192 工程科学学报，第44卷，第2期 所示.不难发现，包括铸坯角部区域，铸态组织中 2.2柱状枝晶偏转及其特征 柱状晶均发生了不同程度的一次枝晶偏转现象 如图2(b)所示，大方坯柱状晶发生有明显的 偏转生长现象.说明在当前较强的结晶器电磁搅 (a) 1EA35S-3 拌作用下(500A、3Hz)坯壳凝固前沿发生切向流 动，且水口出流钢水电磁旋流在轴线方向上的有 效作用距离较长.采用相场法，以Fe-0.6%C二元 3 mm 合金为例模拟获得这种横向流动对柱状枝晶生长 及溶质分布的影响，如图4所示（其中V表示流 速；C表示碳质量分数).可见，在所设计的较小流 速下（如铸坯角部区域），凝固柱状晶均表现出向 20 mm 王17mm mm 旋流方向逆向倾斜生长的特性，且偏转角度随流 速而增加.这种现象与前人关于柱状晶上游（根 图2大方坯低倍试样.(a)全断面低倍形貌：(b)柱状品偏转：(c)皮下 部)溶质因切向流动而耗竭、导致柱状晶体尖端溶 白亮带 Fig.2 Low-magnification specimens of blooms:(a)full-section 质浓度升高而造成的枝晶偏转特征是一致的) morphology;(b)columnar crystal deflection;(c)subsurface white bright 其中，Wang等m及Takahashi等ug研究报道，随着 band 流速从0.1ms增加到0.4ms,偏转角从0增加 铸坯断面不同晶区枝晶浸蚀结果如图3所示， 到30°，Esaka等研究了碳含量的影响，发现碳 其中1#样为激冷层、3#样为皮下白亮带所在晶 质量分数从0.01%增加到0.1%，偏转角从15增加 区、6#样为柱状-等轴晶转变(CET)混晶区、12#样 到20°，在此浓度以上保持22左右不再变化.Wang 为中心等轴晶区，关于这些典型晶区的形成机理 等7报道了高碳钢小方坯连铸在450A、2.5Hz结 已很清楚，主要与过冷度和凝固前沿成分过冷有 晶器电磁搅拌下，其柱状晶偏转角达18°到23° 关，在此不再赘述，但需要指出的是，晶区过渡区 如图5所示，对于这种含硫高碳非调质胀断连 域以及中心斑点状疏松区往往是成分偏析波动较 杆用钢，测量其大方坯横截面上距离铸坯四周边 大的区域，影响钢材热处理性能的碳极差超标往 缘处相同距离的柱状晶区枝品偏转角，结果如图6 往与此有关四，从3#样枝晶形貌可见，在M-EMS 所示.图中表明，其柱状晶偏斜角度在铸坯宽、窄 作用下，此区域柱状晶已经明显地偏离了垂直表 面中部最大，约在23°~26°之间：铸坯角部柱状晶 面的最大温度梯度方向，偏转方向基本一致、偏转 偏转角最小，且在宽窄面过渡区域发生反向偏转， 角大约在20°~28°之间 这显然与角部二维传热且传热方向正交有关.受 钢液电磁旋流强度黏滞性衰减影响，铸坯窄面左 侧和外弧面柱状晶偏转角度均略大于其相对面上 柱状晶的偏转量.其中，基于数据拟合可获得窄面 侧柱状晶偏转角的如下回归式 0=26.3-53.26e-0.0546d (1) 其中：0为柱状品体偏转角，（°）；d为离窄面左侧 边缘距离，mm:该结果与文献[17刀中报道高碳钢 小方坯相近.宽面侧柱状品偏转角分布规律与大 小基本类似 2.3皮下负偏析白亮带 连铸坯低倍中出现的白亮带现象属于负偏析 区铁素体比例高耐酸蚀较强的表现.图2(a)可见， 铸坯横断面上白亮带具有侧面较重、而角部不明 显的特点，可能与当地凝固前沿的流动性差异有 关.由凝固前沿溶质冲刷机理)，可知白亮带一般 图3铸坯断面自表及里不同品区铸态枝品形貌(1#，3#，6#，12#) Fig.3 Morphology of as-cast dendrites in different crystal regions from 均与凝固前沿钢水流动对枝晶间偏析溶质的冲刷 surface inward (1#3#6#12#) 有关，白亮带位置与搅拌器安装位置或当地的凝所示. 不难发现，包括铸坯角部区域，铸态组织中 柱状晶均发生了不同程度的一次枝晶偏转现象. 