一、研究的背景与问题
在全球减排降碳背景下，风电、核电等新能源装备装机容量迅猛增长对钢铁材料高端化、大型化、长寿命、低成本等方面提出更高需求。根据国家能源局的统计，截至2023年10月底，我国风电装机累计容量约4.0亿千瓦，稳居全球首位，首次实现海上风电单机容量10MW+的突破。位于高端装备制造业无人区，我国亟需自主科技创新，探索钢铁材料制造新技术，引领世界钢铁行业发展。高品质钢连铸坯质量稳定控制是钢铁材料高端化、低成本的关键。各大钢铁企业采用结晶器电磁搅拌、结晶器电磁制动、二冷电磁搅拌等电磁冶金装备通过非接触式电磁力调控钢液流场进而调控连铸坯表面与内部质量。然而，这些电磁冶金装备施加位置均在结晶器及以下区域，难以从根本上解决铸坯边缘负偏析及其引发的后续正负偏析交替问题，难以解决结晶器内钢液由中心到边缘温度梯度大导致的凝固组织粗大问题，无法解决水口结瘤及其结瘤物脱落造成大尺寸夹杂问题，难以协同提高连铸坯凝固组织细化、均质化与洁净化。此外，我国采用的电磁装备绝大部分为国外引进后国产替代，缺乏更具针对性的原创电磁冶金技术与装备支撑。
二、解决问题的思路与技术方案
针对上述问题，东北大学材料电磁过程研究教育部重点实验室王强教授团队在国家杰出青年科学基金项目、国家自然基金重点项目、国家重点研发计划及十余项校企合作课题的资助下，创建了铸坯凝固组织细化、均质化、洁净化电磁旋流调控新理论，原创了适配多钢种、多规格、多坯型的非接触式电磁旋流技术与成套装备，自主研发了电磁旋流及其多级耦合电磁驱动技术并实现工业应用。通过理论-装备-工艺应用全链条科技创新，实现了轴承钢、齿轮钢、海工钢等钢材高质、高效、低成本、稳定制造，解决问题的思路与技术方案如图1所示。电磁旋流技术是在浸入式水口外部安装可移动可调节的电磁旋流装置，通过旋转电磁场对浸入式水口内钢液产生洛伦兹力效应以非接触的方式实现钢液的旋转流动，是一种通过在浸入式水口内形成旋流以控制结晶器流场的连铸新工艺。电磁旋流及其多级耦合电磁驱动技术采用浸入式水口电磁旋流协同耦合结晶器、二冷、末端电磁搅拌技术，形成连铸坯凝固前期、初期、中期、末期全连铸流程综合电磁控流技术，进而全面提升铸坯凝固组织细化、均质化和洁净化，为实现我国高品质钢稳定生产提供原创性电磁冶金技术与装备支撑。
图1 解决思路与技术方案
三、主要创新性成果
项目组聚焦钢铁凝固过程电磁调控关键技术，历经十余年校企联合攻关，通过理论-装备-工艺应用全链条科技创新，实现了轴承钢、齿轮钢、海工钢等钢材高质、高效、低成本、稳定制造。取得如下创新性成果：
(1)创建铸坯凝固组织细化、均质化、洁净化电磁旋流调控新理论，构建了电磁场下高温金属熔体传输行为与凝固理论模型，揭示了高温金属熔体凝固过程的电磁调控机制，如图2所示。总体成果引领国际前沿，全面支撑了钢铁连铸过程电磁调控关键技术和核心装备研发。
图2 电磁旋流铸坯质量调控理论
(2)原创了适配多钢种、多规格、多坯型的电磁旋流技术与成套装备。通过在浸入式水口区域施加旋转电磁场，从源头调控流场与温度场，进而有效调控铸坯质量。电磁旋流技术与装备适用于各种规格和钢种的方坯、圆坯、板坯等连铸生产，为我国高品质钢制造提供原创性电磁冶金技术与装备支撑，如图3所示。
图3 电磁旋流技术与成套装备
