首钢二炼钢采用210t转炉配8机8流130mm×130mm断面小方坯生产高碳钢SWRH82B，通过调整结晶器电磁搅拌参数和二冷区比水量，在铸机较高拉速情况下，经过多轮试验，摸索出生产SWRH82B的合理二冷制度和结晶器电磁搅拌参数，连浇炉数稳定在8炉以上。

对目前几种比较有代表性的结晶器非正弦振动波形进行了介绍，并提出了一种新的波形。从振动动力学、最大上振速度、最大加速度及主要振动工艺参数值等几方面，对各种波形特点进行了全面分析和比较。结果表明，YSU波形、WIS波形要优于其他波形。另外，还对非正弦振动波形偏斜率的取值进行了分析，认为其最佳取值范围为0.25～0.35。

电磁搅拌(EMS)技术在高效连铸冷却凝固过程中发挥着关键作用,能有效改善连铸坯的内外部缺陷。电磁搅拌技术利用洛伦兹力优化钢液流动,减少钢液流动不稳定性、保护渣卷入和表面缺陷,达到提高连铸坯质量的目的。为此,为了解EMS技术对连铸过程的影响,对连铸电磁搅拌技术的工作原理进行了简要概述,详细分析了结晶器电磁搅拌(M-EMS)、二冷区电磁搅拌(S-EMS)、凝固末端电磁搅拌(F-EMS)及电磁搅拌组合技术在连铸中的最新研究进展,并指出了其应用所面临的问题及改进思路。最后,对未来连铸电磁搅拌技术的发展趋势进行了展望。

中间包在钢水连铸过程中起到承上启下的作用,承担着分流、稳压、调质和控温等功能。作为钢水接触的最后一个耐火材料容器,中间包因其较大的容积和稳定的流动条件,被视为非金属夹杂物上浮去除的理想场所。随着对铸坯质量和钢水洁净度要求的不断提高,中间包的冶金功能越来越受到研究人员的重视,开发出多种先进中间包冶金技术,研究人员采用水模试验、数值模拟、在线原位检测等方法,对新技术条件下中间包内的多相传输现象进行了深入研究。基于近年中间包冶金的研究现状,综述了包括中间包感应加热、微气泡冶金及夹杂物多孔陶瓷过滤在内的中间包冶金新技术,探讨了中间包冶金未来的发展方向。

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%。为了更好地解决黏结漏钢事故、明确原因并为建立更全面精确的预报模型提供理论基础,对连铸黏结漏钢发生机制、影响因素及预报模型进行了总结和分析,着重叙述保护渣性能、钢液条件、结晶器参数、人员操作等因素对黏结漏钢事故的影响规律,针对目前普遍使用的逻辑判断漏钢预报模型和基于机器学习的漏钢预报模型的研究现状进行了分析并提出了目前存在的不足。预测了漏钢预报系统未来将不断向智能化、高端化方向发展的趋势,为黏结漏钢的研究及如何有效预防提供参考。

随着连铸机向着超宽、超厚的设计方向发展,重新评估极端条件下的连铸结晶器流场特征显得十分必要,基于国内后续可能的超宽板坯连铸设计,针对较大断面3 300 mm×180 mm结晶器流动开展了数值模拟,研究了3种典型板坯连铸水口下的结晶器流动特征。结果表明:两孔水口结晶器的流场形态呈经典双环流流动模式,五孔水口结晶器增加了水口处和中轴处钢液的扰动,CSP 型水口结晶器的流场形态呈自下而上的大环流;五孔水口结晶的液面波动既保证了液面波动在安全数值范围内,又增加了对弯月面流动死区的扰动,对流场的优化效果显著;五孔水口典型的结构参数如下:主侧孔倾角为10°～20°,插入深度为150～160 mm,主副孔间距为10～20 mm。

连铸工序在钢铁生产流程中处于“中心”地位,具有承上启下的作用,连铸技术发展显著促进了钢铁工业高质、高效与绿色化生产。通过梳理2020—2024年度“冶金科学技术奖”关于连铸领域的获奖项目,总结了中国在连铸技术理论、生产高效化、铸坯均质化、品种开发、关键工艺装备、智能控制等方面取得的新进展。均质、稳定、高效是连铸坯高质量生产的主要指标,结晶器冶金功能、二冷控制、电磁搅拌、末端压下等协同优化是提高连铸坯质量的主要技术措施。从近几年获奖项目可以看出,数字孪生工厂、结晶器液面波动控制、铸坯缺陷检测预报、自动浇钢等智能控制技术取得了显著进展,连铸装备正向着高效化、稳定化、灵活性、长寿命、智能化方向发展,并同时满足稳定顺行、高质、节能的生产要求。

钢中非金属夹杂物对钢的性能有重要影响,为不断提高钢材产品的质量和性能,有必要对钢中非金属夹杂物进行检测与分析。对钢中非金属夹杂物的检测表征手段进行了综合介绍,分别从夹杂物特征检测、溶解提取夹杂物、无损三维探测夹杂物3个方面进行了探讨,并对不同的表征方法从分析尺寸范围、优缺点等不同方面进行了全面对比。光镜法等可以直接观察到夹杂物的形貌,分析范围广,但是其放大倍数低,针对微小夹杂物的形貌特征分辨难度较大;而扫描电镜法等可以十分清晰地观察到夹杂物的二维形貌以及成分,但是其分析成本相对较高;使用侵蚀法可以对夹杂物的三维形貌进行表征,但其操作相对复杂,耗时相对较长;使用超声波探伤法等无损表征方法可以在不损伤试样的前提下对夹杂物进行表征,方便快捷。

为了解决高铝钢喂钙线技术的金属收得率低、夹杂物改性不充分等问题,采用钢液喂入复合钙铝酸盐包芯线技术,利用数值模拟和水模型试验方法研究不同直径复合包芯线在钢液中的熔化行为,以及喂入包芯线后对钢液流场和夹杂物去除率的影响。结果表明,包芯粉直径为11 mm、线皮厚度为1.07 mm的复合包芯线,满足喂线速度为2~4 m/s的理想条件。当喂入深度为100~300 mm时,尺寸不大于50 μm、50~100 μm和100~150 μm夹杂物去除率的增加比例分别为3.29%、2.71%和2.56%。当喂入深度距离钢包底部100 mm时,复合包芯粉尺寸每增加50 μm,尺寸不大于50 μm、50~100 μm和100~150 μm夹杂物去除率增加比例分别为4.58%、3.01%和2.42%。

随着薄板坯无头轧制技术和高效连铸的发展,高拉速连铸带来的漏斗形铜板裂纹问题日益严重。研究者们利用理论分析、工业试验和数值模拟方法对薄板坯漏斗形铜板裂纹形成机制和控制进行研究,目的是延长铜板寿命,降低生产成本。阐述了漏斗形结晶器铜板裂纹的宏观形貌和危害,归纳了铜板裂纹形成的热疲劳机制、蠕变疲劳机制和元素侵蚀机制,详细总结了铜板热/力分析模型的发展,介绍了铜板裂纹控制措施,提出了铜板裂纹形成机制、热/力分析模型和控制的新研究方向。

以钢厂断面尺寸为ϕ800 mm的圆坯42CrMo4钢为研究对象,结合ProCAST有限元法和CAFE法建立大圆坯模型,对比了过热度、拉速和二冷区比水量对大圆坯凝固行为和晶粒组织的影响。结果表明,拉速变化对铸坯凝固过程中的温度、凝固终点和凝固坯壳厚度的影响更大,而过热度对连铸过程的晶粒生长影响更大。拉速每提高0.02 m/min,凝固终点后移约3 m,过热度和二冷区比水量改变对温度和中心固相率影响不明显。当过热度从10 ℃增加到55 ℃时,等轴晶率从43.2%降低到9.2%,而拉速和二冷区比水量对等轴晶率的影响均不明显,变化都在8%以内。基于末端电磁搅拌位置,对现有工艺提出了优化方案,过热度降低至10 ℃,比水量降低至0.16 L/kg,可以有效提高等轴晶率,同时细化晶粒。

