板坯连铸结晶器内的钢水流动和传热状态是决定铸坯质量的关键因素。利用人工智能技术实现对这一复杂多物理场的实时、精确预测与智能调控,对提升高端钢材品质、推动钢铁工业智能化转型具有重要意义。为此,本文首先构建了板坯连铸结晶器电磁搅拌钢液流动-传热-凝固机理模型,并提出了结晶器流场评价标准,分别是钢渣界面卷渣-冻结指数、坯壳均匀性指数和夹杂物去除指数,以期优化电磁搅拌。其次,基于上述模型生成的三维流场-温度场的数据集,利用深度神经网络架构开发了一套预测结晶器内多物理场大模型,实现对结晶器内多物理场的快速预测。结果表明,与传统数值模拟结果相比,大模型对结晶器内流场、温度场等多物理场的预测误差均在10%以内。同时,模型计算速度大幅提升,获取结晶器内多物理场的平均计算时间由原来的24 h大幅缩短至2 s。研究结果可为实现电磁搅拌工艺的在线优化、闭环控制和“数字孪生”系统的构建提供关键技术支撑。

为提升钢包渣线镁碳砖的综合性能,本研究在传统配方基础上创新引入轻烧硼镁矿粉制备试样,系统研究了其对镁碳砖物理性能、高温抗折强度、热震稳定性及抗渣侵蚀性的影响。结果表明,相较于单一添加轻烧硼镁矿粉,复合添加轻烧硼镁矿粉与金属铝粉的试样,在高温力学性能、抗渣性及抗热震性方面均更优。机理分析表明,复合添加剂的协同作用源于两种机制:Al粉在中低温阶段经Al₄C₃纤维过渡相,进而氧化为Al₂O₃,并最终形成尖晶石,该相变伴随的体积膨胀与固相沉积能有效堵塞气孔,从而增强中高温强度与抗渣性;适量轻烧硼镁矿粉则在高温下生成弥散分布的硼酸镁液相,不仅促进烧结致密化、缓解热应力,还通过锚钉效应强化基质结合,显著提升高温性能与热震稳定性。

对某钢厂所生产的汽车外板IF钢A、B两个炉次31 m长的非稳态交接坯中的显微夹杂物和大型夹杂物进行了统计分析。5 μm以上显微夹杂物分析结果表明,在B炉次开浇前1 m和开浇后13 m,夹杂物数量密度显著上升并保持较高水平。通过大样电解法提取的交接坯中大于30 μm典型大型夹杂物主要有约250 μm的块状Al₂O₃夹杂物,约600 μm的不规则块状保护渣夹杂物,尺寸一般为50~200 μm的Al₂O₃+SiO₂夹杂物,尺寸为30~100 μm的球状钙铝酸盐夹杂物。在B炉次开浇前3 m和开浇后14 m,大型夹杂物含量显著上升并保持较高水平,因此钢水洁净度严重恶化的交接坯长度约为17 m。

气泡的尺寸与分布是影响冶金过程效率与产品质量的重要因素。目前冶金过程中仍然存在着气泡尺寸较大且分布集中这类问题,已严重限制了金属熔体与气泡之间的传热、传质、反应效率及夹杂物去除效果。本文系统综述了冶金过程中气泡微细化与弥散分布的研究进展,重点分析了注气参数控制、强制脱离、长水口吹氩、溶气气浮、机械搅拌、强剪切等方法的机理与应用效果。此外,气泡微细化的本质在于通过增强液相湍流促进气泡破碎,并抑制气泡聚并。由于高温熔体环境中接触式方法的局限性,电磁场非接触式控流技术展现出重要潜力,可通过电磁力诱导金属熔体强湍流,实现气泡的高效微细化与弥散分布,对于提升金属熔体洁净度与冶金效率具有重要意义。

为减少连铸中间包塞棒使用过程中的断裂与异常侵蚀现象,提高连铸生产的安全性与稳定性,从内部结构、化学成分、物相组成、常温和高温物理性能方面对2种常用板坯中间包塞棒进行了对比分析。结果表明:HN-1塞棒采用磷酸盐结合的刚玉-莫来石防粘结涂料、结合紧密的防氧化涂料以及MgAl₂O₄-C棒头材质,为塞棒提供了优异的抗氧化、抗侵蚀性能,而渣线采用的低ZrO₂的Al₂O₃-C材质降低了渣线的抗侵蚀性能,引起使用过程渣线的断裂;HY-1塞棒渣线采用Al₂O₃-C复合MgO-C结构为塞棒渣线提供良好的抗侵蚀性能,而防氧化涂料的成分设计及塞棒基体的抗氧化性不足导致塞棒棒身内部均匀的氧化。通过HN-1塞棒渣线材质的优化及HY-1塞棒釉料成分和基体抗氧化性的调整后,低碳钢中间包连浇炉数由22炉提高达到27~32炉,使连铸生产的安全性与稳定性得到了保障。

