根據(jù)攪拌位置的不同，電磁攪拌分為結(jié)晶器電磁攪拌(MEMS)、二冷電磁攪拌(SEMS)以及凝固末端電磁攪拌(FEMS)。

由于MEMS在改善鑄坯的表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量方面都有出色的實(shí)績(jī)，因此近年來倍受一些方坯連鑄機(jī)的青睞。實(shí)踐證實(shí)，MEMS對(duì)于促進(jìn)"結(jié)晶雨"的形成、增加等軸晶區(qū)域、減少中心宏觀偏析有著明顯的作用。有人對(duì)比了使用和不使用MEMS的效果，不使用MEMS時(shí)，凝固組織僅有柱狀晶區(qū)且V偏析形式是"小鋼錠"模式下的單個(gè)大型V偏析，V偏析之間的間隔通常超過120mm;使用MEMS時(shí)，柱狀晶區(qū)長(zhǎng)度減小，V偏析的間隙距縮短至20~30mm，等軸晶區(qū)比例增加，占10%~50%，同時(shí)，V偏析的形式也由單個(gè)大型轉(zhuǎn)變?yōu)榻咏诿懿夹蚚1]。圖1反映了MEMS對(duì)進(jìn)步等軸晶率的明顯作用[2]。

SEMS的攪拌恰好在柱狀晶強(qiáng)勁生長(zhǎng)的區(qū)域，對(duì)均勻液芯成分與溫度、破碎或抑制柱狀晶的生長(zhǎng)也有一定的作用，特別是在與MEMS或/和FEMS聯(lián)合使用的情況下[2~4]。圖2對(duì)比了在大方坯連鑄高碳鋼的情況下，沒有EMS、只有SEMS以及SEMS+FEMS時(shí)鑄坯中心C偏析程度。由于SEMS工作條件比較惡劣，設(shè)備維護(hù)困難，加之使用效果也不夠穩(wěn)定，有時(shí)甚至還會(huì)出現(xiàn)負(fù)面效果，因此其投進(jìn)率受到了影響。在新建的方坯連鑄機(jī)中，SEMS較少采用。

FEMS的攪拌發(fā)生在凝固末真?zhèn)€糊狀區(qū)，通常對(duì)均勻殘余液相的成分與溫度、抑制"搭橋"現(xiàn)象的產(chǎn)生有明顯的作用。FEMS位置的選擇十分關(guān)鍵，直接影響到其使用效果，一般設(shè)置在固相率fs為0.4~0.7區(qū)間內(nèi)。假如凝固末端位置計(jì)算正確、FEMS位置選定合適加上連鑄工藝條件穩(wěn)定，F(xiàn)EMS能夠有效地減少V型偏析和縮孔的產(chǎn)生[3、4]。假如FEMS與MEMS或/和SEMS聯(lián)合使用，對(duì)減少中心偏析的作用將更加明顯。有國(guó)外EMS廠商推薦，在寶鋼方坯連鑄機(jī)所用鋼種的條件下，MEMS+FEMS是比較理想的配置。

關(guān)于EMS的作用目前尚有不同的熟悉，在某些情況下EMS效果欠佳，甚至還有一些關(guān)于EMS負(fù)面作用的文獻(xiàn)報(bào)道。可以說，EMS在方坯連鑄應(yīng)用方面的研究還有很長(zhǎng)的路要走，目前單純依靠EMS尚難將中心偏析控制在一個(gè)理想的水平上。

產(chǎn)生中心偏析的根源是選分結(jié)晶。重軌鋼澆鑄時(shí)，存在柱狀晶強(qiáng)烈增長(zhǎng)的趨勢(shì)，而在柱狀晶長(zhǎng)大過程中，由于選分結(jié)晶，凝固前沿產(chǎn)生富集雜質(zhì)元素的偏析層，其熔點(diǎn)低，當(dāng)結(jié)晶速度減少到某一臨界值時(shí)，出現(xiàn)組成過冷區(qū)，結(jié)晶將越過偏析層，躍進(jìn)到溫度較高但實(shí)際過冷度較大的成分未變的鋼水中進(jìn)行，當(dāng)熔體溫度達(dá)到偏析層母液的凝固點(diǎn)時(shí)，便使其凝固，形成偏析。

另一方面，由于柱狀晶的增長(zhǎng)，易形成枝晶"搭橋"，使上部鋼水因受晶橋阻隔而不能對(duì)下部凝固收縮進(jìn)行及時(shí)補(bǔ)充，到了凝固末期，由于液相向固相的轉(zhuǎn)變，伴隨著體積收縮或產(chǎn)生鑄坯鼓肚，致使柱狀晶枝晶間富集溶質(zhì)的殘液向中心流動(dòng)從而形成中心偏析。

