为了解各类碳钢中大型夹杂物的分布规律,本文介绍了用于钢中大型夹杂物提取的大样电解法,综述了该方法在4类碳钢大型夹杂物分析领域的研究进展,并从夹杂物的含量和成分两方面进行对比分析。结果表明,4类碳钢中的大型夹杂物粒度集中在50~300 μm,少量大于300 μm,夹杂物含量由高至低大致为:结晶器卷渣＞中间包覆盖剂卷渣/大包卷渣＞耐火材料侵蚀＞二次氧化/脱氧产物。4类碳钢稳态坯中大型夹杂物含量由低至高为:IF钢＜中碳钢＜高碳钢＜低碳钢。其中,IF钢稳态坯中的大型夹杂物含量最少,约为0.035~1.227 mg/kg;低碳钢中大型夹杂物含量最高,可达0.2~4 mg/kg。不同类型铸坯中大型夹杂物含量由高至低均为:头坯＞尾坯＞交接坯＞稳态坯。

针对高碳高铬莱氏体冷作模具钢Cr12MoV在方坯连铸生产流程中面临的铸坯凹坑缺陷、轧材裂纹缺陷、头坯翘曲及延迟断裂等问题,系统研究了连铸保护渣、二冷制度、开浇阶段拉速、矫直压力及热送退火工艺的优化。结果表明:通过设计低碱度(0.70)、低熔点(884 ℃)保护渣,解决了保护渣润滑不足导致的表面凹陷缺陷;采用“上部强冷+下部弱冷”二冷制度,协同强冷却(冷速5.0 ℃/s)与高铸坯矫直温度(＞900 ℃),使裂纹发生率从45%降至9%;基于合理的开浇拉速(0.3~0.75 m/min)与拉矫力参数,坯头翘曲高度从20 mm降至8 mm;基于不低于600 ℃的热送温度与860 ℃保温8 h的退火工艺,铸坯断坯率从30%降至5%以下。研究建立了Cr12MoV钢连铸全流程工艺方案,可为莱氏体钢连铸工业化提供了理论与实践支撑。

针对Q420NQR1耐候钢异型坯易产生表面裂纹的问题,从控制铸坯低温冷却过程相组织转变的角度对其缓冷工艺展开了研究。首先,利用JMatPro计算Q420NQR1的连续冷却转变过程发现,贝氏体含量随冷却速率增加逐渐升高,其与不同典型冷速条件下激光共聚焦显微镜原位观察结果一致,说明了冷却速率对于Q420NQR1组织转变的关键作用。同时,通过与成分相近但合金元素含量较低的Q355系列钢对比,Q420NQR1耐候钢产生贝氏体的临界冷却速率更低,且在2 ℃/s冷却速率条件下,Q420NQR1的贝氏体的体积分数达38.27%,进一步表明了缓冷工艺对于该钢种的必要性。在此基础上,当采用持续时长为72 h的缓冷工艺条件时,缓冷坑内的最大冷却速率不超过0.15 ℃/s,低于贝氏体转变的临界冷速,可避免较大相变应力的产生。同时,要完全避免贝氏体的产生,根据实际空冷过程的温降速率(1~2 ℃/s),还需保证铸坯进入缓冷坑的温度在567 ℃以上。

采用等轴晶-柱状晶凝固模型,对国内某钢厂薄板坯连铸全过程中的流动、形核、等轴晶凝固等行为进行数值计算,重点分析二冷区电磁搅拌强度与位置对铸坯等轴晶率的影响。通过低倍组织酸蚀结果验证模型的可靠性,实验与模拟结果均表明在恒定方向的电磁搅拌下,铸坯等轴晶分布在宽度方向上严重不对称,搅拌方向下游侧等轴晶更少。电磁搅拌电流强度700 A时,获得了等轴晶率最高为20.3%。由于钢液流动路径的限制,继续增大电磁搅拌强度并不会提升等轴晶率。同时,在现场电磁搅拌器初始位置的基础上,将搅拌器位置上移0.5 m后等轴晶率提高了7%,继续上移等轴晶率开始下降。对于当前的薄板坯连铸过程,未发现二冷区电磁搅拌能够将铸坯等轴晶率提升至50%的强度与位置,未来应当从优化冷却制度的角度作进一步的分析。

