(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)

    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。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，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，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。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。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。

    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。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。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。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。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。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。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。

    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。

    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，非正弦振动技术，谐振结晶器，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。

    2 改变结晶器的结构和材质

    生产实践表明，减少结晶器内弯月面处热流导出，初始凝固坯壳变薄，有利于减轻振痕。基于这一原则，对结晶器的材质和结构相应地做一些改变，比如增加弯月面处结晶器铜壁厚度、在结晶器铜板冷面附加凹槽引导冷却水流向、采用导热系数较小的铜基合金、结晶器内壁镀膜以增加热阻，甚至还有在结晶器内弯月面处安插绝热板或者在结晶器上部安装热顶等等。

    从弯月面部分凝固的保护渣作用机理的角度看，弯月面区域传热减弱会带来两个方面的影响：有利的一方面是，弯月面部分凝固的程度减弱，使形成勾状振痕的勾状组织变浅。同时，当导热很弱时，甚至可能完全杜绝弯月面的凝固，没有形成勾状振痕的条件。不利的一方面是使初始凝固壳变薄，在相同的保护渣道压力作用下更容易变形，导致皱折型振痕的形成。因此这些措施改善振痕的原因不能完全由弯月面部分凝固的保护渣作用机理来解释。

    从结晶器变形的角度看，当弯月面区域导热减弱时，结晶器纵向温度分布相对均匀，温差变小，所以结晶器变形小，对初始凝固坯壳的作用也相应变小，有利于减轻铸坯表面振痕的形成。从二次弯月面的角度来看，在这种情况下，弯月面凝壳因热量导出慢变薄，也有利于减轻振痕。当弯月面处冷却强度减弱时，钢水和保护渣温度相对较高，他们之间界面张力变小，弯月面高度变小，从弯月面表面张力的角度来讲也有利于减轻振痕的形成。

    3 选用不同性能的保护渣

    在连铸过程中，只有两种物质同初始凝固坯壳直接接触并对其凝固进程产生影响，一是结晶器内壁，一是保护渣。显然，为了控制铸坯表面振痕首先想到的就是从这两个方面着手。改善结晶器的振动方式和结晶器本身材质就是基于这样的考虑。同样，通过选择不同性能的保护渣，也能在一定程度上控制铸坯表面振痕的形成。

    在保护渣的诸多理化性能中，其熔化性能，粘度和结晶性能被认为是最关键的三个参数，其中粘度对铸坯表面的振痕形成影响最为直接。根据Brimacombe 保护渣道压力作用于初生坯壳的振痕形成理论，当保护渣的粘度变大时，保护渣道内因结晶器振动产生的压力也会变大，振痕应该变深。但研究表明，在相同的连铸条件下，保护渣在1300℃粘度η1300高时，振痕浅。这是保护渣作用模型解释生产实践时遇到的一个主要困难。在生产实践种中发现，随粘度的增加保护渣的耗用量减少，同时保护渣的流动性变得不好，使得保护渣道的宽度相对变宽，反而降低了保护渣道的压力，使振痕减轻。从传热的角度看，保护渣粘度增加，其传热能力减弱，这与前面分析的改变结晶器材质的效果是一样的。同样，从振痕形成的机理上讲，保护渣粘度增加振痕减轻，可以利用结晶器弯月面处机械变形，二次弯月面等理论得到比较好的解释。

    4 软接触结晶器电磁连铸技术

    但多年的研究表明，要完全消除振痕，仅通过连铸系统自身参数的调节是难以做到的，必须施加外力建立新的力平衡。在前苏联的Getseleev等人开发出铝的无模电磁连铸技术之后，电磁力以其超距无接触、清洁的特性，迅速引起学术和冶金界的兴趣。针对钢连铸的特性，从90年代起逐渐开发出软接触结晶器技术，并在磁场分布特性、结晶器结构、连铸工艺等方面进行了广泛的研究，取得了减轻振痕的良好效果。

    在软接触结晶器电磁连铸技术发展的早期，结晶器外施加的磁场通常采用的都是振幅恒定的交变磁场，因而作用在结晶器内金属液的电磁力也是稳定的。但连铸过程是一个动态的过程，特别是在结晶器振动的情况下，动态过程变得更为明显且呈周期性。因此有研究者对其它形式的电磁场作用下的连铸过程进行了探索，如间断磁场，准正弦波磁场，半三角波磁场以及复合磁场（高频磁场+旋转磁场，交变磁场+静磁场等）。基于间断磁场概念的延伸和推广，人们又提出了“调幅磁场”的新的磁场施加形式，其特点是磁场的幅值按照某种函数关系随时间变化，这相当于在一高频磁场上（称为载波）附加一频率较低的周期性调幅波（称为调制波）。基于调幅磁场的思想，提出了两项比较有代表性的电磁连铸新技术。