连铸保护渣在保障连铸顺行和铸坯质量方面发挥着关键作用,其作用的发挥与保护渣的性能密切相关。保护渣的黏度和熔化温度是保护渣的关键性能参数,其测定所需的时间与物力成本较高。鉴于机器学习技术的发展,本研究基于K近邻算法(KNN)、核岭回归算法(KRR)与随机森林算法(RF)3种机器学习算法建立保护渣黏度和熔化温度预报模型,旨在准确预报保护渣的黏度与熔化温度,为保护渣的快速、便捷设计提供指导。结果表明,基于KRR算法的模型在保护渣黏度预报方面有着较好的表现,其决定系数(R²)、均方根误差(RMSE)和平均绝对误差(MAE)分别为0.983、0.023和0.014;基于RF算法的模型在预报保护渣熔化温度方面具有更高的可靠性,R²、RMSE和MAE分别为0.823、14.004和8.974。输入特征的排列重要性分析表明SiO₂、F、Al₂O₃对黏度的影响依次降低,Na₂O对熔化温度的影响最大。与广泛应用的黏度和熔化温度预报模型相比,KRR算法黏度预报模型和RF算法熔化温度预报模型的平均相对误差(MRE)分别为6.26%和0.83%,远低于目前广泛应用的预报模型的平均相对误差,表明机器学习模型具有较高的可靠性。基于模型建立的黏度和熔化温度分布图可为保护渣的设计提供直观参考。

为了解决某钢厂四流中间包内部钢液流动一致性较差的问题,对中间包挡墙的导流孔结构进行设计,并结合湍流抑制器,形成控流装置的组合结构,优化中间包流场。针对挡墙导流孔结构设计正交试验,通过水模拟试验获得各个方案的时间停留分布(RTD曲线),结合极差分析法和实际情况确定挡墙导流孔最优结构参数以及因素的影响程度。在此基础上设计不同结构的湍流抑制器,与挡墙组合,进行水模拟试验,最终获得了最优的生产方案。研究结果表明,方案U2为挡墙的最佳结构,导流孔参数为竖直倾角25°、直径140 mm、高度400 mm、水平倾角10°,该方案死区比例为17.83%,较原方案减小2.12%,流动一致性较原方案提升了84.61%;将多边型湍流抑制器与U2组合应用后,钢液流动行为最优,该方案死区比例为16.1%,较原型中间包减小3.85%,流动一致性提高71.54%。相对于单一的挡墙结构,U型挡墙+多边型湍流抑制器的组合结构能够有效减小死区比例,大幅降低了水口峰值浓度,延长峰值时间,使水口一致性增强,实现中间包内部流场的优化,为后续开发控流装置组合优化流场提供了理论依据。

为提高异型坯T型中间包冶金效果,对中间包流场和温度场等进行数值模拟和物理模拟,通过分析冲击区大小、稳流器开孔张角、稳流器开孔仰角以及稳流器立墙形式对流场的影响,制定了适合异型坯中间包内型尺寸和稳流器最佳的中间包结构。工业试验表明,改进后的中间包冶金效果明显优于原中间包。中间包优化前后测温、取样结果显示,优化前后1流、3流温度与2流平均温差由原来的11.8 ℃降低至3.95 ℃,降低幅度达66.5%以上;优化后1流、2流的氧质量分数和氮质量分数均相同,平均氧质量分数比优化前下降17.17％。说明优化后的中间包流场明显优于原中间包流场,改进后的中间包利于均匀钢水温度、成分和提高铸坯洁净度与表面质量。优化后稳流器对中间包内衬渣线侵蚀情况也得到明显改善,由原32 h侵蚀55 mm降低至目前48 h侵蚀45 mm,显著提高了中间包寿命。

国内某钢厂采用LF-RH-CSP工艺生产IF钢,该工艺对钢中C、N含量及钢液洁净度要求较高。为探究IF钢中主要增C和增N来源及LF-RH精炼过程中夹杂物成分、尺寸、数量的变化规律,对不同工艺节点取钢样进行分析。结果表明,升温造渣和炉渣改质时伴随底吹氩强翻洗现象,钢液剧烈翻腾使钢水裸露而导致严重的增C和增N。LF进站Al脱氧后夹杂物主要是不规则的Al₂O₃,LF造渣至出站期间夹杂物转变为MgO·Al₂O₃尖晶石。RH进站二次Al脱氧后夹杂物为MgO·Al₂O₃和少量单独存在的Al₂O₃,RH出站时夹杂物全部被改性为球状的CaS-12CaO·7Al₂O₃-MgO·Al₂O₃复合夹杂物。夹杂物数量密度整体呈下降趋势,平均直径从6.0 μm逐步降低至2.3 μm,钢液洁净度得到显著提升。热力学计算表明,MgO·Al₂O₃夹杂物生成趋势强,是CaS-12CaO·7Al₂O₃-MgO·Al₂O₃复合夹杂物的形核核心。建立了夹杂物演变动力学示意图。研究结果为优化IF钢生产工艺、提升钢水可浇性提供了理论支持。

钢铁行业的碳排放量在中国各行业中占较大比例,在“双碳”背景下炼钢工序如何实现碳减排和二氧化碳资源化利用备受关注。以CO₂在钢铁行业的资源化利用为切入点,介绍了钢铁工业CO₂排放现状和资源化利用现状,着重分析了CO₂分别作为反应气、搅拌气及保护气应用于炼钢工序的技术现状;通过热力学计算得出CO₂氧化铁液中0.1%(质量分数)金属元素[M]时,综合放热量减少,起到控温作用;对CO₂作为搅拌气体分析得出CO₂在利用率达到85%左右时搅拌能为Ar的2倍。CO₂可以作为一种资源化气体逐步应用在炼钢相关工序,具备节能减排和降本增效的效果,但需进一步明确CO₂在高温熔池中的反应特性和作用形式,以便精准、高效地实现CO₂的资源化利用。

特厚板连铸坯坯形、表面裂纹、中心偏析和中心疏松等缺陷是限制特厚板坯连铸生产和发展的关键问题。国内某钢厂新建460 mm特厚板坯铸机,通过研究特厚板坯连铸生产工艺特点,针对特厚板坯主要缺陷问题,开发了460 mm厚度特厚板坯连铸生产工艺技术,包括连铸高拉速工艺、二冷动态幅切控制工艺、保护渣高碱度高黏度工艺、低过热度控制以及铸坯凝固末端大压下工艺等,解决了特厚板坯鼓肚问题,降低了特厚板坯表面裂纹发生率,以及改善了特厚板坯中心疏松和中心偏析问题。

高拉速连铸生产是连铸高效、绿色、智能化发展的成果和实现途径。以实现高拉速连铸为目标,从工艺控制和装备设计角度对结晶器开展研究,建立结晶器传热模型,在对结晶器传热分析的基础上,提出了高拉速结晶器优化设计的核心是在提高冷却效率前提下,提高铜板冷却均匀性的优化思路。采用多目标策略优化的方法,提出了一种结晶器水缝优化设计的新方案。优化后的结晶器铜板热面温度和温差显著降低,从而可显著降低高拉速下由坯壳冷却不均造成的漏钢风险。这对于连铸机高拉速生产技术的推广和应用具有重要意义。

为了进一步降低板坯异钢种连浇生产过程中的混浇坯长度,针对连铸生产过程中动态控制及对成分混合的影响,开展了精确预测混合过程及过渡坯划分问题的研究。通过工业试验分析了混浇生产过程中间包余钢量、拉速对成分混合的影响,发现在拉速、规格相同的条件下中间包余钢量越小,开浇后5 m铸坯位置下混合成分越接近后一炉成分,且其为主要影响因素;中间包余钢量、规格相同的条件下拉速越小,开浇后5 m铸坯位置下混合成分越接近后一炉成分,且其为次要影响因素。通过收集连铸机生产数据并结合数值模拟结果,建立了以LSTM神经元网络为基础的时间序列模型,通过模型离线计算,发现在控制混浇过程中中间包余钢量的平均值相等情况下,前期控制较低的中间包余钢量可加快中间包钢水的混合过程。模型在线布置应用结果表明,平均预测偏差为3.69%,精度满足实际生产需要。

