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。

以钢厂断面尺寸为ϕ800 mm的圆坯42CrMo4钢为研究对象,结合ProCAST有限元法和CAFE法建立大圆坯模型,对比了过热度、拉速和二冷区比水量对大圆坯凝固行为和晶粒组织的影响。结果表明,拉速变化对铸坯凝固过程中的温度、凝固终点和凝固坯壳厚度的影响更大,而过热度对连铸过程的晶粒生长影响更大。拉速每提高0.02 m/min,凝固终点后移约3 m,过热度和二冷区比水量改变对温度和中心固相率影响不明显。当过热度从10 ℃增加到55 ℃时,等轴晶率从43.2%降低到9.2%,而拉速和二冷区比水量对等轴晶率的影响均不明显,变化都在8%以内。基于末端电磁搅拌位置,对现有工艺提出了优化方案,过热度降低至10 ℃,比水量降低至0.16 L/kg,可以有效提高等轴晶率,同时细化晶粒。

连铸是炼钢过程非常重要的工序之一,连铸过程多发的漏钢事故影响因素较多,其中以黏结漏钢最为常见,约占总漏钢比例的70%。为了更好地解决黏结漏钢事故、明确原因并为建立更全面精确的预报模型提供理论基础,对连铸黏结漏钢发生机制、影响因素及预报模型进行了总结和分析,着重叙述保护渣性能、钢液条件、结晶器参数、人员操作等因素对黏结漏钢事故的影响规律,针对目前普遍使用的逻辑判断漏钢预报模型和基于机器学习的漏钢预报模型的研究现状进行了分析并提出了目前存在的不足。预测了漏钢预报系统未来将不断向智能化、高端化方向发展的趋势,为黏结漏钢的研究及如何有效预防提供参考。

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。

随着高端装备对钢材性能要求的不断提升,高钛钢因高强度、高韧性、高耐磨和高耐腐蚀等优势而得到广泛关注。然而,由于钛元素比较活泼,容易与氧、氮等结合形成高熔点夹杂物,为冶炼和连铸带来新的挑战。综述了高钛钢连铸浸入式水口堵塞的基本特征,介绍了含钛堵塞物的多层结构和主要化学成分;总结了钛合金化引起连铸浸入式水口堵塞的过程和机理,对比了含钛钢(w(Ti)≤0.1%)和高钛钢(w(Ti)>0.1%)连铸水口界面处不同的化学反应类别、顺序和堵塞物构成,列举了水口内壁侵蚀、钢水温度下降和物理粘附等关键影响机制;最后,就解决高钛钢连铸水口堵塞问题提出了可行的控制策略,并着重梳理了钙处理、水口材质设计和施加外场作用等方向的新进展。

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。

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。

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。

钢在连铸过程中,溶质元素的不均匀分布将会产生微观偏析和宏观偏析,且在后续的加热、轧制过程中并不能有效消除,极大影响了终轧产品的综合力学性能。在连铸坯宏观偏析的计算中充分考虑溶质的微观偏析行为,不仅有利于进一步增强宏观偏析计算的精确性,而且对改善铸坯质量、提高产品性能均具有重要意义。通过建立铸坯微观偏析行为的宏-微观耦合模型,将不同的溶质微观偏析模型影响下的宏观偏析行为进行对比,以获得最佳的连铸过程溶质微观偏析控制模型,实现连铸坯溶质宏观偏析行为的精准预测。此外,选择Won-Thomas微观模型研究了二次枝晶臂间距对82B帘线钢小方坯凝固终点位置及中心偏析缺陷的影响规律,二次枝晶臂间距由200 mm减小到40 mm时,凝固终点向前偏移了1.4 m,铸坯中心碳质量分数由0.154%减小为0.138%,表明冷却越慢,二次枝晶臂间距越大,偏析越严重,并通过碳硫分析仪验证了模型的合理性与可靠性。

