在锭模中预置轧制或锻造过的芯材,依靠低温芯材在铸锭凝固过程中吸收熔体释放的部分热量,可以显著提高金属熔体的凝固速度和形核率,细化凝固组织,从而提高铸锭的内部质量。本文选用20#钢棒为芯坯、普通Q235钢为熔炼材料,将芯坯表面经还原或酸洗处理后,置于保护气氛铸模内预热至500-850℃,随后利用中频感应炉将熔炼好的钢液注入铸模内,冷却至室温,最终得到成品铸锭。利用金属带锯将冷却后的铸锭剖开,观察不同试验条件下铸锭的剖面宏观形貌及芯-液界面复合情况。利用光学显微镜、扫描电子显微镜观察铸锭凝固组织、芯坯组织及芯-液界面,研究凝固组织和芯-液界面演变规律。同时,为方便观察熔体凝固过程中的结晶现象,以硫代硫酸钠熔体为凝固介质,以固体硫代硫酸钠圆棒为芯材,进行了模拟复合浇铸试验,研究了低温芯棒对硫代硫酸钠熔体凝固过程、凝固速率及凝固组织的影响。试验结果表明,在硫代硫酸钠模拟熔体凝固试验中,加入低温芯棒可以缩短凝固距离,提高熔体的整体凝固速率。当凝固时间为53min时,加入芯棒与未加芯棒铸锭的凝固率差最大达25%。芯棒取代了铸锭心部的凝固组织,消除了心部偏析、疏松、缩孔及裂纹等缺陷,缩孔体积从10.8%减小到5.5%。芯棒的加入提高了熔体的过冷度,提高了形核数量,细化了凝固组织,使平均晶粒尺寸从5.33mm减小到2.66mm。在实际复合浇铸试验中,在预热温度为850℃,浇铸温度为1550℃,芯坯质量为1.75kg,钢液为25kg的工艺条件下,可浇铸出充型能力较好的复合铸锭。铸锭铸态组织为等轴晶,芯坯组织为过热魏氏组织,芯-液界面复合较好,仅在界面处存在微量直径约5μm凹坑。同时,芯坯上部复合界面复合效果优于下部,上部界面存在宽度约480μm的过渡层,该过渡层为芯坯与钢液的混熔组织。芯坯对熔体产生强制冷却效应,提高熔体的形核率,使芯坯附近形核率高于其它位置,形成了内外细小均匀的铸态组织,凝固中心平均晶粒尺寸由215.37μm细化至31.64μm。同时,提高芯坯预热温度或减小芯坯质量比例会降低芯坯的冷却能力,使得铸态组织晶粒尺寸增大。氢还原芯坯铸锭的复合界面不平整,局部位置存在还原夹层,夹层厚度达200μm,且不同位置复合界面结合状态不同,芯坯上部复合效果优于下部。对比之下,酸洗芯坯铸锭复合界面相对平整,芯坯周围界面复合状态趋于一致。同时,钢液的流动性对铸锭界面复合影响较大,流动性大的位置易形成熔合界面,界面处仅存在极少量直径约为4μm的凹坑。相比之下,流动性小位置易形成扩散复合界面,界面处存在少量直径约12μm孔洞或由许多微小孔洞组成的缝隙。浇铸平衡温度为界面结合状态的重要度量之一,当平衡温度为1418.52℃时,界面存在宽度约300μm的混熔区,混熔区内含有极少尺寸约为2μm的凹坑;当平衡温度为1347.02℃时,界面不存在混熔区,界面处均匀分布许多孔洞,最大孔洞尺寸达8μm;当平衡温度为1269.56℃时,界面发生部分扩散结合,结合部分带有孔洞,未结合部分带有孔隙,最大孔洞尺寸达60μm。