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。

建立了板坯结晶器内多物理场耦合的瞬态三维数值模型,探究了电磁搅拌对1 500 mm×230 mm板坯结晶器内钢液流动、初始凝固以及钢/渣界面非稳态波动行为的影响。通过对实际生产过程中结晶器内磁场强度和电磁力的测量,验证了电磁搅拌模型的准确性。结果表明,相比于无电磁搅拌条件下,增加电磁搅拌后产生的行波磁场使得结晶器内流场由上部循环流变为水平循环流,钢液在水平方向的流动相应增强,并导致凝固前沿沿着拉坯方向的速度减小以及凝固坯壳的厚度减薄。当电流为500 A时,结晶器出口处凝固坯壳厚度减薄约3 mm。同时,由于上循环流的减弱,钢/渣界面的速度分布更为均匀。随着电流强度的增加,促进了钢液的水平流动,从而导致下循环流速度减小并有效地降低了冲击深度。为定量表征结晶器内钢/渣界面整体波动和流动情况,提出了液面平均波动和速度均匀性的评价标准,并确定了结晶器电磁搅拌参数(电流500 A、频率3.2 Hz)下板坯结晶器液面波动和钢/渣界面钢液流动最佳。

针对国内某生产线基于BOF—RH沸腾出钢真空脱碳铝脱氧工艺生产IF钢汽车板过程中出现的影响产品合格率的线状缺陷(“sliver”)问题开展了系统的溯源分析研究。通过对冶炼—连铸—轧钢全流程进行取样、检测和工艺数据分析,系统评估了炼钢—连铸上游工艺条件对带钢表面“sliver”缺陷的影响因素及作用规律,进一步改进固化了工艺参数。结果表明,IF钢冷轧带钢表面“sliver”缺陷主要来源于钢水中大尺寸的Al、O脱氧产物及含有Si、Ca、Na、Mg等元素的卷渣物被铸坯凝固捕捉,并在带钢轧制过程中延展暴露在产品表面所形成;IF钢转炉出钢温度控制在1 600~1 630 ℃之间,可降低因RH到站温度低采取吹氧加铝升温操作的概率,有效减少制造过程的总铝耗及钢液中Al-O夹杂物的总量;适当延长RH出站至开浇时间并结合钢包底吹氩可充分促进夹杂物的碰撞长大与上浮;采取连铸工序中包过热度控制在20～30 ℃,以降低对上游工序热值要求的压力,进一步加强连铸过程保护浇铸及合理的水口插入深度等措施,可有效促进钢中氧化物的上浮到保护渣中;“sliver”缺陷钢卷对应炉次多处于浇次后期,主要分布在内弧至铸坯中心一侧,采用保证出钢活跃的浸入式水口,水口更换频次不大于6炉及小幅多次调整拉速等措施,可实现结晶器流场和渣-钢界面的稳定控制,有效降低结晶器内卷渣发生的概率。

为探究某厂采用第三代薄板坯连铸连轧技术生产的SPHC热轧板表面线状缺陷的产生原因,对SPHC热轧板取样,使用SEM扫描电子显微镜、EDS能谱仪、大样电解等技术手段,对取样热轧板的缺陷表面及截面进行形貌观察和成分分析,结果表明,缺陷处夹杂物的主要成分为CaO-SiO₂-Al₂O₃-MgO-Na₂O系复合夹杂及Al₂O₃颗粒。认为CaO-SiO₂-Al₂O₃-MgO-Na₂O系复合夹杂是由结晶器卷渣所导致,而Al₂O₃颗粒的产生可能与钢水二次氧化、水口结瘤物脱落产生的大型Al₂O₃未及时上浮去除有关。同时对相同工艺条件下生产的铸坯进行了质量分析,铸坯进行大样电解后发现,铸坯中大型夹杂物主要为CaO-Al₂O₃类夹杂物,且发现提取到的共131个大型夹杂物中,13%的夹杂物主要成分为Ca、Al、Si、Mg、K、Na等,认为该类夹杂物同样是由结晶器卷渣所导致。此外,还有31.8%的大型夹杂物中Nb、Mo、Ni、W等元素含量超过10%,认为这些元素主要来自于废钢或合金,均为连铸工序前的炼钢或精炼工序加入,其含量高的原因可能是发生了钢包下渣。

