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。

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。

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。

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。

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。

金属包覆材料多辊固-液铸轧复合工艺兼具多辊轧制技术与铸轧复合技术双重优势,有望实现高效率、短流程、低能耗的连续近终成形与界面冶金结合。多辊固-液铸轧复合设备的结晶器担负着水冷和轧制的双重作用,直接影响覆层金属的凝固和变形行为,通过设计孔型铸轧辊结构方案,基于FLUENT软件建立孔型铸轧辊稳态温度场分析模型,研究结构参数和工艺参数对温度分布的影响规律。结果表明,非冷却区宽度对孔型铸轧辊冷却能力影响较小,参数设计时以满足铸轧辊强度要求为准,而提高冷却区宽度、对流换热系数和降低冷却水温度有利于提高孔型铸轧辊冷却能力。基于数值模拟结果获得优化结构参数,辊套名义直径为250 mm、内径为180 mm、宽度为50 mm,孔型直径为25 mm,冷却区宽度为25 mm,完成金属包覆材料多辊固-液铸轧复合原理样机设计制造,为后续开展试验研究奠定了平台基础。

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%。

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。

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。

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。

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。

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%。