電磁攪拌對(duì)鑄坯化學(xué)成分偏析影響機(jī)理

1、電磁攪拌對(duì)鑄坯化學(xué)成分偏析影響機(jī)理吳夜明姚留枋摘要提出溶質(zhì)析出-擴(kuò)散機(jī)理：在固-液界面處的溶質(zhì)析出速率取決于擴(kuò)散速率，溶質(zhì)從固-液界面的傳質(zhì)速率取決于溶質(zhì)的擴(kuò)散速率。在此基礎(chǔ)上，建立了溶質(zhì)在固液相間平衡分配系數(shù)、有效分配系數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)、鑄坯凝固系數(shù)之間相互關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。關(guān)鍵詞電磁攪拌偏析機(jī)理Effect Mechanism of Electromagnetic Stirring on Segregation of Chemical Composition in Cast BilletWu Yeming and Yao Liufang(Central Iron and Steel Resear

2、ch Institute, Beijing 100081) AbstractA 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 mathe

3、matical 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.Material IndexElectromagnetic Stirring, Segregation, Mechanism電磁攪拌是改善連鑄坯質(zhì)量的重要技術(shù)措施之

4、一。然而電磁攪拌在鑄坯上產(chǎn)生的白亮帶是很難避免的。為了能夠理解白亮帶產(chǎn)生的原因，需要對(duì)這種現(xiàn)象的發(fā)生機(jī)理做出說(shuō)明。一些學(xué)者15在這方面進(jìn)行了研究，但是所建立的理論假說(shuō)仍難以全面解釋有關(guān)現(xiàn)象。本文提出了一種溶質(zhì)“析出-擴(kuò)散”機(jī)理，對(duì)鑄坯凝固過(guò)程中化學(xué)成分偏析現(xiàn)象的產(chǎn)生原因做出解釋，并建立了溶質(zhì)在固液相間平衡分配系數(shù)、有效分配系數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)、鑄坯凝固系數(shù)之間相互關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。利用這個(gè)模型，對(duì)鋼中碳和硫在凝固過(guò)程中發(fā)生偏析的傾向進(jìn)行討論。在此基礎(chǔ)上，分析了電磁攪拌導(dǎo)致白亮帶發(fā)生的原因。1機(jī)理描述和數(shù)學(xué)模型的建立為了理解凝固過(guò)程化學(xué)成分偏析現(xiàn)象，設(shè)想以下機(jī)理模型。鑄坯中產(chǎn)生偏析的根本原因是由于溶質(zhì)元

5、素在固相中溶解度較小，而在液相中溶解度較大。凝固開(kāi)始時(shí)，在固-液界面處發(fā)生溶質(zhì)的析出和溶質(zhì)濃度增加。然而，固-液界面處溶質(zhì)的增加持續(xù)時(shí)間不會(huì)很長(zhǎng)。界面處溶質(zhì)濃度的增加會(huì)導(dǎo)致溶質(zhì)向液相擴(kuò)散，并且界面處溶質(zhì)濃度越高，擴(kuò)散速率越快。最終達(dá)到固-液界面處溶質(zhì)的析出速率等于該處溶質(zhì)向液相的擴(kuò)散速率，并一直保持到鑄坯幾乎完全凝固。在固-液界面附近溶質(zhì)濃度分布的示意圖見(jiàn)圖1?？紤]到溶質(zhì)在固-液界面持續(xù)增加的時(shí)間很短，所以可以假設(shè)凝固過(guò)程一開(kāi)始固-液界面附近的溶質(zhì)濃度分布就如圖1所示。圖1固-液界面附近溶質(zhì)濃度分布的示意圖Fig.1Sketch of solute distribution near soli

6、d - liquid boundary在固-液界面與液相之間，存在溶質(zhì)擴(kuò)散傳質(zhì)層，該擴(kuò)散層靠液體一側(cè)溶質(zhì)濃度等于液相濃度Cl(整個(gè)液相中的濃度是均勻的)，另一側(cè)濃度為界面濃度Ci，已凝固固體的溶質(zhì)濃度為Cs，如圖1所示?？紤]到凝固時(shí)溶質(zhì)析出速率比擴(kuò)散速率快，所以可認(rèn)為固體中溶質(zhì)濃度與固相和擴(kuò)散層界面處的溶質(zhì)濃度達(dá)到平衡，根據(jù)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數(shù)K值：(1)式中CS已凝固固體的溶質(zhì)濃度；Cl液相濃度；KC溶質(zhì)在固液相間的平衡分配系數(shù)；D溶質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)。上式表達(dá)了溶質(zhì)固液相間平衡分配系數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)、鑄坯凝固系數(shù)、以及固液相溶質(zhì)濃度之間相互關(guān)系。需要說(shuō)明的是(

