在全球能源转型与“双碳”目标驱动下,绿色低碳连铸技术成为钢铁工业减排核心路径。本文系统评述电磁冶金、近终形连铸连轧(ESP、MCCR)、余热回收、高拉速连铸等关键技术,揭示了其通过凝固调控、短流程集成、智能调度及氢能替代等机制实现节能降碳的潜力。结果表明:这些技术的集成应用可显著降低连铸工序的能耗与碳排放,推动钢铁工业向高效化、智能化、绿色化方向发展。未来,需深度融合数字化、氢能替代与循环技术,突破规模化应用瓶颈,为钢铁工业低碳转型提供理论支撑与技术解决方案。

连铸是钢铁生产的关键环节,其二次冷却区(二冷区)的冷却效果直接影响铸坯质量,二冷区冷却热流密度是合理设计二冷配水的重要基础数据。本研究针对连铸二冷涉及的高温、高热流条件,基于稳态测量热流方法开发了一套连铸二冷射流冷却铸坯传热实验装置,可用于测量900~1 200 ℃高温表面射流冷却时的热流密度。实验过程中,采用气雾射流对高温钢铁材料表面进行冲击冷却,冷却对象为直径 10 mm、厚度 2.5 mm 的试件,以感应加热作为内热源使其处于高温状态;PID控制器调节高频发生器的输出功率以平衡冷却对象射流冷却带走的热量,使试件维持在设定的温度。测量维持冷却对象温度时感应加热器的电参数,利用感应加热数学模型计算获得射流冷却试件表面散热的热流密度。结果表明,该设备能够实现高温铸坯表面连铸二冷气雾射流冷却热流密度的测量,在射流区域内部冷却热流密度分布呈现中心高、边缘低的趋势;喷嘴在气压为0.3 MPa、水压为0.8 MPa 条件下,对表面温度为1 200 ℃的试件进行射流冷却时,热流密度可达 4.78 MW/m²;射流冷却热流密度随冷却表面温度增加的并不显著。

快速准确地判断不同工艺参数下结晶器弯月面流速,对预防卷渣的发生具有重要意义。高效连铸的核心是提高拉速,而对于高温、多物理场交互耦合作用的连铸过程,实时直接测量结晶器内流速场极为困难。以连铸数智化转型和高效绿色发展为驱动,本文建立了结晶器熔体流动与水口吹氩耦合数值模型,依据对弯月面区域熔体流动的精确数值模拟,提出了基于液位高度差的结晶器弯月面最大流速预测的拟合公式。此外,为了实现在线预测弯月面流速的目标,尝试将24种不同工艺参数下仿真实验结果作为数据集,基于遗传算法,支持向量机和数值模拟提出了一种构建实时弯月面流速场预测模型的新方法GA-SVM。模型训练完成后,GA-SVM可以直接根据拉速、吹氩量和水口浸入深度预测弯月面流速场,在快速得到流速分布特征的同时避免复杂的数值模拟计算。通过误差图评价了模型预测精度,GA-SVM模型的R²达到0.93。GA-SVM具有较高预测精度,可作为板坯连铸弯月面流速场数字孪生的代理模型,在快速得到弯月面流速分布特征的同时避免了复杂的数值模拟,是面向连铸结晶器数字孪生建模的一条有效途径。

以某钢厂大方坯(325 mm×280 mm)连铸生产过程中轻压下工艺为研究对象,建立平辊、凸辊、直角坯和倒角坯不同组合模式下的压下模型,通过数值模拟研究铸坯表面等效应变分布和厚度方向上应变传递效率,结合工业试验探明不同轻压下工艺对铸坯芯部质量的改善效果。结果表明:凸辊可优化铸坯表面应变分布,降低铸坯角部应变大小,优化铸坯角部受力,减少裂纹发生;压下应变在厚度方向传递效率倒角铸坯要优于直角铸坯,可从13.3%～14.7%提升至43.2%～50%;凸辊在应变传递效率上优于平辊,直角坯可从13.3%提升至14.7%,倒角坯可从43.2%提升至50%;工业试验结果显示,平辊+倒角坯的组合对芯部质量改善效果显著,且铸坯的倒角方法对于坯料宏观偏析的改善效果,较凸辊压下方法更为突出。

中间包浇注过程中,夹杂物去除率是衡量中间包流场优化效果的关键指标。水模拟和数值模拟在模拟夹杂物迁移去除时分别存在操作误差显著、颗粒流模型复杂和算力成本高等问题,是制约中间包流场优化结构确定的瓶颈。为快速准确预测不同结构中间包的流场优化效果,本文基于BP神经网络的中间包夹杂物去除率预测模型,通过学习抓取不同中间包流动特征参数间的特征规律以预测不同粒径夹杂物去除率。由网格搜索算法寻优发现,当隐藏层节点数目n=13,学习率η=0.08时,模型测试集均方根损失函数值达到最小;采用遗传、粒子群优化、模拟退火等3种算法对权值和偏置进行优化,发现PSO-BP模型优化效果最佳,平均命中率达92.29%。为进一步验证预测模型的生产实用性,与水模型及数学模型组合,模型在5%强度的高斯噪声下预测结果与实验结果吻合良好。

