表面纵裂纹属于严重的铸坯质量缺陷,易在轧制过程中发生显著的扩展行为,严重影响生产效率和产品质量。国内外大量研究聚焦于如何调控连铸坯表面裂纹。本文对连铸坯典型表面纵裂纹的形成及控制方法进行了综述分析。连铸坯表面缺陷影响因素主要有钢种成分、连铸参数(结晶器冷却强度、拉速、过热度、结晶器锥度等)以及所选用保护渣的理化性能等。通过各因素间的协同调控,促进铸坯表面均匀传热和坯壳稳定生长,抑制铸坯表面纵裂纹的产生。

耐火材料是保障钢铁生产安全以及增效提质的重要基石。在现代钢铁冶金生产中,对耐火材料提出了更高的标准,包括能够抵御更高温度、更强烈的化学侵蚀以及更严重的机械破坏。只有适配高品质的耐火材料,高端钢材的先进生产流程和创新技术才能得到有效保证。综述了不同耐火材料抗侵蚀性能优化以及钢包耐火材料侵蚀机理,提出新型耐火材料的研发需要在原料组分选择和结构匹配设计上出发,以及表面涂层技术的应用,旨在提高钢包用耐火材料在高温、腐蚀性环境中的稳定性和寿命。

为了解决某钢厂在生产条件欠佳时中间两流的铸坯质量明显低于边部两流的问题,提高中间包的各流一致性及减少中间包的死区比例,在同一个挡墙上设计了3种开孔方式,并通过水模型物理试验获得了各方案的时间停留分布(RTD)曲线。经过分析RTD曲线获得了各方案对应的死区、活塞流区及全混流区比例。同时综合考虑RTD曲线的尖峰和各流间的一致性,获得了最优的生产方案。研究结果表明,侧边单孔的方案B1流场最优,其孔径为140 mm,竖直角度为20°。其两流流动一致性很好,死区比例为19.95%,且RTD曲线无尖峰及双峰。

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。

为了有效降低转炉金属料等资源消耗,通过研究影响转炉金属料消耗的主要因素,提出降低金属料损耗的方案,并在炼钢生产中付诸应用实践。通过研究采用炼钢动态调整转炉原辅料结构,增加含铁物料应用,优化冶炼工艺、造渣工艺、终点控制、连铸生产等环节生产工艺及技术,强化转炉过程冶炼控制,可逐步实现金属料消耗极限控制。经实践,2022年,转炉金属料消耗降低2.24 kg/t,有效减少了钢铁料消耗,降低了炼钢生产成本,取得良好的经济效益。

数值模拟已成为解析电弧炉炼钢过程中复杂物理化学现象及其作用机理的有效手段。对电弧炉炼钢气体搅拌数值模拟的研究现状进行了综合评述,从集束射流特性、电弧炉侧吹以及电弧炉底吹三个方面综述了气体搅拌技术对电弧炉炼钢工艺中流动、传热以及化学反应等行为的影响。分析了影响集束射流喷吹特性的关键因素;讨论了电弧炉侧吹射流搅拌熔池的特征规律;评述了电弧炉底吹工艺下熔池行为的模拟现状。最后,提出了电弧炉炼钢气体搅拌数值模拟技术的未来发展趋势。

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。

针对国内某钢厂连铸过程结晶器液面波动导致铸坯质量降级率较大的问题,建立相似比1∶0.6的板坯结晶器水模型,系统研究了浸入式水口的出口角度、浸入深度对结晶器流场的影响,并进一步采用高速摄像机和3D粒子图像测速仪对不同工况下的结晶器流场进行可视化分析。结果表明,在现有1.10 m/s的拉速生产条件下,选取25°的水口以及150 mm的浸入深度的液面波动和表面流速分别为1.57 mm和0.268 m/s;后续在拉速为1.40 m/s生产需求下,选取25°的水口以及180 mm的浸入深度的液面波动和表面流速分别为2.42 mm和0.325 m/s,均在合适的范围内,有利于夹杂物的控制,可为实际的连铸生产提供工艺参数指导。

废钢熔化特性对于电弧炉炼钢流程至关重要。对电弧炉炼钢过程中废钢熔化行为的研究现状进行了综合评述,从热态模拟试验、冷态模拟试验以及数值模拟研究3个方面论述了废钢几何性质、废钢预热温度、熔池温度、熔池流动性质、废钢及熔池的元素含量、底吹工艺、侧吹工艺以及电弧特性等因素对废钢熔化行为的影响,旨在为电弧炉炼钢过程中的废钢熔化特性研究提供参考和借鉴。