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。

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。

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。

基于炼钢—热轧—冷轧(热处理)工序全流程过程控制,利用现代数据通讯和数据库(数据云)技术创建了全过程质量管控数字化平台,并基于该平台开发了连铸板坯在线质量评级系统。该全过程质量管控数字化平台对炼钢过程中的原料、生产、工艺、设备等方面的参数进行实时监控和跟踪记录,并将跟踪结果以工艺事件的形式反馈到每一炉次和每块板坯上,通过制定相应的规则对连铸板坯进行分级评级,实现连铸板坯质量的在线实时预测评估,以确定连铸板坯分级修复处理方式。通过后工序轧制质量检验与判定,结果表明,该质量评级系统可以较为直观准确地分类筛选出具有不同质量风险等级的连铸板坯,降低了板坯缺陷发生比例,提高了连铸板坯质量。

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。

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。

为提高某厂42CrMoA钢内部质量,减少铸坯中心偏析,利用 ProCAST 软件对铸坯凝固组织进行模拟,研究连铸参数对凝固组织分布、等轴晶率和等轴晶区致密度的影响。结果表明,当拉速由0.8 m/min提高到1.1 m/min,等轴晶区比例增加了5.26%;比水量由0.144 L/kg增大到0.192 L/kg,等轴晶区比例减小了3.34%;过热度由5 ℃升高到35 ℃,等轴晶区比例减小了7.98%。由此得出,可以通过适当提高拉速、减小二冷比水量和降低钢水过热度来降低42CrMoA钢种宏观偏析。

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。

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。

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。

在钢铁连铸坯生产过程中,中心疏松和缩孔作为2种常见的内部质量缺陷问题,会显著影响产品性能。准确预测内部缺陷对于钢铁生产领域具有重要意义,不仅可以避免破坏性试验,还能帮助技术人员调整工艺,保证后续轧制工艺顺利进行。由于连铸过程的非线性、强耦合特性及多扰动因素,中心疏松和缩孔等级的预测面临较大挑战。现有的连铸坯质量缺陷预测方法只能进行单任务学习,不能同时对多个任务进行预测,影响效率,而且预测精度难以满足生产需要。为克服上述局限,本文提出一种基于多任务学习的连铸坯内部质量缺陷预测方法。该方法融合了多任务学习和深度表格数据学习网络TabNet,通过挖掘两者之间的内在联系,实现对连铸坯中心疏松和缩孔等级的同时预测,提高效率和预测精度。在对某钢厂收集的生产数据进行的大量试验中,提出的方法在中心疏松和缩孔等级的预测准确率上明显优于常用的机器学习方法。此外,试验结果证实,采用多任务学习策略能够帮助提高中心疏松和缩孔预测的准确率和效率,预测准确率分别提高到100%、99.9%,推理时间缩短53.47%,验证了该策略的有效性。

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。

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。

为了解决含钒钢在连铸过程中易出现的内部裂纹问题,采用热力学计算、凝固组织模拟、二冷配水调控的方法开展了HRB500E螺纹钢的铸坯凝固过程分析、组织预测和表面温度控制研究。结果发现,螺纹钢中V(C,N)的热力学析出温度为1 118 ℃和最大析出量(质量分数)为0.06%,表明钒具有析出强化和固溶强化的双重作用;铸坯的组织分析表明,钒质量分数由0增至0.089%时晶粒半径减少了2倍,晶粒数增加了2.8倍,中心等轴晶提高了2.2%。说明钒的添加能细化晶粒、改善组织性能和增益冶金性能;同时发现产生裂纹等缺陷的原因主要在于二冷配水不合理导致的铸坯表面返温过大,在此基础上提出了相应的二冷配水工艺优化并引入长度为2.9 m的二冷三段的方案,最终设计出了1.4~2.7 m/min拉速水表,铸坯的表面返温低于100 ℃,返温满足冶金准则。工业生产证明通过二冷配水优化方案极大的提升了铸坯内部质量。