7、1)式表示的只是一種等式關(guān)系，并不表示凝固系數(shù)K與其他變量之間的因果關(guān)系。為了更明確的表示鑄坯中化學(xué)成分偏析程度、凝固系數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)、溶質(zhì)固液相間平衡分配系數(shù)之間的關(guān)系，定義溶質(zhì)在固液相間的有效分配系數(shù)Ke：Ke=CS/Cl(2)這樣，(1)式經(jīng)整理寫(xiě)成(3)(1)和(3)式是本文所述溶質(zhì)“析出-擴(kuò)散”機(jī)理所得到最重要的結(jié)果。2討論2.1析出-擴(kuò)散機(jī)理數(shù)學(xué)模型中各參數(shù)值的范圍2.1.1溶質(zhì)平衡分配系數(shù)溶質(zhì)平衡分配系數(shù)KC可由相關(guān)手冊(cè)6查出，0KC1。當(dāng)KC趨于1時(shí)，Ke趨于1，此時(shí)不發(fā)生偏析。這是合理的結(jié)果。當(dāng)KC趨于0時(shí)，Ke趨于0，即固相中溶質(zhì)趨于0，這也是合理的結(jié)果。2.1.2凝固系數(shù)理

8、論上，凝固系數(shù)的取值范圍沒(méi)有限制。當(dāng)K趨于0時(shí)，Ke趨于KC。當(dāng)KC趨于時(shí)，Ke趨于1。這就是說(shuō)，當(dāng)凝固速率很慢時(shí)，溶質(zhì)的析出將達(dá)到平衡。當(dāng)凝固速率很快時(shí)，凝固偏析將消失。這是合理的結(jié)果。實(shí)際連鑄過(guò)程中，凝固后期會(huì)發(fā)生加速凝固的情況，凝固系數(shù)也將增大。采用(3)式做計(jì)算時(shí)要用t時(shí)刻的凝固系數(shù)，可以得知：(4)式中 (dM/dt)t為t時(shí)刻的凝殼生長(zhǎng)速度。2.1.3擴(kuò)散系數(shù)溶質(zhì)在純鐵中的擴(kuò)散系數(shù)D可由相關(guān)手冊(cè)6查出。不同的相(相、相、還是液相)中擴(kuò)散系數(shù)的數(shù)值有很大差異?？紤]到鑄坯凝固界面附近擴(kuò)散層內(nèi)的狀態(tài)介于固態(tài)鋼和靜止鋼液之間，因此擴(kuò)散系數(shù)的數(shù)值應(yīng)在固相擴(kuò)散系數(shù)和液相擴(kuò)散系數(shù)的數(shù)值之間。溶質(zhì)

9、在鋼中的擴(kuò)散系數(shù)資料不全，并且溫度和鋼水流動(dòng)狀態(tài)對(duì)擴(kuò)散系數(shù)也有影響?？紤]到這些因素，使用有效擴(kuò)散系數(shù)Deff代替(1)和(3)式中的擴(kuò)散系數(shù)D來(lái)進(jìn)行計(jì)算。有效擴(kuò)散系數(shù)反映了鑄坯液芯內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)對(duì)固-液界面附近溶質(zhì)傳質(zhì)的影響。(5)2.2鋼中溶質(zhì)元素的偏析傾向由(5)式可知，鑄坯中化學(xué)成分的偏析受3方面因素的影響。一是溶質(zhì)元素的平衡分配系數(shù)，二是鑄坯的凝固速度(以K為代表)，三是液芯內(nèi)鋼水的流動(dòng)狀況(Deff)。為了預(yù)測(cè)某一鋼種中溶質(zhì)的偏析行為，只需將該鋼種的相應(yīng)數(shù)據(jù)代入(5)式進(jìn)行計(jì)算。圖2是利用(5)式計(jì)算的一些鋼中常見(jiàn)元素的有效分配系數(shù)與凝固系數(shù)的關(guān)系。由圖2可見(jiàn)，鋼中各溶質(zhì)元素的偏析傾向與

10、其在固-液相之間的平衡分配系數(shù)的大小一致，即平衡分配系數(shù)越小，偏析傾向越大。氧是最容易產(chǎn)生負(fù)偏析的元素，而鉻在鋼中幾乎不發(fā)生負(fù)偏析。圖2鋼中常見(jiàn)元素有效分配系數(shù)與凝固系數(shù)的關(guān)系Fig.2Relation between effective distribution coefficient and solidification constant of common elements in steel由圖2可見(jiàn)，碳和硫都會(huì)在凝固過(guò)程中產(chǎn)生偏析，硫的偏析傾向比碳更強(qiáng)。此外，計(jì)算的結(jié)果還表明，鋼中溶質(zhì)的有效分配系數(shù)比平衡分配系數(shù)大很多。這是因?yàn)殇撍哪趟俣容^快和溶質(zhì)傳質(zhì)速度較慢，限制了偏析的嚴(yán)重程度

