电磁搅拌(EMS)技术在高效连铸冷却凝固过程中发挥着关键作用,能有效改善连铸坯的内外部缺陷。电磁搅拌技术利用洛伦兹力优化钢液流动,减少钢液流动不稳定性、保护渣卷入和表面缺陷,达到提高连铸坯质量的目的。为此,为了解EMS技术对连铸过程的影响,对连铸电磁搅拌技术的工作原理进行了简要概述,详细分析了结晶器电磁搅拌(M-EMS)、二冷区电磁搅拌(S-EMS)、凝固末端电磁搅拌(F-EMS)及电磁搅拌组合技术在连铸中的最新研究进展,并指出了其应用所面临的问题及改进思路。最后,对未来连铸电磁搅拌技术的发展趋势进行了展望。

中间包在钢水连铸过程中起到承上启下的作用,承担着分流、稳压、调质和控温等功能。作为钢水接触的最后一个耐火材料容器,中间包因其较大的容积和稳定的流动条件,被视为非金属夹杂物上浮去除的理想场所。随着对铸坯质量和钢水洁净度要求的不断提高,中间包的冶金功能越来越受到研究人员的重视,开发出多种先进中间包冶金技术,研究人员采用水模试验、数值模拟、在线原位检测等方法,对新技术条件下中间包内的多相传输现象进行了深入研究。基于近年中间包冶金的研究现状,综述了包括中间包感应加热、微气泡冶金及夹杂物多孔陶瓷过滤在内的中间包冶金新技术,探讨了中间包冶金未来的发展方向。

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。

随着连铸机向着超宽、超厚的设计方向发展,重新评估极端条件下的连铸结晶器流场特征显得十分必要,基于国内后续可能的超宽板坯连铸设计,针对较大断面3 300 mm×180 mm结晶器流动开展了数值模拟,研究了3种典型板坯连铸水口下的结晶器流动特征。结果表明:两孔水口结晶器的流场形态呈经典双环流流动模式,五孔水口结晶器增加了水口处和中轴处钢液的扰动,CSP 型水口结晶器的流场形态呈自下而上的大环流;五孔水口结晶的液面波动既保证了液面波动在安全数值范围内,又增加了对弯月面流动死区的扰动,对流场的优化效果显著;五孔水口典型的结构参数如下:主侧孔倾角为10°～20°,插入深度为150～160 mm,主副孔间距为10～20 mm。

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。

连铸保护渣在保障连铸顺行和铸坯质量方面发挥着关键作用,其作用的发挥与保护渣的性能密切相关。保护渣的黏度和熔化温度是保护渣的关键性能参数,其测定所需的时间与物力成本较高。鉴于机器学习技术的发展,本研究基于K近邻算法(KNN)、核岭回归算法(KRR)与随机森林算法(RF)3种机器学习算法建立保护渣黏度和熔化温度预报模型,旨在准确预报保护渣的黏度与熔化温度,为保护渣的快速、便捷设计提供指导。结果表明,基于KRR算法的模型在保护渣黏度预报方面有着较好的表现,其决定系数(R²)、均方根误差(RMSE)和平均绝对误差(MAE)分别为0.983、0.023和0.014;基于RF算法的模型在预报保护渣熔化温度方面具有更高的可靠性,R²、RMSE和MAE分别为0.823、14.004和8.974。输入特征的排列重要性分析表明SiO₂、F、Al₂O₃对黏度的影响依次降低,Na₂O对熔化温度的影响最大。与广泛应用的黏度和熔化温度预报模型相比,KRR算法黏度预报模型和RF算法熔化温度预报模型的平均相对误差(MRE)分别为6.26%和0.83%,远低于目前广泛应用的预报模型的平均相对误差,表明机器学习模型具有较高的可靠性。基于模型建立的黏度和熔化温度分布图可为保护渣的设计提供直观参考。

为提高异型坯T型中间包冶金效果,对中间包流场和温度场等进行数值模拟和物理模拟,通过分析冲击区大小、稳流器开孔张角、稳流器开孔仰角以及稳流器立墙形式对流场的影响,制定了适合异型坯中间包内型尺寸和稳流器最佳的中间包结构。工业试验表明,改进后的中间包冶金效果明显优于原中间包。中间包优化前后测温、取样结果显示,优化前后1流、3流温度与2流平均温差由原来的11.8 ℃降低至3.95 ℃,降低幅度达66.5%以上;优化后1流、2流的氧质量分数和氮质量分数均相同,平均氧质量分数比优化前下降17.17％。说明优化后的中间包流场明显优于原中间包流场,改进后的中间包利于均匀钢水温度、成分和提高铸坯洁净度与表面质量。优化后稳流器对中间包内衬渣线侵蚀情况也得到明显改善,由原32 h侵蚀55 mm降低至目前48 h侵蚀45 mm,显著提高了中间包寿命。

