不锈钢、轴承钢等特殊钢末端凝固时,由于糊状区的流动性较差,富集的溶质元素在凝固末期不能有效扩散,致使中心偏析的出现。另外,凝固前沿生长的枝晶易形成晶间搭桥,导致液态金属补缩通道被堵塞,钢液凝固收缩时得不到及时补充而形成缩孔。这类缺陷难以在后期的加热、轧制过程中消除,对产品的机械性能和耐腐蚀性能产生有害的影响。为了解决铸坯中心质量问题,通常是在凝固末端施加旋转电磁搅拌,通过旋转电磁力使铸坯内部的钢液产生强制对流运动,改善铸坯凝固过程中熔体的流动、传热和传质条件,从而提高铸坯的中心质量。然而,旋转电磁搅拌主要使铸坯内的钢液产生水平方向的旋转运动,难以使上部钢液与下部钢液充分混合,也不能够有效地促进重力方向上的凝固补缩。为此,本文首先对国内某钢厂生产的1Cr13不锈钢及GCr15轴承钢连铸坯进行质量检验与分析,在总结了旋转电磁搅拌下水平强制对流产生的冶金效果及不足之处的基础之上,提出了一种控制铸坯中心质量的立式电磁搅拌技术,并在实验室进行了旋转电磁搅拌与立式电磁搅拌下的浇注实验。重点研究了旋转电磁搅拌与立式电磁搅拌下强制对流对铸坯凝固过程中的枝晶生长、枝晶断裂游离过程、CET转变、裂纹形成及凝固补缩行为,并建立了相应的分析模型,揭示了其形成机理。本文的主要研究内容和取得的成果如下:(1)对国内某钢厂生产的1Cr13不锈钢及GCr15轴承钢连铸坯的质量分析表明:施加末端旋转电磁搅拌时,铸坯中心区域产生的强制对流能够减轻1Cr13铸坯中心的裂纹与缩孔缺陷,以及GCr15铸坯中心的V型偏析与疏松缺陷。但是,1Cr13铸坯中心仍存在疏松及微裂纹,GCr15铸坯中心仍存在疏松及碳化物等难以解决的中心缺陷。(2)提出了一种改善连铸坯中心质量的立式电磁搅拌技术。常规的末端旋转电磁搅拌主要使钢液产生水平方向上的旋转运动,而该技术利用行波磁场使铸坯中心区域的熔体产生沿铸坯中心线的纵向大环流运动,提高了电磁搅拌沿铸坯长度方向的有效作用区域,强化了铸坯中心区域上部高温熔体区与下部低温熔体区的混合,有利于铸坯中心区域温度和成分的均匀化,同时提高了铸坯中心区域的上部熔体对下部熔体凝固时的补缩能力。(3)实验室的浇注实验表明:施加旋转电磁搅拌产生的水平强制对流能够促进1Cr13及GCr15铸坯中心柱状晶向等轴晶转变,但在铸坯中心部位仍然存在疏松、裂纹等缺陷。施加旋转电磁搅拌的持续时间太长、搅拌强度太大都不利于1Cr13铸锭质量的提高。施加350 A的立式电磁搅拌所产生的纵向强制对流能够明显细化1Cr13和GCr15铸坯的凝固组织,消除了缩孔、裂纹等缺陷,而且GCr15铸坯内部较大的液析碳化物完全消失,晶界处的网状碳化物也基本消失。(4)揭示了有无电磁搅拌作用下1Cr13及GCr15铸坯枝晶组织的演变规律和枝晶发生断裂游离过程。旋转电磁搅拌下的水平强制对流产生的枝晶碎片较少,枝晶的断裂符合颈缩-折断模型;立式电磁搅拌下的纵向强制对流能产生更多的枝晶碎片,枝晶的断裂符合颈缩-熔断模型。分别建立了旋转电磁搅拌和立式电磁搅拌下的枝晶碎片游离准则。另外,研究了旋转电磁搅拌和立式电磁搅拌对CET转变机理的影响。(5)分析了 1Cr13不锈钢铸坯中心星状裂纹的形成机理及电磁搅拌对中心裂纹的改善机理。铸坯中心处形成的枝晶搭桥,阻碍了上部钢液对下部钢液凝固收缩时的补充,导致中心缩孔的产生。铸坯中心处的晶粒大小不规则及S、Cr等元素在晶界处的富集,减小了晶粒间的结合力,使得凝固后期较大的收缩应力超过晶界间的作用力,从而形成了晶间裂纹。晶间裂纹沿着晶界扩展后与孔洞相连接,从而在铸坯的中心区域形成了典型的星状裂纹。施加电磁搅拌产生的强制对流能够细化铸坯中心区域的晶粒组织,减少枝晶搭桥,并形成更多抵抗凝固收缩应力的连接点,增加了总体液膜作用在晶界间的结合力。电磁搅拌使铸坯中心区域内的溶质分布更加均匀,减轻了元素偏析,提高了液膜的抗撕裂能力。另外,电磁搅拌能促进钢液在枝晶间流动,对产生的裂纹进行补缩,从而减轻了裂纹的产生。(6)分析了旋转电磁搅拌与立式电磁搅拌对中心缩孔及中心致密度的影响。结果表明:与旋转电磁搅拌相比,施加立式电磁搅能基本消除铸坯内部的中心缩孔,显著提高铸坯中心致密度。施加立式电磁搅拌所产生的纵向环流运动增加了补缩动力,能更好地促进钢液在枝晶间的流动补缩。此外,立式电磁搅拌所产生的纵向大环流将上部分的高温钢液带到下部分的糊状区中,将对枝晶补缩区上端的骨架产生冲击或熔断,从而降低补缩区的起始位置,进一步提高临界补缩深度。另外,建立了旋转电磁搅拌与立式电磁搅拌下铸坯补缩动力的数学表达式。