表面纵裂纹属于严重的铸坯质量缺陷,易在轧制过程中发生显著的扩展行为,严重影响生产效率和产品质量。国内外大量研究聚焦于如何调控连铸坯表面裂纹。本文对连铸坯典型表面纵裂纹的形成及控制方法进行了综述分析。连铸坯表面缺陷影响因素主要有钢种成分、连铸参数(结晶器冷却强度、拉速、过热度、结晶器锥度等)以及所选用保护渣的理化性能等。通过各因素间的协同调控,促进铸坯表面均匀传热和坯壳稳定生长,抑制铸坯表面纵裂纹的产生。

废钢熔化特性对于电弧炉炼钢流程至关重要。对电弧炉炼钢过程中废钢熔化行为的研究现状进行了综合评述,从热态模拟试验、冷态模拟试验以及数值模拟研究3个方面论述了废钢几何性质、废钢预热温度、熔池温度、熔池流动性质、废钢及熔池的元素含量、底吹工艺、侧吹工艺以及电弧特性等因素对废钢熔化行为的影响,旨在为电弧炉炼钢过程中的废钢熔化特性研究提供参考和借鉴。

耐火材料是保障钢铁生产安全以及增效提质的重要基石。在现代钢铁冶金生产中,对耐火材料提出了更高的标准,包括能够抵御更高温度、更强烈的化学侵蚀以及更严重的机械破坏。只有适配高品质的耐火材料,高端钢材的先进生产流程和创新技术才能得到有效保证。综述了不同耐火材料抗侵蚀性能优化以及钢包耐火材料侵蚀机理,提出新型耐火材料的研发需要在原料组分选择和结构匹配设计上出发,以及表面涂层技术的应用,旨在提高钢包用耐火材料在高温、腐蚀性环境中的稳定性和寿命。

针对国内某钢厂连铸过程结晶器液面波动导致铸坯质量降级率较大的问题,建立相似比1∶0.6的板坯结晶器水模型,系统研究了浸入式水口的出口角度、浸入深度对结晶器流场的影响,并进一步采用高速摄像机和3D粒子图像测速仪对不同工况下的结晶器流场进行可视化分析。结果表明,在现有1.10 m/s的拉速生产条件下,选取25°的水口以及150 mm的浸入深度的液面波动和表面流速分别为1.57 mm和0.268 m/s;后续在拉速为1.40 m/s生产需求下,选取25°的水口以及180 mm的浸入深度的液面波动和表面流速分别为2.42 mm和0.325 m/s,均在合适的范围内,有利于夹杂物的控制,可为实际的连铸生产提供工艺参数指导。

以某钢厂T型五流中间包为研究对象,建立1∶2物理模型和1∶1数学模型,采用物理数值模拟方法对其内部控流装置进行优化,对比分析了不同控流装置下中间包流场、温度场和停留时间分布(RTD曲线)等特征参数。结果表明,在优选的最佳控流装置方案下,中间包平均停留时间延长96 s,死区比例由原型中间包的24.9%降低至13.3%,各流水口均匀性和一致性也显著提高,尤其是远流低温区得到改善,各流出口最大温差控制在0.25 K,可有效提高实际中间包的冶金效果。

以某钢厂断面尺寸200 mm×240 mm的45钢连铸矩形坯生产为例,通过工业试验探究了M-EMS电流强度对铸坯铸态组织和溶质分布均匀性的影响。结果表明,M-EMS会使铸坯柱状晶产生一定角度的偏转,中心的等轴晶率随M-EMS电流强度增大而增大;然而,相较于等轴晶区,柱状晶区的溶质分布均匀性更好;在较大的M-EMS电流强度下,由于钢液的冲刷作用,铸坯皮下产生了负偏析,其位置与枝晶偏转区域相对应,同时在铸坯内部CET位置处产生了较严重的正偏析,铸坯均质性恶化。适当降低M-EMS电流强度,尽管铸坯等轴晶区面积减小,但其全断面的成分均匀性得到明显提高,其中,等轴晶区的碳极差和标准差均比强搅拌工况下降低一半以上,有效提升了铸坯全断面的均质性。

