脉冲磁致振荡(PMO)凝固均质化技术是上海大学先进凝固技术中心的原创技术,用于解决金属凝固过程中的组织细化和均质化问题。为进一步提高鞍钢股份有限公司SWRCH22A冷镦钢的连铸生产水平,将该技术应用于其工业生产,进行了一系列不同PMO工艺参数下的工业试验。结果表明,应用PMO技术后,连铸坯中心缩孔、中心疏松及中心碳偏析等中心缺陷得到有效控制。样品的中心缩孔、中心疏松及中心碳偏析不高于0.5级的比率几乎达到100%;中心等轴晶率随着PMO参数增大明显增加,最大达到18.37%,等轴晶占比达到26%;同时,PMO技术可以明显改善铸坯的径向碳偏析,且随着PMO参数增大,中心偏析改善程度增加,当PMO电压为290k_U V时,中心偏析由原来的0.245%减小至0.20%,降低18.4%。

SWRH82B高碳钢碳含量较高,在ø250 mm圆坯连铸过程中受选分结晶与溶质富集效应影响显著,易形成严重中心碳偏析和缩孔缺陷,进而在后续拉拔加工中诱发断丝问题。为改善ø250 mm SWRH82B硬线钢连铸坯质量,将脉冲磁致振荡(PMO)凝固均质化技术引入天津荣程钢铁公司连铸生产线,研究了PMO对ø 250 mm连铸SWRH82B钢凝固组织及中心偏析的影响。结果表明,施加PMO后铸坯横截面中心碳偏析指数由1.19 降低至1.09,最大降幅超过43%。铸坯等轴晶区宽度由13.1 cm提高至15.4 cm,等轴晶率由27.4%提升至37.9%,二次枝晶臂间距最大值由185.9 μm降低至159.9 μm,凝固组织显著细化。

基于天津荣程联合钢铁集团有限公司浇注断面为ø 250 mm圆坯连铸机应用脉冲磁致振荡(PMO)凝固均质化技术的生产实践,研究了该技术对圆坯中心缺陷和宏观偏析的改善效果。结果表明,PMO技术可以明显改善ø 250 mm圆坯的中心缩孔,且电压控制在225k_U~235k_U V(k_U表示设备系数,即不同设备校准参数)时效果最佳;PMO技术对铸坯宏观偏析有明显改善效果,电压在220k_U V左右、频率为中频时调控效果最佳;且该技术具有较高的工艺容偏度,提高拉速10%~20%并不影响其对铸坯中心缺陷和宏观偏析的调控效果。同时,生产实践表明,PMO技术装备运行稳定可靠,投产近1年无产品异议。

针对天津荣程联合钢铁集团有限公司ø250 mm 圆坯连铸机生产过程中铸坯存在的中心缩孔、中心碳偏析等质量问题,采用脉冲磁致振荡(PMO)凝固均质化技术对该连铸机实施针对性技术改造。本文简要介绍了PMO技术的装备总成、技改方案,并通过工业试验结果分析PMO技术改造对连铸坯中心等轴晶区有效直径、中心缩孔评级、元素偏析等方面的影响。生产实践表明,经过PMO技术改造,铸坯中心等轴晶区直径由117 mm提升至157 mm,平均增幅达34%;铸坯0级中心缩孔占比由20%提升至63.6%,平均增幅达218%。同时,PMO技术可有效减轻连铸坯中心溶质元素的偏析程度,在保障铸坯内部质量稳定达标的前提下,显著提升连铸拉速,实现产品质量与生产效率的协同优化。

为改善ø600 mm立式连铸8418模具钢大圆坯凝固组织缺陷及宏观偏析,本文采用数值模拟与工业实验相结合的方法,研究脉冲磁致振荡(PMO)对铸坯流场、温度场、凝固组织及宏观偏析的调控作用与机制。数值模拟结果表明,PMO可在二冷区线圈附近诱导形成上下双环流结构,在500k_U A(k_U为PMO的设备系数)工况下,上环流流速峰值为91.29 mm/s,下环流峰值流速为38.58 mm/s,强对流作用促进高温钢液在固液界面与液芯间循环换热,实现液芯降温、表面回温,优化了凝固传热环境。工业实验结果表明,PMO通过促进固液界面前沿钢液形核形成“结晶雨”,从而细化铸坯凝固组织。结合双环流加速心部散热,使铸坯中心裂纹面积分数由10.86%降至3.22%。同时,PMO有效改善了铸坯成分均匀性,使最大碳偏析指数由1.31降至1.19,并显著降低了Cr、Mo和V元素在铸坯1/2R及中心位置的偏析波动。研究表明,PMO技术能够协同改善ø600 mm立式连铸8418模具钢大圆坯的凝固组织、中心裂纹和宏观偏析,为高品质大断面高合金模具钢圆坯生产提供了技术支撑。