利用光学显微镜、扫描电子显微镜和电子探针对SWRH82B同一批次下的铸坯和线材进行研究,以揭示连铸坯铸态组织对后续流程生产的热轧线材组织的影响。连铸坯距铸坯表面4 mm以内为表层细晶区,4~57 mm为柱状晶区,其余为中心等轴晶区,中心等轴晶区面积占比约9%,疏松位于中心等轴晶区和柱状晶与等轴晶交界处,疏松面积占比15%,级别为1级,通过电子探针发现中心等轴晶区和柱状晶区均存在不同程度的C、P、S、Cr、Mn正偏析。盘条纵截面可以观察到带状组织,主要集中在中心,从中心向表面带宽和数量逐渐减少,在距两边分别为3.5 mm和4 mm位置处开始消失,带状组织仍为索氏体组织,只是片层间距较基体更加细小。带状组织在线材上出现的范围对应于铸坯整个等轴晶区及与之近邻柱状晶区的部分区域,发现带状组织区域存在C负偏析和不同程度的P、S、Cr、Mn正偏析,除C外带状组织元素偏析的规律与铸坯中对应位置处相似,盘条各元素的偏析程度较铸坯有不同程度的减轻。

为阐明耐磨钢凝固过程中两相区溶质再分配规律,本文综合考虑钢凝固过程中包晶转变、夹杂物析出与枝晶粗化的影响,建立了耐磨钢凝固过程中溶质微观偏析模型,分析了钢中元素含量和冷却速率对耐磨钢凝固过程中溶质微观偏析行为、MnS夹杂物析出和凝固前沿特征温度的影响。结果表明:P、S元素在耐磨钢凝固过程中偏析严重;C 含量对耐磨钢中溶质元素的微观偏析影响显著,而S和Mn含量的影响则不明显;耐磨钢中溶质元素的微观偏析程度随固相率变化而受冷却速率的影响不同;同时,C、Mn、S含量及冷却速率均会改变MnS 夹杂物的析出量。C和Mn含量的增加使零强度温度和零塑性温度均随之降低;随着S元素含量和冷却速率增加,零塑性温度降低,零强度温度变化较小。

采用光学显微镜、扫描电子显微镜、REMAGRAPHC-500软磁直流测量装置等研究了退火工艺对00Cr13Si2Cu2Al钢组织和性能的影响。结果表明:不同退火工艺处理后,空冷工艺和炉冷工艺的显微组织表现出明显差异。在退火温度为700~800 ℃时,2号试验钢2种不同退火工艺均能获得较好的力学性能和磁性能匹配。综合考虑,在800 ℃×3 h退火条件下,炉冷工艺的强度和磁通密度要优于空冷工艺,抗拉强度为559 MPa、屈服强度为411 MPa、B_{2 000}为1.29 T、B_{5 000}为1.43 T、B_{10 000}为1.54 T。

本研究主要探讨了结晶器电磁搅拌对IF钢铸坯夹杂物的影响。结果表明,结晶器电磁搅拌对IF钢铸坯夹杂物类型无明显影响,主要夹杂物类型包括不规则形状及簇群状的Al₂O₃系、Al₂O₃-Ti₂O₃系、Al₂O₃-TiN系以及多边形Al₂O₃-Ti₂O₃-TiN系夹杂物和纯TiN系夹杂物。在夹杂物尺寸方面,IF钢铸坯夹杂物尺寸主要集中在1~10 μm,且结晶器电磁搅拌有助于使夹杂物趋于小型化,其中尺寸小于2.5 μm的显微夹杂物比例由52.48%增加到58.66%,而5~10 μm夹杂物比例则相应降低。此外,结晶器电磁搅拌在降低铸坯表面及皮下夹杂物方面效果显著。在电磁搅拌工况下,夹杂物数量密度为1.5~9.3个/mm²,相较于无搅拌工况下的4.4~15.6个/mm²,数量密度明显降低。无论是否进行电磁搅拌,铸坯夹杂物在铸坯厚度方向上的分布趋势一致,即随着距板坯表面距离的增加,非金属夹杂物数量密度显著增加。本研究为理解结晶器电磁搅拌在高等级汽车板生产中的作用提供了重要依据。

针对合金结构钢42CrMoA热轧棒材径向1/4R~1/2R(半径)偏析问题,本文系统地阐明其形成机理并提出改善措施,并通过工业生产进行验证,最终形成明确的轧材偏析控制方法。结果表明,轧材偏析遗传自铸坯CET区(柱状晶向等轴晶转变)偏析,其主要由CET区生长无序化阻碍溶质扩散及电磁搅拌和铸坯回温诱导的空穴抽吸效应共同导致。将结晶器电磁搅拌(M-EMS)电流从400 A降至200 A,并采用低过热,轧材横断面碳元素标准差由0.024降至0.018,碳极差由0.073降至0.05,偏析指数由1.090降至1.057,显著提升了成分均匀性;调控M-EMS强度对改善偏析效果更为显著;最终,适合的42CrMoA轧棒偏析控制方法为:M-EMS电流约为200 A、过热度约为30 ℃。

