针对中间包孔挡坝受冲蚀严重的问题,以某钢厂65 t二流板坯中间包为研究对象,采用数值模拟的方法对中间包挡坝迎流面冲击应力的分布特性进行了研究,明确了拉速及挡墙距长水口距离对中间包内挡坝迎流面冲击应力的影响规律。结果表明,挡坝迎流面上沿冲击应力为负值,在挡坝迎流面中轴下部存在冲击应力,在挡坝出流孔周围冲击应力最大;随拉速增大,挡坝迎流面峰值冲击应力持续增大;随挡墙距长水口距离的增大,挡坝冲击应力峰值变化较小,但环出流孔冲击应力分布发生改变,距离为1 400 mm时环出流孔冲击应力分布均匀性差,距离为1 800 mm时出流孔冲击应力分布均匀性较好。

异常长大的奥氏体晶粒被认为是连铸坯产生横裂纹的重要原因。利用热模拟方法结合原位液淬试验研究了9种低碳微合金钢在立弯式连铸过程中表层奥氏体晶粒的长大过程。结果表明,在矫直起始点处异常粗大的奥氏体晶粒尺寸随奥氏体开始长大温度T_γ升高呈增大趋势,并在包晶点附近出现极值;随T_γ与TiN析出温度的绝对差|ΔT|呈单调增大趋势,表明奥氏体开始长大温度和TiN的析出温度是影响奥氏体异常长大的关键因素。高温拉伸试验表明,奥氏体开始长大温度高和|ΔT|更大的钢种裂纹敏感性也更高,这与奥氏体异常长大规律基本一致。

在钢铁连铸坯生产过程中,中心疏松和缩孔作为2种常见的内部质量缺陷问题,会显著影响产品性能。准确预测内部缺陷对于钢铁生产领域具有重要意义,不仅可以避免破坏性试验,还能帮助技术人员调整工艺,保证后续轧制工艺顺利进行。由于连铸过程的非线性、强耦合特性及多扰动因素,中心疏松和缩孔等级的预测面临较大挑战。现有的连铸坯质量缺陷预测方法只能进行单任务学习,不能同时对多个任务进行预测,影响效率,而且预测精度难以满足生产需要。为克服上述局限,本文提出一种基于多任务学习的连铸坯内部质量缺陷预测方法。该方法融合了多任务学习和深度表格数据学习网络TabNet,通过挖掘两者之间的内在联系,实现对连铸坯中心疏松和缩孔等级的同时预测,提高效率和预测精度。在对某钢厂收集的生产数据进行的大量试验中,提出的方法在中心疏松和缩孔等级的预测准确率上明显优于常用的机器学习方法。此外,试验结果证实,采用多任务学习策略能够帮助提高中心疏松和缩孔预测的准确率和效率,预测准确率分别提高到100%、99.9%,推理时间缩短53.47%,验证了该策略的有效性。

回转轴承是连铸钢包回转台设备中重要的结构件,其在生产过程中的安全至关重要。运用三维有限元分析方法,对回转轴承的可靠性进行了分析。利用HyperMesh和ANSYS软件,对回转轴承与上下筒体的法兰连接系统进行详细建模,结合预应力单元方法,建立了可以考虑回转轴承法兰连接系统中螺栓预紧力作用的完整的钢包回转台三维有限元分析模型。由于偏载会导致回转轴承出现异常磨损,基于静态有限元分析方法,着重研究了钢包回转台在极限的单臂加载工况下回转轴承和连接螺栓的应力状态和变形状态,分析了回转轴承和法兰接触面的接触状态和接触压力,为回转轴承的磨损分析与安全性评估提供理论依据。

中间包浇注是连铸过程的重要工序,可分为稳态浇注和非稳态浇注两个阶段,其中非稳态浇注过程时间虽短,但该过程造成的钢液污染往往最为严重。为了减少非稳态浇注过程中的钢液污染,建立了中间包水模型试验系统,开展了“钢液-保护渣”两相水模型试验,研究了长水口插入深度、充包流量对中间包内的流动形态、混合特性以及渣金界面演变规律。结果表明,在稳态浇注过程中,发现长水口流量的增大将导致钢液的滞留时间增加,平均停留时间和死区体积分数减小;长水口插入深度的增加会将钢液的平均停留时间由原来的226 s延长至246 s。在非稳态浇注过程中,发现充包过程会出现渣层裸露现象即渣眼,且充包结束后再稳态阶段渣眼不会立刻消失。充包流量和长水口插入深度的增大均会导致渣眼面积增大,以及再稳态阶段渣眼存在的时间增加。当充包流量由2.18 m³/h增至3.30 m³/h时,最大渣眼面积由1 871 mm²增至19 001 mm²,而再稳态渣眼存在时间也由41 s延长至232 s。