(3)自主研发了电磁旋流及其多级耦合电磁驱动技术并实现工业应用，通过电磁旋流协同耦合结晶器、二冷、末端电磁搅拌，有效促进铸坯凝固组织细化，降低宏观偏析缺陷，去除大尺寸夹杂并抑制夹杂物偏聚，如图4所示。实现弹簧钢方坯等轴晶率从27%提升到43%，无取向硅钢板坯等轴晶率从40%提升到86%，轴承钢大圆坯碳极差从0.08%降低到0.04%以下，齿轮钢大圆坯夹杂物数量降低45%，包晶钢板坯夹杂物数量降低41%的突破。
图4 电磁旋流及其多级耦合电磁驱动技术
四、应用情况与效果
本技术于2013年4月完成理论与模拟工作，同年6月率先与沙钢开展校企合作，完成工业试验验证工作。同时，电磁旋流装备历经圆型、小型化圆型、两瓣型、双一型、马蹄型5代装备更新升级如图5所示，逐步解决了磁场利用率低、设备体积大、安装拆卸系统操作繁琐、磁场损耗大、电磁干扰等实际问题。2015年4月开始与山钢集团展开全面战略合作，技术实施后实现了42CrMo系列铸坯碳极差降低82.7%以及等轴晶率提高了27%的突破。此外，本技术已成功推广应用至河钢集团、鞍钢股份、本钢集团以及石钢京诚装备技术有限公司等连铸产线，
图5 电磁旋流装备开发历程
1、电磁旋流协同结晶器、二冷、末端电磁搅拌驱动凝固组织细化
弹簧钢小方坯柱状晶粗大、等轴晶率低是连铸生产难题。通过电磁旋流协同结晶器、二冷、末端电磁搅拌有效促进方坯凝固组织细化。保持现场优值结晶器、二冷、末端电磁搅拌强度，通过调节电磁旋流强度实现多级电磁驱动技术匹配。如图6所示，最优化耦合条件下可以实现钢液在结晶器上部的均匀流动，而且可以优化结晶器下部的流动，还促进了径向方向上钢液的外扩运动，使得钢液在结晶器纵向和横向都能保持相对均匀性。电磁旋流引起的流动速度在结晶器中心相对较大，边缘相对较小，表明电磁旋流产生的流动从内向外发散，在凝固前沿仍然存在周向旋转速度，在优值电流强度下最大速度为0.13 m/s，这种强迫对流导致枝晶与结晶器壁面之间的非垂直夹角增加，且在枝晶底部产生明显的拉伸应力，超过特定温度以上的临界应力阈值，从而导致枝晶在更高的温度下断裂。
图6 电磁旋流及其多级耦合电磁驱动技术凝固组织细化调控
在电磁旋流对钢液流动产生影响的情况下，随着电流强度的增加，钢液的轴向温度曲线向左移动，加速了钢液过热的消散。弯月面以下200 mm和400 mm的温度随着电流强度的增加而增加，而温度梯度随着电磁旋流电流强度的增大而逐渐减小，最优化耦合条件下三个区域的平均温度都有所升高，增量分别为17.98 K、15.47 K和7.5 K，温度梯度分别降低了5.1%、17.3%和44.9%。在弯月面以下400 mm处观察到类似的趋势，每个区域的温度相对较高，平均温度分别增加了36.18 K、14.10 K和2.42 K，而平均温度梯度分别降低了12.8%、21.5%和35.7%。温度梯度的降低导致成分过冷(ΔTcs)的增加，当ΔTcs大于或等于临界组成过冷温度(ΔTn)时，可以开始形成等轴晶核和CET。与没有电磁旋流的情况相比，电磁旋流可以显著减少达到启动等轴晶核和CET的临界ΔTcs所需的柱状生长量。