通常，連鑄方坯中心偏析不足以影響終極產(chǎn)品的質(zhì)量，是答應(yīng)存在的。但在某些鋼種如含碳量較高的硬線、鋼簾線鋼種及對(duì)C，Mn，S偏析敏感的抗氫致開裂管線鋼種等的情況下，中心偏析則會(huì)影響終極產(chǎn)品的質(zhì)量和加工性能，是一種典型的鑄坯內(nèi)部缺陷。隨著連鑄方坯鋼種檔次的不斷進(jìn)步，鑄坯中心偏析的題目也日益突出。

鄰近凝固終了的粘稠狀區(qū)域內(nèi)，晶間富集溶質(zhì)元素的液體活動(dòng)和固體漂移是引起中心偏析的根本原因。與板坯相比，連鑄方坯的液芯末端比較狹長(zhǎng)，輕易產(chǎn)生"搭橋"而形成"小鋼錠"現(xiàn)象，因此連鑄方坯中心偏析的形成機(jī)理與板坯有所不同，偏析的形態(tài)也有所區(qū)別。V型偏析是連鑄方坯最常見的中心偏析，在這方面所作的研究也相對(duì)較多。有兩種不同的V型偏析。一種以等軸晶結(jié)構(gòu)形式出現(xiàn)，里面含有很多偏析"通道"密布在一起，被稱之為"密布型"V偏析。此類V型偏析的成因被解釋為:等軸晶形成了一骨骼，它在因凝固收縮而不斷增加的負(fù)壓的作用下被壓碎，然后，來自晶間富集溶質(zhì)元素的液體被吸收來補(bǔ)充凝固收縮，從而在被壓碎的骨骼碎晶之間形成了很多偏析"通道"的"密布型"V偏析。另一種則主要以柱狀晶形式出現(xiàn)，為單一的大型的V偏析。此類V型偏析的成因則被解釋為:兩邊向內(nèi)推進(jìn)的凝固前沿之間產(chǎn)生了"搭橋"現(xiàn)象，并漸漸長(zhǎng)大，終極阻隔了液體向下傳送。這意味著"橋"下面區(qū)域的液體將要在沒有新的液體補(bǔ)充情況下凝固，于是，凝固和冷卻收縮將在"橋"下產(chǎn)生孔***或很多微小通道("小鋼錠"成因)，晶間富集溶質(zhì)元素的液體將被向下、向中心吸收，形成了"單個(gè)大型"V偏析。顯然，消除"單個(gè)大型"V偏析、抑制"密布型"V偏析是減少方坯中心偏析的主要著手點(diǎn)。

鑄坯中心偏析與拉速、過熱度等工藝參數(shù)及鋼種條件有關(guān)，同時(shí)也與鑄機(jī)的設(shè)計(jì)有關(guān)。通過鑄機(jī)的公道設(shè)計(jì)、借助于某些輔助手段可以將中心偏析控制在答應(yīng)的范圍之內(nèi),如:為了破碎或抑制柱狀晶的生長(zhǎng)，更多地產(chǎn)生等軸晶，以利于將V型偏析的結(jié)構(gòu)形式由大型單一轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小密布型，引進(jìn)了各種位置上的電磁攪拌(EMS)技術(shù);為了消除凝固收縮引起的中心區(qū)域空隙，避免富集溶質(zhì)的殘余液相補(bǔ)縮現(xiàn)象的發(fā)生，引進(jìn)了機(jī)械應(yīng)力輕壓下和熱應(yīng)力壓下技術(shù)等?？梢哉f，鑄機(jī)設(shè)計(jì)的公道與否、上述輔助手段選擇是否恰當(dāng)，決定了方坯中心偏析的總體水平。

可以設(shè)想，假如在鄰近凝固終了的粘稠狀區(qū)位置上對(duì)鑄坯施加一個(gè)外力，阻止其中心區(qū)域因凝固收縮而產(chǎn)生空***，并力圖形成一定的正壓以防止晶間富集溶質(zhì)元素的殘液流向中心區(qū)域，那么，包括V偏析在內(nèi)的各類中心偏析就可以得到有效的控制。在此思想上，產(chǎn)生了所謂的機(jī)械應(yīng)力壓下和熱應(yīng)力壓下技術(shù)。其中，輕壓下(Soft Reduction，以下簡(jiǎn)稱SR)是比較經(jīng)濟(jì)、有效和成功的一種機(jī)械應(yīng)力壓下技術(shù)。

