电磁搅拌对铸坯化学成分偏析影响机理

电磁搅拌对铸坯化学成分偏析影响机理电磁搅拌对铸坯化学成分偏析影响机理 吴夜明 姚留枋 摘摘 要要 提出溶质析出 扩散机理 在固 液界面处的溶质析出速率 取决于扩散速率 溶质从固 液界面的传质速率取决于溶质的扩散速率 在此基础上 建立了溶质在固液相间平衡分配系数 有效分配系数 扩 散系数 铸坯凝固系数之间相互关系的数学模型 关键词关键词 电磁搅拌 偏析 机理 Effect Mechanism of Electromagnetic Stirring on Segregation of Chemical Composition in Cast Billet Wu Yeming and Yao Liufang Central Iron and Steel Research Institute Beijing 100081 AbstractAbstract A mechanism of solute precipitating diffusing has been advanced that the solute precipitating rate at solid liquid interface diffusing rate depends on solidification rate and the rate of transfer mass depends on diffusing rate Based on the mechanism a mathematical model that describes the relation of equilibrium distribution ratio between liquid and solid phase effective distribution ratio diffusion and solidification coefficient of concast billet has been established MaterialMaterial IndexIndex Electromagnetic Stirring Segregation Mechanism 电磁搅拌是改善连铸坯质量的重要技术措施之一 然而电磁搅拌在 铸坯上产生的白亮带是很难避免的 为了能够理解白亮带产生的原因 需要对这种现象的发生机理做出说明 一些学者 1 5 在这方面进行了 研究 但是所建立的理论假说仍难以全面解释有关现象 本文提出了一 种溶质 析出 扩散 机理 对铸坯凝固过程中化学成分偏析现象的产 生原因做出解释 并建立了溶质在固液相间平衡分配系数 有效分配系 数 扩散系数 铸坯凝固系数之间相互关系的数学模型 利用这个模型 对钢中碳和硫在凝固过程中发生偏析的倾向进行讨论 在此基础上 分 析了电磁搅拌导致白亮带发生的原因 1 1 机理描述和数学模型的建立机理描述和数学模型的建立 为了理解凝固过程化学成分偏析现象 设想以下机理模型 铸坯中产生偏析的根本原因是由于溶质元素在固相中溶解度较小 而在液相中溶解度较大 凝固开始时 在固 液界面处发生溶质的析出 和溶质浓度增加 然而 固 液界面处溶质的增加持续时间不会很长 界面处溶质浓度的增加会导致溶质向液相扩散 并且界面处溶质浓度越 高 扩散速率越快 最终达到固 液界面处溶质的析出速率等于该处溶 质向液相的扩散速率 并一直保持到铸坯几乎完全凝固 在固 液界面 附近溶质浓度分布的示意图见图 1 考虑到溶质在固 液界面持续增加的 时间很短 所以可以假设凝固过程一开始固 液界面附近的溶质浓度分 布就如图 1 所示 图 1 固 液界面附近溶质浓度分布的示意图 Fig 1 Sketch of solute distribution near solid liquid boundary 在固 液界面与液相之间 存在溶质扩散传质层 该扩散层靠液体 一侧溶质浓度等于液相浓度 Cl 整个液相中的浓度是均匀的 另一侧浓 度为界面浓度 Ci 已凝固固体的溶质浓度为 Cs 如图 1 所示 考虑到 凝固时溶质析出速率比扩散速率快 所以可认为固体中溶质浓度与固相 和扩散层界面处的溶质浓度达到平衡 根据 Fick 第二定律和第一定律 及常用的凝固平方根定律可得出凝固系数 K 值 1 式中 CS 已凝固固体的溶质浓度 Cl 液相浓度 KC 溶质在固液相间的平衡分配系数 