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。

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。

为提高大线能量焊接用钢母材的强韧性,基于氧化物冶金技术将微合金化应用于船板钢DH36的开发,探究微合金化对铸坯凝固组织改善的机理及工艺优化措施。通过建立凝固传热及组织数学模型,研究微合金元素与工艺参数对凝固组织细化的影响,利用真空感应炉冶炼试验钢并使用金相显微镜观察试验钢显微组织验证模拟结果。研究结果表明,Mo质量分数为0.040%~0.050%细化效果明显;Nb质量分数从0.030%增加到0.040%过程,凝固组织细化效果较好;Mg质量分数在0.002%~0.003%内增加细化效果明显;V含量增加对凝固组织的影响较小;Ti质量分数在0.015%~0.016%范围更有利于晶粒细化。过热度适当减小有利于组织细化,低拉速更有利于铸坯质量提高。在生产2 400 mm×400 mm断面船板钢DH36铸坯时,为获得优良的钢液凝固组织及细化晶粒,根据本研究应采用的最佳工艺参数为:拉速为0.58~0.60 m/min、过热度为25 ℃、Mo质量分数为0.050%、Nb质量分数为0.040%、Mg质量分数为0.003 0%、V质量分数为0.003 5%、Ti质量分数为0.015%。结果显示,此工艺条件下凝固组织的等轴晶区域较常规合金含量铸坯提高11个百分点,优化率为35%,晶粒细化效果显著。在试验和计算分析基础上,提出的改善铸坯母材性能的微合金添加含量范围及工艺参数优化措施,可为大线能量焊接船板钢连铸过程工艺优化提供可靠的理论指导。

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。

为了研究电磁参数和拉坯速度对氩气泡分布和运动、结晶器上液面钢液流速和湍动能的影响,采用数值模拟方法对独立可调式组合电磁制动(FAC-EMBr)结晶器内的吹氩行为进行研究,并且与全幅一段式电磁制动(EMBr Ruler)作用下的结果进行了对比分析。结果表明,FAC-EMBr作用下,立式磁极线圈电流强度I_V的增加可显著降低氩气泡在上回流区的速度,并改变氩气泡的运动轨迹,使其在浸入式水口附近的上液面均匀溢出。EMBr Ruler作用下,大量氩气泡随着钢液在上回流区运动并集中在浸入式水口附近溢出,容易导致高温钢液裸露而出现二次氧化现象。与施加EMBr Ruler相比,随着拉坯速度的增加,FAC-EMBr结晶器内上液面处钢液流速和湍动能显著降低,有利于稳定钢/渣界面波动和由于流速过大而造成的卷渣;EMBr Ruler作用下,虽然可以相对减少下回流气泡数量,但是很难抑制上回流气泡速度和控制氩气泡的溢出位置。

为研究轴承钢GCr15连铸和热轧过程中组织遗传对产品性能的影响,取含Ni轴承钢GCr15连铸坯、热轧中间坯和热轧宽钢带试样,采用金相显微镜、扫描电镜和拉伸试验机等手段,分别研究了边部、1/4处和中部试样的低倍组织、显微组织、晶粒度级别、元素含量和力学性能,并观察了钢带拉伸断口形貌。结果表明,铸坯经轧制到热轧中间坯再到热轧钢带过程存在晶粒大小和显微组织遗传,钢带力学性能受到了遗传的影响。GCr15钢铸坯低倍组织致密,疏松级别为0.5级,无角裂和边裂;电磁搅拌圈痕外组织致密,圈内相对疏松。热轧中间坯和钢带从边部、1/4处到中部组织逐渐粗化、片层状珠光体趋于明显,中间坯晶粒度从2.5级、2.0级到1.5级,钢带晶粒度从12级、11级到10.5级。碳和铬在中间坯中间部位偏聚,中部碳偏析指数相对于均值为1.02,而相对于边部为1.04。钢带边部强度较高,抗拉强度R_m、屈服强度R_p0.2分别高出1/4处和中部约200、250 MPa。钢带不同位置断口都呈现为韧性断裂,1/4处试样的韧性优于边部和中部位置。

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。

合理的连铸二冷工艺制度是改善弹簧钢铸坯质量的关键之一。以某钢厂生产55SiCr弹簧钢150 mm×150 mm小方坯为研究对象,采用现场测温与Procast模拟计算结合的方法,通过建立考虑横向水量分布的凝固传热数学模型,分析了二冷区各段水量对连铸坯纵-横冷却不均匀性的影响,并提出了二冷配水优化方案控制纵-横冷却不均匀性。结果表明,在现行二冷配水方案下,连铸坯纵向温度分布不合理,矫直点处铸坯角部温度为922 ℃,处于55SiCr钢的第三脆性温度区;并且,铸坯在二冷区的表面横向最大温差较大,其值为360 ℃,容易引发角部裂纹和表面裂纹。基于上述研究结果,提出了适宜该钢种的二冷配水新策略及方案,即保持足辊段水量不变,将二冷区比水量由0.80 L/kg降至0.58 L/kg,调节二冷区一段和二段水量配比为3∶2。优化二冷区配水后,二冷区一段和二段铸坯表面中心水量比例分别由7.47%和5.57%增至14.48%和13.02%,角部水量比例分别由3.46%和5.45%减少到0和2.13%,使得矫直点处铸坯的角部温度提高到997 ℃,避开了第三脆性温度区,铸坯表面横向最大温差降至209 ℃,有利于降低连铸坯角部裂纹缺陷的发生率。

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。

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。

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。

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。