钢铁行业的碳排放量在中国各行业中占较大比例,在“双碳”背景下炼钢工序如何实现碳减排和二氧化碳资源化利用备受关注。以CO₂在钢铁行业的资源化利用为切入点,介绍了钢铁工业CO₂排放现状和资源化利用现状,着重分析了CO₂分别作为反应气、搅拌气及保护气应用于炼钢工序的技术现状;通过热力学计算得出CO₂氧化铁液中0.1%(质量分数)金属元素[M]时,综合放热量减少,起到控温作用;对CO₂作为搅拌气体分析得出CO₂在利用率达到85%左右时搅拌能为Ar的2倍。CO₂可以作为一种资源化气体逐步应用在炼钢相关工序,具备节能减排和降本增效的效果,但需进一步明确CO₂在高温熔池中的反应特性和作用形式,以便精准、高效地实现CO₂的资源化利用。

随着薄板坯无头轧制技术和高效连铸的发展,高拉速连铸带来的漏斗形铜板裂纹问题日益严重。研究者们利用理论分析、工业试验和数值模拟方法对薄板坯漏斗形铜板裂纹形成机制和控制进行研究,目的是延长铜板寿命,降低生产成本。阐述了漏斗形结晶器铜板裂纹的宏观形貌和危害,归纳了铜板裂纹形成的热疲劳机制、蠕变疲劳机制和元素侵蚀机制,详细总结了铜板热/力分析模型的发展,介绍了铜板裂纹控制措施,提出了铜板裂纹形成机制、热/力分析模型和控制的新研究方向。

钢中非金属夹杂物对钢的性能有重要影响,为不断提高钢材产品的质量和性能,有必要对钢中非金属夹杂物进行检测与分析。对钢中非金属夹杂物的检测表征手段进行了综合介绍,分别从夹杂物特征检测、溶解提取夹杂物、无损三维探测夹杂物3个方面进行了探讨,并对不同的表征方法从分析尺寸范围、优缺点等不同方面进行了全面对比。光镜法等可以直接观察到夹杂物的形貌,分析范围广,但是其放大倍数低,针对微小夹杂物的形貌特征分辨难度较大;而扫描电镜法等可以十分清晰地观察到夹杂物的二维形貌以及成分,但是其分析成本相对较高;使用侵蚀法可以对夹杂物的三维形貌进行表征,但其操作相对复杂,耗时相对较长;使用超声波探伤法等无损表征方法可以在不损伤试样的前提下对夹杂物进行表征,方便快捷。

在冶金生产的过程中,连续铸造环节与铸坯产品的品质息息相关。其中,结晶器的液面波动是整个连铸过程最关键的生产参数之一,鉴于此,对结晶器内液面波动进行准确监测显得尤为关键。引入了一种人工智能模型,旨在实时准确预测结晶器液面的波动情况。模型采用了遗传算法(GA)优化的随机森林(RF)技术,称为GA-RF模型。该模型通过遗传算法对随机森林网络的参数进行寻优操作,旨在找出模型的最优参数从而获得预测性能最好的模型。试验结果表明,GA-RF预测模型实现了平均绝对误差(MAE)为0.534,均方误差(MSE)为0.73,并且预测的成功率高达96%,并与CNN模型、BP模型、SVM模型进行对比,发现GA-RF模型MAE和MSE均优于其它模型,证明了该模型具备高度精确性,能够满足实际生产应用的严格要求。通过敏感性分析,本研究还探讨了不同生产参数对模型的影响程度。

结合国内某钢厂的30 t六流矩形坯连铸中间包建立全结构物理模型进行流-固-热耦合数值模拟,研究了中间包内流场、温度场及应力分布行为,基于考虑热效应的von Mises应力评估了耐火材料的破坏情况;建立抑湍器-多孔挡墙一体式控流元件破坏模型,并对比分析了该控流元件破坏前后中间包内的流动及传热行为。结果表明,该六流中间包内各流体域、固体域的体积平均温度差别较大,工作层与渣层、空气层接触的壁面最大温差分别可达312、578 K,壁面应力分别达到了40~52、52~73 MPa,高于与钢液接触壁面的应力(32~40 MPa)。一体式控流元件中,易破坏区域主要为3个部位:抑湍器、挡墙导流孔、多孔挡墙角部与侧壁及底部连接处,应力均达到了35~52 MPa。一体式控流元件破坏后,1、2号出口的响应时间分别降低了26、17 s,活塞区体积分数下降了25.5%,死区体积分数上升了9.4%,各流一致性明显变差,3号出口外侧角部钢液最低温度下降14 K。现场工业试验表明,本文数值模拟得到的一体式控流元件破坏形貌与实际破坏情况吻合性较好。