在连铸过程中,塞棒作为控制中间包钢水流入结晶器的关键部件,其性能直接影响中包和结晶器钢水液位的稳定性以及中包钢水流量的控制。尖晶石-碳质耐火材料因其优异的化学稳定性和抗钢水侵蚀性,被广泛应用于塞棒棒头中。然而,某钢厂浇铸部分钢种钢水氧含量过高,塞棒棒头出现了严重的侵蚀现象,甚至影响了正常的流量控制。为了改善这一情况,通过对使用后塞棒棒头的分析,发现钢中的氧含量、钙含量以及塞棒头的致密程度是影响侵蚀的关键因素。基于这些发现,对塞棒棒头中镁铝尖晶石、鳞片石墨和SiC含量进行了优化研究,以提高其机械性能、热震抗性、抗氧化性和抗侵蚀能力。其中样品A3相较于对照样品A0,保证抗热震性前提下,高温强度提高了2.9 MPa(约30%),抗氧化性提高了约35%。

Al₂O₃-C耐火材料因其优异的抗热震性和抗侵蚀性,广泛应用于滑动水口和连铸3大件。传统高碳Al₂O₃-C材料存在钢水增碳和氧化生成温室气体CO₂,材料结构疏松致使性能下降等问题,对洁净钢冶炼、环境以及材料使用寿命有不利影响,因此Al₂O₃-C材料迫切向低碳化发展。然而,Al₂O₃-C材料低碳化后其抗热震性和抗侵蚀性等关键性能难以满足使用要求,而优化碳源和添加剂是提升低碳Al₂O₃-C材料性能的关键。本文综述了低碳Al₂O₃-C材料中不同碳源和添加剂对Al₂O₃-C材料组成、结构和性能影响,并展望了生物质炭作为绿色可再生、高反应活性碳源的应用潜力,期望为低碳Al₂O₃-C材料的绿色制备与性能提升提供新思路。

在全球“双碳”战略背景下,超高速薄板坯连铸技术因其显著的节能减排优势和产品质量优势成为钢铁工业绿色转型的重要方向。然而,高拉速(6~8 m/min)导致钢液流动不稳定、保护渣润滑不足等问题,制约技术发展。电磁制动(EMBr)技术通过施加磁场抑制钢液湍流,但磁场同时作用于保护渣的特性尚未明确。本研究系统探究了超高速薄板坯保护渣的理化性能在磁场作用下的演变规律。研究发现,碱度R=1.67,黏度为0.22 Pa·s,熔点为1 042 ℃,含Na₂O-Li₂O-F助熔体系的薄板坯保护渣具有优异的工艺适配性,满足高拉速对快速熔化和均匀润滑的要求。而在0~90 mT的磁场作用下显著影响保护渣结晶行为:随磁场强度的增加,晶核出现的时间提前,延长结晶区间,抑制晶体生长,并使凝固体积膨胀23%。微观表征表明,磁场促进Ca_0.87Mn_0.19Mg_0.94Si₂O₆相择优生长,占比提升5.2%,并诱导硅酸盐网络从无序向有序转变。水淬实验结合XRD/拉曼光谱证实,磁场通过抑制熔体流动改变溶质传输,进而调控保护渣的凝固收缩特性和微观结构。本研究首次揭示了电磁场环境下超高速连铸保护渣的性能演变机制,为开发适配EMBr技术的保护渣提供了理论依据,对推动超高速连铸技术工业化应用具有重要意义。

针对连铸生产过程中质量监控滞后与人工判定效率低的问题,构建了基于多源数据融合的铸坯在线质量监控与判定系统。通过设计“数据采集-规则引擎-智能判定”3层架构,开发了包含707个工艺参数的实时采集模块,覆盖结晶器振动、二冷配水等关键工序。创新性地提出可动态配置的3层冶金质量规则库,构建铸坯判定的核心规则引擎,支持基于SPC的工艺参数实时监控与异常预警,结合声光报警与微信推送实现多层级协同响应。针对铸坯缺陷溯源难题,建立了结晶器液位波动、拉速波动、塞棒动作的三维耦合判定模型,通过公式化表征工艺参数波动量与质量缺陷的映射关系。系统在唐山某钢厂应用表明:通过冶金规则库的动态优化与工艺参数闭环反馈机制,铸坯内部缺陷判定准确率从25%提升至85.6%,综合判定准确率达98.5%,减少人工复判工作量75%以上。该研究为连铸工艺数字化管控提供了“规则配置-过程监控-质量溯源”的全流程解决方案,有效解决了传统专家系统知识更新滞后与数据驱动模型可解释性不足的行业痛点。

由于镀锡板多为窄断面,在生产过程中采用高拉速连铸。在高拉速生产镀锡板中线状缺陷问题突出,导致降级率高、生产成本高。分析镀锡板线状缺陷试样表明:带有氧化质点的“FeO类缺陷”是线状缺陷的主要成因。由于在高拉速条件下,钢液的热流密度高于临界值,导致在板坯上形成裂纹,经轧制后逐渐扩大为FeO类线状缺陷。通过将保护渣中Na₂O质量分数降低至1.47%,Li₂O质量分数上升至1.7%等措施,并结合FC结晶器对表面流速及内部流场的调控作用,“FeO类缺陷”发生率大幅度降低。