D 溶质扩散系数 上式表达了溶质固液相间平衡分配系数 扩散系数 铸坯凝固系数 以及固液相溶质浓度之间相互关系 需要说明的是 1 式表示的只是一 种等式关系 并不表示凝固系数 K 与其他变量之间的因果关系 为了更 明确的表示铸坯中化学成分偏析程度 凝固系数 扩散系数 溶质固液 相间平衡分配系数之间的关系 定义溶质在固液相间的有效分配系数 Ke Ke CS Cl 2 这样 1 式经整理写成 3 1 和 3 式是本文所述溶质 析出 扩散 机理所得到最重要的结 果 2 2 讨论讨论 2 12 1 析出析出 扩散机理数学模型中各参数值的范围扩散机理数学模型中各参数值的范围 2 1 1 溶质平衡分配系数 溶质平衡分配系数 KC可由相关手册 6 查出 0 KC 1 当 KC趋于 1 时 Ke趋于 1 此时不发生偏析 这是合理的结果 当 KC趋于 0 时 Ke趋于 0 即固相中溶质趋于 0 这也是合理的结果 2 1 2 凝固系数 理论上 凝固系数的取值范围没有限制 当 K 趋于 0 时 Ke趋于 KC 当 KC趋于 时 Ke趋于 1 这就是说 当凝固速率很慢时 溶质的 析出将达到平衡 当凝固速率很快时 凝固偏析将消失 这是合理的结 果 实际连铸过程中 凝固后期会发生加速凝固的情况 凝固系数也将 增大 采用 3 式做计算时要用 t 时刻的凝固系数 可以得知 4 式中 dM dt t为 t 时刻的凝壳生长速度 2 1 3 扩散系数 溶质在纯铁中的扩散系数 D 可由相关手册 6 查出 不同的相 相 相 还是液相 中扩散系数的数值有很大差异 考虑到铸坯凝固 界面附近扩散层内的状态介于固态钢和静止钢液之间 因此扩散系数的 数值应在固相扩散系数和液相扩散系数的数值之间 溶质在钢中的扩散系数资料不全 并且温度和钢水流动状态对扩散 系数也有影响 考虑到这些因素 使用有效扩散系数 Deff代替 1 和 3 式中的扩散系数 D 来进行计算 有效扩散系数反映了铸坯液芯内流动状 态对固 液界面附近溶质传质的影响 5 2 22 2 钢中溶质元素的偏析倾向钢中溶质元素的偏析倾向 由 5 式可知 铸坯中化学成分的偏析受 3 方面因素的影响 一是 溶质元素的平衡分配系数 二是铸坯的凝固速度 以 K 为代表 三是液 芯内钢水的流动状况 Deff 为了预测某一钢种中溶质的偏析行为 只 需将该钢种的相应数据代入 5 式进行计算 图 2 是利用 5 式计算的一 些钢中常见元素的有效分配系数与凝固系数的关系 由图 2 可见 钢中 各溶质元素的偏析倾向与其在固 液相之间的平衡分配系数的大小一致 即平衡分配系数越小 偏析倾向越大 氧是最容易产生负偏析的元素 而铬在钢中几乎不发生负偏析 图 2 钢中常见元素有效分配系数与凝固系数的关系 Fig 2 Relation between effective distribution coefficient and solidification constant of common elements in steel 由图 2 可见 碳和硫都会在凝固过程中产生偏析 硫的偏析倾向比 碳更强 此外 计算的结果还表明 钢中溶质的有效分配系数比平衡分 配系数大很多 这是因为钢水的凝固速度较快和溶质传质速度较慢 限 制了偏析的严重程度 2 32 3 电磁搅拌对碳偏析的影响电磁搅拌对碳偏析的影响 2 3 1 电磁搅拌对溶质偏析的影响 连铸电磁搅拌使铸坯液芯内钢水成分和温度均匀化 这从两方面影 响碳的偏析 一是铸坯凝固界面附近的有效扩散系数提高 二是凝固界 面附近温度的升高导致凝固系数的降低 由 5 式可知 这两方面的影 响均会使 Ke减小 因此电磁搅拌会在铸坯上产生负偏析 图 3 是含碳 0 6 边长 150 mm 方坯凝固过程中固相和液相中碳含 量变化的模拟计算结果 图中固相中碳含量在凝壳厚度约 20 mm 处出现 明显降低的区域为电磁搅拌区 进行计算时 首先进行凝固传热的计算 得到凝壳厚度和凝固系数 然后在选定的搅拌条件下 图 3 条件是 搅 拌区距钢水液面距离 1 5 2 0 cm 中等强度电磁搅拌 碳 Deff 4 10 9m2 s 用 5 式计算 Ke 最后计算出固相浓度 CS和液相浓度 Cl 图 3 固相和液相中碳含量变化的模拟计算结果 Fig 3 Calculated results of carbon content variation in