电磁搅拌对连铸板坯质量的影响

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1983.03.013 北京钢铁学院学报 1983年第3期 电磁搅拌对连铸板坯质量的影响 电治教研室邢文彬 摘要 在连续铸钢中采用电磁搅拌技术，可以有效的改善铸坯质量。]【】【】【]]本文报 导了电磁搅拌(EMS)对炭素钢连铸坯质量的影响，并提出了几点初步看法： 一、研究方法 实验是在R10M的全弧型连铸机上进行，电磁搅拌器安装在离结晶器钢液面4.6m处（图 1)。试验钢种全部是炭素钢，浇铸及搅拌条件均见表1。 根据实验要求，研究方法如下： 1.按试验设计要求，从铸坯上取出纵断面及 p p 横断面低倍组织试样，以观察与比较凝固组织的特 d 征， d d EMS 2.分析位于板坯厚度中心沿着宽度方向的炭 含量变化，对炭的偏析规律进行了讨论， 3.在铸坯内弧侧沿着厚度方向按取样要求取 Q O 出若干试片，利用x射线透过法进行观察和统计大 型夹杂物的含量及分布，讨了夹杂物的分布规律。 图1 电磁搅拌器线卷安装位置 表1 实验板坯的搅拌条件及浇铸条件 钢 成分(%) 电磁搅拌条件 浇铸 断面尺寸 (mm2) 频 电 种 号 P 流 搅拌 格变备注 11 I2 f 方 分) SS41 200×12400.100.0030.0211.5 600 925 1350 向右 0.8 30 SS41 2 他 0.100.0050.0222.5 400900 1557 0.9 23 SS41 3 0.100.0050.0222.5 1900 970 2092 0.9 18 SAE040 4 200×1120 0.410.0040.0201.5400970 1285 0.9 31 SAE040 5 0.430.0040.0181.5800940 1512 台 0.9 30 SK-5 6 200×940 0.860.0060.0220.7500 800 789 0.7 33 “文中数据来自作者在日本某公司研究所的部分实验结果 122

北 京 钢 铁 学 院 学 报 年第 期 电磁搅拌对连铸板坯质量的影响 电冶教研 室 邢文彬 摘 要 在连 续铸钢 中采用 电磁搅拌技术 ， 可 以有效的改 善铸坯 质量 。 ‘ ‘ ‘ 】 本文报 导 了电磁搅拌 对炭素钢连铸坯 质量 的影 响 ， 并提 出了几点 初步看法 一 、 研 究方法 实验是 在 的全 弧 型连铸机 上进行 ， 电磁搅拌器 安装在离结晶器钢 液面 处 图 。 试 验钢种 全部是 炭素钢 ， 浇铸及搅拌 条件均 见 表 。 根据 实验要求 ， 研究方 法如下 按试 验设计要求 ， 从铸坯 上取 出纵断面 及 横断 面 低 倍组织试样 ， 以观察与 比较凝 固组织 的特 征 ， 分析位于 板坯厚 度中心 沿着宽度方 向的炭 含量 变化 ， 对炭的 偏析规律进行 了讨论， 在铸坯 内弧侧 沿着厚 度方 向技取样 要求取 出若干 试片 ， 利用 射线 透过 法 进行 观察和统计大 型 夹 杂物的 含量 及分布 ， 探 讨 了夹杂物的 分布规 律 。 臼峨面 图 电磁 搅伴器 线卷安装位置 表 实验板坯 的 搅拌条件 及浇铸 条件 备往 几月一了、 人小刀比今一目‘‘ ‘口一户曰内甘︺门八甘，呢 ︸、一尹卜公， 之、产一曳临十七卜几犷‘ ‘、 钊人口锅汇卜爪了 习矛‘‘‘ 产、了一八︺︺八甘 成分 电磁 搅拌 条件 川 一 率频 流电卜 流电几 断 搅拌 方 向 钢种 坯板号 一 ， ，’ ，’ 一 ， 向右 ， ， 工 产队旧刀产的旧洒仁 甘八”︸︵︸ 八八 匕任勺 … 八﹃ ，‘一 任人，上‘月 八甘二一 … 八甘﹄ ‘，上‘，‘ · · 一 · · ﹃ 文 中数 据来 自作者 在 日 本某公 司研 究所 的部分实 验 结果 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1983．03．013