提高板坯连铸机拉速可显著提升生产效率,但高拉速下结晶器液面的高速流动极易引发卷渣缺陷。电磁制动系统能有效抑制结晶器液面的高速流动,但该系统投资较大、运行成本较高,常规板坯连铸机大多不具备安装条件。为探究高拉速条件下低成本的结晶器流场调控方法,本文提出一种新设想,即通过插入阻挡棒抑制液面的快速流动。运用数值模拟和物理水模型相结合的方法,建立920 mm×180 mm结晶器模型,以圆柱形耐材棒直径(30、50、70 mm)和插入深度(10、15 cm)为变量,探究了不同阻挡棒参数对结晶器液面流速及波动的调控规律。结果表明:阻挡棒直径对结晶器流场调控起主导作用,70 mm阻挡棒较不插棒工况全域流速下降19.5%,较30 mm阻挡棒(下降6.1%)的降幅提升3.2倍,液面波动降幅则从11%提升到39%,提升3.5倍;插入深度对流场的影响存在阈值效应,仅当直径不小于50 mm时,插入深度增至15 cm可额外降低流速3.2%~5.4%、波动12.8%,小直径棒(30 mm)增加深度的调控效果微弱。本研究中的最优参数组合为直径70 mm+15 cm深度的阻挡棒,此工况下液面最大流速(P2点)降至0.2 m/s(累计降幅17.7%),中心区(P4点)流速降至0.115 m/s(降幅22.8%);射流核心区(P2点)波动值降至0.21 cm(降幅40.0%),卷渣风险区波动稳定在0.21~0.23 cm。

本文基于低雷诺数k-ε湍流模型,构建了三维电磁流体力学耦合数值模型,研究了结晶器电磁搅拌电流强度与搅拌器安装位置对某钢厂140 mm×140 mm小方坯82B钢连铸结晶器内钢液流动、传热及凝固行为的影响。结果表明,电流强度是决定搅拌强弱的关键因素,电流强度的增加可使钢液主射流冲击深度变浅,切向速度增大,钢液过热在结晶器内更快耗散,凝固坯壳减薄且在结晶器附近因回流对坯壳产生了冲刷作用,出现了坯壳厚度生长的缓慢区。搅拌器安装位置的不同也会改变流场形态,位置越低,主流核心区下移,环流位置与形态同样会发生变化,自由液面波动减小,但过大的出口切向速度可能导致凝固坯壳生长不均。对于该厂高碳钢小方坯连铸生产而言,适当抬高结晶器电磁搅拌安装位置至515 mm且增大搅拌电流强度至额定600 A,其液面波动在可控范围内且可以更加促进过热钢液迅速耗散,同时还可以保障足辊区中心钢液具备一定的过冷度,促进钢液提前形核而提升等轴晶率,有利于改善小方坯中心偏析。

为探究电磁旋流水口技术对板坯连铸结晶器内钢液流动行为的影响,本研究以某钢厂1 450 mm×200 mm板坯结晶器为原型,基于相似准则建立了几何相似比为3∶1的水模型试验系统,并通过在浸入式水口内设置旋流转子来模拟电磁旋流的外场干预效果。系统研究了不同水模型出口流量条件下,水口旋流对结晶器内流体流动轨迹、液面波动及速度分布的影响规律。结果显示,在传统连铸条件下,结晶器内流场呈不对称分布,下返流区存在由下至上的干扰流动,且液面波动随出口流量升高而加剧,水口附近波动幅度大于±2 mm;施加水口旋流后,流场对称性得到显著改善,水口出流流股冲击结晶器窄面的位置上移,有效耗散了下返流动能并抑制了下部涡流,从而使液面波动被稳定控制在±1 mm以内。本研究确定了通过施加水口旋流可实现结晶器流场的有效调控,为电磁旋流水口技术在板坯连铸中的工业应用提供了理论依据。

以低反应性CaO-Al₂O₃-Li₂O-B₂O₃-CaF₂保护渣基础渣系为对象,借助热丝法熔化析晶性能测定仪、扫描电镜、X射线衍射分析仪等设备,研究了以B₂O₃替代CaF₂对熔渣析晶温度、临界冷速、结晶孕育时间、结晶物相等性能的影响,并进行了结晶动力学分析。结果表明,采用B₂O₃替代CaF₂可有效降低熔渣析晶趋势,当w(B₂O₃)/w(CaF₂)从0.44增加到2.25时,临界冷却速率有所升高。当w(B₂O₃)/w(CaF₂)为2.25时,临界冷却速率达到12 ℃/s,结晶性能最弱。随着B₂O₃对CaF₂替代量的提高,结晶孕育时间呈先增长后缩短的趋势,熔渣在冷却过程中最初形成的晶相由CaAl₂O₄变为CaAl₄O₇。充分析晶后物相的变化规律为CaAl₂O₄+CaF₂→CaAl₄O₇+CaF₂→CaAl₄O₇+CaF₂+Ca₅B₃O₉F。动力学解析表明,当w(B₂O₃)/w(CaF₂)<1.6时,随着温度降低,晶体由三维生长转变为二维生长,转变温度为1 100 ℃。当w(B₂O₃)/w(CaF₂)≥1.6时,渣中析出晶体始终为三维生长。而且,随着B₂O₃对CaF₂替代量的提高,Ca₅B₃O₉F的析出促进了晶体的三维生长。w(B₂O₃)/w(CaF₂)为0.625~1时,熔渣析晶性能较弱,且结晶物相种类较少,更有利于实现对结晶性能的调控。