针对连铸坯制备的42CrMo4风电齿圈锻件探伤不合格现象,通过金相腐蚀、扫描电镜和能谱分析等手段对缺陷类型和形成原因进行研究。结果表明,裂纹缺陷的存在是导致42CrMo4风电齿圈锻件超声波探伤不合格的主要原因。裂纹内部无夹杂物产生且周围无氧化物析出,连铸坯内部的成分偏析和冲孔引起的碳富集导致贝氏体组织中析出马氏体条带,组织间变形能力不均匀使合金热处理过程形成锻造裂纹。通过降低连铸坯浇铸温度、优化热处理制度和采用双侧冲孔工艺,该厂生产的42CrMo4齿圈锻件合格率从80%提高至99.6%,基本解决了42CrMo4风电齿圈成品探伤合格率较低的问题。

结晶器是整个连铸过程的核心环节,其内钢液流动、传热及初始凝固行为直接影响着铸坯质量,而拉速和过热度等工艺条件是影响结晶器冶金行为的关键参数。以某厂150 mm×150 mm小方坯结晶器为研究对象,建立耦合数学模型,分析过热度及拉速对结晶器内钢液流动与传热行为的影响。结果表明,当拉速由2.4 m/min增至3.0 m/min时,结晶器出口处铸坯角部温度与面部温度分别由960 K、1 050 K增至1 040 K、1 200 K;结晶器出口处坯壳厚度由11.21 mm降至8.71 mm,计算域出口处坯壳由16 mm降至14 mm;当过热度由15 K增至35 K时,铸坯表面和中心温度相应升高,幅度大致为5~10 K,结晶器出口坯壳厚度由10.45 mm降至9.01 mm,计算域出口处坯壳厚度由15 mm降至13 mm。研究结果可为冷镦钢小方坯连铸结晶器制定合理的工艺参数提供理论指导。

以某钢厂新设计的三流板坯非对称中间包结构为基础,通过改变其中挡渣墙的设计形式得到不同的中间包内腔设计方案。然后利用商业CFD软件Fluent数值模拟计算不同设计方案下中间包内钢液的流动特性和温度场分布,采用“刺激-响应”的方法模拟计算得到各方案下钢液在中间包内的RTD曲线。通过对各方案下时间特征量的比较分析,同时比较了夹杂物上浮的情况,得到最优的内腔结构设计。分析结果表明,采用斜挡渣墙的方案2得到的流场最佳,该方案下各水口钢液平均停留时间的标准差最小,为19.19 s,夹杂物上浮的概率也最大,对于直径100 μm的夹杂物颗粒,上浮概率为94%。

不锈钢连铸圆坯表面和内部缺陷会遗传到无缝管中,随之出现典型的裂纹、分层和折叠等问题,严重影响管材品质和使用性能。通过对热轧穿孔产品进行跟踪取样分析,揭示了连铸坯与管材之间缺陷的遗传关系,确定深振痕、白亮带和椭圆度与中心缩孔分别是导致不锈钢无缝管表面横裂纹、中间分层和内壁折叠的根本原因,对应提出了优化振动参数与保护渣、降低电磁搅拌功率、改善二冷均匀性与强度的控制策略,连铸工艺调整之后无缝管缺陷基本消除,实现了典型铸轧遗传性缺陷的源头控制。

为了解决芜湖新兴铸管有限责任公司炼钢厂SWRCH35K冷镦钢铸坯枝晶组织粗大和碳偏析波动等问题,利用上海大学先进凝固技术中心研发并已工业化应用多年的脉冲磁致振荡(Pulsed Magneto-Oscillation,简称PMO)凝固均质化技术,对该钢种连铸工序进行凝固过程干预。在未改变现有连铸工艺条件前提下对SWRCH35K冷镦钢生产过程施加PMO,铸坯柱状晶向等轴晶转变(CET)过程提前进行,一次枝晶细化明显,径向碳偏析指数最大值由1.12下降至1.06,极差值由0.184下降至0.121。该结果表明,PMO可在现有连铸工艺条件下提高SWRCH35K冷镦钢铸坯综合质量。