二、分析检验结果及讨论 1.电诚搅拌对凝固组织的影响 众所周知，没有电磁搅拌的凝固组织，由于弧型铸机的特点，柱状晶的生长条件不同， 造成了内弧侧的柱状晶生长比外弧侧较为发达【】。出现了沿厚度方向凝固组织的不对称 性，等轴晶率较低，某些钢种（例如不锈钢）甚至可以形成柱状晶穿晶结构。 电磁搅拌之后就不同了，为了说明电磁搅拌对凝固组织的影响，下面仅选取1铸还加以 分析说明（照片1,2）。 (A) 内测 外弧侧 方 (B) 柱 短 柱 向乱 品 照片1：1号铸坯两窄边（左和右）厚度中心的纵断面凝固组织 （A)一试样低倍组织 (B)一低倍组织示意图 左 (右B 浇铸方向 (B) 虾轴品 等轴品 “白带”伏品极 区组 照片2：1号铸坯宽度中心的纵断面凝固组织 (A)一试样低倍组织(B)一低倍组织示意图 123

‘ 犷 二 分 析 检 验 结 果 及 讨 论 电磁 搅 拌 对疑 固 组 织 的影 响 众 所 周知 没 有 电磁 搅 拌的 凝 固 组织 由 于 弧型 铸 机 的特 点 柱 状 晶 的 生长 条 件 不同 造成 了 内 弧侧 的 柱状 晶 生 长 比外 弧侧 较 为 发达 〔 出 现了 沿 厚 度 方 向凝 固 组织 的 不 对 称 性 等 轴 晶率 较 低 某些 钢 种 例 如 不锈 钢 甚 至可 以 形 成柱 状 晶 穿晶 结 构 电 磁 搅拌 之 后 就 不同 了 为 了 说 明 电磁 搅 拌刘 凝 固 组织 的 影 响 下 面 仅选 取 铸坯 加 以 分析 说 明 照 片 一嘿…黔缨黔矍 竿 一黝耀照 片 号矍铸坯 两 窄 边 黝左 和 右 厚 度 麟中心 的 纵 断 面凝 固 组 鄂织 一 试 样 低倍 组 织 一 低倍 组 织 示意 图 ， 、 一黝照 片 号 铸坯 宽 度 中心 的 纵 断面 凝 固 组 织 一 试样 低 倍 组织 一 低 倍 组织 示 意 图

照片1是1#铸坯两窄边厚度中心的纵断面凝固组织，除了激冷层（照片1,2中的极细柱状晶 区)和柱状晶基本上左、右对称外，发现从柱状晶区向中心礙固时，左右两边的凝固组织在方 向上都发生了急剧的变化，且右边比左边更为明显，形成了一个特殊晶区一“白带”（white band)。 照片2是1铸坯宽度中心的纵断面凝固组织，从其特征来看，主要是在邻近柱状晶区的 中心一侧，生成了方向紊乱的柱状晶（或分枝柱状晶）、内弧侧与外孤侧稍有不同。 此外，还可以看到铸坯上对称存在的“白带”区及中心等轴晶区。 电磁搅拌对凝固组织的影响，怎么样呢？首先是增加了铸坯的等轴晶率。随搅拌强度不 同，等轴晶的细化程度和等轴晶带的宽度也不同。本实验中的1,2,3号铸坯(（含炭量相 同)，搅拌强度参数1√f分别为1350,1557,2092时，等轴晶率实测结果分别为48%， 52%,52.5%。发现1√f值从1557增加到2092时，等轴晶率的增加很少，说明等轴晶率随搅 拌强度的增加有一定的限度。关于这个问题，河西等〔1的研究结果也提出了类似的观点。 等轴晶的形成机理，许多人曾作过不少研究【！