solid and liquid phases 由图 3 可见 在凝固过程中 液相中的碳含量高于固相 而且 在 进行电磁搅拌的部位出现负偏析区 与此对应 在铸坯低倍组织和硫印 上可观察到白亮带 需要说明的是 在铸坯接近完全凝固时 由于图 1 那种固 液界面 附近溶质浓度分布不复存在 所以不能用本模型计算 图 3 也没有画出 铸坯凝壳厚度大于 60 mm 以上的碳含量 但是由图 1 的溶质浓度分布情 况可以推测 在铸坯中心处将会有碳含量的大幅增加 图 4 是不同搅拌强度时 凝固钢中碳含量的变化 它表明 搅拌强 度增强时 铸坯中的负偏析程度也加剧 当铸坯离开电磁搅拌区时 凝 固钢中的碳含量会高于无电磁搅拌时的碳含量 发生了 正偏析 搅 拌强度越高 越容易发生正偏析 图 4 不同搅拌强度时凝固钢中碳含量的变化 Fig 4 Variation of carbon content in solid steel by different intensity of electromagnetic stirring 这是由于当未进入电磁搅拌区时 Deff较小 而进入搅拌区后 Deff 增大 K 也增大 但幅度较小 由 5 式得知 Ke减小 产生负偏析 当 离开搅拌区时 Deff又重新变小 使得 Ke又增大 这样一来 与前面的 负偏析带比 出现某种程度的正偏析 在采用交替搅拌工艺时 由于换 向时必然有钢水流速为 0 时候 这就容易产生正负偏析交替出现的情况 如果搅拌强度较大 并且铸坯离开搅拌区后钢水立即停止搅动 则有可 能出现较明显的正偏析 图 4 所示的规律与实际电磁搅拌的经验吻合 2 3 2 白亮带对铸坯质量的影响 根据上述 析出 扩散 机理可知 白亮带只是溶质化学成分偏析 的反映 从机理上讲 白亮带处的偏析和正常情况下的凝固偏析并无不 同 白亮带区并不存在异常的凝固结晶结构 因此 白亮带对铸坯质量 的影响 只需从成分偏析方面来考察 当铸坯白亮带及其周围区域化学 成分的变化在钢种化学成分允许波动的范围之内 那么白亮带就不会对 铸坯质量产生任何不利影响 如果白亮带处某些溶质的化学成分低于钢 种要求的下限 或者白亮带内缘的正偏析高于钢种要求的上限 则有可 能对铸坯质量产生不利影响 例如 当白亮带处的碳含量低于钢种要求 的下限时 白亮带处的硬度和机械强度就可能降低 由此可见 在连铸生产中 电磁搅拌强度的控制原则是 最低搅拌 强度 使铸坯上产生白亮带 最高搅拌强度 白亮带及其附近区域化学 成分的偏析在钢种要求的范围之内 合适的搅拌强度介于最高强度和最 低强度之间 2 42 4 与其他白亮带形成机理假说的比较与其他白亮带形成机理假说的比较 对于白亮带形成原因的解释 主要有溶质冲刷机理 4 凝固速度 变化机理 1 和区域溶质再分配机理 5 这些假说从不同的方面对白亮 带的形成做了解释 本文提出的溶质 析出 扩散 机理及其结论在某 些方面与上述假说有相似之处 5 式中的有效扩散系数 Deff代表的是凝固前沿处钢水流动状况 其数值越大表明钢水对固 液界面的冲刷越强 就越容易形成白亮带 由此可见 本文提出的 析出 扩散 机理在这方面与冲刷机理一致 5 式中的凝固系数 K 代表的是凝固速度 在进行电磁搅拌时 由于钢 水对流的影响 液芯内的有效导热系数增大 导致凝固速度增大 进而 影响溶质的偏析 5 式中的 KC代表了溶质在固 液相中平衡分配系数对 偏析的影响 KC对负偏析的影响随凝固速度增大而减小 本文提出的溶质 析出 扩散 机理包含了冲刷机理 凝固速度变 化机理和溶质分配机理的合理部分 3 3 结论结论 1 对铸坯凝固过程中产生的溶质偏析现象提出了一种 析出 扩 散 机理 并由该机理推导建立了描述溶质在固液相间平衡分配系数 有效分配系数 扩散系数 铸坯凝固系数之间相互关系的数学模型 2 利用得到的数学模型 计算了钢中碳和硫在凝固过程中发生偏 析的倾向 3 在析出 扩散机理及其数学模型的基础上 解释电磁搅拌导致 化学成分发生偏析的原因 并对电磁搅拌产生白亮带的现象做了数学模 拟 说明白亮带是搅拌强度的反映 搅拌强度越高 铸坯上相应部位的 负偏析越大 4 在连铸生产中 电磁搅拌强度的控制原则是 使铸坯上产生白 亮带 同时白亮带及其附近区域化学成分的偏析在钢种要求的范围之内 作者简介 吴夜明 男 44 岁 高级工程师 1983 年钢铁研究总院冶 金物理化学专业研究生毕业 从事连铸及冶