为了解决高铝钢喂钙线技术的金属收得率低、夹杂物改性不充分等问题,采用钢液喂入复合钙铝酸盐包芯线技术,利用数值模拟和水模型试验方法研究不同直径复合包芯线在钢液中的熔化行为,以及喂入包芯线后对钢液流场和夹杂物去除率的影响。结果表明,包芯粉直径为11 mm、线皮厚度为1.07 mm的复合包芯线,满足喂线速度为2~4 m/s的理想条件。当喂入深度为100~300 mm时,尺寸不大于50 μm、50~100 μm和100~150 μm夹杂物去除率的增加比例分别为3.29%、2.71%和2.56%。当喂入深度距离钢包底部100 mm时,复合包芯粉尺寸每增加50 μm,尺寸不大于50 μm、50~100 μm和100~150 μm夹杂物去除率增加比例分别为4.58%、3.01%和2.42%。

为了进一步降低板坯异钢种连浇生产过程中的混浇坯长度,针对连铸生产过程中动态控制及对成分混合的影响,开展了精确预测混合过程及过渡坯划分问题的研究。通过工业试验分析了混浇生产过程中间包余钢量、拉速对成分混合的影响,发现在拉速、规格相同的条件下中间包余钢量越小,开浇后5 m铸坯位置下混合成分越接近后一炉成分,且其为主要影响因素;中间包余钢量、规格相同的条件下拉速越小,开浇后5 m铸坯位置下混合成分越接近后一炉成分,且其为次要影响因素。通过收集连铸机生产数据并结合数值模拟结果,建立了以LSTM神经元网络为基础的时间序列模型,通过模型离线计算,发现在控制混浇过程中中间包余钢量的平均值相等情况下,前期控制较低的中间包余钢量可加快中间包钢水的混合过程。模型在线布置应用结果表明,平均预测偏差为3.69%,精度满足实际生产需要。

国内某钢厂采用LF-RH-CSP工艺生产IF钢,该工艺对钢中C、N含量及钢液洁净度要求较高。为探究IF钢中主要增C和增N来源及LF-RH精炼过程中夹杂物成分、尺寸、数量的变化规律,对不同工艺节点取钢样进行分析。结果表明,升温造渣和炉渣改质时伴随底吹氩强翻洗现象,钢液剧烈翻腾使钢水裸露而导致严重的增C和增N。LF进站Al脱氧后夹杂物主要是不规则的Al₂O₃,LF造渣至出站期间夹杂物转变为MgO·Al₂O₃尖晶石。RH进站二次Al脱氧后夹杂物为MgO·Al₂O₃和少量单独存在的Al₂O₃,RH出站时夹杂物全部被改性为球状的CaS-12CaO·7Al₂O₃-MgO·Al₂O₃复合夹杂物。夹杂物数量密度整体呈下降趋势,平均直径从6.0 μm逐步降低至2.3 μm,钢液洁净度得到显著提升。热力学计算表明,MgO·Al₂O₃夹杂物生成趋势强,是CaS-12CaO·7Al₂O₃-MgO·Al₂O₃复合夹杂物的形核核心。建立了夹杂物演变动力学示意图。研究结果为优化IF钢生产工艺、提升钢水可浇性提供了理论支持。

高拉速连铸生产是连铸高效、绿色、智能化发展的成果和实现途径。以实现高拉速连铸为目标,从工艺控制和装备设计角度对结晶器开展研究,建立结晶器传热模型,在对结晶器传热分析的基础上,提出了高拉速结晶器优化设计的核心是在提高冷却效率前提下,提高铜板冷却均匀性的优化思路。采用多目标策略优化的方法,提出了一种结晶器水缝优化设计的新方案。优化后的结晶器铜板热面温度和温差显著降低,从而可显著降低高拉速下由坯壳冷却不均造成的漏钢风险。这对于连铸机高拉速生产技术的推广和应用具有重要意义。