，一般认为由于电磁搅拌加速了钢液的 流动和改变了液相穴内的传热与传质过程，从而对柱状晶的生长方向产生了一定的影响【)， 也为凝固前沿的柱状晶熔断和机械折断创造了有利条件。在液相穴的上部，由于钢液的温度 较高，这些断下来的游离晶片可能又被熔解或部分熔解。而未被熔解的晶片则阻碍了柱状晶的 发展，在一定的凝固条件下，生成了分枝柱状晶区，在液相穴的下部，钢液的流动速度很弱， 钢液的温度也几乎接近于它的凝固温度，未熔解碎晶片的存在，大大促进了等轴晶区的形成。 实验证明，在电磁搅拌作用下，钢液流动方向发生变化的地方有利于生成分枝柱状晶， 这个特点明显的区别于一般铸坯的凝固组织，这种分枝柱状晶对于铸坯的组织结构来说，介 于等轴晶和柱状晶之间。因此，有些人【11在衡量电磁搅拌对凝固组织的影响时，往往把分 枝柱状晶和等轴晶合在一起讨论。 第二是电磁搅拌的铸坯柱状晶区的宽度变窄，从纵断面和横断面上的柱状晶成长方向来 看，都表现出不是严格的垂直于散热表面。这主要是由于钢液流动的特征不同所造成的。 第三是电磁搅拌后有些铸坯上产生了明显的“白带”区。而且该区的凝固组织特征至今 尚未弄清，但可以肯定该处的钢液流动处于一个复杂的状态。有明显的炭元素偏析，夹杂物 含量也很少。值得指出的是虽然电磁搅拌带来了某些元素的负偏析，但在低倍组织照片上并 不见得都能观察到“白带”的存在。实验证明，最佳搅拌参数的选择，将对改善成分偏析和 减轻“白带”有明显的效果。 2.电磺搅拌对钢液流动的影响 (左) 首先是钢液的流动方向，许多研究者 证明【11]，凝固过程中柱状晶的生长 上部 10 2 方向与钢液流动的方向存在一定的关系， 根据铸坯厚度中心的纵断面凝固组织（照 35 片1)的特征，即可推断左、右两窄边钢 中部流40 液流动的方向。图2示意的表示了1#铸坯 右窄边各层的凝固组织。它可以形象地说 下部流 明铸坯液相穴内钢液流动的特征。例如： 根据搅拌器中心位置的凝固组织方向发生 54321 的变化（距右窄边表面的40mm处），就可 图21号铸中钢液流动模型 124

照 片 是 纷 铸坯 两 窄边 厚 度中心的纵 断而 凝 固组织 ， 除 了激 冷层 照片 ， 中的极 细柱状 晶 区 和柱状 晶 垫本 上左 、 右 对称外 ， 发现从柱状 晶 区 向 中心 凝 固时 ， 左右 两边的凝 固组织 在方 向上都发生 了急剧 的变 化 ， 且右 边 比左边更 为 明显 ， 形 成 了一个特殊 晶 区一 “ 白带 ” 。 照 片 是 铸坯宽度 中心 的纵断面 凝 固组织 ， 从其特征来看 ， 主 要是在邻近 柱状 晶 区的 中心一侧 ， 生成 了方 向紊 乱 的柱状 晶 或分枝柱状 晶 、 内弧侧 与外 弧侧 稍有 不 同 。 此外 ， 还 可 以看 到铸坯 上对称 存在 的 “ 白带 ” 区 及中心等轴晶 区 。 电磁搅拌对凝 固组 织 的影响 ， 怎么样 呢 首先是增加 了铸坯 的等轴晶 率 。 随搅拌强度 不 同 ， 等轴晶 的细化程度和等轴晶带 的宽度也 不同 。 本 实验 中的 ， ， 号铸坯 含炭量 相 同 ， 搅拌强度参数 侧了分别 为 ， ， 时 ， 等 轴晶率 实测结果 分别 为 ， ， 。 发 现 亿 植从 增加 到 时 ， 等轴晶 率的 增加 很少 ， 说 明等轴 晶率随 搅 拌强度的增 加有一 定的 限度 。 关于这个 问题 ， 河西 等 了 的 研 究结果 也提 出了类似 的 观点 。 