针对某钢厂薄板坯结晶器内易发生卷渣问题,采用漏斗形结晶器为研究对象,通过VOF的方法建模计算,对钢-渣界面进行深入研究,并构建1∶2的物理模型与1∶1的数值模型,分析拉速、保护渣黏度以及浸入深度对结晶器流场和钢-渣界面波动行为的影响。以表面流速大小、钢-渣界面渣相分布和结晶器液面波动高度等作为评判依据。结果表明:在钢-渣界面表面流速为0.12~0.26 m/s,且保护渣黏度大于0.253 Pa·s时,液面比较平稳。随着浸入深度增加,钢液的冲击深度下移,上回旋区范围变大,钢-渣界面波动高度降低到5.4 mm。当浸入深度大于190 mm,保护渣黏度为0.324 Pa·s,钢-渣界面表面流速小于0.26 m/s时,可以有效抑制卷渣的发生,这对于提升铸坯质量,助力工业生产安全稳定提供参考。

通过铸坯酸洗腐蚀低倍拍照、中心偏析及半宏观偏析检验,研究了不同电磁搅拌、浇铸过热度及二冷强度对200 mm×200 mm断面连铸SWRH82B铸坯均质性的影响规律,考察了铸坯均质性对盘条中心晶界渗碳体评级的影响。制定了200 mm×200 mm断面连铸SWRH82B的关键工艺,实现了铸坯低偏析控制,为盘条组织性能控制奠定了重要均质性基础。结果表明,M-EMS电流强度300 A,F-EMS电流强度200 A,浇铸钢液过热度(25±2) ℃,弱二冷工艺所得铸坯均质性最优,其中中心C偏析度平均为1.08,轧制的盘条中心晶界渗碳体评级2.0级以下的比例达96%,盘条拉拔断丝率平均2.3 次/100 t。

为提高某厂42CrMoA钢内部质量,减少铸坯中心偏析,利用 ProCAST 软件对铸坯凝固组织进行模拟,研究连铸参数对凝固组织分布、等轴晶率和等轴晶区致密度的影响。结果表明,当拉速由0.8 m/min提高到1.1 m/min,等轴晶区比例增加了5.26%;比水量由0.144 L/kg增大到0.192 L/kg,等轴晶区比例减小了3.34%;过热度由5 ℃升高到35 ℃,等轴晶区比例减小了7.98%。由此得出,可以通过适当提高拉速、减小二冷比水量和降低钢水过热度来降低42CrMoA钢种宏观偏析。

基于炼钢—热轧—冷轧(热处理)工序全流程过程控制,利用现代数据通讯和数据库(数据云)技术创建了全过程质量管控数字化平台,并基于该平台开发了连铸板坯在线质量评级系统。该全过程质量管控数字化平台对炼钢过程中的原料、生产、工艺、设备等方面的参数进行实时监控和跟踪记录,并将跟踪结果以工艺事件的形式反馈到每一炉次和每块板坯上,通过制定相应的规则对连铸板坯进行分级评级,实现连铸板坯质量的在线实时预测评估,以确定连铸板坯分级修复处理方式。通过后工序轧制质量检验与判定,结果表明,该质量评级系统可以较为直观准确地分类筛选出具有不同质量风险等级的连铸板坯,降低了板坯缺陷发生比例,提高了连铸板坯质量。

钢在连铸过程中,溶质元素的不均匀分布将会产生微观偏析和宏观偏析,且在后续的加热、轧制过程中并不能有效消除,极大影响了终轧产品的综合力学性能。在连铸坯宏观偏析的计算中充分考虑溶质的微观偏析行为,不仅有利于进一步增强宏观偏析计算的精确性,而且对改善铸坯质量、提高产品性能均具有重要意义。通过建立铸坯微观偏析行为的宏-微观耦合模型,将不同的溶质微观偏析模型影响下的宏观偏析行为进行对比,以获得最佳的连铸过程溶质微观偏析控制模型,实现连铸坯溶质宏观偏析行为的精准预测。此外,选择Won-Thomas微观模型研究了二次枝晶臂间距对82B帘线钢小方坯凝固终点位置及中心偏析缺陷的影响规律,二次枝晶臂间距由200 mm减小到40 mm时,凝固终点向前偏移了1.4 m,铸坯中心碳质量分数由0.154%减小为0.138%,表明冷却越慢,二次枝晶臂间距越大,偏析越严重,并通过碳硫分析仪验证了模型的合理性与可靠性。

热送热装技术可以显著降低加热炉能源消耗、提高生产效率、减少钢-轧界面的碳排放。然而,热送热装的微合金钢板坯在轧制后极易产生红送裂纹,限制了该技术的应用。为了研究300 mm厚微合金钢板坯的扇形段热装预处理工艺,采用高温拉伸试验研究了热装预处理过程的合理冷却速度,通过工业试验研究了热装预处理过程板坯表面温度和微观组织的变化规律,利用统计的方法研究了热装预处理后钢板的表面质量和力学性能。结果表明,热装预处理过程合理的冷却速度应在4.0 ℃/s以上。在扇形段热装预处理过程板坯表面温度由920 ℃降至387 ℃,冷却速度约4.2 ℃/s,表面回温可达742 ℃,回温速度约1.2 ℃/s;通过快冷和回温使得板坯表面形成了细小的贝氏体组织。热装预处理工艺实施后,热装温度由500~550 ℃提高至600~650 ℃,消除了高温热送热装带来的红送裂纹问题,钢板力学性能稳定。

连铸结晶器内的钢液流动是一个复杂的三维湍流流动,其中包含诸多复杂现象,如水口和结晶器内的湍流、气泡和夹杂物的运动、多相流、电磁力对钢液流动的影响等。钢水在结晶器液面的波动是铸坯表面质量问题的重要因素。实际生产过程中,液面波动一般仅检测单点、单块区域,无法反应液面整体波动状态;而流场又无直接检测手段,一般通过一定比例的水模型进行类比分析评估。本文通过数值模拟、钉板试验等方式对结晶器弯月面处特征参数(液位差、钢液流速)进行评估并优化。数值模拟与钉板试验获得的结果基本一致。数值模拟表明,EMBR电流改变50 A,表面最大流速增加或降低0.01～0.02 m/s,最大液位差基本无变化;SEN插入深度增加50 mm,表面最大流速降低0.03～0.06 m/s,最大液位差减小2 mm;拉速升高0.3 m/min,表面最大流速增大0.04 m/s,最大液位差增大2 mm。SEN插入深度、拉速对钢液流速、液位差影响较大,EMBR电流的影响较小。在拉速5.2 m/min条件下,EMBR电流175A,SEN插入深度170 mm,铸坯质量较好。

高品质洁净钢平台建设是实现洁净钢高效率、低成本生产的重要手段,对提升企业竞争力与效益具有重要意义。洁净钢生产是一个涉及原辅料质量评价及管控、炼钢和精炼过程自动化与精准控制、严格保护且稳定浇注的系统工程。在总结洁净钢生产工艺系统集成的基础上,提出以实时数据库为基础,构建全流程工艺与信息的集成平台,实现洁净钢生产各工序间信息的集成、反馈、分享、存取和问题的溯源。同时,依托大数据分析等手段,建立工艺知识库,达到洁净钢生产运行控制、工艺技术、数据资源、监控管理的统一,从而实现炼钢的全流程质量管控。

铸坯在结晶器内的非均匀传热、凝固、初生坯壳的薄厚以及二冷区铸坯表面温度、应力等均匀程度直接影响铸坯表面与内部质量。以反算热流为结晶器内铸坯边界条件,利用ANSYS有限元软件模拟某钢厂Q235B板坯全流程的温度场、应力场,分析了铸坯表面温度、等效应力、坯壳的不均匀性、遗传性以及裂纹敏感性。结果表明,结晶器内铸坯凝固厚度的不均匀性遗传至二冷区,铸坯表面等效应力的不均匀性遗传程度较小;在二冷区,坯壳厚度不均匀性改善程度较小,表面等效应力不均匀性改善程度较大。本研究案例条件下,内弧左侧角部温度最低,为892 ℃,等效应力最大,为12.2 MPa;内弧偏角部区域温度最高,为1 263 ℃,等效应力最小,为2.54 MPa。铸坯表面裂纹敏感性:1/4中心处＞1/8中心处＞1/2中心处。铸坯表面裂纹敏感性指数在结晶器内达到最大值0.52,在二冷初期回温程度较大阶段裂纹敏感性增大,凝固后期坯壳较厚,裂纹敏感性较低且变化幅度很小。

