一、研究的背景與問題
在全球減排降碳背景下，風電、核電等新能源裝備裝機容量迅猛增長對鋼鐵材料高端化、大型化、長壽命、低成本等方面提出更高需求。根據(jù)國家能源局的統(tǒng)計，截至2023年10月底，我國風電裝機累計容量約4.0億千瓦，穩(wěn)居全球首位，首次實現(xiàn)海上風電單機容量10MW+的突破。位于高端裝備制造業(yè)無人區(qū)，我國亟需自主科技創(chuàng)新，探索鋼鐵材料制造新技術，引領世界鋼鐵行業(yè)發(fā)展。高品質鋼連鑄坯質量穩(wěn)定控制是鋼鐵材料高端化、低成本的關鍵。各大鋼鐵企業(yè)采用結晶器電磁攪拌、結晶器電磁制動、二冷電磁攪拌等電磁冶金裝備通過非接觸式電磁力調控鋼液流場進而調控連鑄坯表面與內部質量。然而，這些電磁冶金裝備施加位置均在結晶器及以下區(qū)域，難以從根本上解決鑄坯邊緣負偏析及其引發(fā)的后續(xù)正負偏析交替問題，難以解決結晶器內鋼液由中心到邊緣溫度梯度大導致的凝固組織粗大問題，無法解決水口結瘤及其結瘤物脫落造成大尺寸夾雜問題，難以協(xié)同提高連鑄坯凝固組織細化、均質化與潔凈化。此外，我國采用的電磁裝備絕大部分為國外引進后國產替代，缺乏更具針對性的原創(chuàng)電磁冶金技術與裝備支撐。
二、解決問題的思路與技術方案
針對上述問題，東北大學材料電磁過程研究教育部重點實驗室王強教授團隊在國家杰出青年科學基金項目、國家自然基金重點項目、國家重點研發(fā)計劃及十余項校企合作課題的資助下，創(chuàng)建了鑄坯凝固組織細化、均質化、潔凈化電磁旋流調控新理論，原創(chuàng)了適配多鋼種、多規(guī)格、多坯型的非接觸式電磁旋流技術與成套裝備，自主研發(fā)了電磁旋流及其多級耦合電磁驅動技術并實現(xiàn)工業(yè)應用。通過理論-裝備-工藝應用全鏈條科技創(chuàng)新，實現(xiàn)了軸承鋼、齒輪鋼、海工鋼等鋼材高質、高效、低成本、穩(wěn)定制造，解決問題的思路與技術方案如圖1所示。電磁旋流技術是在浸入式水口外部安裝可移動可調節(jié)的電磁旋流裝置，通過旋轉電磁場對浸入式水口內鋼液產生洛倫茲力效應以非接觸的方式實現(xiàn)鋼液的旋轉流動，是一種通過在浸入式水口內形成旋流以控制結晶器流場的連鑄新工藝。電磁旋流及其多級耦合電磁驅動技術采用浸入式水口電磁旋流協(xié)同耦合結晶器、二冷、末端電磁攪拌技術，形成連鑄坯凝固前期、初期、中期、末期全連鑄流程綜合電磁控流技術，進而全面提升鑄坯凝固組織細化、均質化和潔凈化，為實現(xiàn)我國高品質鋼穩(wěn)定生產提供原創(chuàng)性電磁冶金技術與裝備支撐。
圖1 解決思路與技術方案
三、主要創(chuàng)新性成果
項目組聚焦鋼鐵凝固過程電磁調控關鍵技術，歷經(jīng)十余年校企聯(lián)合攻關，通過理論-裝備-工藝應用全鏈條科技創(chuàng)新，實現(xiàn)了軸承鋼、齒輪鋼、海工鋼等鋼材高質、高效、低成本、穩(wěn)定制造。取得如下創(chuàng)新性成果：
(1)創(chuàng)建鑄坯凝固組織細化、均質化、潔凈化電磁旋流調控新理論，構建了電磁場下高溫金屬熔體傳輸行為與凝固理論模型，揭示了高溫金屬熔體凝固過程的電磁調控機制，如圖2所示?？傮w成果引領國際前沿，全面支撐了鋼鐵連鑄過程電磁調控關鍵技術和核心裝備研發(fā)。
圖2 電磁旋流鑄坯質量調控理論
(2)原創(chuàng)了適配多鋼種、多規(guī)格、多坯型的電磁旋流技術與成套裝備。通過在浸入式水口區(qū)域施加旋轉電磁場，從源頭調控流場與溫度場，進而有效調控鑄坯質量。電磁旋流技術與裝備適用于各種規(guī)格和鋼種的方坯、圓坯、板坯等連鑄生產，為我國高品質鋼制造提供原創(chuàng)性電磁冶金技術與裝備支撐，如圖3所示。