等轴晶 的形成机 理 ， 许 多人 曾作过 不少 研 究 ， 一 般认 为 由于 电磁搅拌加 速了钢 液的 流 动 和改 变 了液相穴 内的 传热 与传质过程 ， 从而对柱状 晶的 生长方 向产 生 了一 定的影 响 ， 也为凝 固前 沿的 柱状 晶熔断 和机械折断 创造 了有 利 条 件 。 在 液相 穴的 上部 ， 由于钢 液 的温 度 较高 ， 这些断下来 的游 离晶片可 能 又被熔解或 部分熔解 。 而未被熔解 的晶片则阻碍 了柱状 晶 的 发展 ， 在一定 的 凝 固条件下 ， 生成 了分枝 柱状 晶 区， 在液 相穴 的下 部 ， 钢 液的 流动 速度 很 弱 ， 钢 液的温 度也 几乎接近于 它的 凝 固温度 ， 未熔解 碎晶片的 存在 ， 大大促 进 了等轴晶 区的 形 成 。 实验证 明 ， 在 电磁搅拌作用下 ， 钢 液流 动方 向发 生变化的地方有 利于 生成 分枝 柱状 晶 ， 这个特点 明显的区 别 于一 般铸坯 的凝 固组 织 ， 这种 分枝柱状 晶 对于 铸坯 的组织结 构来 说 ， 介 于 等 轴晶 和柱状 晶 之 间 。 因此 ， 有些人 ‘ 。 在衡量 电磁搅拌 对凝 固组 织 的 影 响时 ， 往往把 分 枝柱状 晶 和等 轴晶 合在一 起讨论 。 第二是 电磁搅拌的 铸坯柱状 晶 区 的宽度变 窄 ， 从纵断面 和横断面 上的柱状 晶成 长方 向来 看 ， 都表现 出不是严格的垂 直于 散 热表面 。 这主 要是 由于钢 液 流 动的特征 不 同所造成的 。 第三是 电磁搅拌后有些铸坯 上产 生 了明显 的 “ 白带” 区 。 而且 该 区 的 凝 固组织特征至 今 尚未弄清 ， 但可 以肯定该 处的钢 液流 动处于一个复杂的 状 态 。 有 明显 的炭元 素 偏析 ， 夹杂物 含声也很少 。 值得 指 出的是 虽然 电磁搅拌带来 了某 些 元素 的 负偏析 ， 但 在低 倍组织照片 上并 不见得 都能 观察到 “ 白带 ” 的存在 。 实验证 明 ， 最佳搅拌参数的选择 ， 将对改 善成分偏 析 和 减轻 “ 白带” 有明显的效果 。 电曦搜摔对钥玻流动的形晌 首先是钢 液的流 动方 向 ， 许多研 究者 证 明 。 ‘ 。 凝 固过 程 中 柱状 晶 的 生长 方 向与钢 液流 动的方 向存在一 定的 关系 ， 根据铸坯 厚 度 中心的纵断面 凝 固组织 照 片 的特征 ， 即可 推断左 、 右 两 窄边钢 液 流 动 的方 向 。 图 示意 的 表示 了 铸坯 右 窄边 各层 的 凝 固组织 。 它可 以形 象地 说 明铸坯 液 相穴 内钢 液 流 动的特征 。 例如 根据搅拌器 中心位 置的凝 固组织方 向发 生 的 变化 距右窄边 表面 的 处 ， 就可 左 右 旧艇泥健留圈赛︶︵‘ 图 号铸 中钢液 流动模型

以推断这里的钢液流动方向有U,和U4,通过分析可以认为这是电磁搅拌器引起的钢液流 动。总体来看，液相穴内的钢液流动特点，在本实验条件下，层流是主要的，方向相反的层 流之间也可能产生涡流，特别是两个层流流股正面冲突之后，还会产生乱流，从而使该处的 凝固组织变得复杂化。 第二是钢液流股的位置，根据各层凝固组织距铸坯表面的实际距离，可以计算出流股沿 着浇注方向所处的位置。 第三是钢液流股的流速，由于铸坯内钢液流动状态非常复杂，流动速度的测定在技术上 存在许多困难。本次研究通过分析钢液流动引起的炭的偏析，定量的计算了钢液流股的流 速。关于这方面，佐佐木等11)已详细报导过他的研究结果，并提出了如下的关系式 1一K。 i=K。 =2.88×103(U/V)0.58 (1) 式中： K。