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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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%。

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。

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。

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。

针对某钢厂2Cr13不锈钢铸坯表面出现纵裂和凹陷等质量问题,从钢种高温特性及其连铸用保护渣进行了系统性分析。结果表明2Cr13马氏体不锈钢在凝固过程中会发生包晶反应,且包晶反应起始时固相分数高达88.77%;在高温阶段,该钢种的DSC曲线波动大,热稳定性较差;同时,该钢种具有抗拉强度高、热塑性差等特点,这些因素极易引起坯壳的不均匀生长,因而容易产生铸坯裂纹、凹陷等表面缺陷。对现用2种保护渣(S1和S2)进行分析,结果表明尽管二者在有效化学成分、黏度及熔化温度等主要理化性能指标上相近,但进一步研究发现,S2保护渣的预熔料比例明显低于S1保护渣。在实际使用过程中,由于低熔点的碳酸钠优先熔化并发生分熔现象,导致液渣中碳酸钠的实际含量高于设计成分,进而使液渣的黏度和转折温度低于原始配比。这一现象使得保护渣的渣膜分布不均,控热能力下降,从而增加了铸坯出现纵裂和凹陷等缺陷的风险。该研究结果为优化马氏体不锈钢连铸保护渣的设计和工艺参数提供了重要依据。

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。

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。

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。

线状卷渣缺陷是冷轧汽车板生产过程中面临的主要难题,根据形貌特征其可分为平行双线形、长条形和分层起皮形。分析表明,形貌的成因与铸坯中液渣卷入深度和轧制减薄后暴露的程度有关,双线、长条形深度较浅大部分在皮下8 mm内,平均深度为5 mm,冷轧板卷渣主要以该2类形貌为主。利用自主开发的缺陷一贯制追溯系统对冷轧卷渣缺陷进行溯源,结果表明,80%的冷轧卷渣为热轧卷渣遗传,连铸过程渣滴卷入或捕捉过程主要发生在距结晶器弯月面200 mm内。采用薄钢板、偏转杆测量法等对结晶器流场影响因素进行了定性和定量化研究,开发了小流量弥散吹氩、大倾角和大浸入深度水口等工艺技术,结晶器液面波动不大于±3 mm的比例由55%提高到了90%以上,线状卷渣缺陷显著降低。

含钛钢水中的夹杂物是导致连铸过程发生水口堵塞和保护渣性能恶化的主要原因,以含钛钢连铸保护渣与夹杂物的界面行为为研究对象,通过座滴法研究了3种不同碱度高钛钢保护渣与TiC夹杂界面润湿行为以及保护渣对TiC的吸收和转化规律。首先,试验通过座滴法分析了保护渣-TiC接触过程中润湿行为随温度的演变规律,即随着保护渣碱度的增大,保护渣与TiC基片之间的润湿性逐渐降低,润湿角由大到小为:CS渣(CaO-SiO₂,19.8°)>CSA渣(CaO-SiO₂-Al₂O₃,20.9°)>CA渣(CaO-Al₂O₃,31.5°)。随后,对保护渣-TiC两相间的界面行为进行了研究,结果表明,保护渣与TiC之间不存在明显的界面反应行为,但界面两相之间存在传质过程;保护渣碱度是影响保护渣与TiC界面传质过程的重要因素,碱度增大对传质过程有抑制作用;根据SEM-EDS分析结果可知,CS渣与TiC夹杂两相间的相互作用层最厚,约为30~80 μm,对TiC夹杂的吸收能力最强;CA渣与TiC夹杂两相间的相互作用层最薄,约为30~50 μm,对TiC夹杂的吸收能力最弱。研究内容为TiC夹杂与保护渣之间的润湿性研究提供借鉴,为高钛钢保护渣成分的设计提供理论指导。

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%。连铸漏钢事故容易造成钢液泄漏,发生灼烫、火灾甚至爆炸等安全事故,造成人员伤亡和巨大的财产损失。针对上述问题,从连铸生产的工艺参数出发,系统梳理和分析了连铸黏结漏钢的影响因素,剖析了铸坯尺寸、拉速、冷却水量以及热流对板坯黏结漏钢的影响规律。对1 350、1 500和1 550 mm不同宽度的铸坯黏结情况进行分析,发现1 550 mm厚度的板坯平均热流的波动最大,随着板坯宽度的增加,平均热流的波动越明显,铸坯黏结的可能性会随着铸坯宽度的增加而增大。对于宽面尺寸较大的板坯,在生产时要选择合理的拉速,进而避免黏结事故的发生。从工艺参数、人员操作和管理制度方面提出了防控黏结漏钢措施,为连铸的安全生产提供理论和技术支撑。

中间包等离子加热技术可降低出钢温度、过热度波动范围、改善铸坯质量,且设备具备安装便捷、高加热效率、低能耗等优势。围绕中间包等离子加热技术的研究热点,系统梳理了其设备结构与技术特点,并对其在板坯生产中的应用进展进行了综述,重点分析了等离子加热技术在实际应用中的冶金效果,明确装置对钢液的温度、化学成分以及夹杂物去除等方面的影响。结果表明,由国内自主研制的新型中空石墨电极加热装置在中间包加热技术方面取得突破,不仅有效弥补了温度热损,还可适用于低碳钢至高碳钢等多种钢种的生产需求,达到了节能降耗的预期目标。