11、。2.3電磁攪拌對(duì)碳偏析的影響2.3.1電磁攪拌對(duì)溶質(zhì)偏析的影響連鑄電磁攪拌使鑄坯液芯內(nèi)鋼水成分和溫度均勻化，這從兩方面影響碳的偏析。一是鑄坯凝固界面附近的有效擴(kuò)散系數(shù)提高，二是凝固界面附近溫度的升高導(dǎo)致凝固系數(shù)的降低。由(5)式可知，這兩方面的影響均會(huì)使Ke減小，因此電磁攪拌會(huì)在鑄坯上產(chǎn)生負(fù)偏析。圖3是含碳0.6%、邊長(zhǎng)150 mm方坯凝固過(guò)程中固相和液相中碳含量變化的模擬計(jì)算結(jié)果。圖中固相中碳含量在凝殼厚度約20 mm處出現(xiàn)明顯降低的區(qū)域?yàn)殡姶艛嚢鑵^(qū)。進(jìn)行計(jì)算時(shí)，首先進(jìn)行凝固傳熱的計(jì)算，得到凝殼厚度和凝固系數(shù)；然后在選定的攪拌條件下(圖3條件是：攪拌區(qū)距鋼水液面距離1.52.0 cm，中等

12、強(qiáng)度電磁攪拌，碳Deff=4×10-9m2/s)，用(5)式計(jì)算Ke。最后計(jì)算出固相濃度CS和液相濃度Cl。圖3固相和液相中碳含量變化的模擬計(jì)算結(jié)果Fig.3Calculated results of carbon content variation in solid and liquid phases由圖3可見(jiàn)，在凝固過(guò)程中，液相中的碳含量高于固相。而且，在進(jìn)行電磁攪拌的部位出現(xiàn)負(fù)偏析區(qū)，與此對(duì)應(yīng)，在鑄坯低倍組織和硫印上可觀察到白亮帶。需要說(shuō)明的是，在鑄坯接近完全凝固時(shí)，由于圖1那種固-液界面附近溶質(zhì)濃度分布不復(fù)存在，所以不能用本模型計(jì)算，圖3也沒(méi)有畫(huà)出鑄坯凝殼厚度大于60 mm以

13、上的碳含量。但是由圖1的溶質(zhì)濃度分布情況可以推測(cè)，在鑄坯中心處將會(huì)有碳含量的大幅增加。圖4是不同攪拌強(qiáng)度時(shí)，凝固鋼中碳含量的變化。它表明，攪拌強(qiáng)度增強(qiáng)時(shí)，鑄坯中的負(fù)偏析程度也加劇。當(dāng)鑄坯離開(kāi)電磁攪拌區(qū)時(shí)，凝固鋼中的碳含量會(huì)高于無(wú)電磁攪拌時(shí)的碳含量，發(fā)生了“正偏析”。攪拌強(qiáng)度越高，越容易發(fā)生正偏析。圖4不同攪拌強(qiáng)度時(shí)凝固鋼中碳含量的變化Fig.4Variation of carbon content in solid steel by different intensity of electromagnetic stirring這是由于當(dāng)未進(jìn)入電磁攪拌區(qū)時(shí)，Deff較小。而進(jìn)入攪拌區(qū)后，Deff

14、增大(K也增大，但幅度較小)，由(5)式得知，Ke減小，產(chǎn)生負(fù)偏析。當(dāng)離開(kāi)攪拌區(qū)時(shí)，Deff又重新變小，使得Ke又增大。這樣一來(lái)，與前面的負(fù)偏析帶比，出現(xiàn)某種程度的正偏析。在采用交替攪拌工藝時(shí)，由于換向時(shí)必然有鋼水流速為0時(shí)候，這就容易產(chǎn)生正負(fù)偏析交替出現(xiàn)的情況。如果攪拌強(qiáng)度較大，并且鑄坯離開(kāi)攪拌區(qū)后鋼水立即停止攪動(dòng)，則有可能出現(xiàn)較明顯的正偏析。圖4所示的規(guī)律與實(shí)際電磁攪拌的經(jīng)驗(yàn)吻合。2.3.2白亮帶對(duì)鑄坯質(zhì)量的影響根據(jù)上述“析出-擴(kuò)散”機(jī)理可知，白亮帶只是溶質(zhì)化學(xué)成分偏析的反映。從機(jī)理上講，白亮帶處的偏析和正常情況下的凝固偏析并無(wú)不同，白亮帶區(qū)并不存在異常的凝固結(jié)晶結(jié)構(gòu)。因此，白亮帶對(duì)鑄坯質(zhì)