为了解决某钢厂四流中间包内部钢液流动一致性较差的问题,对中间包挡墙的导流孔结构进行设计,并结合湍流抑制器,形成控流装置的组合结构,优化中间包流场。针对挡墙导流孔结构设计正交试验,通过水模拟试验获得各个方案的时间停留分布(RTD曲线),结合极差分析法和实际情况确定挡墙导流孔最优结构参数以及因素的影响程度。在此基础上设计不同结构的湍流抑制器,与挡墙组合,进行水模拟试验,最终获得了最优的生产方案。研究结果表明,方案U2为挡墙的最佳结构,导流孔参数为竖直倾角25°、直径140 mm、高度400 mm、水平倾角10°,该方案死区比例为17.83%,较原方案减小2.12%,流动一致性较原方案提升了84.61%;将多边型湍流抑制器与U2组合应用后,钢液流动行为最优,该方案死区比例为16.1%,较原型中间包减小3.85%,流动一致性提高71.54%。相对于单一的挡墙结构,U型挡墙+多边型湍流抑制器的组合结构能够有效减小死区比例,大幅降低了水口峰值浓度,延长峰值时间,使水口一致性增强,实现中间包内部流场的优化,为后续开发控流装置组合优化流场提供了理论依据。

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。

针对某钢厂薄板坯结晶器内易发生卷渣问题,采用漏斗形结晶器为研究对象,通过VOF的方法建模计算,对钢-渣界面进行深入研究,并构建1∶2的物理模型与1∶1的数值模型,分析拉速、保护渣黏度以及浸入深度对结晶器流场和钢-渣界面波动行为的影响。以表面流速大小、钢-渣界面渣相分布和结晶器液面波动高度等作为评判依据。结果表明:在钢-渣界面表面流速为0.12~0.26 m/s,且保护渣黏度大于0.253 Pa·s时,液面比较平稳。随着浸入深度增加,钢液的冲击深度下移,上回旋区范围变大,钢-渣界面波动高度降低到5.4 mm。当浸入深度大于190 mm,保护渣黏度为0.324 Pa·s,钢-渣界面表面流速小于0.26 m/s时,可以有效抑制卷渣的发生,这对于提升铸坯质量,助力工业生产安全稳定提供参考。

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。

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。

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。

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。

通过铸坯酸洗腐蚀低倍拍照、中心偏析及半宏观偏析检验,研究了不同电磁搅拌、浇铸过热度及二冷强度对200 mm×200 mm断面连铸SWRH82B铸坯均质性的影响规律,考察了铸坯均质性对盘条中心晶界渗碳体评级的影响。制定了200 mm×200 mm断面连铸SWRH82B的关键工艺,实现了铸坯低偏析控制,为盘条组织性能控制奠定了重要均质性基础。结果表明,M-EMS电流强度300 A,F-EMS电流强度200 A,浇铸钢液过热度(25±2) ℃,弱二冷工艺所得铸坯均质性最优,其中中心C偏析度平均为1.08,轧制的盘条中心晶界渗碳体评级2.0级以下的比例达96%,盘条拉拔断丝率平均2.3 次/100 t。

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。

通过对55SiCr弹簧钢铸坯进行热酸洗检验,发现浇次第8炉第8流铸坯试样内弧面存在纵裂纹。对裂纹内部存在的夹杂物质进行能谱分析,发现Na、F等元素含量较高,判断为结晶器保护渣卷入。为了解裂纹产生的原因,采用扫描电镜检查等手段,结合炼钢生产过程控制情况进行研究。结果表明,钢水Al_s含量偏高是产生铸坯表面纵裂纹问题的根本原因。由于生产节奏紧张,该浇次采用的钢包为含铝钢周转包,生产前未采用无铝钢进行涮包操作,导致该浇次钢水Al_s含量偏高,要求钢水Al_s质量分数不大于0.005 0%,实际控制在0.005 5%～0.008 0%。浇注过程中二次氧化形成的Al₂O₃夹杂,在水口内壁积聚,逐渐形成大块附着物,受到高温钢水的不断冲刷,导致水口内壁的附着物突然脱落,造成各流结晶器液面的急剧变化。第8流结晶器液位要求控制在(70±5) mm范围内,但浇注末期,结晶器液位控制在34～85 mm,铸坯拉速由1.80 m/min恒拉速变为1.4～2.0 m/min,波动幅度过大。结晶器液面长时间失控,持续时间约30 min,造成铸坯表面夹渣问题,当铸坯表面受拉应力作用时,在夹渣位置产生应力集中,导致出现纵裂纹。