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。

异常长大的奥氏体晶粒被认为是连铸坯产生横裂纹的重要原因。利用热模拟方法结合原位液淬试验研究了9种低碳微合金钢在立弯式连铸过程中表层奥氏体晶粒的长大过程。结果表明,在矫直起始点处异常粗大的奥氏体晶粒尺寸随奥氏体开始长大温度T_γ升高呈增大趋势,并在包晶点附近出现极值;随T_γ与TiN析出温度的绝对差|ΔT|呈单调增大趋势,表明奥氏体开始长大温度和TiN的析出温度是影响奥氏体异常长大的关键因素。高温拉伸试验表明,奥氏体开始长大温度高和|ΔT|更大的钢种裂纹敏感性也更高,这与奥氏体异常长大规律基本一致。

针对中间包孔挡坝受冲蚀严重的问题,以某钢厂65 t二流板坯中间包为研究对象,采用数值模拟的方法对中间包挡坝迎流面冲击应力的分布特性进行了研究,明确了拉速及挡墙距长水口距离对中间包内挡坝迎流面冲击应力的影响规律。结果表明,挡坝迎流面上沿冲击应力为负值,在挡坝迎流面中轴下部存在冲击应力,在挡坝出流孔周围冲击应力最大;随拉速增大,挡坝迎流面峰值冲击应力持续增大;随挡墙距长水口距离的增大,挡坝冲击应力峰值变化较小,但环出流孔冲击应力分布发生改变,距离为1 400 mm时环出流孔冲击应力分布均匀性差,距离为1 800 mm时出流孔冲击应力分布均匀性较好。

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%。

连铸结晶器喂钢带技术是调控钢液温度场分布、抑制或减少中心偏析、中心疏松等内部缺陷产生的有效手段。然而连铸过程属于高温黑箱操作,无法在线观察和测量结晶器内凝固组织的演变情况。为此搭建了可视化凝固试验系统,探究了无冷带、固定冷带及振动喂带对NH₄Cl-70% H₂O溶液凝固过程中凝固组织演变的影响规律。结果表明,首先喂冷带可以显著降低结晶器中心的过热度,并熔断枝晶,可有效增加游离晶粒的数量,进而提升凝固组织中等轴晶的体积分数;其次对冷带施加振动后,结晶器中心过热度的降低更为迅速,熔断形成的晶核更多且细小,等轴晶体积占比进一步增大。无冷带、固定冷带及振动喂带3种工况下的等轴晶体积占比分别为26%、31%、36%。

为提高CuNiCoSi矩形连铸坯凝固组织质量,利用CA-FE法建立了CuNiCoSi矩形坯截面凝固组织模型,通过该模型研究不同过热度与拉速对凝固组织影响。结果表明,降低过热度可提高凝固组织中等轴晶区占比,改善等轴晶区的晶粒均匀性。其他工况不变,将过热度由30 ℃降至15 ℃,等轴晶区面积由42.90%增大至47.32%;最大等轴晶粒面积由42.06 mm²减小至33.94 mm²。提高拉速不仅能提高凝固组织中等轴晶区占比,还可获得更细的等轴晶粒。拉速由100 mm/min增大至400 mm/min,等轴晶区面积由42.48%增大至50.14%;平均等轴晶面积由10.59 mm²减小至9.38 mm²。过热度与拉速优化后,铸坯凝固组织质量明显改善。

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。

中心疏松是连铸圆坯生产过程中的主要缺陷之一。为有效改善这一缺陷,对连铸圆坯开发了凝固末端压下工艺。基于某钢厂的实际生产条件,研究团队首先建立了三维传热模型,系统模拟了连铸圆坯的凝固过程,并依据传热计算结果确定了不同压下位置。随后,采用热力耦合模型对直径350 mm连铸圆坯在不同位置处的压下过程进行了数值模拟分析。采用缩孔体积相对变化量作为评价指标,定量评估了压下位置对缩孔愈合效果的影响。为验证模拟结果开展了连铸圆坯压下工艺实验。研究结果表明:在连铸圆坯压下过程中,中心缩孔通过金属填充和塑性变形的协同作用实现有效愈合。压下位置与铸坯中心固相率呈严格对应关系,不同压下位置会导致金属流动行为的显著差异。在15 mm恒定压下量条件下,研究发现随着铸坯中心固相率(f_s)的增加,压下过程中中心金属的流动范围逐渐减小,而金属的相对流动距离则呈现先升高、后稳定、最终降低的变化规律。相应地,铸坯中心缩孔尺寸持续减小直至完全闭合。研究确定了最优压下工艺窗口为中心固相率f_s=0.6~1.0的区间。现场实验数据证实,采用该压下工艺后,连铸圆坯的内部疏松缺陷得到显著改善。

