黑斑是一种通道型宏观偏析,是电渣重熔钢锭中常见的凝固缺陷,在铸锭中表现为由等轴枝晶组织构成的黑色通道状轨迹。黑斑通道内富集溶质元素,显著恶化铸件的机械性能,而且无法通过任何热、机械处理消除,造成巨大的经济损失。目前黑斑已经成为限制大型和超大型电渣重熔钢锭生产的关键质量问题,国内电渣生产企业由于缺乏黑斑偏析的相关理论知识,难以采取有效的措施限制黑斑形成。由于不同铸造工艺的巨大差异,现存的大部分关于黑斑的宏观偏析理论不适用于解释电渣重熔工艺中的黑斑偏析现象。电渣重熔钢锭中黑斑偏析的相关研究还少见报道,电渣重熔过程中影响黑斑形成的主要工艺因素和黑斑的形成、长大机制仍不清楚。本课题结合工业实验、热力学计算、动力学微观偏析模型、多组元宏观偏析模型等方式以及电渣重熔渣系的性能分析,对大型电渣重熔低合金高强钢30CrMnSiNi2A、30CrMnSiA中的黑斑偏析缺陷进行了系统的研究。(Ⅰ)电渣重熔钢锭中的黑斑研究表明：(1)电渣重熔过程中,高熔速是导致黑斑形成的关键因素。对于特定钢种和锭型存在一个临界熔速,低于临界值黑斑不会形成。本章的现场实验结果表明,电极熔速高于9kg/分钟时电渣钢锭易形成黑斑,而电力参数的波动不是黑斑形成的必要条件。(2)黑斑通道仅存在于电渣重熔钢锭的1/2半径区域,偏析通道表现为相互平行的直线型轨迹,沿径向的半径区域内只存在一条黑斑通道(径向不存在平行分布的黑斑通道),证明偏析通道的长大是通过相互竞争、合并的方式。(3)微观组织分析结果表明1/2半径区域的枝晶较粗大,而且钢锭内部枝晶间距随钢锭高度的增加而增大。黑斑通道内的枝晶组织为链状的等轴枝晶,正常基体为取向明确且发达的柱状枝晶。此外,与正常基体相比,黑斑区域富集C、Si、Mn、Cr等合金元素,Ni由于密度比Fe大其宏观偏析不显著。(4)糊状区内沿凝固方向的液相密度梯度驱动的浮力和糊状区渗透性的各向异性同时作用于枝晶间的偏析液相,偏析液相因此沿着阻力相对较低的路径(与竖直方向形成一个夹角)向上流动。(ⅡⅡ)电渣重熔钢锭中的黑斑形成趋势研究表明：黑斑成分对应于液相率区间0.24-0.41的枝品间液相,这与最大雷诺数出现的液相率区间是一致的,黑斑形核于糊状区下部。低合金钢凝固过程中,随液相率降低,残余液相中低密度合金元素的含量急剧增加,而高密度合金元素Ni的含量增加较少。低密度合金元素在枝晶间液相中富集,导致液相密度差增大和粘度降低。对于直径720mm的30CrMnSiNi2A钢锭,可确定临界雷诺数为Ra*=-0.12。(Ⅲ)低合金高强钢的宏观偏析数值模拟研究表明：黑斑偏析通道形成于凝固装置的右上角(远离冷却界面),且偏析通道的取向为倾斜向上(背离冷却界面),这是液相流动选择低阻力路径的结果。枝品间液相的高溶质浓度驱动的热溶质对流是低合金高强钢铸件中黑斑形成的关键原因,偏析液相通道是由很多小团的高浓度液相在流动过程中不断相互连通、积累形成的。模型计算的流场分布表明偏析通道内富集溶质液相基本沿通道方向流动,而偏析通道周围贫溶质区液相沿接近垂直通道的方向流动。(ⅣV)电渣重熔低合金高强钢的渣系性能研究表明：(1) CaO/AlO3质量比为1时,实验渣系的熔化温度在CaF2含量为50%时较低。对于CaF2含量为50%的渣系,熔化温度随CaO/Al2O3质量比增加而降低,在CaO/Al2O3质量比为2时获得较小值。(2)CaF2含量增加导致渣系热导增大,而CaO/Al2O3质量比增加导致渣系热导降低,CaF2含量对渣系热导的影响远大于CaO/Al2O3质量比。粘度测定结果表明,实验渣系的粘度随CaO/Al2O3质量比增加而显著降低。(3)综合考虑熔化温度测定实验、传热实验和粘度测定实验的结果,B2(CaF2含量50%,CaO/Al2O3质量比为1.5)渣系是适于电渣重熔低合金高强钢的渣系,此渣系具有较低的熔化温度和转折温度,且传热性能优良。(V)电渣重熔低合金高强钢的重熔工艺优化研究表明：降低熔速是控制黑斑形成最直接有效的措施,对于(D720mmCrMnSi系列钢种(30CrMnSiA、30CrMnSiNi2A),为了在降低熔速的同时保证钢锭具有良好的表面质量,应将冶炼全程的电极平均熔速控制在7kg/min～7.5kg/min。尽管降低电极熔速能够有效限制黑斑形成,但现场原渣系A0的高温流动性差造成钢锭B严重的表面质量缺陷,直接导致钢锭报废。重熔钢锭C的现场实验证明采取降低熔速、加强结晶器冷却、改善渣系的高温粘性流动性和传热性能等措施能够同时保证电渣钢锭限制黑斑形成和获得良好的表面质量。