在上述凝固组织细化机制以及数值模拟指导下进行生产试验，电磁旋流协同结晶器、二冷、末端电磁搅拌耦合作用下70#钢铸坯的凝固组织与等轴晶率如图7所示，多级耦合电磁驱动技术使等轴晶率由27%增加到43%。不同强度电磁旋流作用下铸坯凝固组织分析如图8所示，红色虚线标记区域为等轴区，枝晶长度和生长范围随电磁旋流强度的增加逐渐减小，并且这种减小伴随着等轴晶区域面积的增加。当电磁旋流电流增加到600 A时，枝晶在距离铸锭边缘25~45 mm的距离内开始断裂。随着电磁旋流强度从200 A增加到600 A，等轴晶率从37%增加到43%，高于传统工艺方法（27%），平均枝晶尺寸的结果表明电磁旋流具有更好的枝晶细化效果。传统工艺条件下，枝晶的平均长度为4.328 mm，最大长度超过7 mm，平均宽度为0.117 mm。多级耦合电磁驱动技术作用下，枝晶的平均长度降至4.114mm，最大长度降至~6 mm，平均宽度减小到0.108 mm。
图7 弹簧钢在不同磁场条件下的凝固组织和等轴晶率
图8 不同磁场条件下弹簧钢的凝固组织、枝晶长度和宽度 (a)本项目技术；(b)传统工艺
2、电磁旋流协同结晶器、末端电磁搅拌促进铸坯均质化
直径大于600 mm的风电轴承、齿轮钢大圆坯宏观偏析严重是连铸生产难题。通过电磁旋流协同结晶器、末端电磁搅拌有效促进大圆坯均质化。保持现场优值结晶器、末端电磁搅拌强度，通过调节电磁旋流强度实现多级电磁驱动技术匹配。如图9(a)所示，在传统工艺下，钢液经水口注入结晶器内形成射流，射流向下冲击，受到粘性力作用速度逐渐减小，最终速度稳定与拉速一致。射流主体在结晶器出口附近形成环形回流。当施加电磁旋流后，注入结晶器的钢液产生旋转，由于周向旋转的作用，射流位置随搅拌而转动。周向旋转流动导致射流冲击深度降低，环形回流消失。射流波动性显著降低。同时，旋流的作用使得钢液在结晶器内产生滞留，周向的旋转使得钢液在结晶器上部产生聚集。温度场的变化与射流变化一致，在加入磁场影响后结晶器内的高温区域明显上移，钢液熔池深度减小，出口处的中心钢液温度有降低的趋势，这有利于加快结晶器内凝固进程。
图9 连铸多级耦合电磁驱动技术的流场与温度场分析
(a)不同条件下流线分布；(b)不同条件下碳溶质分布；(c)结晶器出口边缘溶质分布；(d)不同条件下特征区域凝固坯壳变化情况
图9(b)和(c)为不同条件下碳溶质元素分布。在不施加磁场的作用时，钢液射流形成的环形回流使得碳溶质在热浮力和溶质浮力的综合作用下，弯月面区域碳元素出现富集现象，由于守恒关系，钢液离开结晶器后边缘的负偏析严重。在电磁搅拌施加后随着轴向返流的减弱，弯月面处的碳富集程度显著降低，在铸坯离开结晶器时，边缘的负偏析减弱。电磁搅拌配合电磁旋流后，射流波动减弱，高温区域范围扩大离开结晶器的进程加快，有效缓解溶质偏析的发生。由于温区和周向流动的变化，结晶器出口处的凝固区域凝固速率增加，坯壳厚度增厚，从而使得这一区域溶质扩散减缓，边缘负偏析改善。在上述宏观偏析控制机制以及数值模拟指导下进行生产试验，如图10所示，在多级耦合电磁驱动技术下650 mm直径的42CrMo钢柱状晶向等轴晶区域转变（CET）过渡区的面积增大，比技术实施前提高31%。碳极差达到最低值0.04%，技术实施前为0.098%，碳极差降低了54.1%。分析原因发现，技术实施前连铸坯横截面上碳元素的分布极其不均匀，碳元素在1/2半径位置附近富集，在大圆坯边缘和中心区域缺失。在多级耦合电磁驱动技术下，凝固初始阶段更多的溶质元素在固、液界面前沿析出，造成溶质元素在凝固初期汇集，而在之后凝固的汇集量减少。金属原位分析检测的结果进一步说明，在多级耦合电磁驱动技术下，溶质元素分布更加均匀，铸坯边缘负偏析得到抑制，进而阻断了由边缘负偏析引起的后续正负偏析交替出现。