    ● 调幅磁场耦合结晶器振动电磁连铸技术研究

    基于对电磁场作用下保护渣道动态压力的理解，提出了一种调幅磁场耦合结晶器振动的电磁连铸技术，基本思路是：在电磁连铸中，通过利用调幅磁场电磁力的变化特性，用电磁力来抵消结晶器振动一个周期内保护渣道内的动态压力。即在保护渣道内压力为正压，初始凝固坯壳被推离结晶器壁时，适当减小电磁力，在维持润滑的情况下使坯壳变形较小。同样，当结晶器振动处于正滑脱期，保护渣道内压力为负压时，坯壳有被钢水回推向结晶器壁的趋势，此时适当增加电磁力保持坯壳不变形。通过施加与结晶器振动相耦合的调幅磁场，达到对初凝壳运动精确控制的目的，从而有望从根本上抑制振痕的产生，提高铸坯表面质量。

    通过保护渣道动态压力计算，给出了一个调幅磁场的优化设计模型。同时，实验室的小型连铸试验结果表明，调幅磁场的施加能显著改善铸坯表面质量，减轻振痕。

    ● 高频调幅磁场下无结晶器振动电磁连铸技术实验研究

    纵观连铸技术的发展历程，引入结晶器的振动的主要目的和作用有三点：（1）使初始凝固坯壳脱模。（2）改善结晶器壁润滑，减小粘接和摩擦阻力。（3）避免拉漏和产生裂纹。通过结晶器的下、上运动，在保护渣道内形成一个正、负压力，从而促使初始凝固坯壳被推离、回复结晶器壁，达到脱模和润滑的目的。但正是初始凝固坯壳这种周期性的被推离、回复结晶器壁，使铸坯表面形成了振痕，并有可能在振痕的谷底产生偏析和裂纹。脱模与振痕形成是结晶器振动作用的两个方面，是同时伴生的一对矛盾，难以调和。

    可以看出，结晶器振动的三大作用，是通过结晶器“上下”振动使坯壳“左右”运动而达到的。如果能够找到一种外力，使坯壳直接“左右”运动，就可以达到和结晶器振动完全相同的效果。电磁连铸中“调幅磁场”的引入正是符合这一要求的外力之一。基于这一认识，人们提出了调幅磁场下的结晶器振动无电磁连铸技术（Mold Oscillation-less Electromagnetic Continuous Casting Process）。在该技术中，利用调幅磁场产生的电磁力的变化直接作用于初始凝固坯壳上，使保护渣在初凝壳和结晶器壁间流入流出，同样也可以起到润滑和脱模的作用。与结晶器振动不同的是，由于电磁力直接作用于凝固坯壳，且大小方便调节，因此有可能精确控制电磁力的大小，在保证润滑和脱模的同时避免坯壳不必要的变形，从而从根本上消除振痕。实验表明，通过选择调幅磁场的波形和调制波的频率， 可以显著地提高连铸坯的质量。

    结晶器无振动电磁连铸技术有望用可控的电磁场系统来取代设备庞大的结晶器机械振动系统，通过精确控制结晶器内初始凝固行为，获得比结晶器机械振动更佳的效果。并且减少了设备投资，使连铸过程更加容易控制，具有广阔的应用前景。但要达到这种效果，电磁力的精确设计和控制显得至关重要，这也是该技术今后研究的重点。

    结论

    （1）归纳并分析了前人提出的振痕形成机理及振痕控制技术，指出了各种机理的合理部分和不足之处。这在某种程度上反映了连铸弯月面初始凝固区域多因素（钢、保护渣和结晶器）、多相（钢渣均有液、固相）和非稳态（结晶器振动）的复杂特点。

    （2）介绍了为了控制连铸坯表面振痕而发展起来的软接触结晶器电磁连铸，尤其是引入调幅磁场后的两项新技术，即与结晶器振动相耦合的调幅磁场电磁连珠技术和调幅磁场下的结晶器无振动电磁连铸技术。这两项技术的共同特点是通过施加电磁力变化的电磁场来精确控制连铸初始凝固行为，从而改善铸坯表面质量。