圖3 電磁旋流技術與成套裝備
(3)自主研發(fā)了電磁旋流及其多級耦合電磁驅動技術并實現(xiàn)工業(yè)應用，通過電磁旋流協(xié)同耦合結晶器、二冷、末端電磁攪拌，有效促進鑄坯凝固組織細化，降低宏觀偏析缺陷，去除大尺寸夾雜并抑制夾雜物偏聚，如圖4所示。實現(xiàn)彈簧鋼方坯等軸晶率從27%提升到43%，無取向硅鋼板坯等軸晶率從40%提升到86%，軸承鋼大圓坯碳極差從0.08%降低到0.04%以下，齒輪鋼大圓坯夾雜物數(shù)量降低45%，包晶鋼板坯夾雜物數(shù)量降低41%的突破。
圖4 電磁旋流及其多級耦合電磁驅動技術
四、應用情況與效果
本技術于2013年4月完成理論與模擬工作，同年6月率先與沙鋼開展校企合作，完成工業(yè)試驗驗證工作。同時，電磁旋流裝備歷經(jīng)圓型、小型化圓型、兩瓣型、雙一型、馬蹄型5代裝備更新升級如圖5所示，逐步解決了磁場利用率低、設備體積大、安裝拆卸系統(tǒng)操作繁瑣、磁場損耗大、電磁干擾等實際問題。2015年4月開始與山鋼集團展開全面戰(zhàn)略合作，技術實施后實現(xiàn)了42CrMo系列鑄坯碳極差降低82.7%以及等軸晶率提高了27%的突破。此外，本技術已成功推廣應用至河鋼集團、鞍鋼股份、本鋼集團以及石鋼京誠裝備技術有限公司等連鑄產線，
圖5 電磁旋流裝備開發(fā)歷程
1、電磁旋流協(xié)同結晶器、二冷、末端電磁攪拌驅動凝固組織細化
彈簧鋼小方坯柱狀晶粗大、等軸晶率低是連鑄生產難題。通過電磁旋流協(xié)同結晶器、二冷、末端電磁攪拌有效促進方坯凝固組織細化。保持現(xiàn)場優(yōu)值結晶器、二冷、末端電磁攪拌強度，通過調節(jié)電磁旋流強度實現(xiàn)多級電磁驅動技術匹配。如圖6所示，最優(yōu)化耦合條件下可以實現(xiàn)鋼液在結晶器上部的均勻流動，而且可以優(yōu)化結晶器下部的流動，還促進了徑向方向上鋼液的外擴運動，使得鋼液在結晶器縱向和橫向都能保持相對均勻性。電磁旋流引起的流動速度在結晶器中心相對較大，邊緣相對較小，表明電磁旋流產生的流動從內向外發(fā)散，在凝固前沿仍然存在周向旋轉速度，在優(yōu)值電流強度下最大速度為0.13 m/s，這種強迫對流導致枝晶與結晶器壁面之間的非垂直夾角增加，且在枝晶底部產生明顯的拉伸應力，超過特定溫度以上的臨界應力閾值，從而導致枝晶在更高的溫度下斷裂。
圖6 電磁旋流及其多級耦合電磁驅動技術凝固組織細化調控
在電磁旋流對鋼液流動產生影響的情況下，隨著電流強度的增加，鋼液的軸向溫度曲線向左移動，加速了鋼液過熱的消散。彎月面以下200 mm和400 mm的溫度隨著電流強度的增加而增加，而溫度梯度隨著電磁旋流電流強度的增大而逐漸減小，最優(yōu)化耦合條件下三個區(qū)域的平均溫度都有所升高，增量分別為17.98 K、15.47 K和7.5 K，溫度梯度分別降低了5.1%、17.3%和44.9%。在彎月面以下400 mm處觀察到類似的趨勢，每個區(qū)域的溫度相對較高，平均溫度分別增加了36.18 K、14.10 K和2.42 K，而平均溫度梯度分別降低了12.8%、21.5%和35.7%。溫度梯度的降低導致成分過冷(ΔTcs)的增加，當ΔTcs大于或等于臨界組成過冷溫度(ΔTn)時，可以開始形成等軸晶核和CET。與沒有電磁旋流的情況相比，電磁旋流可以顯著減少達到啟動等軸晶核和CET的臨界ΔTcs所需的柱狀生長量。
