宋炜等：基于实验与3D-CAFE法的高硅钢铸锭凝固行为 367 表3不同冷却条件下凝固组织数据统计结果 K时，铸锭中等轴晶比例从49.53%增加到69.66%， Table 3 Statistics results of solidification structure under different cool- 平均晶粒直径由1.802mm减小到1.571mm,平均晶粒 ing conditions 面积随过热度降低而有所减小，而晶粒数随过热度降 冷却 等轴晶 计算截面 平均晶粒 平均品粒 低有所增加.这主要是由于高过热度导致凝固前沿温 方式 比例/% 品粒数 直径/mm 面积/mm2 度梯度增加，促进了柱状晶生长：同时较高的过热度也 空冷 49.53 2169 1.802 4.807 会提高熔体中异质核心熔解消失的概率，抑制了等轴 水冷 11.12 1303 4.508 9.443 晶形成：因此，低过热度浇铸是提高等轴晶率、细化晶 所示.由模拟结果可以看出，过热度从52K降低至20 粒的一种有效办法 图13不同过热度下铸锭凝固组织模拟结果.(a)52K:(b)40K:(c)30K:(d)20K Fig.13 Simulation results of solidification structure under the different superheats:(a)52 K:(b)40 K:(c)30 K:(d)20 K 表4不同过热度下凝固组织晶粒数据统计结果 (4)CAFE法模拟得到的凝固组织无论是组织形 Table 4 Statistics results of solidification structure under different su- 貌还是晶粒尺寸都与实验结果基本一致；空冷铸锭中 perheats 无论是等轴晶比例还是晶粒尺寸等凝固特征都优于水 过热度/ 等轴品 计算截面 平均品粒 平均品粒 冷铸锭；随着过热度的降低，高硅钢铸锭中心等轴晶率 K 比例/% 品粒数 直径/mm 面积/mm2 提高，晶粒数增加，晶粒尺寸变得更细小 20 69.66 2325 1.571 4.312 吃 62.56 2244 1.653 4.525 参考文献 40 60.35 2207 1.737 4.692 [He ZZ,Zhao Y,Luo H W.Electrical Sheet.Beijing:Metallurgy 49.53 2169 1.802 4.807 Industry Press,2012 (何忠志，赵宇，罗海文.电工钢.北京：治金工业出版社， 2012) 4结论 2] Haiji H,Okada K,Hiratani T,et al.Magnetic properties and workability of 6.5%Si steel sheet.J MagnMagn Mater,1996, (1)高硅钢铸态组织主要由粗大的柱状晶构成， 160:109 水冷铸锭中柱状晶比例高达90%，空冷铸锭中心有少 3]Fang X S,Liang Y F,Ye F,et al.Effect of rolling reduction on 量等轴晶区：柱状晶晶粒由发达的一次枝晶构成，且具 the texture of 6.5wt%Si electric steel during warm rolling.J 有明显的方向性：等轴晶晶粒由二次、三次枝晶构成， Funct Mater,2012,43(24):3346 取向随机分布 (房现石，梁永锋，叶丰，等.压下率对6.5%Si电工钢温轧 版织构的影响规律.功能材料，2012,43(24)：3346) (2)在高硅钢凝固过程中，空冷铸锭的温度场更 4] Yang JS,Xie JX,Zhou C.Preparation technology and prospeet 均匀，两相区更宽阔，凝固从铸锭角部开始沿铸壁逐渐 of 6.5%Si steel.J Funct Mater,2003,34(3)244 向中心推进，呈“过渡式”凝固；而水冷铸锭温度梯度 (杨劲松，谢建新，周成.6.5%Si高硅钢的制备工艺及发展 始终较大，两相区狭小，呈“分层式”凝固 前景.功能材料，2003,34(3)：244) (3)在凝固前期空冷铸锭的中心两侧位置存在两 5]Zheng X,Yan B.Properties and preparation techniques of Fe- 个较大的流动回旋区，凝固末期在铸锭冒口下方出现 6.5%Si high silicon steel.Mater Rer,2012,26(19)392 了抽吸补缩现象：而水冷铸件在凝固过程中流股相互 (郑鑫，严彪.Fe6.5%Si高硅钢的性能及制备技术.材料导 报，2012,26(19)：392) 干扰，流场不稳定，凝固末期未观察到补缩现象.空冷 6]Lin J P,Ye F,Chen G L,et al.Fabrication technology,micro- 铸锭在凝固开始时流速波动较大，随凝固进行逐渐平 structures and properties of Fe-.5w%Si alloy sheets by cold 稳，而水冷铸锭在凝固过程中流速始终都在波动 rolling.Front Sci,2007(2)13宋 炜等: 基于实验与 3D--CAFE 法的高硅钢铸锭凝固行为 表 3 不同冷却条件下凝固组织数据统计结果 Table 3 Statistics results of solidification structure under different cool￾ing conditions 冷却 方式 等轴晶 比例/% 计算截面 晶粒数 平均晶粒 直径/mm 平均晶粒 面积/mm2 空冷 49. 