《Journal of Materials Research and Technology》：An experimental benchmark of vibratory strip feeding on grain formation and melt flow evolution under different vibration frequency
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本研究针对大断面连铸坯凝固组织不均匀问题，创新性地开展振动喂带技术基础实验。通过搭建可视化凝固基准实验平台，采用粒子图像测速(PIV)技术系统探究冷带振动频率(0-200 Hz)对NH4Cl-H2O模型合金熔体流动演化与凝固组织的影响。研究发现振动喂带通过枝晶分离-混合形成-熔断破碎的三阶段机制促进等轴晶形成，在100 Hz振动频率下熔体最大流速提升至12.81 mm/s，等轴晶主导区体积分数达到35%。该研究为连铸过程中实现大断面铸坯高均质化生产提供了理论依据。
在重型装备制造领域，大断面连铸坯是承载关键部件的核心材料，其质量直接决定设备使用寿命。然而由于大断面铸坯表面积与体积比的限制，其凝固过程存在明显滞后性，易导致枝晶粗化、宏观偏析、缩孔缩松、热裂纹等缺陷。研究表明，提高等轴晶比例和细化凝固组织能有效改善铸坯均质性，但传统物理方法如电磁搅拌、机械振动等受限于连铸坯厚壳层的阻挡，难以直接作用于坯心液相区。
为解决这一行业难题，东北大学多金属矿生态冶金教育部重点实验室团队在《Journal of Materials Research and Technology》发表研究论文，创新性地将振动技术与喂带技术相结合，通过可视化凝固基准实验揭示了振动喂带促进晶粒形成的机理。研究团队设计了一套集成简化结晶器、振动喂带装置、粒子图像测速(PIV)设备和恒温循环装置的可视化实验系统，以NH4Cl-70.43%H2O透明模型合金为研究对象，采用高速摄像和PIV技术系统研究了振动频率(0、50、100、200 Hz)对熔体流动模式、流速分布、晶粒运动和凝固组织演化的影响规律。
关键技术方法包括：设计透明结晶器可视化观测装置，建立振动喂带实验系统；应用粒子图像测速(PIV)技术量化熔体流速场；采用高温差冷带(260K)与熔体(315.15K)构建温度梯度；通过热偶阵列监测温度场演化；运用图像处理技术分析凝固组织形貌。
研究结果揭示了三阶段晶粒形成机制：枝晶分离阶段，冷带表面枝晶通过振动机械力分离；混合形成阶段，表面枝晶分离与带内枝晶熔断共存；熔断破碎阶段，冷带熔解形成深紫色晶粒。在熔体流动方面，研究发现喂带前对称环流模式转变为蝴蝶形流场，最大流速位置从凝固前沿转移至结晶器中心区域。随着振动频率增加，流场区域面积先增后减，100 Hz时最大流速达12.81 mm/s，较喂带前提升5.87倍。
在凝固组织演化方面，振动喂带显著改善了晶粒分布均匀性。无振动时(0 Hz)，较大絮状簇集中沉降形成明显突起；而振动条件下晶粒呈分散运动，底部凝固组织均匀性明显改善。特别在100 Hz条件下，标记点和处凝固层厚度达到最大值(25.75 mm和26.38 mm)，等轴晶主导区体积分数最高(35%)，柱状晶主导区相应降至65%。
研究结论表明，振动喂带技术通过机械力促进枝晶破碎和晶粒分散，有效提高了等轴晶比例和分布均匀性。最佳振动频率(100 Hz)下，熔体流动强度和晶粒细化效果达到最优平衡，为大断面连铸坯均质化控制提供了新思路。该研究不仅阐明了振动喂带促进等轴晶形成的物理机制，更为连铸过程凝固组织调控提供了理论指导和技术支撑，对提升重大装备关键部件质量具有重要意义。