为了解决含钒钢在连铸过程中易出现的内部裂纹问题,采用热力学计算、凝固组织模拟、二冷配水调控的方法开展了HRB500E螺纹钢的铸坯凝固过程分析、组织预测和表面温度控制研究。结果发现,螺纹钢中V(C,N)的热力学析出温度为1 118 ℃和最大析出量(质量分数)为0.06%,表明钒具有析出强化和固溶强化的双重作用;铸坯的组织分析表明,钒质量分数由0增至0.089%时晶粒半径减少了2倍,晶粒数增加了2.8倍,中心等轴晶提高了2.2%。说明钒的添加能细化晶粒、改善组织性能和增益冶金性能;同时发现产生裂纹等缺陷的原因主要在于二冷配水不合理导致的铸坯表面返温过大,在此基础上提出了相应的二冷配水工艺优化并引入长度为2.9 m的二冷三段的方案,最终设计出了1.4~2.7 m/min拉速水表,铸坯的表面返温低于100 ℃,返温满足冶金准则。工业生产证明通过二冷配水优化方案极大的提升了铸坯内部质量。

连铸坯网状裂纹隐藏在铸坯亚表层,人工在线检查时难以发现,加热炉烧损量不足时容易造成轧材大量的起层(起皮)缺陷。通过轧材和铸坯金相检测分析,明确了起层缺陷的原因来自铸坯网状裂纹;针对全弧形连铸机板坯网状裂纹问题,分析了低合金钢的典型元素(C、Al、N、V)、结晶器冷却强度、连铸保护渣、二冷强度等相关因素对铸坯网状裂纹缺陷的影响规律,明确了铸坯裂纹产生的原因:铸坯深振痕和大量析出物形成裂纹源,并且铸坯在流道处于脆性区且受应力过大。提出了控制板坯网状裂纹的有效措施,包括减少典型元素含量、适当提高并稳定铸机拉速、采用改进的连铸保护渣、减弱结晶器和二冷强度,提高流道质量等。相关技术措施通过大量的现场应用,减轻了低合金钢板坯网状裂纹缺陷,热轧板卷起层缺陷率由21.84%降至0.47%。

连铸结晶器喂钢带技术是调控钢液温度场分布、抑制或减少中心偏析、中心疏松等内部缺陷产生的有效手段。然而连铸过程属于高温黑箱操作,无法在线观察和测量结晶器内凝固组织的演变情况。为此搭建了可视化凝固试验系统,探究了无冷带、固定冷带及振动喂带对NH₄Cl-70% H₂O溶液凝固过程中凝固组织演变的影响规律。结果表明,首先喂冷带可以显著降低结晶器中心的过热度,并熔断枝晶,可有效增加游离晶粒的数量,进而提升凝固组织中等轴晶的体积分数;其次对冷带施加振动后,结晶器中心过热度的降低更为迅速,熔断形成的晶核更多且细小,等轴晶体积占比进一步增大。无冷带、固定冷带及振动喂带3种工况下的等轴晶体积占比分别为26%、31%、36%。

取向硅钢生产工艺复杂、制造技术严格,被誉为钢铁材料中的“艺术品”。为了提高取向硅钢常规板坯拉速,提高企业盈利水平,分别进行了不同拉速条件下的凝固末端测试研究和铸坯鼓肚行为研究,结果表明,1)取向硅钢常规板坯在0.9 m/min和1.0 m/min拉速时,凝固末端均在7段前,1.1 m/min高拉速时,凝固末端在第8段;2)拉速由0.9 m/min提高1.1 m/min时,坯壳厚度减薄,相同静压力下,鼓肚量与鼓肚变形率变大,最大鼓肚变形率为0.107%,当拉速增幅为0.1 m/min 时,对应相同位置的铸坯鼓肚量增幅约为3.7%~16.6%;3)综合结晶器液面波动、铸坯鼓肚、凝固末端位置等试验研究,取向硅钢常规板坯拉速可由0.9 m/min提高到1.1 m/min。

在冶金生产的过程中,连续铸造环节与铸坯产品的品质息息相关。其中,结晶器的液面波动是整个连铸过程最关键的生产参数之一,鉴于此,对结晶器内液面波动进行准确监测显得尤为关键。引入了一种人工智能模型,旨在实时准确预测结晶器液面的波动情况。模型采用了遗传算法(GA)优化的随机森林(RF)技术,称为GA-RF模型。该模型通过遗传算法对随机森林网络的参数进行寻优操作,旨在找出模型的最优参数从而获得预测性能最好的模型。试验结果表明,GA-RF预测模型实现了平均绝对误差(MAE)为0.534,均方误差(MSE)为0.73,并且预测的成功率高达96%,并与CNN模型、BP模型、SVM模型进行对比,发现GA-RF模型MAE和MSE均优于其它模型,证明了该模型具备高度精确性,能够满足实际生产应用的严格要求。通过敏感性分析,本研究还探讨了不同生产参数对模型的影响程度。

通过对55SiCr弹簧钢铸坯进行热酸洗检验,发现浇次第8炉第8流铸坯试样内弧面存在纵裂纹。对裂纹内部存在的夹杂物质进行能谱分析,发现Na、F等元素含量较高,判断为结晶器保护渣卷入。为了解裂纹产生的原因,采用扫描电镜检查等手段,结合炼钢生产过程控制情况进行研究。结果表明,钢水Al_s含量偏高是产生铸坯表面纵裂纹问题的根本原因。由于生产节奏紧张,该浇次采用的钢包为含铝钢周转包,生产前未采用无铝钢进行涮包操作,导致该浇次钢水Al_s含量偏高,要求钢水Al_s质量分数不大于0.005 0%,实际控制在0.005 5%～0.008 0%。浇注过程中二次氧化形成的Al₂O₃夹杂,在水口内壁积聚,逐渐形成大块附着物,受到高温钢水的不断冲刷,导致水口内壁的附着物突然脱落,造成各流结晶器液面的急剧变化。第8流结晶器液位要求控制在(70±5) mm范围内,但浇注末期,结晶器液位控制在34～85 mm,铸坯拉速由1.80 m/min恒拉速变为1.4～2.0 m/min,波动幅度过大。结晶器液面长时间失控,持续时间约30 min,造成铸坯表面夹渣问题,当铸坯表面受拉应力作用时,在夹渣位置产生应力集中,导致出现纵裂纹。

结合国内某钢厂的30 t六流矩形坯连铸中间包建立全结构物理模型进行流-固-热耦合数值模拟,研究了中间包内流场、温度场及应力分布行为,基于考虑热效应的von Mises应力评估了耐火材料的破坏情况;建立抑湍器-多孔挡墙一体式控流元件破坏模型,并对比分析了该控流元件破坏前后中间包内的流动及传热行为。结果表明,该六流中间包内各流体域、固体域的体积平均温度差别较大,工作层与渣层、空气层接触的壁面最大温差分别可达312、578 K,壁面应力分别达到了40~52、52~73 MPa,高于与钢液接触壁面的应力(32~40 MPa)。一体式控流元件中,易破坏区域主要为3个部位:抑湍器、挡墙导流孔、多孔挡墙角部与侧壁及底部连接处,应力均达到了35~52 MPa。一体式控流元件破坏后,1、2号出口的响应时间分别降低了26、17 s,活塞区体积分数下降了25.5%,死区体积分数上升了9.4%,各流一致性明显变差,3号出口外侧角部钢液最低温度下降14 K。现场工业试验表明,本文数值模拟得到的一体式控流元件破坏形貌与实际破坏情况吻合性较好。

在钢铁生产过程,连铸坯按长度切割,轧钢按质量轧制,轧钢执行标准的不统一直接造成轧材总长度波动,导致大量短尺材和废品材的产生,成为亟待解决的行业痛点问题。对连铸坯定重切割技术基本原理、定重切割的影响因素及相关模型进行阐述,通过开发智能定重系统使得连铸坯按质量切割,实现钢轧耦合,并成功应用于河北唐银钢铁有限公司。模型运行结果表明,理论质量与实际质量之差为±0.2%的定重合格率达到90%以上,实重成材率达到97.5%以上,定尺率稳定在99.5%以上,极大提高了棒材小规格产品在保持高产的同时的负差稳定性和成材率水平,并为相关企业的定重切割技术开发提供参考。

