电磁搅拌技术对改善大规格圆坯凝固组织与偏析的研究

引言：

大规格圆坯是冶金生产的重要中间产品，广泛应用于能源、机械及航空航天等领域 ， 其凝固过程常出现枝晶粗大、中心偏析及组织不均匀等问题，这些问题成为制约性能提升的关键因素。传统优化措施在改善效果上存在局限。近年来，电磁搅拌技术因能在凝固阶段引导液态金属流动受到关注，该方法有助于加速枝晶折断和晶粒细化，促进溶质再分布，有效减轻偏析现象 ， 围绕这一技术的研究，正逐步揭示其在改善大规格圆坯质量方面的潜力 ， 本文聚焦其在凝固组织与偏析改善中的关键机理与应用路径。

一、大规格圆坯凝固缺陷的表现与成因

大规格圆坯在冶金连铸的凝固过程中常出现一系列组织缺陷，最突出的表现是枝晶粗大和组织不均匀 ， 其截面尺寸庞大，使凝固时间显著延长，熔池内不同区域的温度梯度和冷却速度差异显著，直接导致枝晶生长间距增大，易在中心区域形成粗大柱状晶和明显的中心偏析区。局部区域因热流传导效率不足，晶核难以在熔池中均匀形核与生长，最终组织在宏观尺度呈现不均匀分布，这种状况会直接影响材料后续热加工的可塑性与最终产品的力学特性。

凝固进程进入中后期，溶质元素分布不均的问题更趋突出 ， 随固液界面向中心持续推进，残余液体中富集的碳、硫、磷等易偏析元素被不断推挤至圆坯中心区域，逐渐形成严重的正偏析现象。受熔池内流动条件不足限制，这些溶质无法实现有效扩散与均匀分布，进而在内部造成偏析带、中心缩孔及低熔点杂质富集区。这些区域常成为材料后续使用中疲劳裂纹萌生的潜在位置，不仅降低产品性能稳定性，也对生产成材率和产品使用寿命产生显著负面影响。

大规格圆坯独特的几何特征使凝固过程存在明显的径向差异 ， 靠近表层的区域因接触冷却介质，冷却速率较高，易形成细小的等轴晶区；内部因热量散发缓慢、冷却迟缓，表现出柱状晶持续延伸与枝晶生长偏长的特点，二者交替造成组织不连续性。部分生产情况下还会出现链状偏析和中心疏松，反应熔池内热流传递和溶质输运的不平衡 ， 复杂热力学与动力学条件叠加，使大规格圆坯凝固过程中更易出现多尺度组织缺陷，这些问题已成为当前制约其质量提升的重要瓶颈。

二、电磁搅拌在组织细化与偏析控制中的作用机理

电磁搅拌在大规格圆坯凝固过程中，借交变电磁场在熔体中感生涡流，驱动液态金属产生强制对流， 这种流动打破传统自然对流的局限，使固液界面附近的温度场和浓度场实现有效均匀化。液态金属持续扰动，加速枝晶折断与再分布，还促使碎片晶核在熔池中大量生成并悬浮，在凝固区内形成较高的形核密度 ， 晶核数量增加使枝晶间距明显减小，最终呈现等轴晶区扩展与组织全面细化的效果。

凝固传热与溶质输运领域，电磁搅拌作用同样突出 ， 液态金属流动有效削弱温度梯度，令熔池内部过冷度更均匀，抑制柱状晶过度生长 ，富集在固液界面前沿的溶质，在强制对流作用下被快速带离界面区域，完成溶质再分布，碳、硫、磷等易偏析元素随液态流动被稀释并均匀扩散，减少中心区域的正偏析与链状偏析现象。在此影响下，中心缩孔、低熔点共晶物和偏析带明显改善，宏观偏析程度大幅减轻 ， 电磁力与流动模式耦合作用时，熔池内部形成螺旋状或环流型流场结构，这种流动状态提升熔池整体搅拌均匀性 ， 不同强度和频率的电磁场作用对流场形态产生显著影响，进而改变晶体生长方式与溶质扩散效率 ， 电磁搅拌参数控制适当时，等轴晶与柱状晶的比例优化，凝固组织趋向细小、均匀且连续，内部缺陷显著减少；搅拌强度过高则可能引发液面波动或夹杂物卷入，因此参数优化成为保障组织改善效果的关键环节。