在连铸过程中,中间包在控制夹杂物的数量、提高铸坯质量方面具有重要的作用。采用数值模拟的方法,利用开源的计算流体力学软件OpenFOAM建立了三维数学模型,分析了非金属夹杂物粒径、钢液流量和非金属夹杂物形状对中间包中非金属夹杂物去除率的影响。结果表明,随着非金属夹杂物粒径的减小,非金属的夹杂物的去除率逐渐降低,当钢液流量为0.47 m³/min,粒径为200 μm的非金属夹杂物的去除率达到97.64%,粒径为10 μm的非金属夹杂物的去除率只有1.298%;当夹杂物的粒径小于100 μm时,随着粒径的增大,其去除率显著提升;夹杂物的粒径超过100 μm,其粒径的增大对去除率的提升效果变得不明显。随着钢液流量的增加,非金属夹杂物的去除率呈下降趋势,钢液流量对粒径为50、75和100 μm的非金属夹杂物的去除率的影响较大,对200、10和25 μm的非金属夹杂物的去除率影响较小;随着形状因子的降低,非金属夹杂物的去除率呈下降趋势,其中球形非金属夹杂物(形状因子为1)的去除效果最好,当非金属夹杂物的等效直径小于100 μm时,随着非金属夹杂物等效直径的降低,形状因子对夹杂物的去除率影响逐渐减小。

目前,模铸在生产特殊钢、大单重、小批量铸件时有明显优势。然而,模铸钢锭普遍具有内部缺陷较多、成材率较低和锭模损耗较大等缺点,如何优化锭型结构成为了提升钢锭内部质量的根本手段。基于多相凝固模型,以5 t方锭为研究对象,重点研究了不同冒容比、缓冷工艺和强冷工艺对钢锭宏观偏析行为的影响。结果表明,增大冒容比或采用强冷工艺对改善宏观偏析有明显效果,而缓冷工艺效果不佳,对于该锭型,冒容比增加至11.5%以上可控制头部正偏析处于冒口线以上。能够为设计人员节约锭型设计时间,同时为现场实际生产提供数据参考。

铸坯在结晶器内的非均匀传热、凝固、初生坯壳的薄厚以及二冷区铸坯表面温度、应力等均匀程度直接影响铸坯表面与内部质量。以反算热流为结晶器内铸坯边界条件,利用ANSYS有限元软件模拟某钢厂Q235B板坯全流程的温度场、应力场,分析了铸坯表面温度、等效应力、坯壳的不均匀性、遗传性以及裂纹敏感性。结果表明,结晶器内铸坯凝固厚度的不均匀性遗传至二冷区,铸坯表面等效应力的不均匀性遗传程度较小;在二冷区,坯壳厚度不均匀性改善程度较小,表面等效应力不均匀性改善程度较大。本研究案例条件下,内弧左侧角部温度最低,为892 ℃,等效应力最大,为12.2 MPa;内弧偏角部区域温度最高,为1 263 ℃,等效应力最小,为2.54 MPa。铸坯表面裂纹敏感性:1/4中心处＞1/8中心处＞1/2中心处。铸坯表面裂纹敏感性指数在结晶器内达到最大值0.52,在二冷初期回温程度较大阶段裂纹敏感性增大,凝固后期坯壳较厚,裂纹敏感性较低且变化幅度很小。

为了评价某钢厂中间包内部挡墙结构对流场的影响并改进钢液的流动行为,选取符合当下生产条件的最优方案,提升特殊钢种质量。在原有挡墙结构的基础上对导流孔进行设计和优化,考虑导流孔的个数,安装高度,倾角因素设计正交试验。通过水模拟试验方法评价原型挡墙结构下中间包的流场情况,进行极差分析。考虑以死区比例和峰值时间标准差为指标下各因素影响情况,找到最优导流孔结构。运用Ansys Fluent建立数值模拟,模拟优化前后中间包的流场和温度场。试验结果发现,原型中间包流场存在水口一致性较差,内部钢液流动特性差等问题,死区比例为29.26%,峰值时间标准差高达61.52 s。水模试验优化后的中间包死区比例为27.92%,较原型中间包提升了1.34%,且峰值时间标准差提升了87.27%,水口温差降为0.2 K,流场整体十分均匀,两流流动的一致性得到明显改善。

连铸生产高铝钢过程中,在结晶器钢水液面处钢液Al元素与保护渣发生强烈的钢渣界面反应,导致保护渣产生严重变性,直接危害着铸坯质量和连铸生产顺行。对高铝钢连铸过程中保护渣液渣层动态取样,分析了连铸过程中液渣层成分和理化性能的变化规律;通过热力学和动力学研究了钢渣之间的反应行为。结果发现,在浇注过程中液渣中Al₂O₃质量分数由1.40%上升到24.75%,SiO₂质量分数由32.26%降低到17.69%;液渣平均黏度由原渣的0.38 Pa·s增加到0.58 Pa·s,平均熔化温度由原渣的1 112 ℃提高到1 189 ℃。保护渣液渣成分变动趋势符合钢渣反应的热力学规律,钢渣界面的化学反应是钢渣界面反应和液渣变性程度的限制性环节。