针对表面质量要求非常严格的高等级汽车板,通过现场工业试验及取样,利用ASPEX系统研究不同类型铸坯在内弧0.5~5.0 mm内大于5 μm夹杂物的粒径、类型、数量密度,同时对机清3 mm与非机清热轧板卷取样进行定量分析与评价。结果表明,不同类型铸坯夹杂物均集中在距内弧表层0.5~3.0 mm内,并随着距离表层的增大,夹杂物数量密度逐渐降低,其中头坯距表面0.5~3.0 mm时夹杂物数量密度由2.25 个/mm²降至1.32 个/mm²,距离表层3.5~5.0 mm范围内夹杂物数量密度趋于平稳为1.25 个/mm²。正常坯距表面0.5~3.0 mm时夹杂物数量密度由0.89 个/mm²降至0.71个/mm²,距离表层3.5~5.0 mm范围内夹杂物数量密度趋于平稳为0.63个/mm²。非机清板卷夹杂物类型与机清板卷夹杂物类型相同,板卷中夹杂物主要为Al₂O₃、TiN和Al₂O₃-TiN复合夹杂,对机清和非机清夹杂物数量对比发现,夹杂物数量密度分别为0.64 个/mm²和0.88 个/mm²。

为探究板坯连铸过程二冷区电磁搅拌与凝固末端电磁搅拌的协同效应,以某厂板坯弧形连铸机为原型,基于有限元法建立三维非稳态电磁场模型,解析行波电磁场的电磁搅拌特性。基于有限体积法建立三维非稳态流动、传热及凝固模型,采用单向耦合方式将时均洛伦兹力添加至动量方程中。通过数值计算阐明不同组合方式的电磁搅拌对连铸过程凝固坯壳生长行为的影响。二冷区电磁搅拌反向模式时,2个搅拌辊产生的磁感应强度方向相反,最大值为0.15 T,钢液受到的洛伦兹力也相反,最大值为15 324 N/m³。钢液呈“8”字形流动,最大流速为0.42 m/s,温度呈对称分布,A处左侧窄面和B处右侧窄面形成的坯壳较薄。二冷区电磁搅拌同向模式时,2个搅拌辊产生的磁感应强度方向相同,最大值为0.22 T,钢液受到的洛伦兹力方向相同,最大值为42 000 N/m³,钢液流动呈现双环流形态,最大流速为0.78 m/s;结晶器出口处左侧的温度较高,A、B两处左侧窄面形成的坯壳较薄。冶金长度约为33.04 m,比反向模式时增加约12%。

现代工业水平的发展对中间包等离子体加热专用覆盖剂的综合性能提出了更为严苛的要求。覆盖剂的基础成分设计直接决定覆盖剂的冶金性能。覆盖剂在兼顾热物性、耐材侵蚀和发泡埋弧效果的同时,应对钢液中夹杂物具有良好的吸附去除效果。基于离子-分子共存理论(IMCT)、及相应的相图和热力学数据,建立了CaO-Al₂O₃-SiO₂-MgO-Fe₂O₃等离子体加热专用覆盖剂中结构单元和离子对的质量作用浓度计算模型以及1 800 K下该渣系的脱硫热力学模型。通过编写MATLAB程序调用函数对结构单元或离子对的质量作用浓度进行求解,得到了渣系中各组元的活度(N_SiO2、N_CaO、N_MgO、N_Al2O3)随渣系中MgO含量增加的变化趋势,并进行工业试验对覆盖剂的实际脱硫效果加以验证。工业试验表明,覆盖剂与等离子体的配套使用使钢液中的硫化夹杂物进一步脱除,钢液洁净度水平提高。理论模型和工业试验结果相互印证良好,结果表明,在MgO质量分数0~12%的范围内,随着MgO含量的增加,脱硫反应的动力学、热力学条件得以改善;渣系的脱硫能力得到大幅提升,这为覆盖剂未来的使用和优化提供了必要的理论依据。