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。

连铸坯网状裂纹隐藏在铸坯亚表层,人工在线检查时难以发现,加热炉烧损量不足时容易造成轧材大量的起层(起皮)缺陷。通过轧材和铸坯金相检测分析,明确了起层缺陷的原因来自铸坯网状裂纹;针对全弧形连铸机板坯网状裂纹问题,分析了低合金钢的典型元素(C、Al、N、V)、结晶器冷却强度、连铸保护渣、二冷强度等相关因素对铸坯网状裂纹缺陷的影响规律,明确了铸坯裂纹产生的原因:铸坯深振痕和大量析出物形成裂纹源,并且铸坯在流道处于脆性区且受应力过大。提出了控制板坯网状裂纹的有效措施,包括减少典型元素含量、适当提高并稳定铸机拉速、采用改进的连铸保护渣、减弱结晶器和二冷强度,提高流道质量等。相关技术措施通过大量的现场应用,减轻了低合金钢板坯网状裂纹缺陷,热轧板卷起层缺陷率由21.84%降至0.47%。

为了研究大圆坯凝固传热情况,以某钢厂大圆坯连铸过程为研究对象,基于传热微分方程,采用有限差分法中的隐式差分进行求解,建立了极坐标下大圆坯二维凝固传热模型。利用计算机语言C++进行程序编译,采用现场测温的方法进行模型验证。通过模型的应用研究发现,拉速的改变对结晶器出口温度、凝固终点等数据影响较大,拉速每提升0.02 m/min,凝固终点后移1.8 m;过热度的改变对铸坯表面温度、液相穴长度等数据影响较小,过热度每提高10 ℃,液相长度仅增加0.6 m;从铸坯表面温度下降速率来看,结晶器阶段温降最快,此时铸坯处于初生坯壳快速生长期,在二冷Ⅱ区出现回温现象;可以根据模拟情况调整工艺提升铸坯质量。

热送热装技术可以显著降低加热炉能源消耗、提高生产效率、减少钢-轧界面的碳排放。然而,热送热装的微合金钢板坯在轧制后极易产生红送裂纹,限制了该技术的应用。为了研究300 mm厚微合金钢板坯的扇形段热装预处理工艺,采用高温拉伸试验研究了热装预处理过程的合理冷却速度,通过工业试验研究了热装预处理过程板坯表面温度和微观组织的变化规律,利用统计的方法研究了热装预处理后钢板的表面质量和力学性能。结果表明,热装预处理过程合理的冷却速度应在4.0 ℃/s以上。在扇形段热装预处理过程板坯表面温度由920 ℃降至387 ℃,冷却速度约4.2 ℃/s,表面回温可达742 ℃,回温速度约1.2 ℃/s;通过快冷和回温使得板坯表面形成了细小的贝氏体组织。热装预处理工艺实施后,热装温度由500~550 ℃提高至600~650 ℃,消除了高温热送热装带来的红送裂纹问题,钢板力学性能稳定。

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。

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%。

取向硅钢生产工艺复杂、制造技术严格,被誉为钢铁材料中的“艺术品”。为了提高取向硅钢常规板坯拉速,提高企业盈利水平,分别进行了不同拉速条件下的凝固末端测试研究和铸坯鼓肚行为研究,结果表明,1)取向硅钢常规板坯在0.9 m/min和1.0 m/min拉速时,凝固末端均在7段前,1.1 m/min高拉速时,凝固末端在第8段;2)拉速由0.9 m/min提高1.1 m/min时,坯壳厚度减薄,相同静压力下,鼓肚量与鼓肚变形率变大,最大鼓肚变形率为0.107%,当拉速增幅为0.1 m/min 时,对应相同位置的铸坯鼓肚量增幅约为3.7%~16.6%;3)综合结晶器液面波动、铸坯鼓肚、凝固末端位置等试验研究,取向硅钢常规板坯拉速可由0.9 m/min提高到1.1 m/min。

高品质洁净钢平台建设是实现洁净钢高效率、低成本生产的重要手段,对提升企业竞争力与效益具有重要意义。洁净钢生产是一个涉及原辅料质量评价及管控、炼钢和精炼过程自动化与精准控制、严格保护且稳定浇注的系统工程。在总结洁净钢生产工艺系统集成的基础上,提出以实时数据库为基础,构建全流程工艺与信息的集成平台,实现洁净钢生产各工序间信息的集成、反馈、分享、存取和问题的溯源。同时,依托大数据分析等手段,建立工艺知识库,达到洁净钢生产运行控制、工艺技术、数据资源、监控管理的统一,从而实现炼钢的全流程质量管控。