53 2169 1. 802 4. 807 水冷 11. 12 1303 4. 508 9. 443 所示． 由模拟结果可以看出，过热度从 52 K 降低至 20 K 时，铸锭中等轴晶比例从 49. 53% 增加到 69. 66% ， 平均晶粒直径由1. 802 mm 减小到1. 571 mm，平均晶粒 面积随过热度降低而有所减小，而晶粒数随过热度降 低有所增加． 这主要是由于高过热度导致凝固前沿温 度梯度增加，促进了柱状晶生长; 同时较高的过热度也 会提高熔体中异质核心熔解消失的概率，抑制了等轴 晶形成; 因此，低过热度浇铸是提高等轴晶率、细化晶 粒的一种有效办法． 图 13 不同过热度下铸锭凝固组织模拟结果 . ( a) 52 K; ( b) 40 K; ( c) 30 K; ( d) 20 K Fig． 13 Simulation results of solidification structure under the different superheats: ( a) 52 K; ( b) 40 K; ( c) 30 K; ( d) 20 K 表 4 不同过热度下凝固组织晶粒数据统计结果 Table 4 Statistics results of solidification structure under different su￾perheats 过热度/ K 等轴晶 比例/% 计算截面 晶粒数 平均晶粒 直径/mm 平均晶粒 面积/mm2 20 69. 66 2325 1. 571 4. 312 30 62. 56 2244 1. 653 4. 525 40 60. 35 2207 1. 737 4. 692 52 49. 53 2169 1. 802 4. 807 4 结论 ( 1) 高硅钢铸态组织主要由粗大的柱状晶构成， 水冷铸锭中柱状晶比例高达 90% ，空冷铸锭中心有少 量等轴晶区; 柱状晶晶粒由发达的一次枝晶构成，且具 有明显的方向性; 等轴晶晶粒由二次、三次枝晶构成， 取向随机分布． ( 2) 在高硅钢凝固过程中，空冷铸锭的温度场更 均匀，两相区更宽阔，凝固从铸锭角部开始沿铸壁逐渐 向中心推进，呈“过渡式”凝固; 而水冷铸锭温度梯度 始终较大，两相区狭小，呈“分层式”凝固． ( 3) 在凝固前期空冷铸锭的中心两侧位置存在两 个较大的流动回旋区，凝固末期在铸锭冒口下方出现 了抽吸补缩现象; 而水冷铸件在凝固过程中流股相互 干扰，流场不稳定，凝固末期未观察到补缩现象． 空冷 铸锭在凝固开始时流速波动较大，随凝固进行逐渐平 稳，而水冷铸锭在凝固过程中流速始终都在波动． ( 4) CAFE 法模拟得到的凝固组织无论是组织形 貌还是晶粒尺寸都与实验结果基本一致; 空冷铸锭中 无论是等轴晶比例还是晶粒尺寸等凝固特征都优于水 冷铸锭; 随着过热度的降低，高硅钢铸锭中心等轴晶率 提高，晶粒数增加，晶粒尺寸变得更细小． 参 考 文 献 ［1］ He Z Z，Zhao Y，Luo H W． Electrical Sheet． Beijing: Metallurgy Industry Press，2012 ( 何忠志，赵宇，罗海文． 电工钢． 北京: 冶金工业出版社， 2012) ［2］ Haiji H，Okada K，Hiratani T，et al． Magnetic properties and workability of 6. 5% Si steel sheet． J Magn Magn Mater，1996， 160: 109 ［3］ Fang X S，Liang Y F，Ye F，et al． Effect of rolling reduction on the texture of 6. 5wt% Si electric steel during warm rolling． J Funct Mater，2012，43( 24) : 3346 ( 房现石，梁永锋，叶丰，等． 压下率对 6. 5% Si 电工钢温轧 板织构的影响规律． 功能材料，2012，43( 24) : 3346) ［4］ Yang J S，Xie J X，Zhou C． Preparation technology and prospect of 6. 5% Si steel． J Funct Mater，2003，34( 3) : 244 ( 杨劲松，谢建新，周成． 6. 5% Si 高硅钢的制备工艺及发展 前景． 功能材料，2003，34( 3) : 244) ［5］ Zheng X，Yan B． Properties and preparation techniques of Fe-- 6. 5% Si high silicon steel． Mater Ｒev，2012，26( 19) : 392 ( 郑鑫，严彪． Fe--6. 5% Si 高硅钢的性能及制备技术． 材料导 报，2012，26( 19) : 392) ［6］ Lin J P，Ye F，Chen G L，et al． Fabrication technology，micro￾structures and properties of Fe--6. 5wt% Si alloy sheets by cold rolling． Front Sci，2007( 2) : 13 · 763 ·