金小礼，雷作胜，任忠鸣，邓康，钟云波
(上海大学，上海市钢铁冶金新技术应用开发重点实验室, 上海 200072)
摘 要 综述了连铸中振痕形成机理及其控制技术，提出了一种新的振痕形成机理，认为连铸过程中结晶器振动导致初始凝固坯壳的“温度波动”是铸坯表面振痕形成的一个重要原因。为减轻振痕，改善连铸坯表面质量，提出了两种电磁连铸新技术：调幅磁场耦合结晶器振动的电磁连铸技术和调幅磁场下无结晶器振动的电磁连铸技术。 关键词 电磁连铸 振痕 温度波动 高频调幅磁场
Mechanism of Oscillation Mark Formation and Development of Electromagnetic Control Technology for Continuous Casting Strand
JIN Xiaoli, LEI Zuosheng, REN Zhongming, DENG Kang, ZHONG Yunbo
Shanghai University, Shanghai Enhanced Laboratory of Ferro-Metallurgy, Shanghai 200072,
China
Abstract The oscillation marks formation mechanisms and its control technologies in continuous casting are overviewed. Specially, a new mechanism was introduced in which the temperature fluctuation of early solidified shell caused by mould reciprocation is a key factor. In order to decrease the depth of oscillation marks, and improve the surface quality of continuous casting strands, two kinds of novel Electromagnetic Continuous Casting (EMCC) technologies were introduced by applying a kind of special Amplitude-Modulated Magnetic Field (AMMF), one is named as mold oscillation coupled with AMMF EMCC and the other is named as Mould Oscillation-less Electromagnetic Continuous Casting (MOLECC) under AMMF.
Key words oscillation marks, Electromagnetic continuous casting, Temperature fluctuation, High Frequency Amplitude-Modulated Magnetic Field
1. 前言
在连铸中引入结晶器的振动，被认为是连铸得以工业化应用的关键技术革命[1]。结晶器振动可以有效改善铸坯的润滑，避免坯壳与结晶器的粘结和拉漏，使连铸过程得以稳定顺利进行。同时，结晶器振动却会使铸坯表面产生周期性的横向皱折，即振痕。鉴于振痕存在的普遍性，一般地，非异常的振痕并不视为铸坯的表面缺陷。