Q355B钢广泛应用于船舶、桥梁、车辆、工程构件等领域,需要具备高强度、抗疲劳、易焊接等优异的综合性能。钢中的脱氧产物和钙铝酸盐夹杂物在外力作用下易产生应力集中,会对钢材的冲击韧性和疲劳寿命产生不利影响。此外,铸坯粗大的枝晶组织结构也会促进裂纹萌生与扩展,降低钢材的均质性和力学性能。稀土在钢中具有改性夹杂物、细化晶粒的作用,本文研究了Ce对Q355B钢中夹杂物改性以及铸态微观组织细化的影响。相较于钢中未加Ce(A方案),当钢中Ce质量分数为0.001 2%(B方案)和0.002 0%(C方案)时,钢中的全氧(TO)含量降低,钢液洁净度得到有效改善。Ce能够将钢中的脱氧产物和钙铝酸夹杂物改性为Ce-Al-O类夹杂物。当Ce质量分数为0.001 2%时,Ce-Al-O类夹杂物保留了钢中原有夹杂物的形态特征;当Ce质量分数为0.002 0%时,Ce-Al-O类夹杂物的改性程度更高,呈现出明显的球化形态。夹杂物数量密度由49个/mm²增至64个/mm²和94个/mm²,最大尺寸由5.66 μm降至5.30 μm和4.72 μm,平均尺寸由2.18 μm降至2.08 μm和1.56 μm,钢中夹杂物呈弥散、细化分布。Ce-Al-O类夹杂物与钢基体错配度较低,能够促进铸坯的凝固形核,铸态微观组织得到细化,平均晶粒尺寸由68.8 μm降至48.7 μm和41.1 μm。

连铸过程中,水口侵蚀会导致出口截面积非均匀扩径,进而引发结晶器内钢液偏流及钢渣界面波动。针对这一问题,本研究提出一种多区域独立可控电磁制动技术。以板坯结晶器为研究对象,构建内部传输行为的三维多物理场耦合数值模型,数值模拟水口右侧出口截面积增幅7.7%的侵蚀工况下,磁场强度变化对结晶器内钢液流动及钢渣界面波动特征的影响,同时将其与全幅一段电磁制动进行对比。结果表明:当多区域独立可控电磁制动MAC-Ⅰ与MAC-Ⅱ两侧磁极的磁场强度均为0.30 T时,可获得最佳控制效果。与未施加电磁制动时相比,侵蚀侧与非侵蚀侧的钢液表面流速最大值分别降至0.166 m/s和0.153 m/s,两侧流速差异由0.014 m/s缩小至0.013 m/s;射流冲击区最大流速由0.34 m/s降至0.29 m/s,降幅14.7%;两侧最大湍动能由0.036 m²/s²降至0.018 m²/s²,降幅50%;侵蚀侧界面最大波动高度由21.5 mm降至9.3 mm,两侧波动差异由2.8 mm缩小至1.5 mm。与全幅一段电磁制动相比,多区域独立可控电磁制动产生的“L”型磁场能有效覆盖上回流区、射流冲击区及弯月面区,直接抑制侵蚀侧因扩径引起的上回流流动增强,从而在降低射流冲击速度、改善流速对称性及稳定渣金界面方面具有显著优势。

为研究异钢种连浇过程中关键因素对交接坯长度的影响,揭示不同工艺参数对交接坯长度的作用,为缩短交接坯长度、优化连铸换包工艺提供理论依据和实践参考。本文针对某厂异型中间包建立1:3物理模型,利用连续注入示踪剂法研究非稳态条件下拉速、开浇通钢量、换包液位对异钢种连浇时交接坯长度的影响。研究发现,通钢量和拉速的增加降低了交接坯的长度,开浇通钢量由2.1 m³/h增至2.4 m³/h,原方案各流平均交接坯长度减少了2%,优化方案降低了0.4%。拉速由2.3 m/min增至3.3 m/min,优化方案交接坯长度减小了2%,同时,换包液位对换包过程影响显著,换包液位由240 mm减至200 mm,原方案和优化方案各流平均交接坯长度分别减少了9%和5%。