采用横截面观察和酸溶法处理比较了超纯铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢和无间隙原子钢3类含钛铝镇静钢浸入式水口结瘤行为。结果表明,Al₂O₃夹杂物是超纯铁素体不锈钢水口结瘤过渡层的主要夹杂物,钙处理效果不佳引起的MgO·Al₂O₃是诱发水口结瘤层长大的主要因素。钢液与耐火材料反应形成的TiO₂是奥氏体不锈钢过渡层主要夹杂物,钛氮浓度积和钢液洁净度的控制不佳以及TiO₂的快速传热引起氮化钛析出进一步恶化了钢水可浇性。无间隙原子钢过渡层含有大量金属,引起汽车板水口结瘤物的夹杂物主要为Al₂O₃。TiN对超纯铁素体和无间隙原子钢水口结瘤的影响较小。含钛钢液良好的润湿性和含钛氧化物会加速间隙原子钢发生水口结瘤的发生。应结合钢种特性和冶炼装备采取个性化的水口结瘤控制策略。

为了准确模拟结晶器内的传输行为,基于国内某钢厂弧形连铸机大方坯生产,考虑了连铸坯在结晶器下半段及二冷区的弯曲,建立了包括结晶器区、二冷1区和二冷2区的三维弧形连铸模型,研究了拉速、过热度和水口内直径对结晶器内流动、传热、凝固以及偏析等传输行为的影响规律。随着拉速从1.1 m/min增大至1.5 m/min,结晶器内钢液流速显著增加,结晶器出口处的凝固坯壳厚度从15.0 mm降低至11.0 mm,连铸坯皮下负偏析带的最低碳质量分数从0.117%增加至0.119%。随着过热度从10 K增加至50 K,结晶器内钢液流速基本不变,结晶器出口处的凝固坯壳厚度从13.1 mm降低至10.0 mm。连铸坯皮下负偏析带的最低碳质量分数从0.120%降低至0.117%。随着水口内直径从30 mm增加至40 mm,结晶器内钢液流速逐渐降低,结晶器出口处的凝固坯壳厚度从10.9 mm降低至10.2 mm,连铸坯皮下负偏析带的最低碳质量分数从0.119%降低至0.118%。适当增大拉速、降低过热度、使用较细的水口,既可以满足结晶器出口处具有一定的凝固坯壳,又可以改善连铸坯皮下负偏析。

连铸是钢铁生产过程中的一个关键环节,也是连接炼钢和轧钢的中间过程。为了降低连铸板坯号检测模型在实际部署时对计算机算力的要求,在保证连铸板坯号检测模型识别准确度的基础上,对板坯号检测模型进行了轻量化研究。首先,基于AD-PAN特征融合结构的检测算法,引入了MobileNetV3轻量级骨干网络来提取板坯号特征,旨在保持模型轻量化的同时提高图像分类性能。其次,对板坯号检测模型进行了协同互学习(Collaborative Mutual Learning, CML)蒸馏,旨在保证板坯号检测精度。最后,进行了试验对比以评估轻量化模型的性能,结果表明,通过模型轻量化研究牺牲了少量的模型精度,但大幅缩小了模型的参数量,并提高了模型的检测速度。

采用数值模拟、水模拟和高温测速三者相结合的方法,研究了结晶器水口的浸入深度对结晶器流场的影响。结果表明,结晶器表面流速的数值模拟、水模拟和高温测量结果表现出良好的一致性,浸入深度从140 mm增大到155和170 mm时,结晶器1/4宽度位置钢液表面流速呈现先增大再减小的趋势。在3种浸入深度条件下,结晶器内的流场均呈现双循环形态,靠近窄面和1/4宽度的钢液流动方向为从窄面到水口,而靠近水口的钢液则从水口向窄面流动。随着水口浸入深度增大,窄面附近和1/4宽度附近的液面波动均逐渐下降,水模拟和数值模拟结果吻合良好。