20 mm 17 mm (a) (b) (c) 3 mm 3 mm 图 2    大方坯低倍试样. （a）全断面低倍形貌；（b）柱状晶偏转；（c）皮下 白亮带 Fig.2     Low-magnification  specimens  of  blooms:  (a)  full-section morphology; (b) columnar crystal deflection; (c) subsurface white bright band 铸坯断面不同晶区枝晶浸蚀结果如图 3 所示， 其中 1#样为激冷层、3#样为皮下白亮带所在晶 区、6#样为柱状−等轴晶转变（CET）混晶区、12#样 为中心等轴晶区. 关于这些典型晶区的形成机理 已很清楚，主要与过冷度和凝固前沿成分过冷有 关，在此不再赘述. 但需要指出的是，晶区过渡区 域以及中心斑点状疏松区往往是成分偏析波动较 大的区域，影响钢材热处理性能的碳极差超标往 往与此有关[22] . 从 3#样枝晶形貌可见，在 M-EMS 作用下，此区域柱状晶已经明显地偏离了垂直表 面的最大温度梯度方向，偏转方向基本一致、偏转 角大约在 20°～28°之间. 1# 3# 6# 12# 1 mm 图 3    铸坯断面自表及里不同晶区铸态枝晶形貌（1#, 3#, 6#, 12#） Fig.3    Morphology of as-cast dendrites in different crystal regions from surface inward (1#, 3#, 6#, 12#) 2.2    柱状枝晶偏转及其特征 如图 2（b）所示，大方坯柱状晶发生有明显的 偏转生长现象. 说明在当前较强的结晶器电磁搅 拌作用下（500 A、3 Hz）坯壳凝固前沿发生切向流 动，且水口出流钢水电磁旋流在轴线方向上的有 效作用距离较长. 采用相场法，以 Fe−0.6%C 二元 合金为例模拟获得这种横向流动对柱状枝晶生长 及溶质分布的影响，如图 4 所示（其中 V 表示流 速；C 表示碳质量分数）. 可见，在所设计的较小流 速下（如铸坯角部区域），凝固柱状晶均表现出向 旋流方向逆向倾斜生长的特性，且偏转角度随流 速而增加. 这种现象与前人关于柱状晶上游（根 部）溶质因切向流动而耗竭、导致柱状晶体尖端溶 质浓度升高而造成的枝晶偏转特征是一致的[23] . 其中，Wang 等[17] 及 Takahashi 等[19] 研究报道，随着 流速从 0.1 m·s−1 增加到 0.4 m·s−1，偏转角从 0°增加 到 30°. Esaka 等[24] 研究了碳含量的影响，发现碳 质量分数从 0.01% 增加到 0.1%，偏转角从 15°增加 到 20°，在此浓度以上保持 22°左右不再变化. Wang 等[17] 报道了高碳钢小方坯连铸在 450 A、2.5 Hz 结 晶器电磁搅拌下，其柱状晶偏转角达 18°到 23°. 如图 5 所示，对于这种含硫高碳非调质胀断连 杆用钢，测量其大方坯横截面上距离铸坯四周边 缘处相同距离的柱状晶区枝晶偏转角，结果如图 6 所示. 图中表明，其柱状晶偏斜角度在铸坯宽、窄 面中部最大，约在 23°～26°之间；铸坯角部柱状晶 偏转角最小，且在宽窄面过渡区域发生反向偏转， 这显然与角部二维传热且传热方向正交有关. 受 钢液电磁旋流强度黏滞性衰减影响，铸坯窄面左 侧和外弧面柱状晶偏转角度均略大于其相对面上 柱状晶的偏转量. 其中，基于数据拟合可获得窄面 侧柱状晶偏转角的如下回归式. θ=26.3−53.26e−0.0546d （1） 其中：θ 为柱状晶体偏转角，（°）；d 为离窄面左侧 边缘距离，mm；该结果与文献 [17] 中报道高碳钢 小方坯相近. 宽面侧柱状晶偏转角分布规律与大 小基本类似. 2.3    皮下负偏析白亮带 连铸坯低倍中出现的白亮带现象属于负偏析 区铁素体比例高耐酸蚀较强的表现. 图 2（a）可见， 铸坯横断面上白亮带具有侧面较重、而角部不明 显的特点，可能与当地凝固前沿的流动性差异有 关. 由凝固前沿溶质冲刷机理[15] ，可知白亮带一般 均与凝固前沿钢水流动对枝晶间偏析溶质的冲刷 有关，白亮带位置与搅拌器安装位置或当地的凝 · 192 · 工程科学学报，第 44 卷，第 2 期