为了研究铝脱氧钙处理钢凝固冷却过程夹杂物的转变机理及影响因素,通过对S335结构钢中间包钢液和连铸坯取样,分析了不同洁净度钢中夹杂物的转变现象。结果表明,从中间包钢液到连铸坯夹杂物发生了由均相CaO-Al₂O₃向多相Al₂O₃+CaS的转变,同时伴随着夹杂物数量和尺寸的增加。通过热力学计算揭示了钢凝固冷却过程夹杂物的转变机理,并发现随着钢中w(T.[Ca])/w(T.[O])的减小和w(T.[O])/w(T.[S])的增大,钢液夹杂物中CaO质量分数减小,同时凝固冷却过程夹杂物中CaS的析出温度和析出量均减小。基于钢凝固冷却过程夹杂物的转变现象可知,在分析钢液中夹杂物成分时,须在取出钢水试样后进行快速冷却,以避免凝固冷却过程中夹杂物发生转变,提高检测的准确性。

在双碳政策背景下,众多钢铁企业与科研院所积极开展低成本、高效率、环保型钢铁生产技术。铸坯火焰切割作为连铸生产的配套工序之一,受到了众多企业和研究人员的关注。高效节能的切割技术与环保的切割方式将是未来火焰切割发展的主要方向。基于现实需求,归纳总结了火焰切割中不同燃烧介质的切割原理,对比分析了不同切割介质切割成本、切割质量(切割缝隙、切割面平整度和挂渣量)、切割效率,综述了国内外钢铁企业、科研院所在连铸坯火焰切割方面的研究进展。并在此基础上,结合笔者团队研发的智控氢氧切割技术指出了当前铸坯氢氧火焰切割存在的不足与未来发展趋势。

为了优化板坯连铸过程结晶器水口以抑制卷渣的发生,利用ProCAST有限元软件建立不锈钢板坯连铸结晶器三维模型来研究结晶器水口优化方法。通过实验室黏度仪测量保护渣性能参数带入卷渣临界表面流速经验公式,得到易发生卷渣的钢液临界表面流速。数值模拟计算优化前与优化后的钢液临界表面流速以及结晶器流场、温度场。钢液卷渣临界表面流速理论值为0.35 m/s。数值模拟结果表明,中孔直径从55 mm增大到60 mm,侧孔倾角从8°降低到6°,四尺铸坯钢液临界表面流速值从0.347 m/s降低到0.296 m/s,五尺铸坯从0.351 m/s 降低到0.323 m/s。优化参数下的钢液上表面流速适宜,结晶器流场和温度场合理,利于保护渣熔化,坯壳润滑效果好,能有效抑制卷渣发生。因此板坯连铸结晶器水口可按此参数优化。

钙处理是减少铝镇静钢水口堵塞的重要手段,然而生产时钙处理后仍有堵塞发生。为了明确铝镇静钢钙处理后在连铸过程堵塞锆质水口的机理,采用扫描电镜分别对水口各部位蓄积物以及钢材拉拔断裂后芯部裂纹源处大尺寸夹杂物的形貌特征、成分及元素分布进行检测分析。研究发现,在水口不同部位蓄积物及轧材芯部大尺寸夹杂物的成分均以CaO-MgO-Al₂O₃为主,并含少量ZrO₂,质量分数为1%～3%。分析其机理为钢中存在大量高熔点复合钙铝酸盐类夹杂,Al₂O₃质量分数大于75%,浇注时容易在水口蓄积,而同时水口碗部所含ZrO₂、SiO₂与石墨C发生还原反应,产生了SiO、ZrO等气体,往外扩散至蓄积的钙镁铝酸盐夹杂物内,形成含ZrO₂的复合蓄积物。蓄积物进一步熔损、脱落,部分在水口内壁蓄积,部分则进入到钢液中,在凝固过程进一步聚集成大尺寸夹杂。减少连铸过程水口堵塞的关键是提高钢水洁净度,适当降低钢中Als、Ca含量以减少钢中夹杂物尤其是钙铝酸盐类夹杂物数量,同时对水口材质性能进行优化降低其反应性。