在钢铁生产过程,连铸坯按长度切割,轧钢按质量轧制,轧钢执行标准的不统一直接造成轧材总长度波动,导致大量短尺材和废品材的产生,成为亟待解决的行业痛点问题。对连铸坯定重切割技术基本原理、定重切割的影响因素及相关模型进行阐述,通过开发智能定重系统使得连铸坯按质量切割,实现钢轧耦合,并成功应用于河北唐银钢铁有限公司。模型运行结果表明,理论质量与实际质量之差为±0.2%的定重合格率达到90%以上,实重成材率达到97.5%以上,定尺率稳定在99.5%以上,极大提高了棒材小规格产品在保持高产的同时的负差稳定性和成材率水平,并为相关企业的定重切割技术开发提供参考。

为优化特大圆坯四流中间包冶金效果,首先通过物理模拟试验进行控流装置的探索优化,分析了不同U型挡墙参数、稳流器和挡坝对流场的影响,选择最佳控流装置,再通过CFD/FLUENT软件对优化前后中间包的流场、温度场和浓度场进行模拟验证。通过物理和数值模拟研究发现,优化后的中间包流场和温度场得到了大幅改善,各流实际平均停留时间、滞止时间和峰值时间得到延长,且一致度均提高到80%以上,死区体积比例由空包的32.18%下降至10%以下,活塞流体积比例由空包的9.52%提高到20%以上,中间包最大温差由空包的39.01 K降低至16.22 K,各流出口温差由空包的3.15 K降低至0.31 K。

连铸结晶器内的钢液流动是一个复杂的三维湍流流动,其中包含诸多复杂现象,如水口和结晶器内的湍流、气泡和夹杂物的运动、多相流、电磁力对钢液流动的影响等。钢水在结晶器液面的波动是铸坯表面质量问题的重要因素。实际生产过程中,液面波动一般仅检测单点、单块区域,无法反应液面整体波动状态;而流场又无直接检测手段,一般通过一定比例的水模型进行类比分析评估。本文通过数值模拟、钉板试验等方式对结晶器弯月面处特征参数(液位差、钢液流速)进行评估并优化。数值模拟与钉板试验获得的结果基本一致。数值模拟表明,EMBR电流改变50 A,表面最大流速增加或降低0.01～0.02 m/s,最大液位差基本无变化;SEN插入深度增加50 mm,表面最大流速降低0.03～0.06 m/s,最大液位差减小2 mm;拉速升高0.3 m/min,表面最大流速增大0.04 m/s,最大液位差增大2 mm。SEN插入深度、拉速对钢液流速、液位差影响较大,EMBR电流的影响较小。在拉速5.2 m/min条件下,EMBR电流175A,SEN插入深度170 mm,铸坯质量较好。

针对汽车大梁钢510L板坯的鼓肚变形和内部质量缺陷,建立板坯凝固传热模型,研究了不同拉速和比水量对板坯凝固进程和坯壳厚度的影响,分析了工艺优化前后轻压下工艺特征参数对铸坯心部质量缺陷的作用效果。基于凝固传热模拟分析及生产状况,将二冷比水量由1.01 L/kg 增至1.41 L/kg,轻压下位置由3个扇形段优化为2个扇形段且调整压下量。结果表明,在第1段入口处板坯鼓肚变形量最大,工艺优化后在1段入口处坯壳厚度由39.05 mm增至40.78 mm,鼓肚变形量由0.69 mm降至0.51 mm;7、8段压下率增至0.94 mm/m 和1.19 mm/m,铸坯整体内部质量大幅提升,中心偏析评级降至C类0.5级,疏松为0.5级。

特厚板连铸坯坯形、表面裂纹、中心偏析和中心疏松等缺陷是限制特厚板坯连铸生产和发展的关键问题。国内某钢厂新建460 mm特厚板坯铸机,通过研究特厚板坯连铸生产工艺特点,针对特厚板坯主要缺陷问题,开发了460 mm厚度特厚板坯连铸生产工艺技术,包括连铸高拉速工艺、二冷动态幅切控制工艺、保护渣高碱度高黏度工艺、低过热度控制以及铸坯凝固末端大压下工艺等,解决了特厚板坯鼓肚问题,降低了特厚板坯表面裂纹发生率,以及改善了特厚板坯中心疏松和中心偏析问题。