基于ϕ350 mm圆坯结晶器生产304不锈钢的工艺参数,建立了三维圆坯结晶器电磁搅拌模型,研究了不同电流强度下M-EMS对圆坯结晶器内钢液流动、温度分布和凝固行为的影响,确定最佳搅拌作用的电流强度。结果表明,在施加电磁搅拌强度后,结晶器内钢液发生旋流运动,伴随搅拌时间产生周期性的偏心现象,且在凝固前沿处钢液切向速度随电流强度的增加而增大;旋流的钢液促使圆坯结晶器内钢液温度分布更加均匀,钢液高温区域扩大,M-EMS作用下的铸坯表面温度提高;在合适的电流强度作用下,提高钢液散热引起的凝固坯壳增加量大于钢液旋流冲刷引起的凝固坯壳减少量,致使凝固坯壳厚度增加,最终选取295 A的最优电流强度参数。

为了评价某钢厂中间包内部挡墙结构对流场的影响并改进钢液的流动行为,选取符合当下生产条件的最优方案,提升特殊钢种质量。在原有挡墙结构的基础上对导流孔进行设计和优化,考虑导流孔的个数,安装高度,倾角因素设计正交试验。通过水模拟试验方法评价原型挡墙结构下中间包的流场情况,进行极差分析。考虑以死区比例和峰值时间标准差为指标下各因素影响情况,找到最优导流孔结构。运用Ansys Fluent建立数值模拟,模拟优化前后中间包的流场和温度场。试验结果发现,原型中间包流场存在水口一致性较差,内部钢液流动特性差等问题,死区比例为29.26%,峰值时间标准差高达61.52 s。水模试验优化后的中间包死区比例为27.92%,较原型中间包提升了1.34%,且峰值时间标准差提升了87.27%,水口温差降为0.2 K,流场整体十分均匀,两流流动的一致性得到明显改善。

连铸生产高铝钢过程中,在结晶器钢水液面处钢液Al元素与保护渣发生强烈的钢渣界面反应,导致保护渣产生严重变性,直接危害着铸坯质量和连铸生产顺行。对高铝钢连铸过程中保护渣液渣层动态取样,分析了连铸过程中液渣层成分和理化性能的变化规律;通过热力学和动力学研究了钢渣之间的反应行为。结果发现,在浇注过程中液渣中Al₂O₃质量分数由1.40%上升到24.75%,SiO₂质量分数由32.26%降低到17.69%;液渣平均黏度由原渣的0.38 Pa·s增加到0.58 Pa·s,平均熔化温度由原渣的1 112 ℃提高到1 189 ℃。保护渣液渣成分变动趋势符合钢渣反应的热力学规律,钢渣界面的化学反应是钢渣界面反应和液渣变性程度的限制性环节。

为了研究大圆坯凝固传热情况,以某钢厂大圆坯连铸过程为研究对象,基于传热微分方程,采用有限差分法中的隐式差分进行求解,建立了极坐标下大圆坯二维凝固传热模型。利用计算机语言C++进行程序编译,采用现场测温的方法进行模型验证。通过模型的应用研究发现,拉速的改变对结晶器出口温度、凝固终点等数据影响较大,拉速每提升0.02 m/min,凝固终点后移1.8 m;过热度的改变对铸坯表面温度、液相穴长度等数据影响较小,过热度每提高10 ℃,液相长度仅增加0.6 m;从铸坯表面温度下降速率来看,结晶器阶段温降最快,此时铸坯处于初生坯壳快速生长期,在二冷Ⅱ区出现回温现象;可以根据模拟情况调整工艺提升铸坯质量。

保护渣是连铸生产中重要的功能材料,为了准确、快速和低成本地获得保护渣的理化性能,基于实验室检测获得的保护渣成分、熔点、熔速和黏度数据,采用BP神经网络结合粒子群优化算法(PSO)建立了保护渣理化性能预测模型。选取13个未进行训练的测试样本检验PSO-BP模型的预测精度,结果表明,与BP神经网络预测模型相比,熔点、熔速和黏度的平均绝对误差MAE分别由8.9 ℃、4.7 s和0.012 Pa·s降低至8.1 ℃、2.8 s和0.010 Pa·s,并且单个样本的误差波动降低,整体预测精度提高。基于此模型,研究了单一或多个保护渣成分改变对理化性能的影响,通过控制其它成分不变,当碱度由0.8增加至1.2,黏度值由0.23 Pa·s降低至0.18 Pa·s。此外,展示了Al₂O₃和MgO单一变量调整以及同时变化对保护渣黏度性能的影响,模型计算结果与实际理论规律相符,表明基于PSO-BP神经网络的保护渣预测模型可应用于保护渣的开发与研究,缩短研发周期,降低成本。

在对溶质再分配机制进行热力学分析的基础上，建立了描述板坯中心偏析的模型——“溶质析出量”模型，并对模拟结果进行了分析。结果表明：溶质再分配过程中溶质析出的根本原因是存在化学位梯度；对于Q235B钢种，中心线处碳溶质浓度在凝固末端出现突增，最大值0.76%，拉速从1.2 m/min变化至1.6 m/min时，最大偏析度从5.057增加到5.103。

本文介绍了国内外钢铁智能制造钢铁的最新情况,和国外主流供货商和大河钢厂的钢铁智能制造思想,提出了国内钢铁企业智能制造的发展思路。

对开坯+连轧生产出的大规格铌微合金化中碳圆钢的轧后NbC形态进行了研究分析。研究发现,中碳钢铌的质量分数为0.03%时,连铸凝固过程中会析出5 μm以上的碳化铌;钢坯轧制加热温度为1 250 ℃左右,高温段保温时间为4 h以上时,微米级碳化铌得到固溶。

纵裂纹是典型的铸坯表面缺陷,严重影响过程顺行和连铸坯质量。铸坯表面纵裂纹的识别和预测对于铸坯质量的提升具有重要意义。针对纵裂纹形成与扩展过程中,结晶器热电偶温度在时间序列上的动态演化和一维传播特征,捕获和提取了纵裂纹和正常工况下热电偶时序温度的典型变化趋势;运用动态时间弯曲(Dynamic Time Warping,DTW)方法度量不同工况下时序温度的相似性和差异性,结合k近邻(k-Nearest Neighbor,kNN)分类算法,建立了针对连铸坯纵裂的在线识别和分类模型。结果表明,建立的模型对纵裂纹和正常工况样本具有较高的识别准确率。提出的基于温度时序特征动态时间弯曲及kNN方法的纵裂预测模型,为铸坯纵裂的实时检测和准确预报提供了可靠途径。

保护渣在生产无缺陷铸坯、保证恒拉速的精细化和高效化连铸生产中起到重要的作用。中国连铸保护渣技术伴随着炼钢连铸技术的飞速发展也取得了长足的进步。在保护渣作用机制、性能控制、促进连铸生产顺行和提高铸坯质量方面的研究不断深化和系统化。中国连铸保护渣技术总体上能满足中国连铸生产需要，但是，加大研发投入、稳定原材料条件和生产工艺等方面尚有许多工作要做。从保护渣与连铸工艺的匹配、基础理论研究、关键品种的开发、生产与市场状况、保护渣的选择等方面对中国连铸保护渣技术现状进行了分析，并对今后的发展提出了一些思考。

针对某钢厂Q355B板坯在拉速提高后连铸工艺参数不匹配的问题,利用ProCAST软件建立铸坯凝固传热模型,研究了不同连铸工艺参数下的铸坯凝固特征。研究结果表明,拉速对板坯凝固过程影响最大,比水量次之,过热度的影响最小。随着拉速增加、比水量降低、过热度的提高,除坯壳厚度降低以外,铸坯温度、凝固终点及两相区长度均呈不同程度的增加。在现场实际生产过程中发现,在不改变比水量和轻压下位置的情况下,改变铸坯拉速,三者之间未能有效配合,导致铸坯出现严重的中间裂纹。基于模拟结果,在拉速提高至1.0 m/min的情况下,将比水量由0.38 L/kg提高至0.55 L/kg,中间裂纹产生的概率从70%降低到了11%左右,铸坯中心偏析控制在C1.5级以上的比例提高了24.5%。