连铸过程结晶器内保护渣的卷入是连铸坯大颗粒夹杂物的主要来源之一,也是造成连铸坯表面质量缺陷的重要原因。本研究基于某钢厂断面为1 300 mm×230 mm的板坯连铸结晶器,建立了耦合大涡模拟湍流模型、VOF多相流模型和离散相模型的三维数值模型,研究了结晶器内钢液-渣相-空气相-氩气瞬态多相流动行为。并且通过用户自定义子程序定量预测了弯月面卷渣的发生以及卷入渣滴在结晶器内尺寸、个数以及空间位置随时间的变化。结果表明,在当前1.4 m/min拉速、160 mm水口浸入深度和6 L/min吹氩流量(塞棒加上水口)下流态为典型的双环流流态,钢液射流与氩气泡之间的相互作用使得结晶器内氩气泡的空间分布呈现扇形分布。弯月面净卷渣速率为0.005 24 kg/s,且卷渣主要发生在结晶器宽度1/4及距水口中心结晶器宽度方向130 mm附近,分别由上环流对弯月面的剪切作用和水口附近复杂流动造成的漩涡引起。结晶器内卷入渣滴的个数呈现瞬态变化,大部分卷入渣滴的直径在2~5 mm之间,密度的差异使得大部分卷入的渣滴最终会重新上浮至渣层。

结晶器内热流规律对铸坯温度场计算至关重要,会影响小方坯高拉速连铸的工艺设计。分析了文献中高拉速条件下的平均热流经验公式、最大热流及热流分配公式,结合小方坯高拉速实测数据提出平均热流公式,并针对高拉速温度场计算模拟中结晶器传热分布规律存在的问题,改进了热流分布方法。结果表明,适合高拉速的平均热流拟合公式为1.34·v_c^0.502(v_c,m/min),据此获得的平均热流与实测值吻合;按照本方法,实现模拟计算用结晶器热流分布得到的平均热流严格等于给定(按照回归或者现场实测)的平均热流,保证模型计算热流量和实测相同;结合小方坯高拉速实际例子,展示了结晶器内热流分布对计算结果的决定性影响,并讨论模型系数的影响和选取,建议分布指数n的取值在-0.5左右,机制上和坯壳厚度的变化规律相关。

线状卷渣缺陷是冷轧汽车板生产过程中面临的主要难题,根据形貌特征其可分为平行双线形、长条形和分层起皮形。分析表明,形貌的成因与铸坯中液渣卷入深度和轧制减薄后暴露的程度有关,双线、长条形深度较浅大部分在皮下8 mm内,平均深度为5 mm,冷轧板卷渣主要以该2类形貌为主。利用自主开发的缺陷一贯制追溯系统对冷轧卷渣缺陷进行溯源,结果表明,80%的冷轧卷渣为热轧卷渣遗传,连铸过程渣滴卷入或捕捉过程主要发生在距结晶器弯月面200 mm内。采用薄钢板、偏转杆测量法等对结晶器流场影响因素进行了定性和定量化研究,开发了小流量弥散吹氩、大倾角和大浸入深度水口等工艺技术,结晶器液面波动不大于±3 mm的比例由55%提高到了90%以上,线状卷渣缺陷显著降低。

针对国内某厂IF钢生产过程中温度命中率低的问题,采用统计方法分析了冶炼各工序温度演变规律。结果表明,该厂IF钢生产过程转炉开浇炉和连续炉出钢温度命中率仅为55.56%和44.57%,且转炉整体出钢温度偏高。开浇炉和连续炉RH到站温度分别高出目标温度为15 ℃和10 ℃,需在精炼工序加入废钢调温;控制RH到站温度为1 600~1 625 ℃,可降低精炼过程调温废钢加入量,进而减少废钢加入对RH精炼增氮的影响;合理优化转炉出钢温度和炉后钢包热制度和热状态,降低转炉出钢温度,实现全工序温度的窄区间控制。