针对某钢厂250 mm×300 mm断面连铸结晶器因浸入式水口不匹配导致钢中夹杂物超标的问题,基于相似原理建立了1:1物理模型并结合数值模拟,系统研究了水口侧孔倾角(-12°、-5°、0°、5°)、拉速(0.80、0.88、0.95 m/min)及浸入深度(160、200 mm)对结晶器流场和液面行为的影响规律。结果表明:随着水口侧孔倾角向上增加(由向下12°至向上5°),各测量点表面流速显著增加,但1/3大波平均波高变化相对平缓;综合流场特性,在拉速相同工况下水口倾角为0°时其表面流速适中、波高稳定。在该水口倾角下,将拉速由0.80 m/min增加到0.88、0.95 m/min,各测量点表面流速明显增大,但1/3大波平均波高变化不大;且拉速提高会扩大钢水上循环区范围并促使涡心上移。在固定拉速条件下,随着水口浸入深度增加,结晶器各部位的表面流速和1/3大波平均波高均呈下降趋势,且自由液面的低流速区范围扩大。研究给出了适配小断面生产的水口结构(侧孔倾角0°)和合理操作参数(拉速0.88 m/min、浸入深度160 mm),该条件下1/3大波平均波高可控制在1 mm以内,表面流速0.046 m/s,表现出良好的流场稳定性和液面行为。

连铸结晶器角部区域的二维传热特性导致初生坯壳热力学行为复杂化,成为铸坯角部表面纵裂及偏离角裂纹等缺陷形成的关键诱因。本研究针对亚包晶钢小方坯高拉速工况,构建了结晶器内铸坯与铜管的热-力耦合有限元模型,系统探究不同锥度制度对结晶器内传热行为的影响规律。通过分析气隙厚度、热流密度及铸坯表面温度等关键参数的分布特征,揭示了锥度不合理导致坯壳生长不均、角部及偏离角区气隙增大的致裂机制。结果表明,适宜的结晶器锥度设计应采用“角部局部高锥度-主体抛物线-过渡平滑”三段式结构,可有效协调角部与主体区域的传热匹配性,为优化亚包晶钢高拉速小方坯连铸工艺提供了理论依据。

针对高拉速板坯连铸过程中出现的铸坯表面缺陷问题,采用1:1全尺寸结晶器物理模型,系统研究了吹氩量、水口插入深度、水口底部形状和倾角对结晶器流场特性的影响。实验结果表明,18°倾角凹底水口配合150 mm插入深度和4~6 L/min吹氩量的参数组合能够显著优化结晶器流场:凹底结构有效缓冲射流动能,较大倾角延长钢液上升路径,共同降低液面波动和表面流速;适宜的插入深度通过延长能量耗散路径减弱液面扰动;适中的吹氩量在改善保护渣分布的同时避免过度湍流。该优化方案实现了液面稳定性、流速分布和钢渣界面行为的协同改善,为小断面高拉速连铸工艺提供了兼顾生产效率与产品质量的完整解决方案。

超高强钢中合金含量较高,凝固过程由于包晶反应强烈导致收缩反应大,裂纹敏感性强。实际生产结果表明,提高结晶器与坯壳之间传热的均匀性和稳定性,是改善高强钢DP780板坯表面凹陷的有效方法。将保护渣中Li₂O质量分数提高至0.6%,既可改善液渣流动性,又可抑制结晶器传热强度;浸入式水口最大插入深度由180 mm调整至150 mm,提高了结晶器角部温度,同时进一步改善了保护渣的流动性;浸入式水口侧孔倾角由25°减少至15°,液渣厚度由4.4 mm增加至7.1 mm。基于上述连铸工艺参数优化,铸坯表面凹陷指数降低了52%。

