随着高端装备对钢材性能要求的不断提升,高钛钢因高强度、高韧性、高耐磨和高耐腐蚀等优势而得到广泛关注。然而,由于钛元素比较活泼,容易与氧、氮等结合形成高熔点夹杂物,为冶炼和连铸带来新的挑战。综述了高钛钢连铸浸入式水口堵塞的基本特征,介绍了含钛堵塞物的多层结构和主要化学成分;总结了钛合金化引起连铸浸入式水口堵塞的过程和机理,对比了含钛钢(w(Ti)≤0.1%)和高钛钢(w(Ti)>0.1%)连铸水口界面处不同的化学反应类别、顺序和堵塞物构成,列举了水口内壁侵蚀、钢水温度下降和物理粘附等关键影响机制;最后,就解决高钛钢连铸水口堵塞问题提出了可行的控制策略,并着重梳理了钙处理、水口材质设计和施加外场作用等方向的新进展。

中间包等离子加热技术可降低出钢温度、过热度波动范围、改善铸坯质量,且设备具备安装便捷、高加热效率、低能耗等优势。围绕中间包等离子加热技术的研究热点,系统梳理了其设备结构与技术特点,并对其在板坯生产中的应用进展进行了综述,重点分析了等离子加热技术在实际应用中的冶金效果,明确装置对钢液的温度、化学成分以及夹杂物去除等方面的影响。结果表明,由国内自主研制的新型中空石墨电极加热装置在中间包加热技术方面取得突破,不仅有效弥补了温度热损,还可适用于低碳钢至高碳钢等多种钢种的生产需求,达到了节能降耗的预期目标。

中心疏松是连铸圆坯生产过程中的主要缺陷之一。为有效改善这一缺陷,对连铸圆坯开发了凝固末端压下工艺。基于某钢厂的实际生产条件,研究团队首先建立了三维传热模型,系统模拟了连铸圆坯的凝固过程,并依据传热计算结果确定了不同压下位置。随后,采用热力耦合模型对直径350 mm连铸圆坯在不同位置处的压下过程进行了数值模拟分析。采用缩孔体积相对变化量作为评价指标,定量评估了压下位置对缩孔愈合效果的影响。为验证模拟结果开展了连铸圆坯压下工艺实验。研究结果表明:在连铸圆坯压下过程中,中心缩孔通过金属填充和塑性变形的协同作用实现有效愈合。压下位置与铸坯中心固相率呈严格对应关系,不同压下位置会导致金属流动行为的显著差异。在15 mm恒定压下量条件下,研究发现随着铸坯中心固相率(f_s)的增加,压下过程中中心金属的流动范围逐渐减小,而金属的相对流动距离则呈现先升高、后稳定、最终降低的变化规律。相应地,铸坯中心缩孔尺寸持续减小直至完全闭合。研究确定了最优压下工艺窗口为中心固相率f_s=0.6~1.0的区间。现场实验数据证实,采用该压下工艺后,连铸圆坯的内部疏松缺陷得到显著改善。

基于铸机弧形结构及二冷区喷嘴布置与非均匀水流密度,在ProCAST模拟软件的基础上,编写了连铸传热凝固计算前后处理模块。针对钢厂特厚板坯连铸工艺过程进行模拟,获得铸坯纵截面与横截面的温度场及凝固分数。结果表明,若铸坯边部水流密度小于中部水流密度,则凝固液相穴在铸坯中心宽面呈“W”形;通过调整二冷区水流密度分布可以改善铸坯凝固坯壳厚度均匀性。

采用Comsol有限元软件,对230 mm×1 255 mm断面精冲钢进行了流动凝固耦合模型及压下模型计算,同时根据产品实验结果验证了模型。研究结果表明,精冲钢板坯断面在距离弯月面较近位置处呈现“哑铃”型的不均匀温度分布,凝固末端不均匀温度温差为4 ℃;凝固终点距离弯月面21.81 m,9号、10号压下段位置中心固相率分别为0.44、0.684、1、1;9号压下段施加3 mm压下量时,凝固前沿塑性应变接近临界值0.4%,容易产生裂纹缺陷;而10号压下段采取6 mm压下量并不能解决铸坯中心质量问题,相反凝固前沿及角部1/4区域内应变超过临界值(0.4%、13.7%),容易产生裂纹,断面各位置应变大幅提升,加剧了已有缺陷的发展和扩大。通过对9号压下段入口处温度场进行不同压下量对塑性应变影响的研究,结果表明,压下量超过3 mm时,凝固前沿应变超过临界值,在铸坯内部更容易出现裂纹。

