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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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%。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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%。

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。

回转轴承是连铸钢包回转台设备中重要的结构件,其在生产过程中的安全至关重要。运用三维有限元分析方法,对回转轴承的可靠性进行了分析。利用HyperMesh和ANSYS软件,对回转轴承与上下筒体的法兰连接系统进行详细建模,结合预应力单元方法,建立了可以考虑回转轴承法兰连接系统中螺栓预紧力作用的完整的钢包回转台三维有限元分析模型。由于偏载会导致回转轴承出现异常磨损,基于静态有限元分析方法,着重研究了钢包回转台在极限的单臂加载工况下回转轴承和连接螺栓的应力状态和变形状态,分析了回转轴承和法兰接触面的接触状态和接触压力,为回转轴承的磨损分析与安全性评估提供理论依据。

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％。

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。

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。

针对本钢390 mm×480 mm大方坯铸机生产的GCr15轴承钢连铸坯存在中心偏析和疏松缩孔等均质化缺陷的问题。基于工业试验分析了过热度、结晶器电磁搅拌(M-EMS)和重压下对连铸坯质量的影响。结果表明,重压下工艺对于铸坯中心致密度和中心偏析改善效果最显著且随着压下量提高改善效果逐渐增加,而过热度、M-EMS则具有不同程度的辅助作用。当重压下量为40 mm时,连铸坯中心疏松从无压下量的2.0级降低至1.0级,缩孔基本消除,中心碳偏析指数从1.24降低至1.04,碳极差值由0.323降至0.185。基于上述研究,GCr15轴承钢连铸坯均质化工艺建议:施加重压下工艺且压下量控制在32~40 mm,合适的过热度为20~33 ℃,合理的结晶器电搅的电流强度。

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。

连铸过程板坯宽度方向的二次冷却均匀性对凝固疏松和偏析缺陷具有显著影响。采用数值模拟和工业实验的方法,研究了冷却均匀性对400 mm特厚板坯凝固过程的表面温度场、凝固末端形状、疏松和偏析缺陷的定量变化规律。结果表明:在板坯宽度方向采用非均匀冷却和均匀冷却时,板坯宽度1/4和1/2位置表面实测温差分别为116 ℃和71 ℃。板坯凝固末端的固相分布呈现“M”形,在非均匀冷却方式下,板坯宽度1/4与1/2位置的凝固进程在拉坯方向的长度差约2.3 m,在均匀冷却时凝固进程相差约0.6 m。与非均匀冷却方式相比,均匀冷却后板坯宽度1/4位置的疏松缺陷体积降低30.3%,宽度1/4和1/2位置的疏松体积差降低了46.9%,最大偏析度由1.15降至1.08。采用均匀冷却方式,可以有效提高动态轻压下的压下效率,提高特厚板坯凝固质量。

二冷喷嘴堵塞是连铸生产过程存在的普遍现象,对连铸生产及铸坯质量有重要影响。针对国内某钢厂连铸小方坯的喷嘴堵塞问题,采用喷淋性能检测设备对喷嘴的喷淋特性进行研究,并基于Python编程采用显式有限差分法建立了考虑局部水流密度分布的凝固传热模型,探究了喷嘴堵塞对铸坯表面温度的影响。结果表明:喷嘴堵塞显著改变了喷嘴的喷淋特性,导致水流量降低、喷淋覆盖范围减小、水量分布对称性差等问题,并出现局部水量过大的现象。在0.60 MPa水压下,喷嘴堵塞后水流量由2.630 L/min降至1.832 L/min,但局部最大水流密度由2.84 L/(m²·s)增大至26.62 L/(m²·s)。喷嘴堵塞会导致铸坯表面水量集中区温度降低,其他区域温度升高,严重降低局部冷却均匀性和表面温度的对称性,铸坯宽度方向最大温差由182.6 ℃增加至321.8 ℃。而且,堵塞喷嘴发生在二冷区每段的起始或末端位置时,对铸坯冷却均匀性的影响更为显著,表面回温最大可达170.8 ℃。因此,连铸过程应严格控制二冷区冷却水的水质,并建立科学的喷嘴运维制度,以控制喷嘴堵塞、降低堵塞喷嘴的危害。