合理的连铸二冷工艺制度是改善弹簧钢铸坯质量的关键之一。以某钢厂生产55SiCr弹簧钢150 mm×150 mm小方坯为研究对象,采用现场测温与Procast模拟计算结合的方法,通过建立考虑横向水量分布的凝固传热数学模型,分析了二冷区各段水量对连铸坯纵-横冷却不均匀性的影响,并提出了二冷配水优化方案控制纵-横冷却不均匀性。结果表明,在现行二冷配水方案下,连铸坯纵向温度分布不合理,矫直点处铸坯角部温度为922 ℃,处于55SiCr钢的第三脆性温度区;并且,铸坯在二冷区的表面横向最大温差较大,其值为360 ℃,容易引发角部裂纹和表面裂纹。基于上述研究结果,提出了适宜该钢种的二冷配水新策略及方案,即保持足辊段水量不变,将二冷区比水量由0.80 L/kg降至0.58 L/kg,调节二冷区一段和二段水量配比为3∶2。优化二冷区配水后,二冷区一段和二段铸坯表面中心水量比例分别由7.47%和5.57%增至14.48%和13.02%,角部水量比例分别由3.46%和5.45%减少到0和2.13%,使得矫直点处铸坯的角部温度提高到997 ℃,避开了第三脆性温度区,铸坯表面横向最大温差降至209 ℃,有利于降低连铸坯角部裂纹缺陷的发生率。

基于ϕ350 mm圆坯结晶器生产304不锈钢的工艺参数,建立了三维圆坯结晶器电磁搅拌模型,研究了不同电流强度下M-EMS对圆坯结晶器内钢液流动、温度分布和凝固行为的影响,确定最佳搅拌作用的电流强度。结果表明,在施加电磁搅拌强度后,结晶器内钢液发生旋流运动,伴随搅拌时间产生周期性的偏心现象,且在凝固前沿处钢液切向速度随电流强度的增加而增大;旋流的钢液促使圆坯结晶器内钢液温度分布更加均匀,钢液高温区域扩大,M-EMS作用下的铸坯表面温度提高;在合适的电流强度作用下,提高钢液散热引起的凝固坯壳增加量大于钢液旋流冲刷引起的凝固坯壳减少量,致使凝固坯壳厚度增加,最终选取295 A的最优电流强度参数。

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。

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。

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。

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。

为提高大线能量焊接用钢母材的强韧性,基于氧化物冶金技术将微合金化应用于船板钢DH36的开发,探究微合金化对铸坯凝固组织改善的机理及工艺优化措施。通过建立凝固传热及组织数学模型,研究微合金元素与工艺参数对凝固组织细化的影响,利用真空感应炉冶炼试验钢并使用金相显微镜观察试验钢显微组织验证模拟结果。研究结果表明,Mo质量分数为0.040%~0.050%细化效果明显;Nb质量分数从0.030%增加到0.040%过程,凝固组织细化效果较好;Mg质量分数在0.002%~0.003%内增加细化效果明显;V含量增加对凝固组织的影响较小;Ti质量分数在0.015%~0.016%范围更有利于晶粒细化。过热度适当减小有利于组织细化,低拉速更有利于铸坯质量提高。在生产2 400 mm×400 mm断面船板钢DH36铸坯时,为获得优良的钢液凝固组织及细化晶粒,根据本研究应采用的最佳工艺参数为:拉速为0.58~0.60 m/min、过热度为25 ℃、Mo质量分数为0.050%、Nb质量分数为0.040%、Mg质量分数为0.003 0%、V质量分数为0.003 5%、Ti质量分数为0.015%。结果显示,此工艺条件下凝固组织的等轴晶区域较常规合金含量铸坯提高11个百分点,优化率为35%,晶粒细化效果显著。在试验和计算分析基础上,提出的改善铸坯母材性能的微合金添加含量范围及工艺参数优化措施,可为大线能量焊接船板钢连铸过程工艺优化提供可靠的理论指导。

金属包覆材料多辊固-液铸轧复合工艺兼具多辊轧制技术与铸轧复合技术双重优势,有望实现高效率、短流程、低能耗的连续近终成形与界面冶金结合。多辊固-液铸轧复合设备的结晶器担负着水冷和轧制的双重作用,直接影响覆层金属的凝固和变形行为,通过设计孔型铸轧辊结构方案,基于FLUENT软件建立孔型铸轧辊稳态温度场分析模型,研究结构参数和工艺参数对温度分布的影响规律。结果表明,非冷却区宽度对孔型铸轧辊冷却能力影响较小,参数设计时以满足铸轧辊强度要求为准,而提高冷却区宽度、对流换热系数和降低冷却水温度有利于提高孔型铸轧辊冷却能力。基于数值模拟结果获得优化结构参数,辊套名义直径为250 mm、内径为180 mm、宽度为50 mm,孔型直径为25 mm,冷却区宽度为25 mm,完成金属包覆材料多辊固-液铸轧复合原理样机设计制造,为后续开展试验研究奠定了平台基础。

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。

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。