随着技术的日益成熟，连铸朝着近终形、高速度、高质量方向发展[2]，对铸坯质量的要求不断提高，振痕受到越来越多的关注。由于振痕处几何形状、显微组织以及合金成分的不连续[3]，使之成为铸坯表面裂纹形成的密集区，也是轧制过程的裂纹诱发区。但对于一些难连铸钢种，比如包晶钢、不锈钢等，振痕对铸坯表面质量的影响尤其突出[4,5]。在高拉速条件下，振痕对铸坯表面质量的决定作用也日益凸现[6]。弄清铸坯表面振痕形成的机理，从而提出有针对性的减轻甚至消除振痕的技术，对于无缺陷铸坯的生产和实现高速连铸连轧，具有非常重大的意义。
本文综述了关于振痕形成机理及其控制技术方面的一些研究工作，着重介绍了上海大学在这一领域的相关工作。
2. 连铸坯振痕形成机理
通过对铸坯表面振痕进行金相分析，一般根据形态将振痕分为凹陷状和钩状两种。从连铸技术进入工业化生产一直到今天，针对不同的工艺条件和操作方式，人们从不同的角度提出了一些机理，来解释上述两种振痕形成的主要原因。
从研究历史发展的角度看，比较典型的振痕形成机理有如下的一些：
（1）撕裂—愈合机理[7]。该机理认为，初生坯壳与结晶器壁间存在着“粘接”，当结晶器向上振动时带着粘结的坯壳一起运动并将其拉裂，内部钢液则部分填充于裂缝处，当结晶器向下运动时，裂缝处的钢液凝固愈合，从而在铸坯表面形成振痕。
该概念模型的提出处于连铸技术的发展早期，缺乏严格认真的分析，尽管由于其开拓性的工作屡被引用，却不能解释铸坯表面具有良好周期性的振痕形成。
（2）二次弯月面机理[1]。Edward S. Szekeres在撕裂-愈合的基础上提出这一机理，他也认为结晶器和凝固坯壳之间存在粘接，这样当结晶器向上振动时粘接的上部坯壳和未粘接的下部坯壳之间会形成钢水“二次弯月面”，振痕就形成于两段坯壳的连接处。在这个过程中，钢水的表面张力和坯壳的强度决定了所形成振痕的形态。
在自由浇注并采用油润滑的情况下，二次弯月面处形成振痕的说法因能解较多的实验和生产现象，具有其合理性。但在保护渣润滑条件下振痕的形成，该机理没有相应的解释。同时，由于该机理提出的时间相对较晚，缺乏足够的定量化支持。
（3）结晶器变形与坯壳机械作用机理[8]。J. K. Brimacombe研究小组认为，由于弯月面附近区域热流较大，导致此处结晶器受热膨胀变形，在弯月面上部产生一倒锥度。在结晶器向下振动的负滑脱期间，结晶器壁将初生坯壳向里向下推动，使初生坯壳变形。在结晶器向上振动的正滑脱期间，若凝固坯壳强度较低，在钢液静压力的作用下，坯壳被回推向结晶器壁，形成凹陷状的振痕；当初生坯壳强度较高时，钢液静压力不足以推回初生坯壳，钢液就溢过初始坯壳，形成带钩状的振痕。
通过数学模型计算以及实验，结晶器在弯月面处产生的倒锥度变形已经得到证实。但是，在一些采用极难变形结晶器（比如强度较大的结晶器铜板，铜板背面采用加强筋等）的连铸时，仍然会产生较深的振痕，这是这一机理不能解释的。
（4）保护渣道动态压力作用模型[9]。这一机理也由Brimacombe小组提出。与第（3）种
机理一样，他们也认为，在结晶器振动的过程中，初生坯壳也存在着推离——回复结晶器壁的运动，从而产生了凹陷和勾状两种振痕。与上述机理不同的是，他们认为，在液态保护渣道内产生的“动态压力”才是坯壳变形的真正驱动力。
Brimacombe小组计算了结晶器振动过程中保护渣道内的压力变化情况，某种程度上定量地分析了振痕的成因，是目前关于浸入式水口保护浇注下振痕形成的比较一致的认识。基于他们的工作，近几年发展了很多模型[10,11,12]来精确计算连铸过程振痕的深度。可以说，这一机理是目前被研究得较为透彻的一种。
相比较而言，保护渣作用机理用来解释皱折型振痕的形成很有说服力，但对于溢流型振痕的形成机理，则语焉不详。
（5）弯月面液体表面张力导致振痕理论[13]。该机理认为，结晶器内弯月面处液态金属的表面张力在这些“振痕状”缺陷的形成过程中起到了很大的作用。在某一时刻，液态金属垂直于结晶器壁生成凝壳，此时金属熔池表面与凝壳上沿平齐，随着拉坯的进行，凝壳向下运动，保持不变的液位相对上升，此时由于金属液表面张力的作用，形成一个凸起的弯月