采用輕壓下技術(shù)時(shí)壓下量較小，通常在4~8mm之間，但也有大方坯連鑄機(jī)輕壓下量達(dá)14mm。壓下量的大小對(duì)其使用效果影響很大，適當(dāng)?shù)卦黾訅合铝坑欣跍p少中心偏析，但壓下量過大也會(huì)使鑄坯內(nèi)裂的傾向加劇或使壓下輥損壞[5]。圖3、圖4是J.K.Park和S.H.Chang等人在250mm×330mm大方坯連鑄機(jī)上產(chǎn)業(yè)試驗(yàn)的結(jié)果，可以看出，總壓下量增大有利于減少中心偏析，卻也帶來了內(nèi)部裂紋增多的負(fù)作用。

此外，壓下率及壓下位置也是SR技術(shù)的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。通常，壓下位置需通過實(shí)驗(yàn)或數(shù)模研究、根據(jù)粘稠狀區(qū)域的等固相率fs曲線來確定，而壓下量、壓下率則應(yīng)根據(jù)斷面尺寸、鋼種特性、拉速等鑄機(jī)工藝參數(shù)來確定，以使得輕壓下參數(shù)與鑄坯凝固末真?zhèn)€凝固收縮量、凝固收縮率基本相適應(yīng)。為此Dr.Manfred、M.Wolf[6]及G.S.Sakaki[7]等人給出了壓下量、壓下率與方坯的寬厚比W/D、連鑄鋼種的臨界斷裂應(yīng)變?chǔ)舘、兩相區(qū)寬度(TL-TS)及拉速V之間的關(guān)系公式。浦項(xiàng)的實(shí)踐表明，對(duì)于含碳量為0.82%的鋼種，250mm×330mm方坯，拉速為0.75m/min的情況下，最佳壓下量為6mm，壓下率為1.2mm/m，壓下位置在fs=0.3~0.8的區(qū)域內(nèi)[5]。采用輕壓下技術(shù)后，浦項(xiàng)大方坯的C偏析比由原來的1.6降低到了1.1，P偏析比由原來的3.7降低到1.8，S偏析比由原來的1.5降低到1.25，效果是比較明顯的。SR技術(shù)在大方坯連鑄機(jī)上應(yīng)用得較多，而在小方坯連鑄機(jī)上極少采用，僅見意大利Valbruna Bolzano一家報(bào)道，原因一方面與投資有關(guān)，另一方面可能也與小方坯連鑄過程中凝固末端位置不穩(wěn)定有關(guān)。

重壓下(Heavy Reduction)與連續(xù)鍛壓(Continuous Forging)是另外兩種機(jī)械應(yīng)力壓下技術(shù)，其原理是基本相似的，都是在鄰近凝固末端位置上施加一個(gè)更大的壓下量以達(dá)到消除中心縮孔、疏松和中心偏析的目的。重壓下與連續(xù)鍛壓的壓下量都很大，神戶制鐵所3#大方坯連鑄機(jī)采用5組大直徑壓下輥進(jìn)行"重壓下"，總壓下量達(dá)20~30mm[8] ;而川崎制鐵的3#大方坯連鑄機(jī)則采用連續(xù)鍛壓技術(shù)，總壓下量更是高達(dá)40mm以上[9]。圖5反映了不同重壓條件下300mm×430mm大方坯的中心C偏析情況?？梢钥闯?，假如不采用重壓下，最大的中心C偏析可達(dá)1.35，均勻中心C偏析達(dá)1.17;采用二輥重壓下后，中心偏析明顯改善;采用三輥重壓下后，最大中心C偏析降到了1.05，均勻中心C偏析降到了1.02。應(yīng)用連續(xù)鍛壓技術(shù)，川崎制鐵的3#大方坯連鑄機(jī)的鑄坯中心縮孔在連續(xù)鍛壓之后完全消除，中心區(qū)域甚至出現(xiàn)了明顯的負(fù)偏析白亮帶。

重壓下和連續(xù)鍛壓的主要缺點(diǎn)就是設(shè)備龐大、投資與本錢高，因此難以推廣。

熱應(yīng)力壓下TSR(Thermal Soft Reduction)技術(shù)也被稱之為二冷強(qiáng)冷技術(shù)，其二冷比水量通常在1.5L/kg以上，甚至達(dá)到2.5L/kg。它的基本原理是:在鄰近凝固末真?zhèn)€位置上，對(duì)鑄坯表面進(jìn)行高強(qiáng)度冷卻，致使凝固坯殼向內(nèi)收縮，產(chǎn)生與機(jī)械應(yīng)力壓下相同的效果。