电磁搅拌还可延缓枝晶网络搭接与包晶反应形成，避免液态金属被困在枝晶间隙，减少中心区域残余液体偏析 ， 随着对流持续作用，凝固末期补缩条件改善，液态金属能更充分填充潜在收缩空隙，减轻疏松与微裂纹产生 ， 依托这种热流场、浓度场与力场的协同调控，大规格圆坯凝固组织从粗大不均逐步向致密均匀转变，偏析问题也得到显著控制。该作用机理本质在于电磁场引导下的熔体流动，对热力学与动力学过程实施双重干预 —— 既改变晶体形核和长大条件，也优化溶质扩散与再分布规律，最终达成组织细化和偏析控制的双重目标 ， 这一过程体现了电磁搅拌在大规格圆坯凝固控制中的独特优势，也为后续工艺稳定性与材料性能提升筑牢基础。

三、电磁搅拌改善效果的综合评述与实践启示

电磁搅拌在大规格圆坯凝固过程中的应用展现显著改善效果，综合表现覆盖组织均匀性、偏析控制和内部致密度等方面 ， 电磁场驱动形成的强制对流，让熔池内部温度分布趋于一致，凝固过程中过冷度条件得到优化，大幅抑制柱状晶延伸，促进等轴晶大范围形成，枝晶间距缩小，组织细化程度提高，宏观和微观尺度均匀性显著改善，为后续热加工创造更有利的初始组织条件。偏析控制层面，电磁搅拌通过增强溶质扩散和再分布，显著减轻中心偏析、带状偏析及链状偏析问题 ， 熔体流动削弱溶质在固液界面前沿的局部富集效应，减少碳、硫、磷等元素在中心区域的高度聚集，中心缩孔和低熔点共晶物的形成受到有效抑制 ， 伴随流动条件改善，凝固末期补缩能力增强，液态金属能更充分填充收缩空隙，使内部疏松和微裂纹发生率显著下降。

实际生产中，电磁搅拌的应用不仅提升圆坯冶金质量，还改善轧制性能和成品力学性能 ， 均匀细化的组织为后续热变形提供更理想的塑性条件，减少因组织粗大带来的加工裂纹风险 ， 偏析程度减轻降低材料性能波动，提高整体稳定性和可靠性 ， 通过参数调控，可在不同钢种和规格条件下实现针对性优化效果，使该技术具备广泛适应性和可操作性。从生产启示看，电磁搅拌不仅是单一的组织优化手段，更是对凝固传热、溶质输运和缺陷控制的综合调控工具 ， 其有效性依赖搅拌强度、频率及作用位置的合理设定，需与冷却制度和成分特性相结合，才能达到预期效果 ， 大规格圆坯冶炼与连铸过程中，电磁搅拌的推广应用为提升材料整体质量提供切实可行的路径，同时也对传统工艺优化提出新的思路和参考价值。

结语：

大规格圆坯在冶金连铸的凝固过程中，受截面尺寸影响易产生组织粗大与成分偏析问题，这类缺陷会直接影响后续加工环节 ， 电磁搅拌技术在凝固阶段通过强化熔池内液态金属流动，打破溶质富集区域的稳定状态，实现晶粒细化与溶质均匀分布，从而有效缓解偏析问题 ， 该技术在改善圆坯凝固组织均匀性与提升材料力学性能方面展现突出优势，为冶金工业规模化生产高品质圆坯提供稳定可靠的工艺路径。

参考文献：

1. 王建华 . 电磁搅拌技术在连铸圆坯中的应用研究 [J]. 钢铁 ，2023， 54（3）： 45-52.2. 刘志强 . 大规格圆坯凝固组织控制及偏析改善机理 [J]. 冶金学报 ， 2020， 56（4）： 87-95.3. 陈国强 . 电磁搅拌作用下钢液流动与晶粒细化研究 [J]. 金属学报 ， 2024， 54（6）： 112-120.