·1082 工程科学学报，第43卷，第8期 macrosegregation exist along the centerline on the strand casting.While the novel five-port nozzle has been adopted,the equiaxed crystal ratio can reach 23.1%even with the M-EMS power off,and the center cavity index drops down to grade 1.0 or below,meeting the requirement of microvoid flaw detection for the bar products.Additionally,the carbon segregation across the bloom cross-section is observed to resemble an M-shaped curve with a maximum carbon segregation index in the columnar to equiaxed transition zone instead of the popular center region.For the heavy section bars rolled from bloom casting,a similar carbon distribution pattern as the cast is observed after hot working but with an even higher centerline segregation index.Therefore,considering the special quality requirements for the subsequent hot processing,the macrostructure and pattern and intensity of macro-segregation should be regulated from the beginning of casting with a reasonable flow control mode as mentioned in the study. KEY WORDS nozzle injection modes;electromagnetic stirring;casting speed;pattern of macrostructure;carbon segregation distribution:cast-rolling heredity 特殊钢长材是机械制造用轴类零件加工的重 下，提高拉速不利于扩大铸坯中心等轴晶率，且会 要基料，多采用连铸方坯热轧棒材工艺生产.铸坯 造成中心致密度变差从而降低后续热轧圆钢的探 的均质性对棒材产品质量及其成品热处理性能有 伤合格率.可见，恒温恒拉速浇铸以保证合理有效 重要影响，诸如中心缩孔和宏观偏析等铸态缺陷 的凝固末端搅拌位置十分重要 往往在后续热加工过程中难以消除，从而直接影 近年来，利用不同结构形式浸入式水口的连 响轧材的探伤合格率和产品的热处理性能.当前， 铸注流模式对大方坯凝固与铸态组织的影响受到 连铸生产中主要基于在炉机匹配条件下的合适钢 日益重视.孙海波等6设计提出适用于方、圆 水过热度与拉速，并组合运用结晶器电磁搅拌 坯连铸使用的四分切向旋流水口，该浇注模式可 (Mold electromagnetic stirring,.M-EMS)、末端电磁搅 在结晶器内产生水平旋流而达到类似M-EMS促 拌(Final electromagnetic stirring,.F-EMS)和/或凝固 进钢水过热耗散的冶金作用.程晓文等)开展了 末端轻压下手段来寻求一个较佳的浇铸工艺窗口 大方坯生产实践中直通水口和旋流水口的应用效 以获得满足轧材质量要求的大方坯铸态组织-) 果对比，发现旋流水口可明显提升铸坯中心等轴 长期以来，人们对连铸过程不同部位电磁搅 晶率，改善中心线偏析和缩孔.王璞等！发现通 拌对铸态组织的作用规律已有一定的认识.比如， 过改变四分径向水口的出流方向也可在结晶器区 Ayata等通过实验发现过热度越高的铸坯其等 域获得水平旋流，并有利于初凝坯壳的均匀生长 轴晶率越低，但在相同过热度下，使用M-EMS可 及弯月面附近的液面稳定性.同时，许伟阳等 明显提高铸坯的等轴晶率.Wu等)研究对比M- 实验研究了铸态偏析的遗传性，发现一般的压缩 EMS搅拌强度对中碳45钢凝固组织的影响发现， 比下轧材中的碳偏析分布与铸坯碳偏析分布大致 M-EMS不仅有利于铸坯等轴晶率的提高，铸态组 相同.另一方面，Ji和李博等0-2在研究调控石油 织中一次和二次枝晶间距也随其搅拌强度的增大 套管钢铸态组织中发现，铸坯中心等轴晶区域分 而明显减小，并通过原位分析证实铸坯中心凝固 布着尺寸不同、形状不规则的点状半宏观偏析，且 组织致密度提高也可明显改善中心线偏析.但过 铸坯中心等轴晶区和半宏观偏析的数量、尺寸往 强的M-EMS也会对浇铸与质量控制产生不利影 往都随M-EMS强度增加而增大.在后续热轧管材 响.如液面波动、铸坯皮下5~15mm内负偏析带 中，点状偏析经压延塑性变形发展为管坯内壁附 以及内部分散型正偏析程度增加等6-)关于F-EMS, 近的带状缺陷，二者在形貌、尺寸、分布及元素偏 Ayata等提出其效果较好的安装位置应在铸坯中 析比等方面都具有遗传一致性. 心固相分率0.1~0.2范围.大量工业实验也表明， 可见，连铸铸态组织控制应该要满足后续轧 安装在铸坯中心固相分率大于0.4的位置因难以 材的热加工性能，乃至产品的服役性能要求，深入 破坏枝晶搭桥而不利于改善铸坯内部致密度：这 认识浇铸技术对铸态形貌与组织的作用规律具有 也与F-EMS在铸坯中心的搅拌力矩相对较小有 十分重要的意义.然而，如何基于水口注流模式 关.Li等I通过多元多场全铸流模型揭示了F-EMS 与M-EMS和F-EMS以及拉速的组合匹配、通过 安装位置在中心固相率0.1左右可较好减轻中心 控制流动来控制凝固并考察其对铸坯与轧材致密 偏析.此外，陈亮等对360mm×450mm大方坯 性与成分均匀性的综合影响，相关研究至今鲜有 连铸45钢的生产试验表明，一定的F-EMS位置 报道.