由于TSR使用效果很大程度上取決于強(qiáng)冷的位置是否合適，因此鑄坯凝固終點(diǎn)位置計(jì)算的正確性、連鑄工藝的穩(wěn)定性是TSR成敗的關(guān)鍵。C.M.Raihle等人在小方坯連鑄機(jī)上的試驗(yàn)表明:拉速小于1.3m/min時(shí)，使用TSR時(shí)的中心偏析明顯比不用TSR時(shí)的中心偏析要小，而且當(dāng)拉速為1.2m/min左右時(shí)效果最好，C偏析比可以降到1.12;當(dāng)拉速超過1.3m/min以后，TSR就失往了效果甚至產(chǎn)生了相反的作用，圖6所示。這一現(xiàn)象被解釋為:當(dāng)TSR區(qū)域正好將凝固終點(diǎn)包含在內(nèi)時(shí)，中心偏析明顯減小;反之，假如凝固終點(diǎn)落在TSR區(qū)域之后，則中心偏析反而更加嚴(yán)重[1]。

TSR的優(yōu)點(diǎn)是投資少，不象機(jī)械應(yīng)力壓下那樣需要很大的設(shè)備投進(jìn)。同時(shí)，其占地面積小有利于與其它冶金手段如FEMS等聯(lián)合使用，以期取得更好的效果。另一方面，二冷采用強(qiáng)冷方式也會(huì)帶來一些負(fù)面影響，如出現(xiàn)鑄坯內(nèi)外裂紋發(fā)生率增加、進(jìn)矯直區(qū)鑄坯表面溫度偏低等題目。

需要特別指出的是，TSR的使用還受到鑄坯斷面尺寸的限制。一般以為，對(duì)于140mm×140mm以下的小方坯，TSR的效果比較明顯;而對(duì)于140mm×140mm以上的方坯，靠表面強(qiáng)冷所產(chǎn)生的收縮應(yīng)力將很難驅(qū)使凝固坯殼向內(nèi)收縮，TSR的作用也將迅速減弱。因此，TSR技術(shù)比較適用于一些生產(chǎn)高碳鋼種的小方坯連鑄機(jī)。

單純從選分結(jié)晶角度來看，斷面小則中心偏析的傾向也小，加上各類EMS和TSR技術(shù)的應(yīng)用，使連鑄小方坯中心偏析狀況得到了不斷的改進(jìn)，即使是高碳鋼種，連鑄小方坯中心C偏析也能控制在1.1左右。因此，現(xiàn)在有越來越多的線材鋼種轉(zhuǎn)向用連鑄小方坯生產(chǎn)。盡管如此，國(guó)外一些著名鋼廠卻仍堅(jiān)持用大斷面方坯連鑄機(jī)來生產(chǎn)對(duì)中心偏析有嚴(yán)格限制的高碳鋼種，實(shí)際結(jié)果也證實(shí)由這種大方坯軋成的小方坯內(nèi)部質(zhì)量有著明顯的上風(fēng)，其中心C偏析比可控制在1.05以內(nèi)。出現(xiàn)這一結(jié)果不能簡(jiǎn)單地回功于軋制過程中的偏析區(qū)域壓縮以及再加熱過程中偏析元素的擴(kuò)散均化，事實(shí)上，還與大方坯連鑄工藝特點(diǎn)有關(guān)。

首先，大方坯連鑄過程中工藝參數(shù)比較穩(wěn)定，有利于借助末端冶金技術(shù)減少中心偏析。無論是FEMS、TSR還是SR、重壓下，其效果都與工作位置是否適當(dāng)密切相關(guān)。由于工作位置基本上是固定的，目前尚難以實(shí)現(xiàn)真正的動(dòng)態(tài)控制，因此，在連澆過程中各種工藝參數(shù)基本穩(wěn)定、凝固終點(diǎn)位置的基本不變是至關(guān)重要的。大方坯連鑄生產(chǎn)中各類"變數(shù)"少，工藝參數(shù)輕易保持穩(wěn)定甚至恒定，而小方坯連鑄要做到這一點(diǎn)則相對(duì)困難。另一方面，對(duì)質(zhì)量的追求是無止境的，上述鋼廠都采用了多項(xiàng)末端冶金設(shè)備以進(jìn)一步減少中心偏析，進(jìn)步鑄坯內(nèi)部質(zhì)量，典型的組合就是FEMS+SR。不同的末端冶金技術(shù)的最佳工作位置固然有所不同，卻都擠在凝固末真?zhèn)€粘稠狀區(qū)間內(nèi)。連鑄大方坯時(shí)粘稠狀區(qū)間長(zhǎng)，具備了同時(shí)布置FEMS+SR設(shè)備的條件;而連鑄小方坯時(shí)粘稠狀區(qū)間短，因此存在著設(shè)備布置空間方面的困難，比較經(jīng)濟(jì)公道的組合是FEMS+TSR。