图10 连铸多级耦合电磁驱动技术作用下42CrMo宏观偏析结果
（a）M-EMS作用下42CrMo钢大圆坯横截面的凝固组织形貌；(b) M-EMS+EMSFN作用下42CrMo钢大圆坯横截面的凝固组织形貌； (c) 42CrMo钢大圆坯横截面的凝固组织所占比例；(d) M-EMS+EMSFN作用下42CrMo钢的碳极差；(e) M-EMS+EMSFN作用下42CrMo钢大圆坯的碳偏析指数；(f)不同试验条件的原位分析图像
3、电磁旋流协同结晶器电磁搅拌促进铸坯洁净化
包晶钢板坯生产因包晶反应液面波动剧烈引入夹杂物是连铸生产难题。通过电磁旋流协同结晶器电磁搅拌有效促进包晶钢板坯洁净化。保持现场优值结晶器电磁搅拌强度不变，通过调节电磁旋流强度实现多级电磁驱动技术匹配。如图11所示，该项目技术作用下钢液的出流更加平稳，抑制了水口偏流，减轻出流的波动混乱情况，有助于稳定结晶器内的钢液流动和抑制弯月面波动。同时钢液的高温区上移，水口下方的钢液温度整体提升，从而有效稳定了结晶器内流场和温度场。由于电磁旋流作用下钢液的冲击深度较小，会更容易上浮到弯月面处被保护渣吸收。且电磁旋流作用下铸坯内部的夹杂物分布更加均匀。在上述洁净化机理与模拟计算指导下进行生产试验，板坯SAE1010内部夹杂物的数量、分布、尺寸统计及典型形貌对比图如图12所示。钢坯内部氧化铝夹杂物最多，其次是硫化锰。电磁旋流产生的旋转流场促进了夹杂物的上浮，所以在电磁场作用下氧化铝夹杂物数量变少。夹杂物最多出现的位置均为角部，四分之一处夹杂物占比最低。对比统计结果表明，施加电磁旋流后，夹杂物在铸坯截面上分布更加均匀。不同试验参数下夹杂物在不同区域的平均尺寸统计表明施加电磁旋流后，夹杂物最大尺寸明显降低。钢坯内典型的夹杂物形貌图表明使用电磁旋流后，夹杂物最大尺寸由20 μm降低至6 μm。总体而言，电磁旋流协同结晶器电磁搅拌技术使铸坯内夹杂物呈现“数量降低”、“分布均匀”、“尺寸减小”的趋势。使用电磁旋流耦合结晶器电磁搅拌后，夹杂物数量密度由平均27个/mm2降低至16个/mm2，下降41%。
图11 结晶器流场温度场
(a)板坯流场分布；(b)板坯温度场分布
图12 铸坯截面夹杂物数量、分布、尺寸统计及典型形貌对比
(a)数量统计；(b)不同位置分布统计；(c)尺寸统计；(d)夹杂物形貌对比
传统工艺和电磁旋流耦合结晶器电磁搅拌条件下水口结瘤的对比如图13所示。传统工艺条件下结瘤层疏松且厚度较大，主要结瘤物成分为Al2O3，而耦合电磁驱动技术下，结瘤层薄且致密，底部结瘤物以Al2O3为主，表层为凝钢。因此耦合电磁驱动技术使水口结瘤层更薄，减小疏松大尺寸结瘤物被冲入结晶器中产生大尺寸夹杂的概率。
图13 水口结瘤
（a）传统工艺；(b)电磁耦合
目前本项目技术除了已在山钢、河钢、鞍钢、本钢以及石钢京诚装备技术有限公司全面推广应用外，同时还与沙钢、沙钢淮钢特钢有限公司、中信泰富特钢江阴兴澄特种钢铁有限公司、宝钢等10余家龙头钢铁企业合作，本项目技术相关研究获得2023年国家科学技术进步二等奖，2021年教育部自然科学一等奖。
