为提高连铸智能化水平及效率,实现高质量连铸坯的生产,连铸智能化的发展必不可少。连铸智能化是在高度自动化和信息化基础上,结合基于智能感知的物联网技术、大数据建模技术、云计算远程控制技术、工业互联网集成控制技术等,集成化构建连铸智能化平台。针对构建连铸智能化平台的必备工艺及平台整体智能化的发展进行阐述,并提供连铸智能化平台构建的整体思路。以连铸坯的智能定重切割为案例进行分析,说明连铸智能化子系统模型的开发思路及逻辑关系,为连铸整体的智能化发展提供参考。

在国家大力发展海洋经济背景下,为了提高船板钢的性能和焊接效率,必须采用高热量输入的大线能量焊接方式,但是高热量的焊接会使钢材焊接热影响区组织急剧恶化,导致焊接热影响区的低温冲击韧性骤降,从而威胁船体钢的使用安全性。氧化物冶金技术为大线能量焊接用钢的发展开辟了新的途径。为了系统阐述氧化物夹杂形核研究,介绍了三代氧化物冶金技术的发展历程和公认的两种主要形核理论,并且基于二步形核理论,从形核路径、诱导晶内针状铁素体形核效果等方面综述氧化物冶金技术发展过程中的铝氧化物、钛系氧化物、镁系钙系氧化物和稀土氧化物等各脱氧产物的形核研究现状,认为各类氧化物夹杂遵循二步形核理论,复合夹杂物更加有利于诱导晶内针状铁素体形成。从理论上开展对钢中有益夹杂物的形核演变机理研究。钢中有益夹杂物多为复合夹杂物,建立复合夹杂物的形核机制才能有效控制夹杂物的尺寸、分布等,从而更有效地诱发晶内针状铁素体的形成,促进氧化物冶金技术的基础理论研究的进一步发展,对氧化物冶金型钢开发及广泛应用具有重要意义。

结晶器内钢液凝固是薄板坯连铸过程的关键环节,是钢液净化的最后一步,优化结晶器内钢液流动行为是提高连铸坯质量的关键。电磁制动装置能够有效控制钢液流动行为,提高连铸坯质量。介绍了几种改进型电磁制动装置及电磁控流技术数值模拟研究现状,将传统电磁制动装置和改进型电磁制动装置数值模拟研究结果进行对比研究,分析了传统电磁制动装置的冶金效果及不足,对电磁制动装置的发展方向提出合理建议,并提出电磁控流技术未来发展趋势。

为了研究实际生产过程中喂钙量对Q690D钢中非金属夹杂物的改性效果,通过工业试验对高强钢进行了3炉次试验,分别为高喂钙量、中喂钙量以及低喂钙量,并采用热力学软件计算了不同w(T.[Ca])/w(T.[O])对钢中非金属夹杂物的影响。结果表明,中喂钙量炉次钢中非金属夹杂物的改性效果最好,而且由于保护浇铸措施较好,该炉次在浇铸过程中夹杂物数密度及面积分数最小,二者分别为6.19 个/mm²、0.004 1%。高强钢钙处理前钢中非金属夹杂物主要为Al₂O₃-MgO,钙处理后钢中非金属夹杂物转变为球形的钙铝酸盐类夹杂物。钙处理后短时间内,钢中生成大量CaS夹杂物,随着精炼及连铸过程的进行,CaS逐渐转化为CaO。热力学计算结果表明,不同钢液成分对钢中非金属夹杂物液态窗口以及CaS、CaO的生成影响较大,与工业试验结果具有较好的一致性。

为了控制230 mm×1 820 mm板坯连铸结晶器内液面波动和卷渣过程,通过物理模拟试验分别研究了SEN水口插入深度、拉速、吹气流量等参数变化对结晶器内液面波动和油相运动的影响。结果表明,增加SEN水口插入深度时,从水口侧孔流出的射流冲击深度增加,对自由液面处的扰动减小,有利于控制液面波动和卷渣过程,对比可知,结晶器宽面1/4位置处液面波动相对剧烈,容易引起卷渣。增大拉速时,提高了上回流的流动强度,使得结晶器内液面波动增大,卷渣现象变得严重,当水口插入深度为130 mm和150 mm时,液面波动在±3 mm内百分比降低幅度分别为1.2%~6.2%、-2.0%~11.5%。吹气流量的增加使得流股的冲击深度减小,受到上回流的剪切作用和气泡逸出的影响,结晶器内液面波动增大,油相的裸露区域范围逐渐扩大。综合考虑液面波动的变化和卷渣过程,合适的水口插入深度和吹气流量应分别保持为150 mm、6 L/min。