针对高拉速条件下薄板坯连铸结晶器内流场及钢-渣界面不稳定的问题,本文以某钢厂FTSC薄板坯结晶器及全幅一段式电磁制动(Ruler-EMBr)系统为研究对象,采用大涡模拟(LES)与多相流体积分数法(VOF)耦合模型进行数值模拟,重点分析拉速为6.0 m/min时,不同磁感应强度对结晶器内流动特性的影响规律。结果表明:电磁制动能有效调控结晶器内流场、提升钢-渣界面稳定性,并防止钢-渣界面升高;当采用Ruler-EMBr系统且磁感应强度为 0.23 T时,钢-渣界面最大速度控制在0.30 m/s以内,最大波高控制在10 mm以内,界面位置控制在±2 mm范围内,钢-渣界面湍动能控制在0.045 J/kg以下,充分验证了Ruler-EMBr系统的流场调控效果。

基于国内某厂1.4418马氏体不锈钢320 mm×410 mm大方坯连铸设备条件建立了凝固传热有限差分模型,坯壳厚度和表面温度已得到现场数据验证;采用数值模型分析了不同拉速下1.4418马氏体不锈钢连铸凝固特征和凝固末端压下的合理性,获得最佳拉速为0.45 m/min,并优化设计了两组压下参数,对应的总压下量分别为12 mm和15 mm;根据数值模型设计的优化方案开展了工业试验,在拉矫机额定功率范围内实现了正常生产;其中拉速为0.45 m/min,2~5号拉矫辊设计压下量分别为4、4、4和3 mm的优化方案连铸坯中心质量最好,对应的ø47 mm棒材A级探伤合格率达到97%,满足批量化生产和交货要求。

基于有限元模型,将Maxwell中所得到的磁感应强度、焦耳热作为源项导入到Fluent中,研究钢包散热影响下五流四通道感应加热中间包内钢液流场和温度场的变化情况。结果表明:在浇注过程中,无钢包散热影响的中间包3个出水口的温度缓慢下降且下降趋势相同,不同出口的下降温度未超过1 K。钢包散热影响下的中间包3个出水口的温度有较大差别。浇注前期、末期进入中间包的温差接近20 K。感应加热使钢液在钢包内的温度损失得到补偿,但是不同时间段的浇注温差没有明显的改善,且出钢温度低于初始浇注温度最大11 K。浇注过程中改变感应加热功率,不同时间点之间最大温差不超过2 K,不同时间段以及不同出口的温度较为一致。

以高铝矾土熟料为主要原料,鳞片石墨为碳源,金属硅和碳化硅为添加剂,酚醛树脂作为结合剂,加入不同比例活性氧化铝微粉制成Al₂O₃-C材料。按相关标准测定造粒料的粒度分布、堆积密度、流动性,以及Al₂O₃-C材料的常温抗折强度、显气孔率、体积密度、加热永久线变化、高温抗折强度、热膨胀性、抗热震性。研究了活性氧化铝微粉对以高铝矾土熟料为主要原料、石墨质量分数为23%、连铸3大件用Al₂O₃-C耐火材料性能的影响。结果发现:随着活性氧化铝微粉加入量的增加Al₂O₃-C造粒料的造粒效果和流动性先变好后变差。Al₂O₃-C耐火材料中引入活性氧化铝微粉可以降低试样的显气孔率,提高试样的体积密度、常温抗折强度、高温抗折强度。经1 100 ℃ 和1 600 ℃热处理,试样皆出现不同程度的收缩,试样的线收缩率随着活性氧化铝微粉加入量的增加而逐渐增大。随着活性氧化铝微粉加入量的增加,以高铝矾土熟料为主要原料的Al₂O₃-C耐火材料的热膨胀系数逐渐增加,抗热震性逐渐变差。

RH中的钢液流动对其脱碳除杂等精炼效率具有重要的影响,目前广泛采用的吹气搅拌技术虽能有效促进钢液循环,但其产生的气泡流难以精确控制,可能导致流动状态不稳定或能量分布不均,限制了精炼效率的进一步提升。因此,为了优化RH内的流动行为,本文对RH上升管处的电磁搅拌器进行了优化模拟。结果表明:铁芯内径需取最小值750 mm,以最大化磁场强度;外径与厚度分别优化为1 500 mm和100 mm,此时磁场性能与材料成本达到平衡;搅拌器定位在距顶部125 mm处可产生最大作用力。当线圈距钢液75 mm时,铁芯的磁场分布最为均匀,无局部磁场聚集区,且钢液的磁场强度达到较高水平;模拟确定110 匝线圈、5 Hz频率及250 A以下电流为最优组合,该组合能产生超过0.04 T的平均磁感应强度,并实现电磁力与渗透深度的最佳匹配。将优化后的电磁场耦合进流场后使得循环流量增加了6.3%,证明了电磁搅拌器的优化效果。本研究明确了一组适用于ø650 mm 时RH上升管的最佳三相六级电磁搅拌器参数。