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。

对连铸坯的跟踪轧制发现热轧带钢卷上边裂的分布规律与连铸坯横向角部裂纹的分布非常吻合。能谱分析发现非常典型的连铸保护渣成分K、Na等元素,证明缺陷起源于连铸机的结晶器内。以Q235B钢水为例,调整碳质量分数在0.15%~0.20%、w([Mn])/w([S])＞20标准范围。避开碳含量和w([Mn])/w([S])的裂纹敏感区域,降低碳含量和w([Mn])/w([S])的裂纹敏感区域内炉次所占比例和调整连铸结晶器足辊开口度值为0 mm、0.4 mm、0.8 mm;结晶器内外弧足辊和扇形段辊子采用两侧和中间三点检验,每个检验点检测4组数值,检验控制标准(1±0.15)mm;连铸结晶器水口插入深度调整为120~150 mm等综合因素的优化改进,大大降低了热轧钢带卷边裂产生的概率,边裂率由原来的0.46%降到0.04%。

夹杂物对于钢材性能和表面质量有着重要影响,为丰富和推进夹杂物控制与去除技术的发展实践,进行了多种尝试和研究。向钢液中喷吹超细CaO粉剂、加入超细粉剂复合球用于夹杂物影响研究,中间包钢液喷入超细CaO粉剂和RH加入复合球的工业应用研究,钢液喷吹超细CaO粉剂、加入复合球试验室研究表明,在钢液中形成呈圆状的复合夹杂物,大部分聚集上浮排出钢液,起到了夹杂物去除、净化钢液的作用;EH36钢中间包喷入超细CaO粉剂后,铸坯中夹杂物以2 μm左右的圆形夹杂物为主,夹杂物的数密度和面积分数明显少于未喷粉罐;汽车板钢RH精炼加入复合球后,钢水中T.[O]值显著降低,中间包和铸坯T.[O]质量分数最低可达0.001 3%和0.000 5%。

鄂钢的板坯铸造设备自投产以来已超过十年,但从2020年下半年开始,300 mm厚度的板坯断断续续轧制出距平均边部50~100 mm偏离角边部裂纹,300 mm厚轧制的钢板边裂比例高达19.8%,导致大量板坯无法通过边部切削处理后作为毛边板进行交付。通过多轮试验及分析找出关键因素,认为钢种成分、N含量对钢板裂纹的形成有一定的影响,通过修改工艺参数,钢水成分、控制氮含量,使300 mm厚度毛边板边部偏离角边部裂纹基本消失,边部裂纹控制在2%以下。

中间包作为连铸生产的中间环节,使钢液的浇注由间歇操作转为连续操作,其作为冶金反应容器是提高钢产量和质量的重要环节。对案例中间包的外形提出了多种优化方案,然后通过模拟计算,研究了不同方案下的夹杂物去除率、RTD曲线数据、速度场和温度场的规律,对提出的方案进行优劣评价,并提出最优的改进方案。最后,提出的一些技术措施为钢铁生产企业提高产品质量提供一定的参考和指导。

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。

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。

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。

连铸连轧短流程产线生产的厚度2.0 mm及以下薄规格低碳钢产品市场需求量大,但受轧制工艺、设备能力等因素的影响,组织均匀性差,进而影响产品性能。针对铁素体轧制工艺生产的低碳钢组织不均匀问题,开展了相关成因分析,发现随着厚度减薄,带钢组织不均匀现象逐渐加剧,厚度为1.8 mm的带钢组织均匀,但从1.5 mm开始便出现组织不均匀现象,当厚度减薄到1.3 mm时组织明显分层现象,厚度减薄到1.1 mm时,分层逐渐加剧,呈现明显的“三明治”结构。通过层冷段采取空冷方式、投入保温罩设备,将卷取温度从650 ℃提高到680 ℃;通过减少中间坯厚度、使用70%~85%的压下率等措施,使得组织均匀性得到明显改善,性能同之前相比较,屈服降低3%~5%,抗拉强度降低3%以内,伸长率提高12%~29%。

590DH属于包晶高铝钢,兼具有包晶钢和高铝钢的技术难点。投产初期,浇铸过程粘结报警频繁,连铸坯纵裂纹时有发生,伴有角部横裂纹。通过在保护渣中加入Li₂O、提高碱度和降低碳含量,改善了保护渣的传热与润滑效果。将浸入式水口倾角向下25°改为15°,浸入式水口插入深度由135 mm提升至120 mm,优化连铸机拉速,活跃了结晶器液面,促进了保护渣的熔化,改善了保护渣的流入。通过以上措施的实施,提高了保护渣的稳定性、改善传热以及润滑效果,解决了浇钢过程的粘结报警问题,消除了纵裂纹,改善了连铸坯表面质量。