本文对钙处理技术在CSP工艺中的应用进行了研究与分析，结合生产现场，对钙和Ca/Als的变化区间范围实际操作数据进行了统计分析，提出了技术指标的合理范围，可以供生产技术操作人员参考。

电磁搅拌对结晶器内流场和钢渣界面行为影响显著,通过建立1∶5的板坯连铸结晶器电磁搅拌物理模型试验系统和实际结晶器的数学模型,研究了不同搅拌电流对结晶器内流场的影响,并引入了自由表面冻结指数和卷渣指数分别评价自由表面钢液冻结和卷渣概率。结果表明,物理模拟试验系统测得的流场可为数值模拟提供验证支撑;当不施加电磁搅拌时,结晶器内流场为典型的双环流结构,自由表面流速较小,自由表面冻结指数为0.52,卷渣指数为0;施加电磁搅拌后,在结晶器上部形成水平环流,自由表面流速增大;增大搅拌电流,环流效果更加显著,自由表面冻结指数降低卷渣指数增大,当搅拌电流为700 A时,冻结指数降低至0.04,卷渣指数增加至0.245。因此,综合考虑卷渣指数和冻结指数可知,较优的搅拌电流为600 A。

探讨了连铸过程控制(二级)系统的发展历程和现场应用情况,从连铸工艺的特点及相应的功能需求出发,讨论了过程控制系统在本工序内功能定位、数据产生及应用的现状及短板。结合当前数字化、智能化发展需求对连铸过程控制系统的要求进行了分析,探讨了连铸过程控制系统的结构、功能、开发和数据处理等特征。在此基础上进一步展望了面向未来智能化发展的方向,提出了过程控制系统的发展建议。

主要介绍了日钢板材制造部在生产实践中，针对低硅含硼钢板坯出现的角部横裂纹问题，而对连铸机设备精度控制和使用倒角结晶器以及控制钢中氮质量分数，降低了板坯切角率和生产成本，提高了企业效益。

针对某钢厂100 t钢包浇铸末期起旋高度（残钢量）控制问题,依据相似原理,建立了1∶3的钢包物理模型,通过水力学模拟的方法研究了钢包起旋高度与生产工艺条件的关系,并与钢厂实际生产下渣预报的残钢量判断进行了比对。研究结果表明：随着通钢量的增大,旋涡开始起旋高度及贯通高度先降低后升高;模拟实验得出的贯通高度对应残钢量与钢厂实际生产下渣预报判断值相当;浇铸过程,在一定吹Ar流量范围内,随着吹Ar流量的升高,旋涡高度下降,而临界吹穿高度升高,存在合适吹Ar流量,单孔吹Ar合适流量为18.0 L/min,对应的起旋高度为42.6 mm、残钢量4.9 t,双孔吹Ar合适单孔流量为17.4 L/min,对应的起旋高度为40.3 mm、残钢量4.6t ;单孔吹Ar效果略差于双孔吹Ar效果。

为了研究稀土对HRB400E螺纹钢中夹杂物成分和形貌的影响,对稀土处理后螺纹钢中可能存在的夹杂物进行热力学计算,并通过扫描电镜及能谱仪对稀土处理前后 HRB400E钢中夹杂物进行了表征和分析。结果表明,稀土可在现场冶炼时加入到螺纹钢中并且质量分数达到0.003 2%;稀土有净化钢液的作用,使钢中S质量分数从0.018%降低到0.004%,降低了77.78%;热力学计算表明,稀土质量分数为0.003 2%时,夹杂物生成的可能性由高到低为REAlO₃、RE₂O₂S、Al₂O₃。稀土对HRB400E钢中硫、氧化夹杂物有良好的改质效果,将夹杂物变质为RE₂O₂S和REAlO₃,稀土元素与S结合使钢中MnS夹杂的析出减少,有利于钢材综合性能的提升。

论述了某厂特殊钢大方坯连铸机的核心工艺及关键设备,阐述了控制铸坯质量的关键设备技术要点及工艺实践,着重描述了大方坯轻、重压下工艺对改善大方坯内部质量的重要作用,详细介绍了该连铸机生产典型高碳轴承钢的冶金效果。生产实践表明,保持生产拉速恒定的情况下,确定合理的轻、重压下区间及压下工艺参数,可显著降低高碳钢中心偏析、改善中心疏松、消除中心缩孔。大方坯连铸机生产的典型钢种GCr15,恒拉速浇注,铸坯碳偏析指数为0.97~1.06,中心疏松不大于1.0级的比例为100%,无中心缩孔缺陷。

以230 mm×1 600 mm板坯连铸机结晶器为研究对象,采用CFD数值模拟的计算方法,建立了VOF模型,研究了连铸水口结瘤对钢渣界面波动与钢液流动行为的影响。研究结果表明,当水口无结瘤时,结晶器内流场为典型的双环流形貌。当水口有结瘤时,结晶器内水口两侧会出现严重的非对称流,结瘤侧流股范围小,非结瘤侧流股范围大。水口不结瘤一侧动能增大导致结晶器下涡心位置下降,会使钢液冲击深度增大;水口结瘤一侧水口因涡心位置较高,加剧了弯月面处的波动和钢渣表面的波动紊乱。结瘤情况下的钢液波动较大,最大波动差为4.03 mm;不结瘤情况下钢液波动较平稳,最大波动差为1.4 mm。

倒角结晶器由于边角部坯壳温度及厚度与正常直角结晶器区别较大,在线热态调宽过程中,相比于直角结晶器存在更大的风险。通过倒角结晶器角部夹钢的控制、加强板坯窄面的冷却和支撑及调宽模式优化等方面来解决。

中间包渣面结壳不仅恶化中间包冶金效果,还阻碍国内某钢厂智慧连铸工作的推进。为了解决中间包渣面结壳问题,分析钢水温度、中间包渣成分、熔点以及连浇炉数对渣面结壳的影响规律。结果表明,渣层厚度和保温剂的保温效果是中间包渣面结壳主要影响因素。浇注初期,上层覆盖剂保温效果差,中间包渣面熔化成液态。随着连浇炉数增加,渣层热阻增大,中间包渣面重新凝固发生结壳问题。因此,为了改善中间包渣面结壳问题,采用低比重碳化稻壳替代碳化稻球作为保温剂,改善上层覆盖剂的保温效果、阻止浇注初期渣面熔化。现场实施后,一连铸和二连铸中间包渣面结壳率分别从47.3%和35.3%下降到15.0%和10.7%。

对采用转炉-精炼-连铸（全水型连铸机）工艺路线生产出的高强度螺纹HRB600（E）钢铸坯角部横裂纹进行了研究。结果表明：HRB600（E）铸坯角部横裂纹形成于结晶器。研究认为采用弱冷方式、控制浇铸速度、选用合理保护渣、合理二冷分配比等方式可有效解决铸坯角部横裂纹。工艺优化后铸坯角部横裂纹基本消除,且轧材无翘皮、结疤等质量缺陷。

09CrCuSb钢以其优异的耐硫酸露点腐蚀性能在省煤器、热交换器等设备的制造中广泛应用,但09CrCuSb钢在连铸过程中极易出现表面裂纹,从而严重影响成材率,成为亟待解决的问题。通过金相显微镜及扫描电子显微镜分析明确了原工艺参数条件下裂纹缺陷产生的原因为铸坯表层晶界上Cu及先共析铁素体的析出。通过将结晶器水量从2 166.67 L/min提高至2 666.67 L/min,结晶器电磁搅拌电流从400 A提高至450 A,二冷比水量从1.10 L/kg提高至1.20 L/kg,拉速从2.5 m/min提高至3.2 m/min,并在进出拉矫机范围内施加保温装置,有效抑制了铸坯表层晶界Cu及先共析铁素体的析出,铸坯表面质量优异,轧制圆钢磁粉探伤合格率从19.19%提高至99.07%。09CrCuSb钢方坯裂纹控制的开发实践为同系列低碳含Cu钢的铸坯裂纹控制提供了新思路。