为找出800 MPa级水电钢板探伤合格率低且不稳定的原因,本研究对轧制后探伤不合的钢板进行取样,并通过光学显微镜、扫描电镜、能谱仪进行检测。研究表明,钢板内部裂纹是探伤不合的直接原因,裂纹的长度随着钢板中B类夹杂物级别的升高而增加,浇次头、尾罐连铸坯轧制的钢板出现裂纹的长度是中间罐次的2倍;探伤不合的钢板内部出现较严重的P、S以及微合金元素偏析富集现象。在此基础上,对800 MPa级水电钢的冶炼工艺及钢种成分进行优化控制,使钢板探伤合格率由95.6%提升至98.6%,波动区间由92.5%~98.8%稳定至96.8%~99.5%。

连铸生产宽厚比大于10的板坯包晶钢时,连铸坯表面纵裂纹比率相较于常规板坯显著上升,成为制约产品质量的核心难题。本文针对结晶器冷却水量、结晶器冷却水温度、结晶器锥度、结晶器保护渣和浸入式水口型式等关键工艺控制点开展了系统分析与研究,并在此基础上实施了针对性工艺改进措施。实践结果表明:将结晶器冷却水进水温控制在33~38 ℃、结晶器宽边铜板水缝流速为6.23 m/s、结晶器锥度控制在1.10%~1.15%,同时采用高碱度保护渣和凸底型浸入式水口,使高宽厚比板坯包晶钢铸坯表面纵裂纹发生率从13%降低至0.38%,铸坯表面纵裂得到了有效控制。

针对典型低合金钢(P280VK和590DP)冷轧边部起皮缺陷,通过金相和电镜检测,结合析出相热力学计算和连铸坯温度仿真模拟,明确了冷轧起皮缺陷产生的原因。通过金相分析、SEM-EDS检测发现缺陷具有沿晶氧化特征,溯源为连铸坯角部微裂纹遗传所致。基于FactSage热力学计算和连铸温度场仿真,揭示了LF脱硫增氮促使AlN在铸坯角部优先析出的机制,矫直区角部温度处于AlN大量析出温度区间,形成晶界脆性导致微裂纹萌生;热轧阶段AlN析出量低于0.01%(质量分数)时延缓裂纹扩展,冷轧时AlN完全析出促使裂纹失稳扩展形成起皮缺陷。提出控制成品氮含量(P280VK成品氮质量分数低于34×10^-6、590DP成品氮质量分数低于35 ×10^-6)以及高氮铸坯下线倒角的技术措施,冷轧低合金钢边部起皮率从1%以上降低至0.22%以下。

针对连铸钢包浇注末期因科氏力诱发钢水下渣导致汽车面板夹杂缺陷的问题,本文通过建立基于k-ε湍流模型与VOF多相流耦合的数值模拟方法,系统研究了钢包浇注过程中钢水下渣的动态行为及其影响因素。研究表明,钢水下渣过程可分为初始凹陷、锥形旋涡形成、湍流卷吸、爆发性下渣4个阶段,其中通钢量是影响临界下渣液面高度的核心因素,其与临界液面高度呈显著正相关,而钢包包龄、渣层厚度及钢渣黏度影响可忽略。基于此,本文构建了融合通钢量、拉速、包龄等多参数的钢包临界剩钢预测模型,并提出临界剩钢量计算方程,其预测误差小于3%。进一步开发了智能化剩钢控制预警系统,通过实时采集工艺参数实现下渣前精准预警。工业应用表明,该系统使钢包剩钢量减少2 t/包以上,下渣率降至0.5%,夹杂缺陷发生率降低0.1%,显著提升了汽车面板钢的纯净度与表面质量,同时降低了生产成本,经济效益显著。

将用后中间包镁质涂料回收后经加工处理制成轻烧镁球,研究了用后中间包镁质涂料的再生利用技术。通过对制成的轻烧镁球的性能检测分析以及实验室试验和现场试验表明:用后中间包镁质涂料未烧结部分经回收、加工处理后制成轻烧镁球,其理化性能符合转炉炉料指标要求,形成的炉渣中MgO含量比白云石配镁造渣形成的炉渣要高,炉渣碱度也略高。制成的轻烧镁球可向炉渣中提供更多的MgO,配镁造渣效果较好,完全可以代替轻烧白云石等作为转炉终渣改质剂用于转炉配镁造渣工艺和溅渣护炉工艺,能够充分抑制炉衬中的MgO向炉渣中溶解扩散,起到保护炉衬的作用。另外,用后中间包镁质涂料制成的轻烧镁球成渣速度快,与白云石造渣工艺相比成渣速度约提前1～2 min。用后中间包镁质涂料作为炉料在转炉炼钢中具有较高的再生利用价值。