) 薄而均匀的渣皮不仅能够使电渣锭表面质量 结晶器的侧部传热，从而可进一步减小金属熔池 得到提高，而且也影响电渣重熔过程的传热.实验 深度 对每个电渣锭上200块渣皮厚度进行了统计，如 (2)结品器旋转对碳化物分布及微观形貌的 图7所示.可以发现，结晶器静止不动时，电渣锭 影响 的渣皮厚度分布范围大，且分布不均匀.随着结晶 M2高速钢铸态组织中的碳化物分布如图9所 器的旋转，渣皮厚度变的薄而均匀.当结晶器转速 示.不论重熔过程结品器是否旋转，碳化物都成网 达到19rmin时，渣皮厚度不大于1.4mm. 状分布，随着结晶器旋转其形貌发生了变化.当结 品器静止时，碳化物的网格较大，而且有大块的碳 180 0rmin-! 化物聚集.当旋转速度为6rmin时，仍有大块碳 160 ☑6rmin ZZ☑13rmin 化物析出，但是网格开始破碎.特别是当旋转速度 19 rmin- 120 增加至19rmin时，网格破碎明显，且网格变薄. 100 图10为碳化物的三维形貌图.结晶器静止 时，碳化物的尺寸较大，是以片状的形态出现；当 结晶器转速继续增大至6rmin和l3rmin时， 40 碳化物的形貌依旧为片状，但是随着结晶器转速 20 多影髫是 的增大，碳化物的尺寸有所减小；当结晶器转速为 19rmin时，碳化物的微观形貌发生变化，碳化物 由很多细小的棒状碳化物和纤维状碳化物组成. Thickness of slag skin/mm 研究已证实-，这种形状的碳化物，在热处理时 图7结晶器旋转速度与渣皮厚度关系 Fig.7 Relationship between mold-rotation speed and slag-skin thickness 易分解成细小的碳化物，且分解的碳化物易于球 化，从而提高最终刀具中碳化物分布的均匀性 渣皮的形成过程如图8所示.由于结晶器侧 (3)M2高速钢中碳化物组织分析 部的强冷，渣池中首先形成一层渣皮，渣皮的厚度 对0rmin和19rmin制备的电渣锭试样进 除了与渣本身的物理性质有关外，还与渣池的温 行电解，并采用X射线衍射对两个试样萃取的碳 度场分布有关.如果渣池的高温区位于中心部位， 化物粉末进行物相分析，如图11所示.无论结晶 边部的温度较低，则渣皮较厚：反之相反.传统的 器旋转与否，M2高速钢中碳化物的类型始终不 双极串联电渣重熔炉，由于渣池边部和芯部的温 变，由M2C、MC和M,C碳化物组成：其中M2C,MC 差较大，导致渣皮较厚，表面质量较差.随着结晶 和MC碳化物的衍射峰依次减弱 器旋转速度的增加，渣池的高温区从结晶器芯部 由图11的结果采用直接对比的方法可以计算 逐渐移至边部，边部温度增加.渣皮厚度降低.同 出各物相的相对质量分数.其计算方法如下m: 样，渣-金界面高温区向边部的移动，导致金属 IMCKM2CKMC 熔池的高温区也向边部移动，如图3所示.因此， WMC= IMCKM2C KM6C+IM2CKMCKM6C+IM6CKM2CKMC 渣池中形成的渣皮会部分被高温金属重新熔化， (11) 进一步降低渣皮厚度.而渣皮厚度的减小，有利于 其中：wMc为MC的相对质量分数，IMC、M2C、IM6C薄而均匀的渣皮不仅能够使电渣锭表面质量 得到提高，而且也影响电渣重熔过程的传热. 实验 对每个电渣锭上 200 块渣皮厚度进行了统计，如 图 7 所示. 可以发现，结晶器静止不动时，电渣锭 的渣皮厚度分布范围大，且分布不均匀. 随着结晶 器的旋转，渣皮厚度变的薄而均匀. 当结晶器转速 达到 19 r·min−1 时，渣皮厚度不大于 1.4 mm. 渣皮的形成过程如图 8 所示. 由于结晶器侧 部的强冷，渣池中首先形成一层渣皮，渣皮的厚度 除了与渣本身的物理性质有关外，还与渣池的温 度场分布有关. 如果渣池的高温区位于中心部位， 边部的温度较低，则渣皮较厚；反之相反. 