相较于传统电镀修复技术,激光熔覆在结晶器镀层修复领域展现出显著优势,然而激光高温作用效应,尤其是工艺参数对修复质量的影响机制尚未完全明确,这在一定程度上制约了该技术的推广应用。为此,通过数值模拟与实验研究相结合的方法,系统探究了不同工艺参数对激光熔覆过程的影响规律,旨在确定结晶器镀层修复的最佳工艺参数窗口。研究结果表明:理论上随着激光功率增大、激光半径减少和扫描速度降低,体系的最高温度明显上升,熔融过渡层和热影响区的尺寸逐渐增大,结合区域的等效应力、应变增大;当激光功率达到2 500 W以上、激光半径不超过1.5 mm、扫描速度不超过4 mm/s时,镀层与铜基体间能形成完整的冶金结合。在实际熔覆实验中,当激光功率从1 500 W上升到2 500 W时,熔融过渡层宽度从196 μm增加到306 μm,热影响区宽度从763 μm增加到1 080 μm;激光半径从1.0 mm增加到2.0 mm时,热影响区宽度从1 330 μm降低到884 μm,但熔融过渡层宽度呈现一定的波动。因此对于结晶器镀层的激光熔覆工艺,应在保证镀层金属完全熔化的前提下,采用相对较低的激光功率、合理的扫描速度和激光半径,有利于降低热影响区宽度,减少结晶器修复时的修磨量,提高修复次数,降低使用成本。

方坯表面缺陷不仅会显著降低钢材的力学性能(如强度和韧性),还会严重影响产品的表面质量。传统的人工修磨方式存在效率低、一致性差等问题,难以实现缺陷的完全消除。为此,基于机器视觉的方坯表面缺陷在线智能检测与精准修磨技术应运而生,该技术对提升产品质量、推动生产过程的智能化和自动化具有重要意义。系统阐述了方坯表面缺陷检测与修磨技术的发展背景、研究意义及未来趋势,并详细介绍了一套已成功应用的智能检测与修磨技术方案。该方案的核心创新在于提出了一种改进的YOLOv11算法,通过在网络主干中引入GhostConv模块替代传统卷积,显著提升了模型性能。实验结果表明,改进后的算法推理速度,延迟降低了0.3 ms,同时也提高了缺陷识别的精准度。实际应用评估显示,该技术方案在检测效率和精度方面均展现出显著优势,为方坯表面质量控制提供了有效的技术支撑。

低密度钢因其卓越的轻量化、优异的成形性、耐腐蚀性和疲劳强度,在汽车工业等领域展现出广阔的应用前景。然而,在连续铸造过程中,由于保护渣成分的显著变化,常常导致性能恶化,进而影响连铸顺行和铸坯质量。提出CaO-BaO-Al₂O₃-CaF₂-Li₂O五元保护渣体系,采用单纯形法设计出具体成分区域。设计Li₂O质量分数为6.5%时,通过调整F^-和Al₂O₃的含量,研究成分区域范围内的熔渣流动和熔化性能,最终获得满足低密度钢连铸性能需求的保护渣成分区域。

为解决某钢厂连铸生产过程中存在的大型夹杂物上浮不足,钢水温度和成分分布不均匀以及中间包使用寿命短,尤其是铸坯质量参差不齐等问题,以该钢厂六机六流T型中间包为研究对象,旨在通过优化流场结构提升钢水流动均匀性。采用正交试验法建立1∶3物理模型,结合物理模拟和数值模拟对单边六机六流中间包流场结构进行优化分析。研究发现,在导流孔数量与导流孔角度优化条件下,中间包的实际平均停留时间一致性、滞止时间一致性、死区比例一致性、出水口温度一致性、出水口流速一致性分别提升了15.62%、19.45%、27.53%、0.03%、1.07%。且中间包内死区比例降低了4.19%,中间包内各水口的最大温差仅为0.99 K,相比原型显著降低。此外,优化后各水口平均温度提升了0.58 K,中间包内高速区和低速区比例分别降低了2.9%、3.65%。该研究为提高钢水流动均匀性、降低水口温差并延长中间包使用寿命提供了有效的理论依据。

为合理控制低拉速宽厚板连铸结晶器内的钢液流动和液面波动,建立了1 600 mm×350 mm结晶器三维流动和传热凝固数学模型,研究了立式电磁制动下不同浸入式水口倾角对结晶器内钢液的流场、温度场和凝固坯壳厚度分布的影响。结果表明,无立式电磁制动时,结晶器表面流速较低,上表面钢液流速最大为0.114 m/s。施加立式电磁制动后,水口射流冲击区域和下回流区域内钢液流速得到抑制,上回流区内钢液流速增加,结晶器上表面钢液流速增加,钢液高温范围扩大,温度分布更加均匀。综合钢液上表面流速和坯壳厚度分布情况,浸入式水口侧孔角度为20°较为适宜,此时钢液上表面流速由0.114 m/s增加至0.195 m/s,结晶器出口处凝固坯壳厚度由19.94 mm增大至21.32 mm。在低拉速宽厚板连铸中施加立式电磁制动能有效控制钢液流动,优化结晶器内钢液的流场和温度场,有利于保护渣熔化,抑制卷渣,提高铸坯质量。