中天钢铁集团原电炉厂率先在220 mm×260 mm矩形坯连铸生产中采用上海大学原创的脉冲磁致振荡(PMO)凝固均质化技术。本文以低碳齿轮钢、中碳工具钢和高碳轴承钢为研究对象,通过工业试验研究了PMO技术对铸坯内部质量的影响,对比分析了拉速和过热度对铸坯等轴晶占比的改善情况以及影响规律。生产实践表明,与单一末端电磁搅拌铸坯相比,经PMO处理后的铸坯,其等轴晶占比增加率平均约50%~100%,且等轴晶占比随拉速、过热度的升高进一步提高。PMO技术在提高铸坯质量的同时较大幅度放宽了连铸工艺窗口,为连铸均质化应用研究提供又一重要技术手段。

以中碳45钢为研究对象,利用脉冲磁致振荡(PMO)凝固均质化技术,使用高、中、低功率工艺参数对225 mm×270 mm矩形铸坯进行脉冲磁场处理。研究表明,高功率条件下,铸坯中心缩孔完全消除,等轴晶占比分别增加66.07%和19.62%,铸坯中心偏析指数可降至1.02。适当降低PMO功率,仍可显著改善铸坯心部缩孔缺陷和铸坯中心偏析,但选择PMO低功率不能起到理想的冶金效果。在合适的PMO工艺参数条件下,提高连铸拉速对PMO均质化效果影响较小。

Cr-Ni耐热钢在航空航天、核电及汽车制造等领域虽应用广泛,但其高成本促使合金设计转向Mn-Al替代体系。新型高锰高铝钢兼具高强度与超塑性,为轻量化与高温设备制造提供新方案,然而,其生产过程中氧化铁皮控制问题也日益凸显。本文系统综述了高锰高铝钢在不同温度场和合金体系下的氧化动力学机制,归纳了氧化温度、合金成分、环境气氛及表面形貌等关键因素对氧化铁皮形成的影响规律。基于热力学分析和动力学建模,概述了表面处理、工艺优化及成分设计等控制策略。最后指出未来应重点关注变温氧化行为、多组元协同作用机制及氧化铁皮/基体界面相变等问题,为开发新一代高性能高锰高铝钢提供理论支撑。

不锈钢铬含量高,并有残铝的存在,在连铸过程容易导致氧含量及过热度波动。在连铸首炉的中间包进行钢液充型的过程中,控流装置设计的不合理容易导致钢液的二次氧化和耐火材料的侵蚀,并对钢液洁净度产生较大影响,但是目前相关研究较少。本文以某企业8 t单流小容量矩形中间包为研究对象,将物理模拟与数值模拟相结合来研究原型中间包内钢液的流动状态,并利用数学模型计算钢液的二次氧化程度。基于原型中间包的不足,将原型的导孔挡墙更换为挡坝和挡堰的优化方案,并研究了挡坝堰高度和位置对钢液流动的影响。结果表明,原型中间包在开浇充型过程中存在二次氧化严重和前包壁耐材侵蚀严重的问题,且钢液的实际停留时间较短。而挡坝堰方案在抑制开浇过程的二次氧化问题上拥有较好的抑制效果。挡坝堰设置的最佳方案为挡堰距包底距离为180 mm,挡坝高度为300 mm,塞棒中心距挡坝距离为370 mm。将该方案应用于实际生产中,取得了良好的改进效果。中间包优化后,开浇过程中钢液的全氧含量下降,MgO·Al₂O₃类夹杂物数量显著降低,前包壁耐材的侵蚀明显减弱,死区比例降低至1.2%。

本文依据结晶器铜板与背板实际几何尺寸建立物理模型,同步构建结晶器铜板三维传热及冷却水流动数学模型,对直角及倒角结晶器窄面铜板传热及冷却水流动进行耦合数值模拟。结果表明,在冷却水总流量均为510 L/min时,直角及倒角结晶器宏观平均水速分别为8.8 m/s和7.4 m/s;靠近倒角结晶器铜板边角处的圆孔内水速仅为4.8~5.1 m/s,而直角结晶器靠近边部水缝的水速基本稳定在8 m/s以上;在弯月面区域,直角及倒角结晶器窄面铜板角部温度分别为677 K和763 K;将倒角区铜板进水口圆孔直径由10 mm扩大至14 mm,结晶器窄面水量提升至540 L/min后,边部圆孔水速可提高到6 m/s,有利于提高倒角结晶器角部的冷却强度。