一溶质元素的有效分配系数 K。一溶质元素的平衡分配系数 U一钢液的流动速度(cm/sec) V一凝固速度(cm/sec) 具体计算中 Ke=C。 (2) ,一铸坯中炭的化学分析值 C。一中间包内钢水的平均含炭量 K:C=0.1~0.45%时 K。=0.18 C≈0.85%时 K。=0.36 1.0 0.9 0.8 0.7 0.7 (左) 40(右) 30 730 20 10 25 3035 40 4550504540353025 矩左窄面的距离（mm) 距右窄面的距离（mm) X> 图3钢液流动速度和有效分配系数的变化关系 125

以推断这 里的 钢 液流 动 方 向有 和 ， 通 过 分析可 以 认为 这是 电磁 搅拌器 引起 的钢 液流 动 。 总体来看 ， 液 相穴 内的钢 液 流 动特 点 ， 在 本 实验 条件下 ， 层 流是 主 要的 ， 方 向相反 的 层 流 之 间也可 能产生涡 流 ， 特 别 是 两个层 流 流股 正面 冲突之 后 ， 还 会产 生 乱流 ， 从 而使 该 处的 凝 固组织 变得 复杂 化 。 第二是钢 液 流股 的位 置 ， 根据 各层 凝 固组 织 距铸坯 表而 的 实际 距 离 ， 可 以计算出流 股 沿 着浇 注方 向所 处的 位 置 。 第三 是钢 液 流 股 的 流 速 ， 由于 铸坯 内钢 液流 动状 态非常复杂 ， 流动 速度的测 定在 技 术上 存在许 多困 难 。 本 次 研究通 过分析 钢 液 流 动 引起的炭的 偏 析 ， 定量 的计算了 钢 液流 股 的 流 速 。 关于这 方面 ， 佐 佐木等 “ 已详 细报 导过他 的 研究结 果 ， 并提 出了如下 的关 系式 一一 一 一 “ ” “ 式 中 。 一溶质元素的有效分 配 系数 。 一溶质元素 的 平 衡 分 配 系 数 一钢 液 的 流 动 速度 一凝 固速度 具体计算中 ︸一 玉 刀 一铸坯 中炭 的化学 分析值 。 一 中间包 内钢 水 的 平均 含炭量 。 时 。 岛 时 。 。 、心“。 吕 左 ’ “ ’ 口 一 ， 八 口、 。明。 … 图 钢液流动速度 和 有效分 配 系数 的变化关 系

V=K: 2d (3) K一凝固系数(mm/min1/2) d一坯壳厚度(mm) 利用式(2)通过碳的分析值计算出Ke,利用式(3)计算出实际铸坯不同坯壳厚度时 的凝固速度，则钢液的流动速度就可以计算出来（图3）。随着钢液流动速度增大，，有效分 !系数变小，实验中六块铸坯计算的结果指出：由电磁搅拌引起的水平流到窄边与坯壳冲突 之后而产生的上升流的速度为10~35cm/sec左右，下降流为510cm/sec左右。·搅拌强度 参数I√「和钢液流动速度最大值(Umax)之关系如图4所示，随着【√f增大，Umax也 增大，I√f相同的情况下，高炭钢 的Umgx较小。 水平流可以根据横断面柱状晶的 60 ●C=0.10 偏斜角去定量度估算，用冈野等【1】 50 ▲Cg0.46(%) 的经验式计算得出：上部流速度为10 ©C=0.86 40F cm/sec,中部流速度为40cm/sec, 下部流由于相应的柱状晶偏转角度难 以测定，故速度还不能定量。 钢液的流动速度，据研究者不同 10以 的计算方法，结果也各有差异。但对 “3”号铸坯分别采用佐佐木等【11】 0- 300 9001200150018002100 和高桥等[]的计算方法，所得结果 IVT (图5)还比较接近。 图4I√f和Umx的关系 3.