电磁搅拌参数对连铸坯凝固组织及内部质量的影响规律研究

引言: 连铸坯质量对后续加工和产品性能至关重要。电磁搅拌作为改善连铸坯质量的有效手段，其参数设置直接影响凝固组织和内部质量。深入研究电磁搅拌参数的影响规律，能精准调控连铸过程，减少缺陷，提高生产效率和产品质量，对钢铁行业发展有重要意义。

1. 电磁搅拌参数概述

1.1 搅拌电流的作用与范围

电磁搅拌技术的核心在于利用交变磁场诱发导电钢液产生感应涡流，进而形成机械搅动效果。搅拌电流强度直接决定着洛伦兹力的大小，该力作为驱动钢水流动的主要动力源，其分布特征深刻影响着熔池内的流体动力学行为。当电流处于较低水平时，仅能在局部区域形成微弱扰动，难以实现有效的成分均质化；随着电流增大，电磁力逐渐向铸坯中心渗透，促使高温区与低温区的钢水产生交换循环，这种动态交互作用不仅加速了热量散失速率，还能有效破碎初生凝固壳，为等轴晶生长创造有利条件。实际应用中需根据断面尺寸和浇注速度确定临界电流值，既要避免因过载导致的电磁设备过热问题，也要防止电流不足造成的搅拌盲区。特别在多相共存的温度区间内，合理调控电流波形可精准控制两相界面处的溶质再分配过程，这对改善宏观偏析具有关键作用。

1.2 搅拌频率的特性与选择

作为另一个重要调控维度，频率参数通过改变电磁场的交变周期来影响流体运动的振荡模式。低频工况下形成的长波长波动更适合穿透粘稠的糊状区，有利于消除柱状晶生长的优势取向；高频则产生短程快速脉动，能在细密的等轴晶团簇间构建微观对流网络。不同频率组合还能产生拍频效应，使复合搅拌模式兼具深浅层混合优势。选择时需考虑钢种特性与工艺窗口期的匹配性，例如碳含量较高的钢种需要更高频率以抑制碳化物过早析出，而合金元素偏析倾向强的体系则适宜采用低频强扰动方案。关键在于建立频率与凝固前沿推进速度的动态平衡，使固液界面始终处于适度扰动状态，既促进形核又避免晶体折断。

1.3 搅拌方式的分类与特点

现行主流模式包括线性往复式、旋转式和螺旋复合式三种基本形态。线性搅拌通过平行电极产生的直线运动轨迹实现纵向混匀，适用于窄断面的小流量工况；旋转式借助环形线圈生成周向驱动力，能形成稳定的环流体系，常用于大圆坯的径向成分均匀化；螺旋模式则是两者的时空叠加态，可产生三维螺旋状流动场，特别适合板坯类宽厚比大的铸型结构。每种方式都有其特有的流场拓扑结构，如旋转式易在中心轴线附近形成速度峰值区，而线性模式会在端部产生二次环流涡。实际生产中往往采用多段分区控制策略，通过不同区域的搅拌模式组合实现全流程调控。

2. 对凝固组织的影响

2.1 不同参数下组织形态变化

电磁搅拌引发的强制对流彻底改变了传统自然对流条件下的单向导热机制。在强搅拌作用下，原本平行排列的柱状晶被迫转向多维生长，其一次臂间距随搅拌强度增加而显著减小。当达到临界流速时，枝晶颈缩处发生熔断脱落，转化为游离态的等轴晶粒。这种转变过程呈现明显的阈值特征：弱搅拌阶段仅引起枝晶尖端钝化，中等强度可使主干弯曲分叉，剧烈搅拌则导致完全碎化。伴随流动能级的提升，熔体内部的异质形核几率大幅提高，非均匀形核占主导地位，最终形成致密的等轴晶区。值得注意的是，不同位置的流速梯度差异会造成区域性的组织梯度分布。

2.2 晶粒大小与参数的关系

电磁搅拌强度与晶粒细化程度呈正相关关系，但存在饱和效应。初始阶段随着搅拌功率增大，湍动能增强导致温度场均匀化，形核率快速上升且生长速率下降，双重作用共同促成晶粒尺寸减小。然而当搅拌超过特定限度后，过度湍流反而不利于稳定形核环境的形成，部分微小晶核可能被重新熔化。频率参数主要通过影响冷却路径来调节晶粒尺度，高频振动产生的微扰动能有效抑制择优生长方向，使各向同性的细小晶粒得以充分发展。搅拌方式则决定了能量传递效率，旋转式因其径向速度分量较大，通常比线性模式获得更细小的晶粒组织。

2.3 组织均匀性的参数影响

实现宏观尺度上的组织均一化需要多参数协同优化。电流密度的空间分布决定了不同区域的搅拌效能差异，通过调整线圈布局可补偿边缘效应带来的弱搅拌区。频率谱的选择应覆盖从宏观混合到微观弥散的各个尺度需求，采用变频技术可以动态适应凝固前沿的位置迁移。复合搅拌模式相较于单一模式更能消除死角，特别是螺旋与线性叠加产生的混沌流场，能显著改善中心与表层的组织一致性。此外，脉冲式供电策略可在关键凝固阶段集中施加高强度搅拌，突破固态分数升高导致的流变阻力屏障。

3. 对内部质量的影响

3.1 缩孔缺陷的参数关联

电磁搅拌通过改善补缩通道来抑制缩孔形成。持续流动的钢水可将富集溶质的低熔点液体输送至最后凝固部位，有效填补收缩空隙。搅拌强度不足时，枝晶搭桥过早阻断补缩路径；而适当强度的搅拌能维持畅通的渗流网络直至凝固末期。频率参数影响补缩节奏与凝固速率的匹配度，低频长周期波动适合厚大断面的整体性补缩，高频短脉冲则利于薄带材的表面质量提升。合理的搅拌矢量设计还能引导气孔向自由表面逸出，减少皮下针孔缺陷。

3.2 疏松情况的参数作用

中心疏松的本质是局部溶质富集引起的凝固收缩异常。电磁搅拌通过双重机制加以改善：一是增强宏观流动性带走偏析元素，二是促进微观尺度上的元素扩散均化。搅拌产生的剪切力能破碎枝晶骨架间的搭接结构，释放被包裹的富溶质液体参与再分配。过高的搅拌强度反而会导致卷气风险增加，因此存在最优参数窗口。实验表明，间歇式搅拌制度能在保证冶金效果的同时最大限度降低气体卷入概率，特别是在固相率超过临界值后的软启动策略，可避免已固化壳体遭受机械损伤。

3.3 裂纹产生与参数的联系

热应力引发的开裂敏感性与搅拌参数密切相关。强烈的电磁搅拌会加剧温度场波动幅度，特别是在棱角区域容易形成局部过热区，冷却时的相变应力叠加可能导致沿晶界扩展的裂纹源。通过优化搅拌模式减少速度梯度差是防控关键，例如采用渐变强度启动方式可缓解冲击效应。频率调节同样重要，避开共振频率区间能有效抑制振动放大现象。对于裂纹敏感材料体系，建议采用分段递进式搅拌制度，在脆弱温度区间主动降低搅拌强度，待应力松弛后再逐步恢复目标参数。

结束语: 综上，电磁搅拌参数对连铸坯凝固组织和内部质量有显著影响。通过研究各参数的作用规律，可合理调整搅拌工艺，改善凝固组织，减少内部缺陷，提升连铸坯质量，为钢铁生产的高效化和优质化奠定基础，推动行业技术进步。

参考文献：

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