以某厂生产的GCr15轴承钢为研究对象,采用商业软件ProCAST中的元胞自动机-有限元耦合模型(CAFE模型),考虑结晶器电磁搅拌影响,模拟预测了GCr15连铸大方坯凝固组织,并通过实测温度和实际低倍对模型进行验证。在此基础上,分析了过热度、拉速和比水量对GCr15连铸大方坯等轴晶率和平均晶粒半径的影响,提出了较合理的生产工艺,并通过工业试验验证。结果表明,随着过热度从25 ℃增大为50 ℃,铸坯等轴晶率由54.6%降低为40.0%,平均晶粒半径由0.142 9 cm增大为0.150 8 cm。当拉速从1.0 m/min增大为1.4 m/min时,铸坯等轴晶率由44.5%降低至37.5%,平均晶粒半径由0.146 3 cm增大到0.150 5 cm。随着二冷比水量由0.210 L/kg提高至0.367 L/kg,铸坯等轴晶率由46.7%降低到41.8%。当比水量从0.210 L/kg提高至0.236 L/kg时,平均晶粒半径由0.159 7 cm减小为0.146 7 cm,继续提高比水量,平均晶粒半径变化不大。工业试验结果表明,过热度约30 ℃、拉速1.0 m/min、二冷比水量0.236 L/kg为该GCr15铸坯合理的生产工艺。

连铸坯表面氧化层对钢产品质量造成了严重的影响,同时给铸坯表面辐射测温带来了不可忽视的误差,为探明高温连铸坯表面氧化层生长规律,通过热重试验研究了X70钢、Y55钢和304不锈钢的氧化动力学和氧化层厚度。结果表明,X70钢的氧化速率在1 000 ℃时迅速升高,而Y55钢和304不锈钢的氧化速率在1 100 ℃时迅速升高。X70钢、Y55钢和304不锈钢氧化速率的指前因子分别为e^10.7、e^11.58和e^30.15,氧化层表观活化能分别为196 879.7 J/mol、207 608.1 J/mol和469 284.3 J/mol。为了预测板坯表面氧化层厚度,建立了板坯表面恒、变温氧化数学模型。研究结果为连铸工艺过程中氧化层厚度的预测提供了理论依据。

为了研究熔炼电流强度和熔化速率对铸锭凝固缺陷的影响规律,分析铸锭凝固组织、疏松缩孔和宏观偏析之间的对应关系,采用ProCAST软件对GH4169高温合金真空自耗熔炼过程进行了数值模拟研究。结果表明,铸锭疏松缩孔缺陷主要存在于铸锭顶部,且此处的元素偏析指数最大。随着熔炼电流强度和熔化速率的增大,铸锭顶部偏析加重,疏松缩孔体积增大,缩孔深度增加。熔炼电流从3 kA增至5 kA,铸锭等轴晶率由46.39%升至62.31%,顶部最大铌偏析指数从1.08增至1.10,疏松缩孔体积从64.1 cm³增至77.4 cm³,缩孔深度由43.6 mm增至49.2 mm;熔化速率从1.0 kg/min增至2.6 kg/min,铸锭等轴晶率由56.16%降至42.80%,顶部最大铌偏析指数从1.11增至1.16,疏松缩孔体积从70.6 cm³增至104.6 cm³,缩孔深度由44.4 mm增至58.5 mm。

随着生产节奏加快,传统底吹方式存在的夹杂物去除效率低的问题已经制约了连铸效率的进一步提高。提出了一种新型非对称底吹工艺以高效去除夹杂物,改善精炼效果。其核心思想是采用不同类型、位置、气量的透气砖搭配,单独控制气量,优化底吹工艺。物理模拟分析发现,两透气砖吹气量之和不变,在狭缝式透气砖和弥散式透气砖中分别施加一大一小两吹氩量,气量之比在1.4∶1情况下,与传统的双狭缝式透气砖均匀底吹工艺相比,夹杂物去除率提高了27%。并且,保证透气砖夹角不变,随着弥散式透气砖越靠近钢包中心,羽流区体积增大,单位时间内过滤的流体就越多,夹杂物去除效率同比提高了14.7%。综上,非对称底吹可以有效提高夹杂物去除率。