为了控制Q195钢中非金属夹杂物在凝固冷却过程的转变,采用ASPEX自动扫描电镜研究了实际生产凝固冷却过程夹杂物的转变,并用FactSage软件理论计算了这一过程夹杂物转变的热力学原理。研究结果表明：Si-Mn-Al复合脱氧Q195热轧带钢中间包内夹杂物主要成分为SiO₂-MnO-Al₂O₃,连铸坯中硫化物夹杂含量急剧升高,氧化物夹杂中SiO₂含量升高,MnO含量下降。钢中夹杂物成分与尺寸有明显对应关系,中间包内夹杂物尺寸越大,Al₂O₃含量越多,SiO₂含量越低;铸坯中夹杂物尺寸越小,MnS含量越高,氧化物夹杂尺寸越小,SiO₂含量越高。FactSage热力学计算表明,在钢凝固冷却过程,钢中会析出SiO₂相、Mn₂Al₄Si₅O₁₈相和MnS相,析出相尺寸一般较小,使小尺寸夹杂物中SiO₂和MnS含量升高,热力学理论计算可以较好地解释夹杂物成分在凝固冷却过程的转变。

中间包是钢水凝固之前的最后一个耐火材料容器,是由间歇操作转向连续操作的衔接点,也是连铸的起点,在连铸过程中起着缓冲、减压、分流、连浇、净化和保护钢液、改善凝固组织、促进钢液均匀性等作用。伴随着高品质钢对洁净度和质量要求的提升,中间包冶金的功能越来越重要,中间包冶金技术的发展正是围绕着不断拓展和完善中间包冶金功能展开的,其核心目标是完成对凝固前钢液的充分净化,实现连铸的恒温、低过热度浇注。综述总结了中间包冶金功能实现的技术途径和发展趋势。

简单介绍了DANIELI连铸机扇形段液压控制的原理和故障诊断,对液压控制系统的日常维护和改造都具有指导意义。通过对每个扇形段的入口和出口的辊缝进行控制,实现了轻压下的控制。

齿轮钢宏观碳偏析会加重带状级别,影响齿轮热处理变形。最根本解决方法是控制连铸坯碳偏析,在合适的连铸工艺拉速下采用优化结晶器电磁搅拌参数、动态末端电磁搅拌、控制钢水过热度及优化二冷配水的技术手段改善了连铸坯截面碳偏析指数及碳极差。实践结果表明,选择合适的连铸工艺参数及动态末搅技术能够大幅度提升铸坯内部质量,降低齿轮钢SAE8620H宏观碳偏析,达到9点碳极差不高于0.025%、碳偏析指数为0.95~1.05的水平,有效降低了齿轮钢带状级别。同时,轧制圆钢加工成齿轮后热处理变形量小、变形趋势好,产品质量得到了客户的认可。

钢包长水口插入中间包钢水中浸入式开浇是连铸工艺实现杜绝钢水二次氧化、提高钢水质量的重要手段,然而,浸入式开浇容易导致长水口碗部发生返钢。针对此问题,通过现场跟踪分析,从设备精度和工艺操作两方面总结了其发生的具体原因。分析结果表明,钢包长水口浸入式开浇返钢与工艺操作方法、机械手精度以及托圈精度有关。通过改进戴长水口操作方式、改造机械手与托圈、规范浸入式深度等措施,钢包长水口返钢发生率由0.2%降低至0,全钢种增氮不高于0.000 3%的合格率由94%提高至98%。

精准预测连铸坯裂纹、中心偏析等缺陷并在连铸坯下线清理与热装热送间做出决策对于稳定连铸生产、提高连铸坯质量具有重要意义。然而,实际生产中影响连铸坯质量的因素众多,连铸生产存在着不可预见的扰动性,且生产参数间具有较强的非线性和耦合性,这使得连铸坯裂纹、中心偏析等缺陷的精准预测极具挑战。随着连铸自动化和计算机技术的不断发展,人工智能逐渐得到重视,其中机器学习因其强大的非线性逼近能力而逐步应用于连铸生产。本文着重从机器学习、专家系统方面总结了国内外在连铸坯质量预测、诊断方面的研究进展,分析比较了各类方法的优缺点,并对连铸坯质量预测进行了展望。

圆坯广泛用于风力发电、石油化工和机械制造等领域,然而夹杂物问题是大圆坯连铸的瓶颈,制约了大圆坯产品质量的进一步提高。为了提升夹杂物去除率,提出了一种三孔旋流水口,基于大涡模拟方法建立了圆坯结晶器三维瞬态数学模型,采用VOF方法描述渣-金界面的波动情况,研究了浸入式水口结构对结晶器流场的影响。研究结果发现,在使用旋流水口的情况下,结晶器上部存在许多不同尺度的漩涡,流场分布较为均匀,渣-金界面处波动平稳,速度在0.1 m/s左右。然而,在采用直通水口的情况下,结晶器上部流场速度很小,渣-金界面波动基本停滞,不利于化渣。此外,由于直通式水口射流深度较深,夹杂物不易上浮,夹杂物去除率只有2.05%。旋流水口射流深度较浅,在钢液中形成的环形流动可以有效地促进夹杂物上浮至渣-金界面,因此夹杂物去除率较高,达到了10.52%。综上,三孔旋流水口改善了钢液流动状态,活跃了渣-金界面,有利于净化钢液,对大圆坯生产具有一定借鉴意义。

研究分析连铸普钢高效化的生产工艺，得出高效化连铸面临的主要问题为漏钢、铸坯内部缺陷和脱方。采用改善点状高效结晶器和高拉速保护渣、优化二冷比配水、降低钢水过热度和拉矫机压力的措施，提高了160 mm×160 mm小方坯连铸拉速，最高拉速从3.2 m/min提高到3.7 m/min。铸坯漏钢、内部质量和脱方也得到较好的控制。

高拉速是小方坯连铸机螺纹钢实现低成本且绿色化生产的必要条件,是连铸整体技术进步的体现。福建三钢二炼钢3号小方坯连铸机经高效化改造,160 mm×160 mm断面螺纹钢拉速达到6.0 m/min的能力,生产过程拉速提高到4.1 m/min时发生漏钢以及铸坯拉断事故。综合采用调研及追溯等手段分析引起漏钢事故的机理及影响因素,发现结晶器振动工艺、浸入式水口插入深度及保护渣性能参数是引起漏钢的主要因素,从机理和模型角度研究了3个因素对漏钢定性和定量化影响规律。结果表明,在结晶器均匀强冷已实现条件下结晶器润滑状态对高拉速的稳定生产有决定性影响,合适的振动工艺是其限制性因素。采用优化后的结晶器振动工艺(脱模平均速率大于20 mm/s)、保护渣(碱度0.9、熔点1 020 ℃、黏度0.23 Pa·s)以及浸入式水口插入深度(120 mm),160 mm×160 mm断面小方坯螺纹钢拉速从4.1 m/min最终提高到6 m/min且未发生漏钢事故。

基于德龙公司钛微合金钢DL350铸坯中心裂纹、三角区裂纹和产品伸长率不足的问题。通过二冷配水优化制度结合冶金限制准则建立了铸坯传热模型,进行了二冷配水优化的研究;采用ANSYS仿真模拟0.9~1.2 m/min下不同比水量铸坯的温度。结果表明,模拟和试验能够良好吻合,并且优化比水量后的铸坯质量得到了提升,依据拉速关联配水法得出了不同拉速下0.9、1.0、1.1、1.2 m/min最适宜的比水量分别为0.68、0.73、0.77、0.80 L/kg。在生产上也验证了模拟的正确性,从优化后生产铸坯的低倍形貌来看,铸坯缺陷明显消除,铸坯的表面及内部质量均满足轧制等工艺需要,最终提升了产品的伸长率,满足了生产需要。

在高拉速的薄板坯连铸过程中,增加等轴晶率对提升连铸坯凝固质量的提升至关重要。采用三相凝固模型对三维全尺寸薄板坯连铸过程中的流动模式和等轴晶率进行数值预测,分析了二冷区电磁搅拌换向周期对薄板坯中心等轴晶率的影响。研究结果表明,高温钢液在漏斗型结晶器内迅速凝固,结晶器出口处的铸坯凝固率达37%。当采用恒定方向电磁搅拌时,熔池内部形成上下两个环流,两者被中间聚集的过热钢液分隔,上环流核心区钢液处于过冷状态。当采用换向电磁搅拌后,二冷区会形成四涡甚至五涡的流动模式。随着换向周期的增加,等轴晶率先增加后降低,换向周期为16 s时对等轴晶率提升最明显,相较于恒定方向搅拌提升了17%,并且等轴晶相分布更加均匀。