保护渣是连铸生产中重要的功能材料,为了准确、快速和低成本地获得保护渣的理化性能,基于实验室检测获得的保护渣成分、熔点、熔速和黏度数据,采用BP神经网络结合粒子群优化算法(PSO)建立了保护渣理化性能预测模型。选取13个未进行训练的测试样本检验PSO-BP模型的预测精度,结果表明,与BP神经网络预测模型相比,熔点、熔速和黏度的平均绝对误差MAE分别由8.9 ℃、4.7 s和0.012 Pa·s降低至8.1 ℃、2.8 s和0.010 Pa·s,并且单个样本的误差波动降低,整体预测精度提高。基于此模型,研究了单一或多个保护渣成分改变对理化性能的影响,通过控制其它成分不变,当碱度由0.8增加至1.2,黏度值由0.23 Pa·s降低至0.18 Pa·s。此外,展示了Al₂O₃和MgO单一变量调整以及同时变化对保护渣黏度性能的影响,模型计算结果与实际理论规律相符,表明基于PSO-BP神经网络的保护渣预测模型可应用于保护渣的开发与研究,缩短研发周期,降低成本。

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。

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。

铸坯夹渣对铸坯皮下温度、坯壳厚度、第一主应力和等效应力有着显著的影响。基于温度继承算法,运用ANSYS有限元软件建立了钢液凝固二维瞬态导热模型,解析了夹渣对铸坯传热和应力行为。在铸坯常见的距中心1/4位置镶嵌宽10 mm深4 mm的保护渣,研究表明夹渣铸坯皮下温度平均上升60 ℃,坯壳厚度变薄3.6 mm,受到夹渣的影响第一主应力分布不均,局部变小,等效应力整体变小。

中间包浇注是连铸过程的重要工序,可分为稳态浇注和非稳态浇注两个阶段,其中非稳态浇注过程时间虽短,但该过程造成的钢液污染往往最为严重。为了减少非稳态浇注过程中的钢液污染,建立了中间包水模型试验系统,开展了“钢液-保护渣”两相水模型试验,研究了长水口插入深度、充包流量对中间包内的流动形态、混合特性以及渣金界面演变规律。结果表明,在稳态浇注过程中,发现长水口流量的增大将导致钢液的滞留时间增加,平均停留时间和死区体积分数减小;长水口插入深度的增加会将钢液的平均停留时间由原来的226 s延长至246 s。在非稳态浇注过程中,发现充包过程会出现渣层裸露现象即渣眼,且充包结束后再稳态阶段渣眼不会立刻消失。充包流量和长水口插入深度的增大均会导致渣眼面积增大,以及再稳态阶段渣眼存在的时间增加。当充包流量由2.18 m³/h增至3.30 m³/h时,最大渣眼面积由1 871 mm²增至19 001 mm²,而再稳态渣眼存在时间也由41 s延长至232 s。

针对工业控制过程中高频时间序列是否存在某些关键特征形态子序列以及该子序列位于时间序列中具体位置的问题,提出了基于shapelet的工业时间序列中关键形态特征子序列的识别定位算法。其中shapelet为时间序列中最具辨别性的连续子序列,利用shapelet集可以适用于长度不一的子序列相似性计算,并且序列识别结果具有解释性。为了提高时间序列中关键形态特征子序列的识别定位速度和准确性,首先基于遗传算法从时间序列数据集中提取并筛选出具有形态特征的shapelet集,其次采用数据标准化和滑动欧式距离的方法计算shapelet与时间序列中子序列的相似性度量值,用来评估形态特征的相似性;然后定义了自适应相似性阈值以及滞后时间的概念,实现识别和定位时间序列中存在的特征形态子序列,提高了关键形态子序列的识别精度;最后利用公开标准数据集和连铸过程中拉速时间序列集验证了方法的可行性和准确性。

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。