含钛钢水中的夹杂物是导致连铸过程发生水口堵塞和保护渣性能恶化的主要原因,以含钛钢连铸保护渣与夹杂物的界面行为为研究对象,通过座滴法研究了3种不同碱度高钛钢保护渣与TiC夹杂界面润湿行为以及保护渣对TiC的吸收和转化规律。首先,试验通过座滴法分析了保护渣-TiC接触过程中润湿行为随温度的演变规律,即随着保护渣碱度的增大,保护渣与TiC基片之间的润湿性逐渐降低,润湿角由大到小为:CS渣(CaO-SiO₂,19.8°)>CSA渣(CaO-SiO₂-Al₂O₃,20.9°)>CA渣(CaO-Al₂O₃,31.5°)。随后,对保护渣-TiC两相间的界面行为进行了研究,结果表明,保护渣与TiC之间不存在明显的界面反应行为,但界面两相之间存在传质过程;保护渣碱度是影响保护渣与TiC界面传质过程的重要因素,碱度增大对传质过程有抑制作用;根据SEM-EDS分析结果可知,CS渣与TiC夹杂两相间的相互作用层最厚,约为30~80 μm,对TiC夹杂的吸收能力最强;CA渣与TiC夹杂两相间的相互作用层最薄,约为30~50 μm,对TiC夹杂的吸收能力最弱。研究内容为TiC夹杂与保护渣之间的润湿性研究提供借鉴,为高钛钢保护渣成分的设计提供理论指导。

钢铁企业的生产与调度是一个复杂系统问题,涉及多目标、多边界的动态控制,对生产过程的管控,既要考虑冶金单工序的功能优化、生产节奏加快,也需要考虑各个工序之间的匹配与灵活的控制。针对某厂200 t转炉产线炼钢—连铸过程的工序进行生产时间参数解析,借助Anylogic软件建立仿真模型,依据实际设定了模拟参数,研究了工序生产周期变化时,传搁时间与整个炼钢区间工序时间的变化。结果表明,钢种传搁时间波动较大是由于整个工序节奏不协调,前后工序生产能力冲突所导致的;前后工序生产节奏不匹配,单一工序处理时间的缩短,会导致工序间传搁时间增长,并不会缩短整个工序的总时间;基于仿真结果提出了各个工序准35 min生产的目标,经过工序攻关和匹配,整体传搁时间缩短,SPHC钢种RH直上路径从KR开始到连铸浇注结束平均运行时间为149.2 min,较攻关前降低47 min,降幅24.0%;SPHC钢种LF直上路径从KR开始到连铸浇注结束平均运行时间为164.4 min,较攻关前降低18.8 min,降幅10.3%。

连铸生产过程中有诸多影响其质量的因素,其中对钢坯温度的管控极为重要。温度过高会使钢坯表面氧化造成资源浪费,温度过低会使钢坯塑性降低。其中,连铸二冷室对高温钢坯进行喷水降温,喷水量直接影响钢坯表面温度。当冷却水系统故障、现场工作人员操作不当、维护不及时等原因,致使二冷喷嘴的喷水量有时会受影响产生漏水现象,即喷水过于集中在钢坯的某个区域,最终造成钢坯局部区域温度骤降而形成热裂缺陷。基于红外图像,利用机器视觉和漏水检测算法将视频流中的前景对象与背景分离,精准识别喷水设备是否漏水。试验表明,该方法能有效检测出二冷喷嘴的漏水区域,试验过程实现了100%的报警准确率,为后续检修提供了技术支持。

在国内某炼钢厂以160 mm×160 mm 20MnTiB低合金冷镦钢连铸方坯为对象,研究了稀土Ce元素对20MnTiB钢凝固组织及夹杂物的影响。结果表明,添加质量分数为0.0027% Ce后,20MnTiB钢连铸方坯低倍凝固组织得到了显著细化,中心等轴晶区占比由16.8%扩大至20.8%。加入Ce降低了20MnTiB钢的凝固过冷度且为凝固时提供了更多形核位点,扩大了凝固组织的等轴晶区占比。SEM-EDS结果表明,加入Ce使原有的形状不规则Al₂O₃·CaO·MgO·CaS液态复合夹杂物被改性成球状CeAlO₃·CaO·MgO·CaS复合夹杂物,夹杂物数量增多,小尺寸分布夹杂物占比提升。经过二维错配度理论计算可知,CeAlO₃可以作为20MnTiB钢凝固过程的异质形核核心细化凝固组织。

中间包内钢液的流动与温度直接决定其冶金效果。铸坯断面越大,中间包流间距也越大,其中各流钢液的冶金效果差异也越大。以某钢厂可生产直径不小于1 200 mm的特大断面圆坯三流非对称中间包为研究对象,针对其特大流间距中间包所导致的各流铸坯质量一致性较差问题,通过水力学物理模拟和热流体数值模拟相结合的方法研究不同挡墙结构和挡坝组合下中间包内钢水的流动行为、温度分布及夹杂物去除行为。结果表明,与原型结构相比,在1号和3号水口附近设置挡坝,并采用U型挡墙结构的方案,可以有效改善原型包的2号出口短路流问题,可使死区比例降低15.84%,平均停留时间标准差下降107.1 s,三流水口间最大温差降低至0.5 K,各流浇铸温度一致性显著提高,且夹杂物平均去除率提高了10.86%。合理的控流结构可以显著改善特大断面圆坯连铸用非对称三流中间包的综合冶金效果。