针对唐钢冷轧双相780DP、980DP和1180DP汽车用钢的连铸板坯窄面深振痕及伴随裂纹的质量缺陷,系统研究其形成机理并开发有效控制技术。统计了振痕深度与振痕谷部裂纹的关系,当振痕深度控制在2.0 mm以内时,可控制裂纹的产生。本文从结晶器传热的角度,研究了结晶器保护渣和结晶器窄面锥度对深振痕数量密度、振痕深度和裂纹的影响。研究表明,高碱度、高熔点、高黏度保护渣更有利于降低振痕深度。随着结晶器窄面锥度的降低,窄面深振痕数量和深度均有所降低。锥度为1.22 %/m时,铸坯窄面裂纹消失。研究得出最优工艺参数组合为“渣B+锥度1.22 %/m”,可有效抑制窄面缺陷的产生,为同类包晶合金钢的高质量连铸生产提供了关键技术方案。

转动的连铸辊局部与铸坯接触,受到周期变化的加热作用,非接触的外表面还受到铸坯的热辐射作用或参与空气换热,而内部通水冷却,传热过程较为复杂。为更好地掌握和控制辊子与铸坯之间传热,根据连铸辊与铸坯传热特点,建立了数学模型。采用Pyviewfactor计算铸坯对辊子不同部位的辐射角系数,提出了铸坯对辊子表面不同部位的辐射热流的计算方法。基于动网格技术,采用全隐交替方向的迭代方法求解辊子的温度场。分析了铸坯表面温度对辊子外表面温度的影响,辊子外表面最高温度与铸坯表面温度呈线性关系。另外,数值计算可以揭示辊子水冷内表面的温度分布,为确定水冷参数提供依据。

采用Aspex夹杂物自动扫描仪,系统分析了钢液、连铸坯及热轧板中TiN的数量、尺寸分布与微观形貌,揭示了钛微合金大梁钢中TiN的演变规律。结果表明:钢液中未检出TiN;铸坯凝固过程中大量析出纯TiN(方形、长条聚集型)与含异质核心的TiN;均热阶段TiN回熔至奥氏体,后续轧制冷却过程原位重新析出长大,且长条聚集型纯TiN转变为方形。铸坯与热轧板中TiN的数量、尺寸分布规律相近,厚度1/4处及中心位置TiN含量最高;热轧板中5~10 μm TiN数量较铸坯增加22.3%,说明TiN经回熔-再析出后部分尺寸增大。通过控制Ti含量偏下限、降低N含量、提高连铸二冷强度及加快热轧冷却速度,可有效调控TiN的数量与尺寸。

为了提高浸入式水口渣线的抗热震性能并降低成本,以氧化锆空心球部分替代氧化钙稳定氧化锆制备了锆碳耐火材料。研究了不同添加量的氧化锆空心球(0、5%、10%、15%,质量分数)对材料力学性能、抗热震性及抗渣侵蚀性的影响。结果表明,随着氧化锆空心球添加量的增加,样品的显气孔率升高,体积密度和常温耐压强度显著下降。而常温抗折强度下降不明显,最大下降率为9.5%。在高温性能方面,随着氧化锆空心球添加量的增加,样品的热膨胀率由0.71%降至0.61%,样品的抗热震性显著增强,而高温抗折强度先增大后降低,这是由于过多的氧化锆空心球的加入削弱了材料的结构强度。在抗渣侵蚀性方面,样品的抗渣渗透性和抗渣侵蚀性均随着氧化锆空心球含量的增加而逐渐下降。当氧化锆空心球添加量(质量分数)分别为5%、10%和15%时,侵蚀速率分别增加了4.5%、16.6%和65.1%。综上所述,0~10%氧化锆空心球部分替代氧化钙稳定氧化锆有利于锆碳耐火材料高温强度和抗热震性,但过量会造成强度和抗渣侵蚀性能下降。

冷轧板表面存在两类由氧化铝夹杂导致的表面线状缺陷,分别是由铸坯表层10 mm以及内弧1/8~1/4厚度位置2个气泡夹杂聚焦带导致。基于引进的国产化电磁搅拌设备,系统研究了结晶器电磁搅拌(M-EMS)对结晶器流场和铸坯表层质量的影响。结果表明,当搅拌电流控制在400~600 A时,结晶器内流场稳定,铸坯凝固钩变浅且不同位置的凝固钩深度更为均匀,气泡和夹杂物数量密度明显降低;当搅拌电流进一步增大时,液面波动明显加剧,不利于铸坯表层质量控制。通过大规模工业试验对比,当搅拌电流为500 A时,钢质类缺陷整体降幅30%左右。