为了研究使用二冷辊式电磁搅拌与不搅拌对耐磨钢组织和性能的影响,对250 mm厚度连铸坯及20 mm厚度钢板进行了宏微观组织和夹杂物分析以及力学性能测试。结果表明,有电搅与无电搅对铸坯内部质量区别明显,中心偏析分别为1.0、3.0级,中间裂纹为0、0.5级,但经大压缩比轧制后钢板内部均无分层及裂纹。由牛津AZTEC对颗粒物扫描发现,有电搅钢洁净度较好,但无电搅钢夹杂物尺寸更均匀。此外,电搅钢在厚1/4处1～5 μm小尺寸夹杂物数量较多,使平均等效直径低于无电搅0.32 μm;而心部20～35 μm大尺寸夹杂物占比多,使平均等效直径高于无电搅0.49 μm。钢板厚度方向冲击功变化与夹杂物分布趋势基本吻合,并随尺寸愈细小,表现韧性越优。无电搅钢截面硬度均匀性较好,且心部硬度更高,经截面XRD定量分析,无电搅和有电搅的残余奥氏体体积分数为3.1%、3.4%,无电搅马氏体相更多。本文电搅与无电搅钢硬度极差分别为15 HV、25 HV,远低于标准上限要求,对D=4a冷弯性能无明显影响。

针对高端塑料模具钢在连铸过程中出现的铸坯表面裂纹缺陷,对铸坯表面裂纹进行分析,判断为保护渣性能引起。采用正交试验设计不同基料配方保护渣方案,通过检测保护渣的成分、熔点、熔速、黏度和结晶特性进行保护渣分析,设计方案中保护渣半球温度范围为1 030~1 179 ℃、黏度0.085~0.127 Pa·s;优化后的保护渣碱度略有降低、结晶温度和凝固温度降低、润滑性提高。对保护渣进行矿相分析,由结晶图可以看出,优化后的保护渣的结晶晶体尺寸均匀,主要以长石类晶体为主、且有少量玻璃体存在,可以改善保护渣的传热和润滑效果。通过对保护渣性能进行优化,铸坯表面裂纹缺陷得到有效控制,由10%降低到0.2%以下。

为了研究多断面同时在线连铸生产技术,以10机10流方圆坯兼容连铸系统为基础,对中间包、结晶器及振动装置、二次冷却、拉矫机等连铸机关键设备进行设计;以断面规格为ø180 mm、ø210 mm、ø250 mm、ø310 mm圆坯和200 mm×200 mm方坯同时在线实践生产为主要研究对象,对中间包流场、浇铸温度、拉坯速度、二次冷却等生产主要工艺参数进行设计研究。生产实践结果表明对于优质低中碳钢,通过采用适当的设备及工艺参数,能够实现多断面方圆坯同时在线连铸生产;产品质量稳定可靠,完全能够满足铸坯生产质量要求,极大提高了企业市场灵活性。

对不同温度退火后00Cr13Si2Al钢力学性能和磁性能的变化进行研究。借助倒置金相分析系统(GX53)测量了退火试样的显微组织,计算不同温度下的平均晶粒尺寸,并利用MATS-2010D软磁直流测量装置测量试样的磁性能。结果表明,850~900 ℃的退火温度范围内,保温3 h后该钢具有较好的综合力学性能和磁性能,900 ℃室温强度为440 MPa,测试磁场分别为2 500 A/m、5 000 A/m、10 000 A/m时,磁感应强度为1.282、1.369、1.534,而1 000 ℃室温强度为435 MPa,磁感应强度为1.233、1.366、1.509。随着退火温度的升高晶粒尺寸增大,从而导致力学性能和磁性能的下降。