针对中间包异钢种混浇现象,以某厂12流中间包为研究对象,采用数值模拟方法,以中间包稳态流场为基础,通过脉冲和持续加入示踪剂的方式,模拟中间包流场演变和异钢种混浇过程。采用流出百分比的分析方法,计算各流示踪剂开始流出中间包的时间和流出量;并以新旧钢水浓度差值比例达到20%～80%作为钢种转换的标准。经计算,在脉冲加入和持续加入示踪剂时,边部水口5、6浓度开始变化时间远长于水口1-4,差异显著。1-6流的过渡坯长度分别为52.127 m、68.040 m、66.411 m、72.011 m、87.174 m、88.702 m。水口1-6浓度达到80%时(即达到新钢种成分要求),共累计浇注钢水质量分别为104.152 t、134.244 t、133.925 t、147.715 t、200.698 t、247.135 t,边部5-6两流需要大于一包钢水重量(150 t)才能达到新钢种要求。12流中间包在混浇时各流存在较大差异,在生产时应针对各流采取不同过渡坯判别标准。

针对传统保护渣浇铸高钛钢时钢渣反应引起TiO₂增加和渣变性的问题,采用旋转黏度测量仪、半球点测量仪、FactSage热力学计算及结晶原位观察等方法,研究了Al₂O₃代替SiO₂对反应后高钛钢保护渣的流动、熔化和结晶特性的影响,以成分变化对含TiO₂保护渣的性能进行调控。研究表明,当渣中TiO₂质量分数为12%、Al₂O₃质量分数由0%增加到12%时,保护渣的黏度由0.14 Pa·s增加至1.34 Pa·s,保护渣的熔化温度由1 095 ℃增加至1 172 ℃,黏流活化能由128.4 kJ/mol增加至389.1 kJ/mol。当Al₂O₃代替SiO₂由0%增加到10%时,保护渣的二元碱度也由0.72增加到1.0,热力学计算的熔渣初始析晶矿相均为CaTiO₃,其次析出矿相均为枪晶石;当Al₂O₃代替SiO₂为12%时,碱度升高到1.08,其次析出矿相转变为NCA2;而Al₂O₃质量分数为4%~12%时,XRD检测的空冷渣中结晶相均为CaTiO₃;渣中Al₂O₃由0%增加到12%时的完全结晶温度由728 ℃增加至1 214 ℃。因此,本文研究含TiO₂保护渣中,Al₂O₃代替SiO₂使保护渣黏度、熔点和结晶性能显著增加,为保证保护渣在连铸中的润滑性,可适当降低熔渣中的Al₂O₃含量;为了提高保护渣的控制传热能力,则可适当增加渣中的Al₂O₃含量。

特殊钢大方坯连铸拉速较低、液面更新迟缓,易引起保护渣熔化不良现象,导致结晶器内液渣供给不足、铸坯表面出现裂纹等缺陷。为揭示不同结晶器流场条件下的保护渣液渣层厚度变化规律,开发了数值仿真计算结晶器内液渣层厚度的方法,即建立三维流场-温度场流场耦合模型,模拟研究不同水口参数下钢液-保护渣间的流动规律,进而基于钢渣界面传热状态,预测不同的水口类型、浸入深度、侧孔倾角和侧孔形状与尺寸下的结晶器液渣层厚度。结果表明,随着侧孔孔数的增加,液渣层厚度逐渐增大;随着水口浸入深度和水口倾角的增大,液渣层厚度逐渐减小;随着水口侧孔形状与尺寸的变化,液渣层厚度随着出水口面积的增大而增大。

为进一步探究Q355B钢精炼过程中非金属夹杂物的形成与演变规律,在重庆钢铁炼钢厂“BOF→LF→RH→钙处理→CC”工艺生产Q355B钢精炼全流程进行了两炉取样,分析检测了钢液和炉渣成分,揭示了不同阶段非金属夹杂物的形貌和成分演变特征。研究结果表明,Q355B钢精炼过程中的非金属夹杂物主要是SiO₂-MnO-Al₂O₃-TiO_x类和CaO-MgO-Al₂O₃类。SiO₂-MnO-Al₂O₃-TiO_x类非金属夹杂物的演变比较复杂,LF造渣精炼过程中加入铝渣球会改性SiO₂-MnO-Al₂O₃类夹杂物为SiO₂-MnO-Al₂O₃-TiO_x类,RH钛合金化会改性成为高钛含量Al₂O₃-TiO_x、CaO-Al₂O₃-TiO_x和MnO-Al₂O₃-TiO_x类非金属夹杂物;CaO-MgO-Al₂O₃类非金属夹杂物几乎在精炼全过程均出现。随着精炼过程中LF造渣精炼、钢包吹氩、RH真空精炼、钙处理和软吹氩搅拌,CaO-MgO-Al₂O₃类非金属夹杂物从高熔点逐渐向低熔点转变,进入液相区,尺寸和数量逐渐减少。LF精炼使用铝渣球造渣和RH的钛合金化工艺是钢液和渣中钛成分的主要来源,影响Q355B钢精炼过程非金属夹杂物的演变,需进行工艺审视。