为充分考虑过滤器和稳流器对高压除鳞喷嘴内部流场的影响,利用CFD对全尺寸除鳞喷嘴进行数值建模并对内部流场特性进行研究。分析喷嘴结构以及入口压力对喷嘴内部流场特性的影响,揭示中轴线流场分布特征,阐明出口速度与入口压力之间的数学关系。结果表明,与简化模型相比,全尺寸模型的内部压力较低,二者之间存在(2~4)×10⁵Pa的偏差;对于全尺寸模型,喷嘴内部压力衰减主要发生在收缩段末端以及喷头出口处,其中当水流经过滤器与稳流器时压力衰减约为0.6 MPa;对于相同工况下不同区域,喷头部分的速度变化远大于过滤器与收缩段部分;随着入口压力的增加,内部流场压力衰减逐渐增大,同时整个内部流场的速度也相应增大,且压力越大,速度变化越明显,即喷嘴入口压力与出口速度满足正相关。

对某厂铝脱氧含硫QC40钢的结瘤现象进行了分析研究,取样分析了浸入式水口内壁的结瘤物,并对棒材夹杂物进行了分析。经扫描电镜及能谱分析发现结瘤物分为两层结构,靠近水口内壁层的结瘤物主要是MgO·Al₂O₃、高熔点CaO-Al₂O₃和低熔点CaO-Al₂O₃;第二层的结瘤物主要是MgO·Al₂O₃、高熔点CaO-Al₂O₃和CaS。棒材中的夹杂物主要为MgO·Al₂O₃、高熔点CaO-Al₂O₃和CaS夹杂物。分析认为出现这种结瘤现象的原因是CaS属于高熔点夹杂物,但其和钢水的润湿角为87°（小于90°）,属于和钢水润湿性较好的夹杂物,而MgO·Al₂O₃和高熔点CaO- Al₂O₃与钢水的接触角均大于90°,属于高熔点且与钢水润湿性差的夹杂物,因此出现了CaS夹杂物仅能在第二层结瘤的现象。利用FactSage软件对铝脱氧含硫钢的钙处理工艺进行了理论优化,认为通过优化钙处理工艺,减少二次氧化等措施,能够减少乃至杜绝浸入式水口的结瘤行为。

为研究27SiMn钢中非金属夹杂物的生成及演变规律,对某钢厂生产现状进行系统分析。通过工业试验探究“LF进站→钙处理前→软吹后→中间包→铸坯”各阶段夹杂物演变行为,并针对27SiMn钢钙处理现状,应用热力学计算了钙处理钢液中的Al-Ca平衡反应。结果表明,钙处理前夹杂物以CaO-MgO-Al₂O₃三元系夹杂物为主,Al₂O₃质量分数约为67%;软吹后,在CaO-MgO-Al₂O₃系三元相图中,Al₂O₃质量分数减少了约35%,夹杂物成分平均向CaO质量分数高的一侧移动。在CaS-CaO-Al₂O₃系三元相图中,由于夹杂物成分内含有较高的CaS质量分数,约为21%,夹杂物成分也未进入液相区域;铸坯工序,夹杂物多数转变为球状CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂复合夹杂,且观察到大量CaS夹杂物。经热力学分析,在1 873 K下,钢中w([Al])=0.022%时,w([Ca])控制在0.001 3%~0.003 5%之间,处在利于生成12CaO·7Al₂O₃区域,可提高对夹杂物液态改性效果;同时,为防止钢液内纯CaS夹杂物析出,w([S])应控制在0.004 8%以下。

全新的枝晶腐蚀低倍检验技术对钢坯试样的表面粗糙度和制备效率提出了更高要求。采用砂带机制备钢坯试样,考察使用不同粒数砂带时的精磨加工用时和表面粗糙度的变化规律,以此确定采用砂带磨削制备钢坯试样的最优方法。结果显示,对于表面凹凸不平、条件恶劣的钢坯试样,使用700 μm(24目)砂带能够快速去除氧化层,并获得光滑平整待检面,达到与铣床相同的加工效果。使用120 μm (120目)砂带开始对表面平整的待检面精磨,前后2次砂带的打磨方向保持垂直。随着砂带粒数减小,待检面粗糙度逐渐减低,在经6.5 μm (2 000目)砂带精磨后,横、纵向表面粗糙度均小于0.1 μm,满足枝晶腐蚀检测要求。在精磨待检面时,需要在使用起始粒数和低于23 μm (600目)砂带打磨更长时间,以保证对待检面的精磨效果。因此,采用砂带磨削能够高效地完成枝晶腐蚀检验的试样制备工作。

针对电液伺服驱动的结晶器非正弦振动装置系统复杂、设备昂贵、维护费用高等问题,提出一种伺服电机-偏心轴-连杆驱动的结晶器非正弦振动技术。首先,阐述了伺服电机-偏心-连杆驱动实现结晶器非正弦振动的原理;其次,给出了实现结晶器非正弦振动时伺服电机转动规律的推导方法,并针对具体的非正弦振动波形函数,推导了伺服电机的转动规律表达式;最后,在实验室的试验样机上进行振动试验,结果表明,采用伺服电机-偏心-连杆驱动系统,能够准确地实现结晶器非正弦振动波形,设备运行平稳。本研究提出的结晶器非正弦振动技术可以大幅度降低设备成本和维修费用、延长设备维修周期,提高设备稳定性,有助于提高铸坯质量及拉坯速度,具有很大的推广价值。

针对非稳态连铸冷却强度异常易导致铸坯质量缺陷的问题,从系统冷却角度提出一种改进的遗传算法对连铸拉速、冷却水等工艺进行协同优化。基于国内某钢厂3个月的工业连铸数据分析发现,开浇、终浇、换中间包、换水口等非稳态连铸由于拉速与冷却水协同不好导致冷却强度不足,影响铸坯质量与连铸效率。建立过程冷却强度优化模型,从优化目标、选择算子等方面对遗传算法进行改进,在生成可行解的同时提高模型收敛速度与优化能力。结果表明,模型优化方案符合现场工艺规则,通过适当提高二冷水量,非稳态连铸系统热量释放平均由45.87%提升至49.05%,处于合理区间内。该优化方法可为连铸系统生产管控提供指导。

针对直径为ø650 mm的20CrMnTiH齿轮钢大圆坯质量不稳定问题,通过对比结晶器电磁搅拌、二冷比水量等参数,取样分析连铸工艺参数对铸坯低倍组织、碳偏析量的影响。结果表明,结晶器电磁搅拌强度200 A/1.5 Hz、二冷比水量37/26(0.101 L/kg)条件下的铸坯中心等轴晶率较高,且碳元素分布更均匀,碳极差为0.01%,因此,采用该参数可以保持较高的齿轮钢20CrMnTiH的铸坯中心等轴晶率并降低宏观偏析波动的情况。

高温铸坯是保证连铸坯实现直接轧制的先决条件。通过分析拉坯速度、冷却制度、连铸坯断面尺寸、连铸坯定尺、切割方式、保温罩及铸坯直送辊道速度等因素对连铸坯温度的影响,确定了获取高温铸坯的合理的连铸机工艺设计方案及过程参数控制要求。

对某厂产品中发现的含ZrO₂类Ds夹杂物Ds类夹杂物来源进行了系统性的分析和研究,研究结果表明含ZrO₂类Ds夹杂物产生的直接原因在于含Zr浸入式水口发生脱碳,脱碳通道内CaO-Al₂O₃-SiO₂（-MgO）相中的SiO₂将被钢液中的Al还原,最终成为CaO-Al₂O₃（-MgO）相,ZrO₂仅起到了类似示踪剂的作用。

为了研究出脱方和表面裂纹对铸坯质量的影响情况,通过理论及生产实践,采用了改善保护渣与钢种的匹配情况、调节结晶器水缝间距和优化二冷工序的方法,并比较了不同大R角铜管对表面裂纹的影响,优化设计了结晶器,从而抑制铸坯脱方和表面裂纹。结果表明,在进行大R角铜管对220方坯表面质量优化实践中,合理控制脱方诱因以及有效控制铸坯表面裂纹可以稳定提升铸坯质量。