为了优化GCr15轴承钢的夹杂物控制水平,探究侧孔不对称型浸入式水口对连铸大方坯内夹杂物空间分布的影响,本文对连铸大方坯进行现场取样分析,建立了同时考虑连铸全流程三维非稳态流动、传热、凝固及夹杂物运动耦合和凝固前沿夹杂物捕获的数值模型,实现不同时刻连铸坯内残余夹杂物空间位置的预测。连铸过程中,夹杂物粒径由1 μm变化至50 μm时,其上浮至渣-钢界面的数量占比由1.9%增加至17.9%。连铸坯内的残余夹杂物呈现非对称分布,夹杂物易聚集在铸坯表层皮下7.8～10.5 mm处。粒径小于10 μm的夹杂物更容易随钢液运动至液相穴深处,而粒径大于10μm的夹杂物更倾向聚集在铸坯内弧侧1/4～1/3处。

本文研究不同频率行波磁场(TMF)对Al-7% Si二元合金的凝固过程、微观组织细化和力学性能的影响。采用电磁铸造装置制备合金凝固样品。使用磁-流-热多场耦合模型对熔体凝固过程进行数值模拟,计算了在TMF下处理的Al-7% Si合金熔体内部的强制对流和液相分布。结果表明,在 75 A 12 Hz-TMF下,Al-7% Si合金熔体内部的流场峰值速度达0.023 m/s。在强制对流和焦耳热的共同作用下,8 Hz-TMF处理的样品凝固组织的平均一次枝晶臂间距(DAS)最小,达到127.8 μm。与此同时,极限拉伸强度和断后伸长率从100.8 MPa、6.9%(自然凝固,NMF)提高到113.7 MPa、8.3%。当TMF频率升高至12 Hz时,熔体内部产生的焦耳热逐渐增加,致使凝固过程中温度梯度降低,从而减缓铸件凝固速度,并且凝固组织细化效果有所降低,平均DAS增加至140.3 μm,力学性能亦随之降低。结果证明,TMF 诱导的熔体对流和焦耳热是凝固组织细化及力学性能提高的主要原因。

方坯连铸开浇阶段的引锭头拉脱漏钢事故是制约钢铁生产连续性与设备安全性的关键瓶颈,其根源在于传统引锭工艺中引锭头设计、冷料参数、辅助装置及监测调控的系统性缺陷。针对此问题,本文提出集成引锭头多维度创新设计、冷料智能化精准调控、新型辅助装置研发、智能监测与自适应调节的一体化塞引锭工艺方案。工业实践验证表明:该方案使月均引锭头拉脱漏钢事故次数从8次降至2次,结晶器月均过钢量提升32.8%,拉矫电机电流波动幅度降低40%;通过智能监测与自适应调控,实现开浇过程从“经验驱动的被动应对”到“数据驱动的主动防控”的转变,为方坯连铸高效、安全生产提供了全流程技术支撑。

为改善GCr15轴承钢连铸坯中心偏析及缩孔问题。某厂融合传热学原理、钢种特性及拉矫装备的空间结构特征,采用有限差分法建立了大方坯凝固传热模型。基于此模型的准确性,开发出GCr15轴承钢凝固末端压下技术,成功在1 200 mm均等间距密排的七机架拉矫系统中实现总压下量22 mm的安全稳定生产。该技术的应用使高碳钢连铸坯中心碳偏析指数稳定控制在0.95～1.05区间,碳极差不大于0.08％的铸坯比例提升至98.4％,中心缩孔不大于0.5级的铸坯比例高达99.95％。铸坯内部质量突破性提升,该厂成功采用低压缩比工艺轧制大规格棒材,其内部质量经GB/T4162标准AA级超声波探伤合格率超过99.95％。

保护渣润湿特性是影响低密度钢铸坯表面质量的重要因素。利用高温接触角测量仪结合界面结构表征,研究了w(CaO+BaO)/w(Al₂O₃)及B₂O₃替代SiO₂对CaO-Al₂O₃基保护渣与低密度钢间润湿特性的影响。结果表明,随着w(CaO+BaO)/w(Al₂O₃)由0.87增大至1.59以及B₂O₃逐渐替代SiO₂时,接触角开始快速下降的初始温度分别从1 480 ℃降低至1 330、1 170 ℃以及从1 300 ℃先降低至1 170 ℃,随后升高至1 180 ℃。接触角及黏附功的演变行为与该温度变化相类似。随着w(CaO+BaO)/w(Al₂O₃)增加,钢-渣界面处的元素扩散层厚度由1 μm增大至5 μm。随着B₂O₃替代SiO₂,界面处元素扩散层厚度由9 μm先减小至5 μm,随后增大至15 μm。Mn由钢基体向界面扩散传质,其含量逐渐降低,Al由钢基体向界面扩散传质,由于界面处渣相中Al含量高,其含量呈现增大趋势,Si含量变化不明显。基于此,w(CaO+BaO)/w(Al₂O₃)控制在1.59左右,B₂O₃和SiO₂质量分数匀控制在5%,有利于维持保护渣的低反应性及改善其与低密度钢间的润湿特性。

中间包塞棒作为连铸工艺中的关键功能耐火材料,其性能直接影响连铸生产的连续性、钢液洁净度及最终产品质量。传统Al₂O₃-C质塞棒在浇铸钙处理钢、高锰钢及高氧钢时面临化学侵蚀、碳氧化及高温强度不足等技术瓶颈。本文分析了MgO-C耐火材料作为替代方案的性能优势,重点探讨其抗钢液侵蚀机制,其对钢液洁净度及抗热震性能的影响。研究表明,MgO-C材料因MgO的高熔点及与钢液组分的低反应性,可抑制低熔点相的形成;其表面形成的致密MgO反应层可有效阻隔钢液渗透;石墨组分赋予材料优异的抗热震性和高温结构稳定性。此外,MgO-C材料通过吸附Al₂O₃、SiO₂等夹杂物及抑制增碳行为,有助于提升钢液洁净度。然而,无碳化需求与高性能协同、长尺寸塞棒结构的可靠性及成本控制仍是其工业化应用的挑战。未来需通过多尺度模拟、复合设计与工艺优化,推动MgO-C塞棒材料在高效连铸中的广泛应用。