电磁搅拌对正、负偏析的影 响 一般来说，在钢液边流动边凝固 60 ·一佐佐木等 时，其溶质元素容易形成负偏析，流 50 动速度愈快，而且凝固速度慢时，负 ·一高桥等 偏析会更显著。 电磁搅拌对碳元素偏析的影响： 日 (1)电磁搅拌条件相近的铸 20 坯，在两个窄边离表面大约40mm附 近都形成了负偏析带（图6），负偏 析峰值也在此处。大约位于搅拌器的 25 30 35 40 中心，负偏析程度右边比左边大。 离表面距离(mm) “白带”区几乎与炭的负偏析完全对 图53号铸坯右窄边钢液流动速度的计算结果 应。在负偏析带的铸坯中心一侧形成 了明显的正偏析带： (2)高炭钢铸坯负偏析带发生在离窄边表面约60mm处，大大移向了铸坯中心一侧，并 且在炭的负偏析区看不出低倍上的“白带”特征，这也许是炭的相对偏析度较为轻微的缘故。 (3)搅拌强度增大，·负偏析量也增加(K。相同时)，搅拌强度参数与炭元素的有效 126

一凝 固系数 一坯 壳厚 度 利用 式 通 过碳 的 分析值计算 出 ， 利用式 计算出实际铸坯 不 同坯 壳厚度时 的 凝 固速度 ， 则钢 液 的 流 动 速度就可 以 计算 出来 图 。 随 着钢 液流 动速度增大 ， 有效分 配 系数变小 ， 实验中六块铸坯计算的 结果指 出 由电磁搅拌 引起的水 平 流到窄边与坯 壳 冲突 之 后 而产生的 上升 流的 速度为 沁 。 左右 ， 下降 流为 左右 。 搅拌强度 参数 亿 和钢液流 动速度最大值 之关系如 图 所示 ， 随 着 训 增大 ， 二 。 也 增大 ， 侧 相 同的情 况下 ， 高炭钢 的 二 。 较小 。 二 ‘ 勺 二 ， ‘ 介 厂 ’ ‘ 日沪户 沪 。‘ 日， 匀 水 平流可 以根据 横断面柱状晶的 偏 斜角去定量 度估算 ， 用 冈野 等 ’ “ ， 的经 验式计算得 出 上部流速度为 ， 中部流速度为 ， 下部流 由于 相应 的 柱状晶偏转角度难 以测 定 ， 故速度还 不能 定量 。 钢 液的 流动 速度 ， 据 研究者 不 同 的 计算方 法 ， 结 果也 各有差 异 。 但 对 “ ” 号铸坯 分别采用 佐佐木等 ‘ ’ 和 高桥 等 的 计算方 法 ， 所得结果 图 还 比较接 近 。 电磁 搅拌对 正 、 负偏析 的影 晌 一 般来说 ， 在钢 液 边流 动边凝 固 时 ， 其 溶质元素 容易形 成 负偏 析 ， 流 动 速度愈快 ， 而且 凝 固速度慢时 ， 负 偏 析 会更 显著 。 电磁搅拌对碳元素偏 析的影 响 电磁 搅拌 条件 相近 的 铸 坯 ， 在 两个窄边 离表面 大 约 附 近 都形 成 了负偏 析带 图 ， 负偏 析峰值 也在 此 处 。 大 约 位于 搅拌器 的 中心 ， 负 偏 析 程 度右 边 比左 边大 。 “ 白带 ” 区 几乎 与炭 的 负偏析完全 对 ‘ 二‘ 一 护一 加切抓功时 又 一 一 了 图 侧 和 的关 系 ‘ 一 佐佐木等 、 － 离桥等 幼 ︵。日。” 离 报面距离 《 图 号铸坯 右 窄边 钢 液 流动速度 的计算结果 应 。 在负偏 析带 的 铸坯 中心一 侧 形成 了明显 的 正 偏 析带 高炭钢 铸坯 负偏 析带发生在 离窄边 表面 约 处 ， 大大移向了铸坯 中心一侧 ， 并 且 在炭 的 负偏 析 区看 不 出低 倍 上的 “ 白带 ” 特 征 ， 这也许是炭 的 相 对偏 析度较为轻微 的 缘故 。 搅拌 强度增 大 ， 负偏 析量 也增加 。 相 同时 ， 搅拌强度参数与炭元素 的 有效