针对本钢390 mm×480 mm大方坯铸机生产的GCr15轴承钢连铸坯存在中心偏析和疏松缩孔等均质化缺陷的问题。基于工业试验分析了过热度、结晶器电磁搅拌(M-EMS)和重压下对连铸坯质量的影响。结果表明,重压下工艺对于铸坯中心致密度和中心偏析改善效果最显著且随着压下量提高改善效果逐渐增加,而过热度、M-EMS则具有不同程度的辅助作用。当重压下量为40 mm时,连铸坯中心疏松从无压下量的2.0级降低至1.0级,缩孔基本消除,中心碳偏析指数从1.24降低至1.04,碳极差值由0.323降至0.185。基于上述研究,GCr15轴承钢连铸坯均质化工艺建议:施加重压下工艺且压下量控制在32~40 mm,合适的过热度为20~33 ℃,合理的结晶器电搅的电流强度。

由于连铸机存在电机个体差异、安装位置不同、上下辊转动半径不同、辊子磨损等问题,驱动辊电机尤其是矫直段经常出现负载不平衡、负荷过大而引起故障停机,影响电机性能和变频器使用寿命。为了改善驱动辊电机及变频器等电气设备的工作状态,保证连铸机稳定连续生产,从电机本身特性、连铸机设计特点、电机实际工作状态等方面进行了分析,并建立相应的数学模型来控制电机速度实现负荷平衡,最后通过钢厂实际生产测试,对比了投入负荷平衡模型前、后的电机力矩和电流,实现了多驱动辊传动的动态负荷平衡控制。所有电机速度最大波动仅0.02 mm/min,在2%以内,对连铸机的浇铸速度几乎没有影响,且降低了整个系统约20%的能耗。此外因负载过大导致的电机报警率接近0%,大大提高了连铸机的稳定性。

连铸过程板坯宽度方向的二次冷却均匀性对凝固疏松和偏析缺陷具有显著影响。采用数值模拟和工业实验的方法,研究了冷却均匀性对400 mm特厚板坯凝固过程的表面温度场、凝固末端形状、疏松和偏析缺陷的定量变化规律。结果表明:在板坯宽度方向采用非均匀冷却和均匀冷却时,板坯宽度1/4和1/2位置表面实测温差分别为116 ℃和71 ℃。板坯凝固末端的固相分布呈现“M”形,在非均匀冷却方式下,板坯宽度1/4与1/2位置的凝固进程在拉坯方向的长度差约2.3 m,在均匀冷却时凝固进程相差约0.6 m。与非均匀冷却方式相比,均匀冷却后板坯宽度1/4位置的疏松缺陷体积降低30.3%,宽度1/4和1/2位置的疏松体积差降低了46.9%,最大偏析度由1.15降至1.08。采用均匀冷却方式,可以有效提高动态轻压下的压下效率,提高特厚板坯凝固质量。

二冷喷嘴堵塞是连铸生产过程存在的普遍现象,对连铸生产及铸坯质量有重要影响。针对国内某钢厂连铸小方坯的喷嘴堵塞问题,采用喷淋性能检测设备对喷嘴的喷淋特性进行研究,并基于Python编程采用显式有限差分法建立了考虑局部水流密度分布的凝固传热模型,探究了喷嘴堵塞对铸坯表面温度的影响。结果表明:喷嘴堵塞显著改变了喷嘴的喷淋特性,导致水流量降低、喷淋覆盖范围减小、水量分布对称性差等问题,并出现局部水量过大的现象。在0.60 MPa水压下,喷嘴堵塞后水流量由2.630 L/min降至1.832 L/min,但局部最大水流密度由2.84 L/(m²·s)增大至26.62 L/(m²·s)。喷嘴堵塞会导致铸坯表面水量集中区温度降低,其他区域温度升高,严重降低局部冷却均匀性和表面温度的对称性,铸坯宽度方向最大温差由182.6 ℃增加至321.8 ℃。而且,堵塞喷嘴发生在二冷区每段的起始或末端位置时,对铸坯冷却均匀性的影响更为显著,表面回温最大可达170.8 ℃。因此,连铸过程应严格控制二冷区冷却水的水质,并建立科学的喷嘴运维制度,以控制喷嘴堵塞、降低堵塞喷嘴的危害。

针对某钢厂2Cr13不锈钢铸坯表面出现纵裂和凹陷等质量问题,从钢种高温特性及其连铸用保护渣进行了系统性分析。结果表明2Cr13马氏体不锈钢在凝固过程中会发生包晶反应,且包晶反应起始时固相分数高达88.77%;在高温阶段,该钢种的DSC曲线波动大,热稳定性较差;同时,该钢种具有抗拉强度高、热塑性差等特点,这些因素极易引起坯壳的不均匀生长,因而容易产生铸坯裂纹、凹陷等表面缺陷。对现用2种保护渣(S1和S2)进行分析,结果表明尽管二者在有效化学成分、黏度及熔化温度等主要理化性能指标上相近,但进一步研究发现,S2保护渣的预熔料比例明显低于S1保护渣。在实际使用过程中,由于低熔点的碳酸钠优先熔化并发生分熔现象,导致液渣中碳酸钠的实际含量高于设计成分,进而使液渣的黏度和转折温度低于原始配比。这一现象使得保护渣的渣膜分布不均,控热能力下降,从而增加了铸坯出现纵裂和凹陷等缺陷的风险。该研究结果为优化马氏体不锈钢连铸保护渣的设计和工艺参数提供了重要依据。