在上述凝固組織細化機制以及數(shù)值模擬指導下進行生產試驗，電磁旋流協(xié)同結晶器、二冷、末端電磁攪拌耦合作用下70#鋼鑄坯的凝固組織與等軸晶率如圖7所示，多級耦合電磁驅動技術使等軸晶率由27%增加到43%。不同強度電磁旋流作用下鑄坯凝固組織分析如圖8所示，紅色虛線標記區(qū)域為等軸區(qū)，枝晶長度和生長范圍隨電磁旋流強度的增加逐漸減小，并且這種減小伴隨著等軸晶區(qū)域面積的增加。當電磁旋流電流增加到600 A時，枝晶在距離鑄錠邊緣25~45 mm的距離內開始斷裂。隨著電磁旋流強度從200 A增加到600 A，等軸晶率從37%增加到43%，高于傳統(tǒng)工藝方法（27%），平均枝晶尺寸的結果表明電磁旋流具有更好的枝晶細化效果。傳統(tǒng)工藝條件下，枝晶的平均長度為4.328 mm，最大長度超過7 mm，平均寬度為0.117 mm。多級耦合電磁驅動技術作用下，枝晶的平均長度降至4.114mm，最大長度降至~6 mm，平均寬度減小到0.108 mm。
圖7 彈簧鋼在不同磁場條件下的凝固組織和等軸晶率
圖8 不同磁場條件下彈簧鋼的凝固組織、枝晶長度和寬度 (a)本項目技術；(b)傳統(tǒng)工藝
2、電磁旋流協(xié)同結晶器、末端電磁攪拌促進鑄坯均質化
直徑大于600 mm的風電軸承、齒輪鋼大圓坯宏觀偏析嚴重是連鑄生產難題。通過電磁旋流協(xié)同結晶器、末端電磁攪拌有效促進大圓坯均質化。保持現(xiàn)場優(yōu)值結晶器、末端電磁攪拌強度，通過調節(jié)電磁旋流強度實現(xiàn)多級電磁驅動技術匹配。如圖9(a)所示，在傳統(tǒng)工藝下，鋼液經(jīng)水口注入結晶器內形成射流，射流向下沖擊，受到粘性力作用速度逐漸減小，最終速度穩(wěn)定與拉速一致。射流主體在結晶器出口附近形成環(huán)形回流。當施加電磁旋流后，注入結晶器的鋼液產生旋轉，由于周向旋轉的作用，射流位置隨攪拌而轉動。周向旋轉流動導致射流沖擊深度降低，環(huán)形回流消失。射流波動性顯著降低。同時，旋流的作用使得鋼液在結晶器內產生滯留，周向的旋轉使得鋼液在結晶器上部產生聚集。溫度場的變化與射流變化一致，在加入磁場影響后結晶器內的高溫區(qū)域明顯上移，鋼液熔池深度減小，出口處的中心鋼液溫度有降低的趨勢，這有利于加快結晶器內凝固進程。
圖9 連鑄多級耦合電磁驅動技術的流場與溫度場分析
(a)不同條件下流線分布；(b)不同條件下碳溶質分布；(c)結晶器出口邊緣溶質分布；(d)不同條件下特征區(qū)域凝固坯殼變化情況
圖9(b)和(c)為不同條件下碳溶質元素分布。在不施加磁場的作用時，鋼液射流形成的環(huán)形回流使得碳溶質在熱浮力和溶質浮力的綜合作用下，彎月面區(qū)域碳元素出現(xiàn)富集現(xiàn)象，由于守恒關系，鋼液離開結晶器后邊緣的負偏析嚴重。在電磁攪拌施加后隨著軸向返流的減弱，彎月面處的碳富集程度顯著降低，在鑄坯離開結晶器時，邊緣的負偏析減弱。電磁攪拌配合電磁旋流后，射流波動減弱，高溫區(qū)域范圍擴大離開結晶器的進程加快，有效緩解溶質偏析的發(fā)生。由于溫區(qū)和周向流動的變化，結晶器出口處的凝固區(qū)域凝固速率增加，坯殼厚度增厚，從而使得這一區(qū)域溶質擴散減緩，邊緣負偏析改善。在上述宏觀偏析控制機制以及數(shù)值模擬指導下進行生產試驗，如圖10所示，在多級耦合電磁驅動技術下650 mm直徑的42CrMo鋼柱狀晶向等軸晶區(qū)域轉變（CET）過渡區(qū)的面積增大，比技術實施前提高31%。碳極差達到最低值0.04%，技術實施前為0.098%，碳極差降低了54.1%。分析原因發(fā)現(xiàn)，技術實施前連鑄坯橫截面上碳元素的分布極其不均勻，碳元素在1/2半徑位置附近富集，在大圓坯邊緣和中心區(qū)域缺失。在多級耦合電磁驅動技術下，凝固初始階段更多的溶質元素在固、液界面前沿析出，造成溶質元素在凝固初期匯集，而在之后凝固的匯集量減少。金屬原位分析檢測的結果進一步說明，在多級耦合電磁驅動技術下，溶質元素分布更加均勻，鑄坯邊緣負偏析得到抑制，進而阻斷了由邊緣負偏析引起的后續(xù)正負偏析交替出現(xiàn)。