随着低碳钢和超低碳钢的冶炼需求的提升,连铸用低碳尖晶石-碳耐火材料的抗渣侵蚀性能和抗热震性能面临着更高的要求。本文研究了纳米碳/镁铝尖晶石复合粉(C/MgAl₂O₄)添加量对塞棒用低碳尖晶石-碳(MgAl₂O₄-C)耐火材料性能的影响。结果表明:埋碳烧结得到的复合粉主要呈形状不规则且表面粗糙的颗粒,其中纳米碳分布于MgAl₂O₄晶粒间和颗粒表面,形成独特的团簇结构。当复合粉添加量(质量分数)为6.3%(C/MA-2试样)时性能最优,相比于未添加复合粉的试样(C/MA-0),C/MA-2试样的常温抗折强度、常温耐压强度和高温抗折强度分别提高了15.4%、19.6%和45%。同时,C/MA-2试样表现出最佳的抗热震性能,其热震后残余强度保持率比C/MA-0提高了11.9%。在抗渣侵蚀方面,C/MA-2侵蚀深度最小,比C/MA-0试样减少了19.6%,抗侵蚀性能最好。

本文研究了铸流电磁搅拌位置对ø800 mm圆坯连铸过程中钢液流动和传热行为的影响。结果表明,搅拌位置对钢液凝固过程中的流动状态、流动方向、搅拌体积、冷却速度有重要影响。在铸流区内,搅拌位置下移使得钢液径向流动方向与凝固前沿的夹角从30°减小到0°,钢液纵向流动轨迹的螺旋夹角从30°扩大到55°。凝固前沿处的搅拌速度从0.008 m/s减小到0.003 6 m/s,钢液向芯部的流动趋势减弱。其中,当搅拌器位于CET区中上部时,钢液流动稳定性显著提升。在凝固前沿处的搅拌速度为0.005 6 m/s,钢液有效搅拌体积最大,为0.045 3 m³,具有向芯部流动的趋势。在传热方面,钢液在搅拌区域内的热量散失较快,当搅拌器在CET区中上部时,有利于提高等轴晶率并加快铸坯凝固速率。铸流电磁搅拌位置在CET区中上部的搅拌效果最佳,为电磁搅拌工艺优化提供了重要的指导意义。

高强韧弹簧钢的生产是汽车工业轻量化发展趋势中的关键一环。针对目前55SiCrA弹簧钢连铸生产中存在的宏观偏析控制效果不佳的问题,本文基于实际工业生产情况开发了弹簧钢280 mm×280 mm大方坯连铸过程的“流动-传热-电磁-传质”多物理场耦合数值模拟模型。本研究通过工业现场取样验证了模型溶质场计算结果的准确性,并系统研究了浸入式水口结构、浇铸过热度与结晶器电磁搅拌对连铸过程中溶质传输过程的影响。结果表明,水口结构会显著影响钢液流动和溶质传输行为,采用四孔水口能够降低皮下负偏析程度,同时避免负偏析的不对称特征;钢液过热度的增加会延长凝固前沿溶质析出与传输的时间,从而导致皮下负偏析加重;应用电磁搅拌会能够强化钢液湍流,加速钢液热量耗散,有助于减轻原有皮下负偏析,同时凝固前沿的冲刷效果也随之加强,最终在导致凝固糊状区内出现第二负偏析带。

尖晶石碳材料兼具优良的抗热震性和抗钢液侵蚀性能,常应用于连铸功能耐火材料。为获取镁铝尖晶石类型对其常规性能和抗侵蚀性能的影响及其作用机制,以电熔尖晶石、烧结尖晶石、石墨、铝硅合金作为主要原料,按照配比,经850 ℃埋碳保护热处理,获得2种尖晶石碳材料,进行常规物理性能检测与抗钢液侵蚀试验,结果表明:在较高温度下(1 400 ℃以上),铝硅合金以蒸气的形式与CO反应形成Al₂O₃和SiC纤维,增强了基质的结合力,在钢液侵蚀工况条件下部分Si形成了颗粒形态的SiC。电熔尖晶石致密度高,可以通过物理阻隔熔渣的渗入,侵蚀以原料边界的化学溶解为主。而烧结尖晶石致密度较电熔尖晶石低,抗熔渣渗透能力较差,然而其活性较电熔尖晶石高,固溶渣中的MnO、FeO能力更强,因而抗玻璃相溶解能力更强,因此2种尖晶石碳材料均表现出了优异的抗侵蚀性能。