本文以常见中碳45结构钢大方坯连铸与热macrosegregation exist along the centerline on the strand casting. While the novel five-port nozzle has been adopted, the equiaxed crystal ratio can reach 23.1% even with the M-EMS power off, and the center cavity index drops down to grade 1.0 or below, meeting the requirement  of  microvoid  flaw  detection  for  the  bar  products.  Additionally,  the  carbon  segregation  across  the  bloom  cross-section  is observed to resemble an M-shaped curve with a maximum carbon segregation index in the columnar to equiaxed transition zone instead of the popular center region. For the heavy section bars rolled from bloom casting, a similar carbon distribution pattern as the cast is observed after hot working but with an even higher centerline segregation index. Therefore, considering the special quality requirements for  the  subsequent  hot  processing,  the  macrostructure  and  pattern  and  intensity  of  macro-segregation  should  be  regulated  from  the beginning of casting with a reasonable flow control mode as mentioned in the study. KEY  WORDS    nozzle  injection  modes； electromagnetic  stirring； casting  speed； pattern  of  macrostructure； carbon  segregation distribution；cast-rolling heredity 特殊钢长材是机械制造用轴类零件加工的重 要基料，多采用连铸方坯热轧棒材工艺生产. 铸坯 的均质性对棒材产品质量及其成品热处理性能有 重要影响，诸如中心缩孔和宏观偏析等铸态缺陷 往往在后续热加工过程中难以消除，从而直接影 响轧材的探伤合格率和产品的热处理性能. 当前， 连铸生产中主要基于在炉机匹配条件下的合适钢 水过热度与拉速 ，并组合运用结晶器电磁搅拌 (Mold electromagnetic stirring, M-EMS)、末端电磁搅 拌 (Final electromagnetic stirring, F-EMS) 和/或凝固 末端轻压下手段来寻求一个较佳的浇铸工艺窗口 以获得满足轧材质量要求的大方坯铸态组织[1−3] . 长期以来，人们对连铸过程不同部位电磁搅 拌对铸态组织的作用规律已有一定的认识. 比如， Ayata 等[4] 通过实验发现过热度越高的铸坯其等 轴晶率越低，但在相同过热度下，使用 M-EMS 可 明显提高铸坯的等轴晶率. Wu 等[5] 研究对比 M￾EMS 搅拌强度对中碳 45 钢凝固组织的影响发现， M-EMS 不仅有利于铸坯等轴晶率的提高，铸态组 织中一次和二次枝晶间距也随其搅拌强度的增大 而明显减小，并通过原位分析证实铸坯中心凝固 组织致密度提高也可明显改善中心线偏析. 但过 强的 M-EMS 也会对浇铸与质量控制产生不利影 响，如液面波动、铸坯皮下 5～15 mm 内负偏析带 以及内部分散型正偏析程度增加等[6−8] . 关于 F-EMS, Ayata 等[4] 提出其效果较好的安装位置应在铸坯中 心固相分率 0.1～0.2 范围. 大量工业实验也表明[9−12] ， 安装在铸坯中心固相分率大于 0.4 的位置因难以 破坏枝晶搭桥而不利于改善铸坯内部致密度；这 也与 F-EMS 在铸坯中心的搅拌力矩相对较小有 关. Li 等[13] 通过多元多场全铸流模型揭示了 F-EMS 安装位置在中心固相率 0.1 左右可较好减轻中心 偏析. 此外，陈亮等[14] 对 360 mm×450 mm 大方坯 连铸 45 钢的生产试验表明，一定的 F-EMS 位置 下，提高拉速不利于扩大铸坯中心等轴晶率，且会 造成中心致密度变差从而降低后续热轧圆钢的探 伤合格率. 可见，恒温恒拉速浇铸以保证合理有效 的凝固末端搅拌位置十分重要. 近年来，利用不同结构形式浸入式水口的连 铸注流模式对大方坯凝固与铸态组织的影响受到 日益重视. 孙海波等[15−16] 设计提出适用于方、圆 坯连铸使用的四分切向旋流水口，该浇注模式可 在结晶器内产生水平旋流而达到类似 M-EMS 促 进钢水过热耗散的冶金作用. 程晓文等[17] 开展了 大方坯生产实践中直通水口和旋流水口的应用效 果对比，发现旋流水口可明显提升铸坯中心等轴 晶率，改善中心线偏析和缩孔. 王璞等[18] 发现通 过改变四分径向水口的出流方向也可在结晶器区 域获得水平旋流，并有利于初凝坯壳的均匀生长 及弯月面附近的液面稳定性. 同时，许伟阳等[19] 实验研究了铸态偏析的遗传性，发现一般的压缩 比下轧材中的碳偏析分布与铸坯碳偏析分布大致 相同. 另一方面，Ji 和李博等[20−21] 在研究调控石油 套管钢铸态组织中发现，铸坯中心等轴晶区域分 布着尺寸不同、形状不规则的点状半宏观偏析，且 铸坯中心等轴晶区和半宏观偏析的数量、尺寸往 往都随 M-EMS 强度增加而增大. 在后续热轧管材 中，点状偏析经压延塑性变形发展为管坯内壁附 近的带状缺陷，二者在形貌、尺寸、分布及元素偏 析比等方面都具有遗传一致性. 可见，连铸铸态组织控制应该要满足后续轧 材的热加工性能，乃至产品的服役性能要求，深入 认识浇铸技术对铸态形貌与组织的作用规律具有 十分重要的意义. 然而，如何基于水口注流模式 与 M-EMS 和 F-EMS 以及拉速的组合匹配、通过 控制流动来控制凝固并考察其对铸坯与轧材致密 性与成分均匀性的综合影响，相关研究至今鲜有 报道. 本文以常见中碳 45 结构钢大方坯连铸与热 · 1082 · 工程科学学报，第 43 卷，第 8 期