【摘 要】
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38CrMoAl钢是合金结构钢中应用最广的品种之一,主要用于热处理后尺寸精确的氮化零件和各种受冲击负荷不大而耐磨性高的氮化零件,如蜗杆、精密丝杆、精密齿轮、高压阀门等。氮化零件的组织均匀性要求非常严格,以连铸大圆坯为坯料制作上述零件母材,其凝固结构及碳元素偏析控制已经成为零件质量控制的核心之一。目前,尚有大量基础及应用问题有待研究。本文采用数值模拟、理论解析及现场实验等方法对大圆坯连铸结晶器内电磁
【基金项目】
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国家青年科学基金项目（编号:51704223）；
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38CrMoAl钢是合金结构钢中应用最广的品种之一,主要用于热处理后尺寸精确的氮化零件和各种受冲击负荷不大而耐磨性高的氮化零件,如蜗杆、精密丝杆、精密齿轮、高压阀门等。氮化零件的组织均匀性要求非常严格,以连铸大圆坯为坯料制作上述零件母材,其凝固结构及碳元素偏析控制已经成为零件质量控制的核心之一。目前,尚有大量基础及应用问题有待研究。本文采用数值模拟、理论解析及现场实验等方法对大圆坯连铸结晶器内电磁搅拌（M-EMS）的磁场、钢液的流场,温度场;凝固过程及柱状晶向等轴晶转变（CET）的条件;过热度、拉速及冷却强度对38CrMoAl钢连铸大圆坯凝固过程、等轴晶率及碳元素偏析的影响进行了研究。为优化38CrMoAl连铸工艺参数大圆坯提供重要的理论和实践依据。主要结论如下:（1）Φ500mm大圆坯M-EMS电流强度为100A时,钢液热量消散慢且足辊区钢液温差大;电流强度的提高有利于钢液热量消散和温度的均匀;电流强度为300A时,弯月面相对高度差增加至4.11mm,将造成卷渣。高电流频率会增加结晶器铜管的屏蔽作用,且对钢液流动、传热影响较小。综上确定Φ500mm大圆坯的M-EMS参数为150A-250A、1-2Hz。（2）根据数值模拟及现场检测结果,通过确定性模型得出Φ500mm 38CrMoAl大圆坯发生CET的条件为:G/v1/2＜5.21℃·s~12/·mm-32/。基于大圆坯CET发生条件,研究了凝固传热过程对大圆坯凝固结构的影响,研究表明:大圆坯凝固过程中,温度梯度是影响等轴晶率的主要因素,且工艺参数对温度梯度的影响比对凝固速度大;弱冷却强度,高拉速及低过热度有利于降低大圆坯凝固前沿温度梯度,提高大圆坯等轴晶率。通过研究工艺参数与大圆坯等轴晶率关系,确定冷却强度对大圆坯凝固结构影响最大,拉速影响最小。（3）大圆坯发生CET时的固相率是影响CET处碳含量最重要的因素,固相率大则CET处碳含量大;增大等轴晶率可有效降低固相率,CET处碳含量和大圆坯等轴晶率满足如下关系式:C=0.00275ECR~2-0.307ECR+8.95;低过热度、高拉速及弱冷却强度可增加等轴晶率,降低CET处碳含量。通过研究工艺参数与CET处碳含量关系,确定冷却强度对CET处碳含量影响最大,过热度影响最小。（4）S-EMS在扩大等轴晶率及改善碳偏析的作用强于低过热度及高拉速的作用;F-EMS无法改善低过热度造成的严重中心偏析。确定工艺参数优化策略为:确定拉速、过热度及冷却强度范围,调整S-EMS和F-EMS位置,确保大圆坯进入S-EMS时发生CET转变,进入F-EMS时固相率为75%,且过热度不宜过低。（5）基于大圆坯工艺优化策略及大圆坯凝固传热、凝固结构预测模型,结合钢厂实际情况,以原合作企业工艺参数为基础,将过热度调整为30℃,S-EMS和F-EMS安装位置调整为距弯月面9.5m、16m。优化工艺后,不同钢种（38CrMoAl、4130、Q345和42Cr Mo）Φ500mm、Φ600mm大圆坯碳偏析均有明显改善。
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