【摘 要】
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中心偏析是影响高碳钢连铸大方坯内部质量的主要原因。为了有效改善铸坯的内部质量,本文从铸坯凝固组织改善与电磁搅拌工艺优化两个方面开展研究。本文以国内某钢厂高碳钢连铸大方坯为研究对象,首先基于“元胞自动机-有限差分法（CA-FD）”建立微观枝晶生长模型,定量描述不同生长条件下的微观组织演变及微观偏析行为规律,同时,利用ProCAST建立连铸过程凝固组织生长模型,准确描述了不同生产工艺条件对铸坯中心等轴
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中心偏析是影响高碳钢连铸大方坯内部质量的主要原因。为了有效改善铸坯的内部质量,本文从铸坯凝固组织改善与电磁搅拌工艺优化两个方面开展研究。本文以国内某钢厂高碳钢连铸大方坯为研究对象,首先基于“元胞自动机-有限差分法（CA-FD）”建立微观枝晶生长模型,定量描述不同生长条件下的微观组织演变及微观偏析行为规律,同时,利用ProCAST建立连铸过程凝固组织生长模型,准确描述了不同生产工艺条件对铸坯中心等轴晶率的影响规律。其次,结合高碳钢连铸大方坯结晶器电磁搅拌（M-EMS）以及凝固末端电磁搅拌（F-EMS）的实际生产工艺,利用ANSYS以及CFX分别建立结晶器电磁搅拌与凝固末端电磁搅拌的电磁场-流场模型,系统分析不同电搅参数对铸坯电磁场及流场的影响作用规律,并开展相关工业实验,获得最优电磁搅拌参数。本文得到如下结论:（1）对于单个等轴晶的生长,随着凝固时间的增加,溶质逐渐在枝晶周围富集,形成微观偏析;随着过冷度从20 K提高到30 K,枝晶尖端的碳溶质浓度从0.986%提高到1.267%,微观偏析恶化;不同择优生长角的等轴晶在过冷熔体中的生长形貌有较大差异,并且微观偏析程度不同。当择优角为0°时,二次枝晶不发达,微观偏析程度较轻;当择优角为30°以及60℃时,二次枝晶最为发达,微观偏析最为严重。（2）柱状晶在生长过程中,随着凝固时间的增加,溶质不断从固相排到二次枝晶臂周围的液相中,并且二次枝晶相互“搭桥”,形成封闭区域,导致该处的溶质元素很难扩散到液相主体中,从而造成枝晶间溶质元素偏析加剧。同时,随着底部热流密度的增加,柱状晶生长速度加快,并且枝晶密集程度加剧,微观偏析更为严重。（3）当过热度从25℃增加到45℃,高碳钢连铸坯的等轴晶率从35%下降到31%。当拉速从0.65 m/min提高到0.75 m/min时,等轴晶率由32%提高到34%。（4）结晶器电磁搅拌数值模拟中,当频率为2.4 Hz,电流强度从300 A增加到450 A时,搅拌器中心铸坯的磁感应强度从405 GS增加到520 GS,最大电磁分别从5.9×10-3 N增加到9.7×10-3 N,钢液的最大轴向速度从0.13 m/s提高到0.18m/s,搅拌器中心铸坯横截面的切向速度由0.44m/s增加到0.56m/s;当电流强度为350 A,频率从2.0 Hz增加到2.8 Hz时,对磁感应强度影响很小,搅拌器中心铸坯横截面切向电磁力最大值从4.5×10-3 N增加到6.8×10-3 N,最大切向速度从0.40 m/s增加到0.48 m/s,但是电流频率的变化对轴向速度影响很小。（5）对于凝固末端电磁搅拌,当频率为7 Hz,电流强度从300 A增加到500 A时,轴向磁感应强度的最大值从312 GS增加到527 GS,径向最大电磁力从3.93×10-3N增加到1.01×10-2N,其搅拌器其中心最大切向速度从0.11 m/s增加到0.23 m/s。当电流强度为400 A,电流频率从6 Hz增加到8 Hz时,径向最大电磁力从5.96×10-3 N增加到7.98×10-3 N,但其对磁场强度的影响较小,搅拌器中心横截面最大的切向速度由0.15 m/s增加到0.18 m/s。（6）基于数值模拟计算结果以及现场工业实验,最优的结晶器电磁搅拌参数为:电流强度450 A,搅拌频率2.4 Hz;凝固末端电磁搅拌最优参数为:电流强度500 A,搅拌频率7 Hz。
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