连铸是钢铁生产过程中的一个关键环节,也是连接炼钢和轧钢的中间过程。为了降低连铸板坯号检测模型在实际部署时对计算机算力的要求,在保证连铸板坯号检测模型识别准确度的基础上,对板坯号检测模型进行了轻量化研究。首先,基于AD-PAN特征融合结构的检测算法,引入了MobileNetV3轻量级骨干网络来提取板坯号特征,旨在保持模型轻量化的同时提高图像分类性能。其次,对板坯号检测模型进行了协同互学习(Collaborative Mutual Learning, CML)蒸馏,旨在保证板坯号检测精度。最后,进行了试验对比以评估轻量化模型的性能,结果表明,通过模型轻量化研究牺牲了少量的模型精度,但大幅缩小了模型的参数量,并提高了模型的检测速度。

为了准确模拟结晶器内的传输行为,基于国内某钢厂弧形连铸机大方坯生产,考虑了连铸坯在结晶器下半段及二冷区的弯曲,建立了包括结晶器区、二冷1区和二冷2区的三维弧形连铸模型,研究了拉速、过热度和水口内直径对结晶器内流动、传热、凝固以及偏析等传输行为的影响规律。随着拉速从1.1 m/min增大至1.5 m/min,结晶器内钢液流速显著增加,结晶器出口处的凝固坯壳厚度从15.0 mm降低至11.0 mm,连铸坯皮下负偏析带的最低碳质量分数从0.117%增加至0.119%。随着过热度从10 K增加至50 K,结晶器内钢液流速基本不变,结晶器出口处的凝固坯壳厚度从13.1 mm降低至10.0 mm。连铸坯皮下负偏析带的最低碳质量分数从0.120%降低至0.117%。随着水口内直径从30 mm增加至40 mm,结晶器内钢液流速逐渐降低,结晶器出口处的凝固坯壳厚度从10.9 mm降低至10.2 mm,连铸坯皮下负偏析带的最低碳质量分数从0.119%降低至0.118%。适当增大拉速、降低过热度、使用较细的水口,既可以满足结晶器出口处具有一定的凝固坯壳,又可以改善连铸坯皮下负偏析。

连铸生产过程中有诸多影响其质量的因素,其中对钢坯温度的管控极为重要。温度过高会使钢坯表面氧化造成资源浪费,温度过低会使钢坯塑性降低。其中,连铸二冷室对高温钢坯进行喷水降温,喷水量直接影响钢坯表面温度。当冷却水系统故障、现场工作人员操作不当、维护不及时等原因,致使二冷喷嘴的喷水量有时会受影响产生漏水现象,即喷水过于集中在钢坯的某个区域,最终造成钢坯局部区域温度骤降而形成热裂缺陷。基于红外图像,利用机器视觉和漏水检测算法将视频流中的前景对象与背景分离,精准识别喷水设备是否漏水。试验表明,该方法能有效检测出二冷喷嘴的漏水区域,试验过程实现了100%的报警准确率,为后续检修提供了技术支持。

基于铸机弧形结构及二冷区喷嘴布置与非均匀水流密度,在ProCAST模拟软件的基础上,编写了连铸传热凝固计算前后处理模块。针对钢厂特厚板坯连铸工艺过程进行模拟,获得铸坯纵截面与横截面的温度场及凝固分数。结果表明,若铸坯边部水流密度小于中部水流密度,则凝固液相穴在铸坯中心宽面呈“W”形;通过调整二冷区水流密度分布可以改善铸坯凝固坯壳厚度均匀性。

针对表面质量要求非常严格的高等级汽车板,通过现场工业试验及取样,利用ASPEX系统研究不同类型铸坯在内弧0.5~5.0 mm内大于5 μm夹杂物的粒径、类型、数量密度,同时对机清3 mm与非机清热轧板卷取样进行定量分析与评价。结果表明,不同类型铸坯夹杂物均集中在距内弧表层0.5~3.0 mm内,并随着距离表层的增大,夹杂物数量密度逐渐降低,其中头坯距表面0.5~3.0 mm时夹杂物数量密度由2.25 个/mm²降至1.32 个/mm²,距离表层3.5~5.0 mm范围内夹杂物数量密度趋于平稳为1.25 个/mm²。正常坯距表面0.5~3.0 mm时夹杂物数量密度由0.89 个/mm²降至0.71个/mm²,距离表层3.5~5.0 mm范围内夹杂物数量密度趋于平稳为0.63个/mm²。非机清板卷夹杂物类型与机清板卷夹杂物类型相同,板卷中夹杂物主要为Al₂O₃、TiN和Al₂O₃-TiN复合夹杂,对机清和非机清夹杂物数量对比发现,夹杂物数量密度分别为0.64 个/mm²和0.88 个/mm²。

针对高拉速小方坯连铸,构建凝固传热模型,通过对结晶器区、二冷区和空冷区边界条件的研究,提出基于目标表面温度与有效拉速的双模式喷淋水控制算法,利用 JAVA 和 VUE 开发 B/S 架构的前后端应用。并将其应用于170 mm×170 mm 方坯连铸机生产 HRB400 钢种的实践验证,应用后铸坯低倍质量显著提升,中心偏析优于 1.5 级的比例提升 3.5%,中心缩孔优于 1.0 级比率提升 1.2%。