15、量的影響，只需從成分偏析方面來(lái)考察。當(dāng)鑄坯白亮帶及其周圍區(qū)域化學(xué)成分的變化在鋼種化學(xué)成分允許波動(dòng)的范圍之內(nèi)，那么白亮帶就不會(huì)對(duì)鑄坯質(zhì)量產(chǎn)生任何不利影響。如果白亮帶處某些溶質(zhì)的化學(xué)成分低于鋼種要求的下限，或者白亮帶內(nèi)緣的正偏析高于鋼種要求的上限，則有可能對(duì)鑄坯質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。例如，當(dāng)白亮帶處的碳含量低于鋼種要求的下限時(shí)，白亮帶處的硬度和機(jī)械強(qiáng)度就可能降低。由此可見(jiàn)，在連鑄生產(chǎn)中，電磁攪拌強(qiáng)度的控制原則是，最低攪拌強(qiáng)度：使鑄坯上產(chǎn)生白亮帶；最高攪拌強(qiáng)度：白亮帶及其附近區(qū)域化學(xué)成分的偏析在鋼種要求的范圍之內(nèi)。合適的攪拌強(qiáng)度介于最高強(qiáng)度和最低強(qiáng)度之間。2.4與其他白亮帶形成機(jī)理假說(shuō)的比較對(duì)于白亮帶形

16、成原因的解釋，主要有溶質(zhì)沖刷機(jī)理4、凝固速度變化機(jī)理1和區(qū)域溶質(zhì)再分配機(jī)理5。這些假說(shuō)從不同的方面對(duì)白亮帶的形成做了解釋。本文提出的溶質(zhì)“析出-擴(kuò)散”機(jī)理及其結(jié)論在某些方面與上述假說(shuō)有相似之處。(5)式中的有效擴(kuò)散系數(shù)Deff代表的是凝固前沿處鋼水流動(dòng)狀況，其數(shù)值越大表明鋼水對(duì)固-液界面的沖刷越強(qiáng)，就越容易形成白亮帶。由此可見(jiàn)，本文提出的“析出-擴(kuò)散”機(jī)理在這方面與沖刷機(jī)理一致。(5)式中的凝固系數(shù)K代表的是凝固速度。在進(jìn)行電磁攪拌時(shí)，由于鋼水對(duì)流的影響，液芯內(nèi)的有效導(dǎo)熱系數(shù)增大，導(dǎo)致凝固速度增大，進(jìn)而影響溶質(zhì)的偏析。(5)式中的KC代表了溶質(zhì)在固-液相中平衡分配系數(shù)對(duì)偏析的影響。KC對(duì)負(fù)偏析

17、的影響隨凝固速度增大而減小。本文提出的溶質(zhì)“析出-擴(kuò)散”機(jī)理包含了沖刷機(jī)理、凝固速度變化機(jī)理和溶質(zhì)分配機(jī)理的合理部分。3結(jié)論(1) 對(duì)鑄坯凝固過(guò)程中產(chǎn)生的溶質(zhì)偏析現(xiàn)象提出了一種“析出-擴(kuò)散”機(jī)理。并由該機(jī)理推導(dǎo)建立了描述溶質(zhì)在固液相間平衡分配系數(shù)、有效分配系數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)、鑄坯凝固系數(shù)之間相互關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。(2) 利用得到的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算了鋼中碳和硫在凝固過(guò)程中發(fā)生偏析的傾向。(3) 在析出-擴(kuò)散機(jī)理及其數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，解釋電磁攪拌導(dǎo)致化學(xué)成分發(fā)生偏析的原因，并對(duì)電磁攪拌產(chǎn)生白亮帶的現(xiàn)象做了數(shù)學(xué)模擬。說(shuō)明白亮帶是攪拌強(qiáng)度的反映。攪拌強(qiáng)度越高，鑄坯上相應(yīng)部位的負(fù)偏析越大。(4) 在連鑄生產(chǎn)中，電磁攪拌強(qiáng)度的控制原則是，使鑄坯上產(chǎn)生白亮帶，同時(shí)白亮帶及其附近區(qū)域化學(xué)成分的偏析在鋼種要求的范圍之內(nèi)。作者簡(jiǎn)介：吳夜明，男，44歲，高級(jí)工程師。1983年鋼鐵研究總院冶金物理化學(xué)專業(yè)研究生畢業(yè)。從事連鑄及冶金物