传统的 双极串联电渣重熔炉，由于渣池边部和芯部的温 差较大，导致渣皮较厚，表面质量较差. 随着结晶 器旋转速度的增加，渣池的高温区从结晶器芯部 逐渐移至边部，边部温度增加，渣皮厚度降低. 同 样，渣−金界面高温区向边部的移动，导致金属 熔池的高温区也向边部移动，如图 3 所示. 因此， 渣池中形成的渣皮会部分被高温金属重新熔化， 进一步降低渣皮厚度. 而渣皮厚度的减小，有利于 结晶器的侧部传热，从而可进一步减小金属熔池 深度. （2）结晶器旋转对碳化物分布及微观形貌的 影响. M2 高速钢铸态组织中的碳化物分布如图 9 所 示. 不论重熔过程结晶器是否旋转，碳化物都成网 状分布，随着结晶器旋转其形貌发生了变化. 当结 晶器静止时，碳化物的网格较大，而且有大块的碳 化物聚集. 当旋转速度为 6 r·min−1 时，仍有大块碳 化物析出，但是网格开始破碎. 特别是当旋转速度 增加至 19 r·min−1 时，网格破碎明显，且网格变薄. 图 10 为碳化物的三维形貌图. 结晶器静止 时，碳化物的尺寸较大，是以片状的形态出现；当 结晶器转速继续增大至 6 r·min−1 和 13 r·min−1 时 ， 碳化物的形貌依旧为片状，但是随着结晶器转速 的增大，碳化物的尺寸有所减小；当结晶器转速为 19 r·min−1 时，碳化物的微观形貌发生变化，碳化物 由很多细小的棒状碳化物和纤维状碳化物组成. 研究已证实[15−16] ，这种形状的碳化物，在热处理时 易分解成细小的碳化物，且分解的碳化物易于球 化，从而提高最终刀具中碳化物分布的均匀性. （3）M2 高速钢中碳化物组织分析. 对 0 r·min−1 和 19 r·min−1 制备的电渣锭试样进 行电解，并采用 X 射线衍射对两个试样萃取的碳 化物粉末进行物相分析，如图 11 所示. 无论结晶 器旋转与否，M2 高速钢中碳化物的类型始终不 变，由 M2C、MC 和 M6C 碳化物组成；其中 M2C，M6C 和 MC 碳化物的衍射峰依次减弱. 由图 11 的结果采用直接对比的方法可以计算 出各物相的相对质量分数. 其计算方法如下[17] ： wMC = IMCKM2CKM6C IMCKM2CKM6C + IM2CKMCKM6C + IM6CKM2CKMC （11） 其中： wMC 为 MC 的相对质量分数， IMC、IM2C、IM6C 15×15 30 96 图 6    试样切取示意图（单位：mm） Fig.6    Schematic of sample cutting (unit: mm) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 1.2−1.4 1.4−1.6 1.6−1.8 1.8−2.0 2.0−2.2 2.2−2.4 2.4−2.6 2.6−2.8 2.8−3.0 Number of slag skin Thickness of slag skin/mm 0 r·min−1 6 r·min−1 13 r·min−1 19 r·min−1 0−1.2 图 7    结晶器旋转速度与渣皮厚度关系 Fig.7    Relationship between mold-rotation speed and slag-skin thickness Solidifying metal Metal pool Slag-metal interface Slag surface Slag pool Solidified slag Gap between slag and mold 图 8    渣皮形成过程 Fig.8    Formation of slag skin during the ESR process · 522 · 工程科学学报，第 42 卷，第 4 期