大方坯連鑄還在過熱度控制方面有著明顯的上風(fēng)，中間包鋼水均勻過熱度可以穩(wěn)定地保持在20℃以下，有的大斷面方坯連鑄機(jī)的均勻過熱度甚至達(dá)到15℃以下。相比之下，小方坯連鑄的鋼水過熱度偏高且波動(dòng)較大。小方坯連鑄生產(chǎn)中，中間包鋼水過熱度均勻能保持在25~30℃之內(nèi)就已屬不易了，很難實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的低過熱度澆注。過熱度對(duì)連鑄方坯中心偏析有不可忽視的影響。高的過熱度有利于柱狀晶的生長(zhǎng)和單個(gè)大型V偏析的形成，加劇了鑄坯中心偏析傾向，因此，低過熱度澆注是抑制中心偏析的重要措施。

此外，斷面大，拉速低，因此夾雜物上浮的機(jī)會(huì)多。國(guó)外某些大斷面的方坯連鑄機(jī)不但拉速低，而且還保持立彎式甚至立式機(jī)型，這就為鋼液中非金屬夾雜物的上浮排除提供了更多的機(jī)會(huì)，有利于改善鋼的純凈度，減少夾雜物在中心區(qū)域的聚集。

總之，由于一些末端冶金技術(shù)的成功應(yīng)用及其低過熱度、低拉速的工藝特點(diǎn)，連鑄大方坯的中心偏析可以控制在很小的范圍內(nèi)，由此軋成的小方坯與連鑄小方坯相比，至少在內(nèi)部質(zhì)量方面是有其優(yōu)越性的。

寶鋼高線用坯目前很大一部分仍由模鑄生產(chǎn)，這一落后工藝的淘汰已是勢(shì)在必行，取而代之的將是連鑄坯。有兩種工藝路徑可以用來生產(chǎn)寶鋼高線用坯，即小方坯工藝路徑和大方坯工藝路徑。兩者對(duì)比，"小方坯路徑"在投資與本錢方面上風(fēng)是顯而易見的，而"大方坯路徑"的優(yōu)越性則體現(xiàn)在高碳鋼情況下的鑄坯內(nèi)部質(zhì)量方面。究竟選定何種路徑，應(yīng)取決寶鋼高線的產(chǎn)品定位，以及鋼簾線、彈簧鋼絲等對(duì)中心偏析要求嚴(yán)格的高碳鋼種所占的比重。筆者僅從鑄坯內(nèi)部質(zhì)量角度出發(fā)，對(duì)擬建中的方坯連鑄機(jī)應(yīng)配備的技術(shù)、設(shè)備提出以下想法:

假如選定"小方坯路徑"，則連鑄機(jī)可采用MEMS+FEMS+TSR三種技術(shù)組合，斷面應(yīng)不超過140mm×140mm，以保證TSR技術(shù)的效果。選用這樣的"配置"，連鑄小方坯的中心偏析也可能控制在較低的水平上，有些設(shè)計(jì)商提出的保證值為C/Co<1.1，可以滿足寶鋼高線盡大部分鋼種(包括較低級(jí)別的鋼簾線鋼)的一般質(zhì)量要求。當(dāng)然，設(shè)計(jì)保證值總是有條件的，要求生產(chǎn)、工藝和設(shè)備狀態(tài)都十分穩(wěn)定，這在高級(jí)硬線用小方坯連鑄的大產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)中難度較大，往往難以實(shí)現(xiàn)預(yù)定的目標(biāo)，有可能因此影響公司的效益，并造成市場(chǎng)上的被動(dòng)。

假如選定"大方坯路徑"，則MEMS+SR(或FEMS)技術(shù)組合是比較理想和成熟的，考慮到后工序情況斷面可取在(200~230)mm×(200~230)mm之間。連鑄大方坯軋成小方坯后，中心偏析可以控制在1.05以內(nèi)，有利于開發(fā)更高級(jí)別的高碳線材鋼種，如高級(jí)別的鋼簾線鋼種等，擠身國(guó)內(nèi)外高附加值、高技術(shù)含量產(chǎn)品市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)行列。假如能將寶鋼在鋼水質(zhì)量、"大方坯路徑"工藝以及高線裝備水平三方面的上風(fēng)發(fā)揮出來，相信寶鋼高線產(chǎn)品在市場(chǎng)上將是有強(qiáng)勁競(jìng)爭(zhēng)力。