高拉速薄板坯连铸连轧产线以其短流程、低能耗、高产量的特点快速发展,以生产低碳低硅钢、耐候钢、汽车钢、中碳钢、高碳钢等系列钢种为主,高拉速薄板坯连铸以其优异的结晶器传热表现快速形成足够厚的坯壳实现高拉速,窄面铜板的特殊形状设计满足了无足辊支撑的理念,但是铸坯窄面的鼓肚量加剧了边部纵向开裂及轧制过程中的角部折叠问题,通过开发窄面弧角结晶器铜板工艺,一方面本质化的改善了初生坯壳角部在结晶器内凝固过程的温度场,另一方面弱化了角部凸出在轧制过程中的应力折叠,从根本上彻底解决边部纵向开裂及角部轧制折叠问题。本文通过开发应用结晶器窄面弧角铜板,从源头改善结晶器内铸坯角部二维传热过强的问题,使结晶器内角部温度平均提高25.2 ℃,铸坯弧角的形式也从源头上减轻了轧制过程中带钢边部黑线的产品质量问题。

针对AK-B3球磨钢探伤合格率低的问题,通过OM/SEM、金属原位分析仪等手段,对探伤不合位置显微组织、夹杂物、析出物等进行检测分析,对铸坯化学元素偏析进行了检测。结果表明,圆钢探伤不合处存在沿轧制方向的带状裂纹、微裂纹和微孔,裂纹侧面断口呈现解理断裂,裂纹附近存在MnS、TiN夹杂物,连铸坯中Mn、P、S元素存在明显偏析。以上是造成探伤合格率低的主要原因。通过优化冶炼、连铸工艺,提高钢水的洁净度和铸坯内部质量;优化铸坯缓冷和加热炉加热工艺减少热应力,同时增大连铸坯轧制压下量。工艺优化后,探伤合格率由85%提高到94%以上。

板坯连铸二冷区冷却制度配置不合理时,会出现铸坯鼓肚滞坯、结晶器液面波动等现象,极端情况下还会造成铸坯纵裂漏钢、夹渣漏钢等生产事故。本文针对国内某厂IF钢板坯高拉速连铸工艺,建立了二维非稳态传热模型,并利用射钉实验结果修正传热模型,分析了工况配水及优化冷却制度下板坯的凝固传热行为。计算结果表明:采用现场热追踪模型计算的配水制度进行生产试验发现,当拉速提高后,板坯二维非稳态传热模型预测的铸坯凝固末端比现场热追踪模型预测的后移,这与实际生产过程中铸坯红热加剧相符,铸坯存在鼓肚风险。为此,在拉速提高后,将二冷5~8区水量提升1.25倍,同时保持9~10区水量不变,可以满足铸坯出拉矫机温度和轻压下区位置要求。

气泡的尺寸直接影响着气泡与钢液之间的传热、传质和动量传输过程。冶金生产工艺的复杂性和高温环境限制了常规气泡微细化方法的应用,导致钢液中气泡的尺寸普遍较大,严重限制了冶金工艺的生产效率。基于此,本文提出周期性双向旋转的电磁场以诱发钢液周期性地产生高强度湍流流动,从而对气泡进行微细化作用。利用数值模拟的方法研究了不同磁感应强度电磁场下钢液流动的湍流强度。当磁感应强度增加至240 mT时,钢液的湍流流动可以满足气泡破碎的需求。分析了周期性双向旋转电磁场对钢液湍流流动的影响,并考察了气泡微细化效果。钢液中10 mm以上大气泡的比例降低至3.09%,相比于无电磁场条件减少了27.47%。直径为0.5~1 mm 的气泡数密度占比为40.03%,小于5 mm气泡的比例高达92.10%,相比于无电磁场下提高了80.25%。对比了不同旋转周期电磁场作用下钢液的湍流强度,以及相应的气泡微细化效果,最佳的旋转周期为3~5 s。

马氏体时效钢作为典型的超高强度钢,其力学性能易受到夹杂物的影响。本文以00 Ni18Co8Mo5TiAl钢为研究对象,提出在钢液保温过程外部施加恒稳静磁场,以磁阻尼效应调控熔体流动并促进夹杂物聚集与去除。通过工业取样与重熔实验对比,对不同条件下夹杂物的类型、尺寸及数量分布进行了系统研究。研究结果表明:工业样品中夹杂物主要为TiN、TiS以及少量Al₂O₃和复合夹杂物,其中TiN数量密度约为230个/mm²,平均粒径为0.67 μm;TiS数量密度约为220个/mm²,平均粒径为0.9 μm。重熔实验结果显示,施加磁场相比于未施加磁场,样品中夹杂物数量密度由139个/mm²降至96个/mm²,而平均粒径由1.01 μm增大至1.57 μm,其中TiS的数量显著减少。磁场作用下,样品表面Al₂O₃富集更为明显。机理分析表明,静磁场通过抑制熔体对流,稳定气-液界面,延长金属与气氛的作用时间,从而增强了夹杂物的脱除能力;同时磁阻尼效应抑制了溶质扩散,减少了TiS的形核,并促进了奥斯特瓦尔德熟化过程,导致夹杂物数量减少而粒径增大。理论计算进一步表明,TiS与Ti₄C₂S₂均可在钢液中稳定析出,但当S质量分数低于0.002%时,TiS的析出受到显著抑制。