面，并且弯月面的高度逐渐增加，一旦弯月面的高度高到表面张力不足以维持时，弯月面就向结晶器壁坍塌溢流，受结晶器壁冷却而形成新的凝壳和弯月面，这样，每一次坍塌溢流就形成一道“振痕”。
这一机理提出时间较晚，可以用来粗略地解释一些实验现象，但仍然还有很多不完善的地方，值得进一步地研究。
（6）弯月面温度波动导致振痕理论[14]。该理论认为连铸过程中结晶器振动导致初始凝固坯壳的“温度波动”是铸坯表面振痕形成的一个重要原因，其主要观点如图1所示。该机理认为，在结晶器振动的某一时刻，θ1点与金属接触，温度高于θ2点，此时弯月面上的初始凝固点的位置在A点处。随着连铸过程的进行，铸坯坯壳和结晶器一起下移，但因为存在负滑脱，结晶器下降的位移大于铸坯，导致原来与保护渣相接触的相对温度较低的θ2点与初凝壳接触，从而加速了金属的冷却和凝固，使弯月面上的凝固点上移到B点（B点比A点更远离结晶器壁）。同时凝固坯壳增厚，强度增加，液态金属的静压力难以将其压回结晶器壁。而相对结晶器不断上升的液位则溢过初始凝固壳，这种溢流现象导致了振痕的形成。随后，结晶器向上振动，θ1 点回到原位置，又开始形成新的坯壳，此时弯月面上的初始凝固点为A’。如此反复，就在铸坯表面产生了周期性的振痕。初始凝固坯壳随结晶器振动产生的温度波动可能是连铸坯表面振痕形成的一个重
要原因。
关于这一新的现象，目前已通过小型连铸实验测量和初步的数学模拟计算得到了证实，但这种温度波动对振痕形成的影响到底有多大，温度波动在振痕形成过程中是不是主要的矛盾，还值得更深入的研究。
3. 连铸坯振痕控制技术
上面所述的各种振痕机理，分别从初始凝固坯的传热、力学性能，结晶器区域传热行为，保护渣道压力的变化以及钢液和保护渣道之间的表面张力等方面出发对振痕的形成给出了各自的解释。在此基础上，冶金工作者开发出各种各样的控制连铸坯振痕形态的技术。
3.1改变结晶器振动方式
为了减轻铸坯振痕的危害，人们从改变结晶器振动方式入手，发展出了高频率小振幅振动技术[15、16、17] ，非正弦振动技术[18、19、20] ，谐振结晶器[21] ，结晶器宽面横纵向振动技术[22、23] 相结合技术，以及超声波振动技术[24] 等，并都取得了减轻振痕深度，改善铸坯表面质量的效果。
高频率小振幅振动技术改善铸坯表面振痕形成可以从现有的许多机理中得到解释。比如，从结晶器弯月面处变形形成负锥度的角度看来，采用高频率小振幅的振动形式，结晶器作用在初始凝固坯壳上的时间短，并且作用距离也小，即使在结晶器变形较大的情况下，初生坯壳也不至于被压迫变形太多，振痕深度得以变浅。从振痕形成的“二次弯月面”机理来说，结晶器高频率小振幅的振动情况下，一个振动周期内“弯月面坯壳”变薄，并且弯月面坯壳和下部“铸坯坯壳”的相互作用减弱，这些都有利于减轻振痕。从“保护渣作用”机理方面看，此时，负滑脱时间减少，保护渣道内压力减小，显然也能抑制振痕的形成。
如前所述，振痕形成的保护渣作用机理由于研究深入，被广泛认可。所以，有很多技术几乎是完全依此机理而提出的。比如非正弦振动技术，结晶器宽面横纵向振动技术相结合技术，以及超声波振动技术。非正弦振动技术的核心思想是通过改变一个周期内的振动速度分布，使结晶器振动时处于负滑脱的时间减短，从而减少坯壳因保护渣道压力导致的变形，振痕深度变浅。所谓结晶器宽面横纵向振动技术就是在结晶器上下振动处于负滑脱期，保护渣道内压力为正压时，将结晶器的宽面在水平方向外撤以释放此压力，当结晶器振动处于正滑脱期时，保护渣道内压力为负压，此时让结晶器宽面铜板内压以防止坯壳的变形。该技术的创新之处就在于让结晶器宽面水平方向振动同上下振动耦合起来，以维持
保护渣道内压力的稳定，从而控制初始凝固坯壳的行为。此技术在工业规模实验中已有应用，宽面水平方向的振动幅值控制在±0.1mm内，以和保护渣道本身的宽度相匹配。
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