为明晰连铸板坯内TiN夹杂物在连铸板坯中的析出规律,借助OM、SEM、Aspex等物相分析手段,对比分析了钛微合金化的超低碳钢、包晶钢、中碳钢和高碳钢铸坯中TiN夹杂物的数量、粒度和分布特点。研究发现,随着碳含量的增加,TiN的粒度和面密度有增加趋势,并且发现所研究钢种的TiN面密度和粒度,随着铸坯表层至凝固中心也呈现增加趋势。利用高温管式炉加热铸坯,模拟加热炉工艺,观察了铸坯中TiN夹杂物在加热前后的变化,并且分析了模拟加热前后铸坯中TiN夹杂物变化的原因。

塞棒吹氩技术是连铸过程中防止水口堵塞和提高钢液质量的重要手段,为优化连铸中间包塞棒吹氩工艺,本文以某厂中间包为原型,建立了1∶1水-氩气物理模型并结合数值模拟,系统研究了塞棒吹氩孔位置、拉速、吹氩量及塞棒开度对氩气泡运动行为、流场和湍动能分布的影响规律。研究表明:位于塞棒头密封面上方的B1位置效果最优,其气流能有效冲刷密封面,在吹氩量为3 L/min且拉速为1.3、1.5、1.7 m/min工况下,塞棒开度在达到33.75、36.80、41.90 mm时仍能保证气泡全部进入水口;拉速对气泡运动影响显著,在开度为30 mm、吹氩量为3 L/min的条件下,拉速从1.3 m/min增大至1.7 m/min,气泡平均直径由12.5 mm增大至15.1 mm,流经区域平均宽度由51.9 mm缩减至42.7 mm;吹氩量增加会同时提升气泡的体积和在水口内运动范围,当吹氩量由5 L/min减少至1.8 L/min时,平均气泡直径由18.1 mm减少至12.4 mm,气泡流经区域平均宽度由47.8 mm减少至32.7 mm;B1位置适用塞棒开度上限约为40 mm,开度越低吹氩效果越好,开度超过50 mm则导致气流合并甚至上浮,失去冲刷塞棒头的作用并增加塞棒在中间包钢液面受侵蚀的风险。

目前板坯连铸混浇常通过降低中间包液面减少混浇坯,但非稳态浇注易引起夹杂物增加,而采用不降低中间包液面的方式时,维持中间包液面稳定虽可提升钢水洁净度,但会增加混浇坯数量。本研究以某钢厂板坯连铸SPHC与DC01采用降低中间包液面的方式进行异钢种混浇的生产过程为研究对象,采用光学显微镜、扫描电镜、大样电解以及万能力学机等手段系统评价混浇坯的洁净度及对板材力学性能的影响。结果表明,混浇坯中间段与正常铸坯中T[O]质量分数相差较大为(10~15)×10^-6,[N]质量分数维持在70×10^-6左右,显微杂物数量密度相差较小为8.54~8.89 个/mm²。混浇过程大颗粒夹杂物含量逐渐降低为正常铸坯水平2.6 mg/10 kg,显微夹杂与大颗粒杂物形貌和类型与正常铸坯基本一致。混浇坯对应轧材的抗拉强度、屈服强度以及断后伸长率分别比正常铸坯高11 MPa、32 MPa和5.7%。故采用不降低中间包液位进行混浇应减少混浇坯,形成的混浇坯以及对应的轧材应单独处理以降低判废率。

薄板坯连铸结晶器液面异常波动易扰乱弯月面稳定性,引发保护渣卷渣现象,同时造成铸坯坯壳凝固不均匀,是产生夹杂类铸坯缺陷的主要诱因。本文以国内某钢厂薄板坯结晶器的工艺参数为基础,建立了与工业原型相似比为0.5的水模型,采用波高仪与三维粒子测速系统采集液面波动和表面流速,结合小波变换进行液面波动的定量分析。结果表明:结晶器液面波动的主要频率集中在0~1.09 Hz,随着拉速的增加,液面波动的频率呈现先升高后下降趋势,波幅逐渐增加;随着SEN浸入深度由130 mm增至170 mm,波幅逐渐减小,各位置的小波能量向更低频带迁移,其中SEN附近低频(0~0.135 Hz)能量占比约从0.35提升至0.75;此外,小波总能量与平均波高具有一致的变化趋势,宽面1/4区域为液面波动的主要发生区,波幅与表面流速存在正相关性,而与频率无明显的对应规律。本研究揭示了薄板坯结晶器液面波动的时频演化规律,为结晶器液面稳定控制与工况动态诊断提供参考。

针对湖南华菱湘潭钢铁有限公司存在的钢板边部直线裂纹问题,通过光学显微镜对其形貌进行了观察,确定该缺陷是由于轧制过程中表面的折叠导致,而非铸坯裂纹遗传。通过轧制试验对比分析了铸坯窄面形状、轧制过程展宽比、轧制前铸坯上下表面温差等因素的影响。轧制工艺参数优化与凸型结晶器和配套足辊的开发,使钢板边部直线裂纹得到有效控制。