针对70钢连铸过程中存在的中心碳偏析问题,提出了一种基于遗传算法引导的蚁群算法。通过遗传算法预生成初始信息素分布,结合引入了遗传算法的动态混合更新机制,有效解决了传统蚁群算法在多目标优化中的早熟收敛问题,在迭代中后期,继续发挥蚁群算法强大的全局搜索能力,相较于传统蚁群算法收敛速度提升53.13%。本文建立凝固传热耦合模型,模型输出温度梯度、固相率等关键参数,为算法提供目标函数计算依据,形成模型预测、算法优化的闭环控制框架。工业应用表明,优化后的二冷工艺在2.2 m/min拉速下使铸坯中心偏析指数降低5.8%,在2.4 m/min拉速下偏析指数降低5.38%的同时总水量减少4.63%,实现了铸坯质量与生产成本的双重优化。

在全球能源转型与“双碳”目标驱动下,绿色低碳连铸技术成为钢铁工业减排核心路径。本文系统评述电磁冶金、近终形连铸连轧(ESP、MCCR)、余热回收、高拉速连铸等关键技术,揭示了其通过凝固调控、短流程集成、智能调度及氢能替代等机制实现节能降碳的潜力。结果表明:这些技术的集成应用可显著降低连铸工序的能耗与碳排放,推动钢铁工业向高效化、智能化、绿色化方向发展。未来,需深度融合数字化、氢能替代与循环技术,突破规模化应用瓶颈,为钢铁工业低碳转型提供理论支撑与技术解决方案。

将用后中间包镁质涂料回收后经加工处理制成轻烧镁球,研究了用后中间包镁质涂料的再生利用技术。通过对制成的轻烧镁球的性能检测分析以及实验室试验和现场试验表明:用后中间包镁质涂料未烧结部分经回收、加工处理后制成轻烧镁球,其理化性能符合转炉炉料指标要求,形成的炉渣中MgO含量比白云石配镁造渣形成的炉渣要高,炉渣碱度也略高。制成的轻烧镁球可向炉渣中提供更多的MgO,配镁造渣效果较好,完全可以代替轻烧白云石等作为转炉终渣改质剂用于转炉配镁造渣工艺和溅渣护炉工艺,能够充分抑制炉衬中的MgO向炉渣中溶解扩散,起到保护炉衬的作用。另外,用后中间包镁质涂料制成的轻烧镁球成渣速度快,与白云石造渣工艺相比成渣速度约提前1～2 min。用后中间包镁质涂料作为炉料在转炉炼钢中具有较高的再生利用价值。

连铸生产宽厚比大于10的板坯包晶钢时,连铸坯表面纵裂纹比率相较于常规板坯显著上升,成为制约产品质量的核心难题。本文针对结晶器冷却水量、结晶器冷却水温度、结晶器锥度、结晶器保护渣和浸入式水口型式等关键工艺控制点开展了系统分析与研究,并在此基础上实施了针对性工艺改进措施。实践结果表明:将结晶器冷却水进水温控制在33~38 ℃、结晶器宽边铜板水缝流速为6.23 m/s、结晶器锥度控制在1.10%~1.15%,同时采用高碱度保护渣和凸底型浸入式水口,使高宽厚比板坯包晶钢铸坯表面纵裂纹发生率从13%降低至0.38%,铸坯表面纵裂得到了有效控制。

针对典型低合金钢(P280VK和590DP)冷轧边部起皮缺陷,通过金相和电镜检测,结合析出相热力学计算和连铸坯温度仿真模拟,明确了冷轧起皮缺陷产生的原因。通过金相分析、SEM-EDS检测发现缺陷具有沿晶氧化特征,溯源为连铸坯角部微裂纹遗传所致。基于FactSage热力学计算和连铸温度场仿真,揭示了LF脱硫增氮促使AlN在铸坯角部优先析出的机制,矫直区角部温度处于AlN大量析出温度区间,形成晶界脆性导致微裂纹萌生;热轧阶段AlN析出量低于0.01%(质量分数)时延缓裂纹扩展,冷轧时AlN完全析出促使裂纹失稳扩展形成起皮缺陷。提出控制成品氮含量(P280VK成品氮质量分数低于34×10^-6、590DP成品氮质量分数低于35 ×10^-6)以及高氮铸坯下线倒角的技术措施,冷轧低合金钢边部起皮率从1%以上降低至0.22%以下。

针对连铸钢包浇注末期因科氏力诱发钢水下渣导致汽车面板夹杂缺陷的问题,本文通过建立基于k-ε湍流模型与VOF多相流耦合的数值模拟方法,系统研究了钢包浇注过程中钢水下渣的动态行为及其影响因素。研究表明,钢水下渣过程可分为初始凹陷、锥形旋涡形成、湍流卷吸、爆发性下渣4个阶段,其中通钢量是影响临界下渣液面高度的核心因素,其与临界液面高度呈显著正相关,而钢包包龄、渣层厚度及钢渣黏度影响可忽略。基于此,本文构建了融合通钢量、拉速、包龄等多参数的钢包临界剩钢预测模型,并提出临界剩钢量计算方程,其预测误差小于3%。进一步开发了智能化剩钢控制预警系统,通过实时采集工艺参数实现下渣前精准预警。工业应用表明,该系统使钢包剩钢量减少2 t/包以上,下渣率降至0.5%,夹杂缺陷发生率降低0.1%,显著提升了汽车面板钢的纯净度与表面质量,同时降低了生产成本,经济效益显著。