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。

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。

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。

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。

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。

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。

连铸水口结瘤问题广泛存在于低碳钢、不锈钢、稀土钢等钢种。连铸水口结瘤过程数值模拟可以揭示结瘤物形成过程，还可以定量分析各因素对水口结瘤形成的影响，研究结果对控制和减轻水口结瘤提供了理论指导，但现阶段的连铸水口结瘤模拟是离线式计算。连铸水口结瘤数值模拟还能预测剥落结瘤物发生的位置、剥落结瘤物的尺寸和剥落结瘤物在铸坯内的分布和遗传。现阶段，相关学者围绕连铸水口结瘤的4个主要形成机制，开发了相应的数学模型，研究结果也得到了实验室和工业实验的验证。当前连铸水口结瘤事件仍时有发生，而目前缺少对水口结瘤发展的实时预报研究，未来可以将实时水口结瘤预报、剥落结瘤物在铸坯内分布预测等内容作为连铸水口结瘤数值模拟的研究方向之一。

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。

包晶钢连铸过程常发生裂纹漏钢,严重制约包晶钢连铸的高效、高质化生产。裂纹漏钢主要源于结晶器内初生坯壳的凝固缺陷,包晶反应相变收缩形成气隙,造成传热不均、凝固坯壳厚度不均,在坯壳薄弱处容易出现裂纹漏钢。本文综述了包晶钢连铸坯凹陷的形成机制和条件,总结了铸坯角部裂纹漏钢、宽面偏离角部漏钢和宽面中心裂纹漏钢的典型特征和主要影响因素,总结了钢种成分、工艺因素对裂纹形成的影响规律。针对包晶钢多发的裂纹漏钢,提出从工艺因素、保护渣性质、结晶器设计等方面改善裂纹漏钢的要求,指出基于裂纹漏钢的关键影响因素建立连铸过程裂纹漏钢风险预报模型,对事故前兆特征提前预警和及时干预,是未来漏钢预报模型的发展方向。

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。

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。

针对国内某钢厂压力容器用特厚板坯13MnNiMoR钢在轧制后上表面边部100~200 mm处出现横裂纹的问题,通过显微组织观察和热塑性模拟实验,分析了连铸坯上表面边部裂纹的形成机制,并提出了相应改进措施。结果表明:裂纹附近基体组织晶粒粗大,原始奥氏体晶界处存在一层厚度为几十至数百微米的先共析铁素体膜,裂纹沿该铁素体膜扩展,其根部位于未开裂的铁素体膜内。裂纹周围存在明显脱碳现象,未观察到析出相。在现行连铸二冷配水工艺下,铸坯矫直段上表面边部100~200 mm区域存在局部过冷,表面温度降至约850 ℃,低于实验测得的脆韧转变温度下限(880 ℃)。奥氏体晶界上形成的先共析铁素体膜显著降低了材料的塑性。在矫直过程中,该低温脆性区域因设备精度问题承受较大的应力集中(超过材料强度极限)和附加拉伸应变,共同作用于脆弱的铁素体膜,引发沿晶开裂。因此,13MnNiMoR特厚板坯的横裂纹是由铸机精度、晶界强度及冷却工艺等多因素共同导致的,轧制后裂纹进一步扩展形成宏观缺陷。热塑性模拟实验确定该钢种的脆韧转变温度为880~890 ℃。结合热-力耦合模型分析矫直段存在的低温、高应力集中及因辊缝偏差/对弧不良引起的附加应变问题,对铸机设备精度和生产工艺进行优化,并控制钢中氮、铝含量。实施新的控冷工艺后,连铸坯边部抗裂纹能力显著提升,13MnNiMoR边部裂纹发生率由原来的15.39%降至1.67%,质量得到明显改善。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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％。

连铸板坯作为X65管线钢的主要母材,其内部宏观偏析是制约钢铁材料性能的关键缺陷之一。为控制连铸过程中的溶质偏析缺陷,本文在充分考虑凝固末端轻压下工艺的基础上,建立了耦合熔体流动、宏观传热、微观凝固组织演变与溶质传输的多相凝固模型,系统研究了浇注过热度和铸坯拉速对宏观偏析的影响机制。通过对工业生产板坯的碳硫分析检测,验证了模型计算的准确性。研究结果表明:随着过热度由14 ℃提升至30 ℃,柱状晶生长加剧、等轴晶区收窄,过热度每提高8 ℃,板坯中心等轴晶区收窄0.6~0.8 mm,偏析度增加1.39%。拉速对偏析控制的效果取决于凝固终点与压下区间的匹配关系:0.8 m/min 时凝固终点(18.46 m)早于压下区间,压下作用失效,中心偏析度达1.151;1.1 m/min时凝固终点(23.55 m)完全落入压下区间,压下作用最充分,偏析最轻(1.071);1.2 m/min时凝固终点(27.95 m)超出压下区间,覆盖不足导致偏析度回升至1.082。研究阐明了固定压下工艺下过热度、拉速与中心偏析之间的定量关系,为板坯连铸过程宏观偏析的精准控制提供了理论依据和工艺优化方向。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

为了满足核电和手机等领域对316L奥氏体不锈钢无磁性的要求,必须严格控制316L不锈钢铸坯中残余铁素体的含量。本文以某厂生产的高镍高氮316L奥氏体不锈钢板坯为研究对象,采用金相观察、EBSD等方法研究了的板坯宽度中心厚度方向铁素体的形貌、含量及板坯析出相,使用热力学计算铸坯的平衡凝固过程,对比不同经验模型对凝固模式和铁素体含量的预测准确性。研究表明:高镍高氮含量316L板坯铁素体形貌从板坯表面到中心依次为:颗粒状→短棒状→半网状,大部分位于奥氏体晶界处。铁素体体积分数在0.14%~1.47％内变化,在板坯中心铁素体体积分数最高为1.47％,铁素体含量基本符合无磁要求。板坯二次析出相主要为Chi相和Sigma相。板坯表层铁素体在奥氏体晶界以颗粒状析出,部分铁素体转变为Chi相,表层冷却速率较高Chi相转变驱动力不足,保留下来形成铁素体和Chi相的耦合组织。板坯中心在奥氏体晶界处的半网状铁素体已基本转化为Sigma相。热力学计算结果显示本研究的316L板坯以奥氏体单相凝固即A模式,但实际观察结果显示铸坯凝固模式为AF模式。结合5种铬镍当量公式与WRC-1988铁素体含量预测图对本研究316L板坯凝固模式和铁素体含量进行预测,仅有Hull提出的铬镍当量公式预测的铁素体体积分数在1%~2%和实验观察一致,其余公式预测结果为纯奥氏体、3%或7%~10%。

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。

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。