圖10 連鑄多級耦合電磁驅動技術作用下42CrMo宏觀偏析結果
（a）M-EMS作用下42CrMo鋼大圓坯橫截面的凝固組織形貌；(b) M-EMS+EMSFN作用下42CrMo鋼大圓坯橫截面的凝固組織形貌； (c) 42CrMo鋼大圓坯橫截面的凝固組織所占比例；(d) M-EMS+EMSFN作用下42CrMo鋼的碳極差；(e) M-EMS+EMSFN作用下42CrMo鋼大圓坯的碳偏析指數(shù)；(f)不同試驗條件的原位分析圖像
3、電磁旋流協(xié)同結晶器電磁攪拌促進鑄坯潔凈化
包晶鋼板坯生產因包晶反應液面波動劇烈引入夾雜物是連鑄生產難題。通過電磁旋流協(xié)同結晶器電磁攪拌有效促進包晶鋼板坯潔凈化。保持現(xiàn)場優(yōu)值結晶器電磁攪拌強度不變，通過調節(jié)電磁旋流強度實現(xiàn)多級電磁驅動技術匹配。如圖11所示，該項目技術作用下鋼液的出流更加平穩(wěn)，抑制了水口偏流，減輕出流的波動混亂情況，有助于穩(wěn)定結晶器內的鋼液流動和抑制彎月面波動。同時鋼液的高溫區(qū)上移，水口下方的鋼液溫度整體提升，從而有效穩(wěn)定了結晶器內流場和溫度場。由于電磁旋流作用下鋼液的沖擊深度較小，會更容易上浮到彎月面處被保護渣吸收。且電磁旋流作用下鑄坯內部的夾雜物分布更加均勻。在上述潔凈化機理與模擬計算指導下進行生產試驗，板坯SAE1010內部夾雜物的數(shù)量、分布、尺寸統(tǒng)計及典型形貌對比圖如圖12所示。鋼坯內部氧化鋁夾雜物最多，其次是硫化錳。電磁旋流產生的旋轉流場促進了夾雜物的上浮，所以在電磁場作用下氧化鋁夾雜物數(shù)量變少。夾雜物最多出現(xiàn)的位置均為角部，四分之一處夾雜物占比最低。對比統(tǒng)計結果表明，施加電磁旋流后，夾雜物在鑄坯截面上分布更加均勻。不同試驗參數(shù)下夾雜物在不同區(qū)域的平均尺寸統(tǒng)計表明施加電磁旋流后，夾雜物最大尺寸明顯降低。鋼坯內典型的夾雜物形貌圖表明使用電磁旋流后，夾雜物最大尺寸由20 μm降低至6 μm?？傮w而言，電磁旋流協(xié)同結晶器電磁攪拌技術使鑄坯內夾雜物呈現(xiàn)“數(shù)量降低”、“分布均勻”、“尺寸減小”的趨勢。使用電磁旋流耦合結晶器電磁攪拌后，夾雜物數(shù)量密度由平均27個/mm2降低至16個/mm2，下降41%。
圖11 結晶器流場溫度場
(a)板坯流場分布；(b)板坯溫度場分布
圖12 鑄坯截面夾雜物數(shù)量、分布、尺寸統(tǒng)計及典型形貌對比
(a)數(shù)量統(tǒng)計；(b)不同位置分布統(tǒng)計；(c)尺寸統(tǒng)計；(d)夾雜物形貌對比
傳統(tǒng)工藝和電磁旋流耦合結晶器電磁攪拌條件下水口結瘤的對比如圖13所示。傳統(tǒng)工藝條件下結瘤層疏松且厚度較大，主要結瘤物成分為Al2O3，而耦合電磁驅動技術下，結瘤層薄且致密，底部結瘤物以Al2O3為主，表層為凝鋼。因此耦合電磁驅動技術使水口結瘤層更薄，減小疏松大尺寸結瘤物被沖入結晶器中產生大尺寸夾雜的概率。
圖13 水口結瘤
（a）傳統(tǒng)工藝；(b)電磁耦合
目前本項目技術除了已在山鋼、河鋼、鞍鋼、本鋼以及石鋼京誠裝備技術有限公司全面推廣應用外，同時還與沙鋼、沙鋼淮鋼特鋼有限公司、中信泰富特鋼江陰興澄特種鋼鐵有限公司、寶鋼等10余家龍頭鋼鐵企業(yè)合作，本項目技術相關研究獲得2023年國家科學技術進步二等獎，2021年教育部自然科學一等獎。
