不锈钢、高温合金、硅钢等特种钢作为重要的金属材料在社会生产的各个领域中的应用越来越广泛,人们对其质量的要求也越来越高。但由于其自身特点,在传统的生产工艺中铸坯易出现等轴晶比率低,晶粒粗大,严重的元素偏析等缺陷,严重地影响了产品质量的提高。电磁搅拌技术作为改善铸坯凝固组织的有效手段在普通钢连铸的生产中已经必不可少,但其在特种钢生产中的应用还不够成熟,诸多工艺参数需要摸索,其作用机理也尚不明确,需要进行更深入的研究。本文是在国家自然科学基金重点项目(No.50834009)资助下,以马氏体不锈钢、高温合金、硅钢为研究对象,进行了单侧线性电磁搅拌下的静态浇铸实验,分别研究了不同参数的电磁搅拌对特种钢凝固组织影响,并探讨了电磁搅拌的作用机理。论文首先对电磁搅拌器磁场分布进行了测定,基于电磁场的基本理论对电磁搅拌作用下电磁力表达式进行了推导并结合具体条件计算了电磁力。磁场测量的结果表明：线性电磁搅拌器的磁感应强度与空间分布、电源频率和电流强度密切相关。磁感应强度随电流强度的增加而增大；电源频率的影响不显著；距电磁搅拌器近的位置磁感应强度较强。通过计算得知,在电磁搅拌器结构尺寸一定及熔体中某一固定位置的条件下,电磁搅拌所产生的电磁力随搅拌电流的增加而快速增大；电磁力随着搅拌电流频率的增加呈先增加后减小的趋势,在所选频率范围内,存在一个使电磁力达到最大的频率值。通过比较计算可知,在电磁搅拌作用下,钢液受到的垂直于行波磁场运动方向的电磁力相对于受沿行波磁场运动方向的电磁力来说非常小。钢液内电磁力的大小随钢液深度的增加逐渐衰减,衰减程度与搅拌器结构参数及搅拌电流频率有关。对马氏体不锈钢2Crl3进行的单侧电磁搅拌静态浇铸实验结果表明,与传统方法浇铸的铸锭相比,电磁搅拌作用下铸锭的凝固组织等轴晶比率高、晶粒更为细小、元素分布更加均匀。当搅拌电流一定,频率在5～10Hz时,电磁搅拌所产生的电磁力有一个最大值,因此,在这个频率范围内,等轴晶比率也最大,晶粒尺寸最小；而当频率一定时,随着电流的升高,电磁力增加,等轴晶比率也随之增大。通过X射线衍射分析揭示了2Cr13马氏体不锈钢的主要组成相为a-Fe、M、Cr23C6；电磁搅拌的影响作用主要表现在使衍射峰强度增强。通过扫描电镜照片组织的形貌及元素分布情况可以看出,施加电磁搅拌对碳化物在马氏体不锈钢中所占的比例和形貌影响较大。施加电磁搅拌后的碳化物组织变小变薄呈断续状沿晶界弥散分布。在前述实验的基础上,我们在GH3030高温合金凝固过程中施加了单侧线性电磁搅拌,实验结果表明,与电磁搅拌对马氏体不锈钢的影响类似,电磁搅拌可有效改善高温合金GH3030的凝固组织。施加电磁搅拌后,高温合金铸坯的发达枝晶被破碎,晶粒尺寸明显变小,凝固组织得到细化。铸坯中Cr元素的宏观偏析和微观偏析程度都明显减轻。电磁搅拌带来的强制对流能明显的影响到GH3030合金的枝晶形貌,在电磁搅拌带来的强制对流作用下,GH3030合金的一次枝晶干生长方向发生偏移,呈迎流方式生长,并使枝晶的一次枝晶间距及二次枝晶间距大幅度减小。电磁搅拌带来的强制对流使得GH3030高温合金枝晶的二次枝晶臂根部出现溶质富集使局部熔点下降,造成二次枝晶臂的熔断,从而增加形核率,使凝固组织得到细化。在以上研究工作的基础上,我们设计了单侧冷却凝固实验装置以模拟实际生产中的二冷段工作状况,并进行了有无电磁搅拌的硅钢静态浇铸实验,同时使用温度采集系统进行温度测量、记录。实验结果表明,电磁搅拌可以促进钢液内过热的释放,降低钢液的温度梯度,促进钢液内部温度分布均匀。在施加电磁搅拌后,铸坯等轴晶率明显上升,晶粒得到细化,碳元素和硅元素的分布也更加均匀。在频率不变的情况下,随着搅拌电流的增加,铸坯等轴晶比率随之增加；在电流强度一定的情况下,等轴晶率随频率的增加,呈现先增大而后又减小的趋势,在频率为5Hz～10Hz之间有一个最佳搅拌频率。电磁搅拌及冷却强度对铸坯凝固的枝晶组织有着明显的影响。冷却强度增大时,所获得的凝固组织中一次枝晶间距较小,凝固组织的致密性增加。在电磁搅拌作用下,柱状晶区的长枝晶被打断,一次枝晶间距变小,二次枝晶臂的生长受到抑制,铸坯中心的枝晶则发生破碎、粗化,凝固组织变的均匀致密。在搅拌带来的流动作用下,使得枝晶迎流侧与背流侧温度梯度及浓度梯度产生差异造成硅钢枝晶沿迎流方向倾斜生长,同时枝晶顶端则在流动产生的作用力下,会产生一个与枝晶生长方向相反的弯曲,当枝晶受到的力足够大时则会造成枝晶的迎流断裂。同时我们也发现,没有电磁搅拌作用时,铸坯的枝晶仍存在熔断的现象,说明重力带来的自然对流也会对枝晶造成熔断效应,当施加电磁搅拌后,电磁搅拌带来的强烈对流对枝晶的熔断效应会增强,这说明在电磁搅拌促进枝晶断裂的过程中,不仅有机械折断机制的存在,枝晶熔断机制也是同时存在的。