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。

为了研究多断面同时在线连铸生产技术,以10机10流方圆坯兼容连铸系统为基础,对中间包、结晶器及振动装置、二次冷却、拉矫机等连铸机关键设备进行设计;以断面规格为ø180 mm、ø210 mm、ø250 mm、ø310 mm圆坯和200 mm×200 mm方坯同时在线实践生产为主要研究对象,对中间包流场、浇铸温度、拉坯速度、二次冷却等生产主要工艺参数进行设计研究。生产实践结果表明对于优质低中碳钢,通过采用适当的设备及工艺参数,能够实现多断面方圆坯同时在线连铸生产;产品质量稳定可靠,完全能够满足铸坯生产质量要求,极大提高了企业市场灵活性。

结晶器是整个连铸过程的核心环节,其内钢液流动、传热及初始凝固行为直接影响着铸坯质量,而拉速和过热度等工艺条件是影响结晶器冶金行为的关键参数。以某厂150 mm×150 mm小方坯结晶器为研究对象,建立耦合数学模型,分析过热度及拉速对结晶器内钢液流动与传热行为的影响。结果表明,当拉速由2.4 m/min增至3.0 m/min时,结晶器出口处铸坯角部温度与面部温度分别由960 K、1 050 K增至1 040 K、1 200 K;结晶器出口处坯壳厚度由11.21 mm降至8.71 mm,计算域出口处坯壳由16 mm降至14 mm;当过热度由15 K增至35 K时,铸坯表面和中心温度相应升高,幅度大致为5~10 K,结晶器出口坯壳厚度由10.45 mm降至9.01 mm,计算域出口处坯壳厚度由15 mm降至13 mm。研究结果可为冷镦钢小方坯连铸结晶器制定合理的工艺参数提供理论指导。

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。

以某钢厂T型五流中间包为研究对象,建立1∶2物理模型和1∶1数学模型,采用物理数值模拟方法对其内部控流装置进行优化,对比分析了不同控流装置下中间包流场、温度场和停留时间分布(RTD曲线)等特征参数。结果表明,在优选的最佳控流装置方案下,中间包平均停留时间延长96 s,死区比例由原型中间包的24.9%降低至13.3%,各流水口均匀性和一致性也显著提高,尤其是远流低温区得到改善,各流出口最大温差控制在0.25 K,可有效提高实际中间包的冶金效果。

不锈钢连铸圆坯表面和内部缺陷会遗传到无缝管中,随之出现典型的裂纹、分层和折叠等问题,严重影响管材品质和使用性能。通过对热轧穿孔产品进行跟踪取样分析,揭示了连铸坯与管材之间缺陷的遗传关系,确定深振痕、白亮带和椭圆度与中心缩孔分别是导致不锈钢无缝管表面横裂纹、中间分层和内壁折叠的根本原因,对应提出了优化振动参数与保护渣、降低电磁搅拌功率、改善二冷均匀性与强度的控制策略,连铸工艺调整之后无缝管缺陷基本消除,实现了典型铸轧遗传性缺陷的源头控制。

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。

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。

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%。

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。

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。

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%。

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。

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。

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。

为了研究使用二冷辊式电磁搅拌与不搅拌对耐磨钢组织和性能的影响,对250 mm厚度连铸坯及20 mm厚度钢板进行了宏微观组织和夹杂物分析以及力学性能测试。结果表明,有电搅与无电搅对铸坯内部质量区别明显,中心偏析分别为1.0、3.0级,中间裂纹为0、0.5级,但经大压缩比轧制后钢板内部均无分层及裂纹。由牛津AZTEC对颗粒物扫描发现,有电搅钢洁净度较好,但无电搅钢夹杂物尺寸更均匀。此外,电搅钢在厚1/4处1～5 μm小尺寸夹杂物数量较多,使平均等效直径低于无电搅0.32 μm;而心部20～35 μm大尺寸夹杂物占比多,使平均等效直径高于无电搅0.49 μm。钢板厚度方向冲击功变化与夹杂物分布趋势基本吻合,并随尺寸愈细小,表现韧性越优。无电搅钢截面硬度均匀性较好,且心部硬度更高,经截面XRD定量分析,无电搅和有电搅的残余奥氏体体积分数为3.1%、3.4%,无电搅马氏体相更多。本文电搅与无电搅钢硬度极差分别为15 HV、25 HV,远低于标准上限要求,对D=4a冷弯性能无明显影响。