以Ti微合金化热成形钢连铸坯为研究对象,通过SEM、EDS、OM等手段对铸坯试样中的大尺寸TiN进行了形貌观察,发现铸坯试样中存在数十微米级的TiN夹杂物,其形貌不同于常规的矩形块状结构,而是呈现出了条状、树枝状、异形块状等形貌。首次利用Aspex对热成形钢铸坯厚度方向不同位置进行微观扫描统计分析,发现大尺寸的TiN夹杂物分布具有明显的规律性,由铸坯表面至凝固中心TiN的面密度和粒度尺寸呈现增加的趋势;利用物相法确认原奥氏体晶界,发现TiN夹杂物在原始奥氏体晶界和晶内均有析出,并且其形貌和粒度无明显规律性。同时,在Ti、N活度积及相关作用系数基础上,对固液两相凝固前沿动态活度积进行了热力学计算,确认了热成形钢铸坯中的TiN夹杂物是在两相区析出的,并阐述了TiN夹杂物分布规律的形成原因。

连铸是炼钢过程非常重要的工序之一,连铸过程多发的漏钢事故影响因素较多,其中以黏结漏钢最为常见,约占总漏钢比例的70%。连铸漏钢事故容易造成钢液泄漏,发生灼烫、火灾甚至爆炸等安全事故,造成人员伤亡和巨大的财产损失。针对上述问题,从连铸生产的工艺参数出发,系统梳理和分析了连铸黏结漏钢的影响因素,剖析了铸坯尺寸、拉速、冷却水量以及热流对板坯黏结漏钢的影响规律。对1 350、1 500和1 550 mm不同宽度的铸坯黏结情况进行分析,发现1 550 mm厚度的板坯平均热流的波动最大,随着板坯宽度的增加,平均热流的波动越明显,铸坯黏结的可能性会随着铸坯宽度的增加而增大。对于宽面尺寸较大的板坯,在生产时要选择合理的拉速,进而避免黏结事故的发生。从工艺参数、人员操作和管理制度方面提出了防控黏结漏钢措施,为连铸的安全生产提供理论和技术支撑。

针对高拉速小方坯连铸,构建凝固传热模型,通过对结晶器区、二冷区和空冷区边界条件的研究,提出基于目标表面温度与有效拉速的双模式喷淋水控制算法,利用 JAVA 和 VUE 开发 B/S 架构的前后端应用。并将其应用于170 mm×170 mm 方坯连铸机生产 HRB400 钢种的实践验证,应用后铸坯低倍质量显著提升,中心偏析优于 1.5 级的比例提升 3.5%,中心缩孔优于 1.0 级比率提升 1.2%。

高速连铸是拉动当代连铸技术不断前进发展的主要动力源,也是提升炼钢生产线效率,实现钢铁企业降本增效的有效途径。困扰连铸拉速进一步提升的主要障碍是结晶器内坯壳润滑不足。以振动工艺效果最优为目标,通过理论计算的方法,研究了振幅、振动频率和偏斜率对结晶器内初生坯壳脱模愈合、施加于初生坯壳的摩擦应力、结晶器保护渣消耗量和振动冲击等工艺效果的影响规律。针对低碳钢高拉速润滑不足的主要矛盾,本文通过降低振动频率、小幅提高振幅和引入0.2的偏斜率,设计出了振动冲击较小的非正弦振动参数。工业实践表明该振动参数虽然加深了振痕深度70 μm,但可提高保护渣消耗量15%左右,润滑效果改善显著。采用该非正弦振动参数,常规连铸板坯低碳钢拉速稳定提高至1.8 m/min,卷渣缺陷发生率控制在0.5%以下。

薄板坯连铸连轧生产SPA-H可实现高拉速低成本高精度稳定生产,成品具有成箱率高的显著特点,竞争力明显高于常规热连轧产品。实践发现,含钛耐候钢高拉速连浇过程中容易出现宽面近边部热电偶温度陡降的现象,铸坯对应位置表现为不规则的纵向凹陷,给生产及成品质量稳定控制带来极大干扰。分析了浇注过程中结晶器专家系统的传热数据特征,保护渣渣条的矿相及成分差异,中包覆盖剂的成分变化,以及相应炉次LF炉出站样夹杂物种类和含量差异。结果表明,结晶器专家系统中热电偶温度出现突降的时候,随后可在铸坯对应位置发现明显纵向凹陷,一般以第二、三排热电偶温度波动为主,相应浇次的保护渣渣条和中包覆盖剂中均出现了含钛夹杂物的富集,而不同的钛合金化方式凹陷出现的概率明显不同。并据此推理出了高拉速薄板坯连铸机SPA-H偏离角凹陷的形成原因,明确了高拉速薄板坯连铸机SPA-H偏离角凹陷的工艺控制方向。