一、研究的背景與問題
隨著中國汽車行業(yè)的快速發(fā)展，對高表面質(zhì)量汽車鋼板的需求量日益增加，高表面質(zhì)量汽車板鋼質(zhì)缺陷控制能力代表了鋼鐵公司煉鋼連鑄制造能力和質(zhì)量控制水平。立項(xiàng)前2013年寶鋼高表面質(zhì)量汽車板鋼質(zhì)缺陷率對標(biāo)國際先進(jìn)鋼企存在很大差距，為了提高連鑄工序穩(wěn)定制造和品質(zhì)保證綜合技術(shù)能力，迫切需要從缺陷機(jī)理、關(guān)鍵工藝、關(guān)鍵裝備、關(guān)鍵輔材等方面開展了系統(tǒng)研究，提升汽車板產(chǎn)品的的核心競爭力。
1.連鑄工序穩(wěn)定生產(chǎn)和品質(zhì)保證能力需持續(xù)提升
高表面質(zhì)量汽車板鋼質(zhì)缺陷控制最為關(guān)鍵的是夾渣和氣泡缺陷的控制，結(jié)晶器鋼水液面波動(dòng)是影響保護(hù)渣卷入最為關(guān)鍵的因素之一，立項(xiàng)前寶鋼連鑄機(jī)結(jié)晶器液面控制精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足高品質(zhì)汽車板質(zhì)量控制的要求，隨著市場及用戶對汽車板質(zhì)量要求越來越高，現(xiàn)場結(jié)晶器周圍相關(guān)設(shè)備老化，連鑄機(jī)結(jié)晶器液面波動(dòng)問題越來越突出，其主要表現(xiàn)為液面波動(dòng)合格率低，特別是在結(jié)晶器電磁攪拌投入運(yùn)行時(shí)，對液面檢測信號(hào)干擾大，嚴(yán)重影響結(jié)晶器液面的穩(wěn)定控制，同時(shí)不同的液面計(jì)狀態(tài)條件下結(jié)晶器液面控制的穩(wěn)定性也有很大差異。另外鋼水純凈度的波動(dòng)也會(huì)加劇液面控制的難度，特別是在中間包連澆后期，導(dǎo)致大量板坯異常下線，改鋼降級(jí)，板坯合格率低，熱送率低。
2.汽車板連鑄過程水口結(jié)瘤嚴(yán)重影響生產(chǎn)順行和產(chǎn)品質(zhì)量
汽車板連鑄過程中塞棒、水口結(jié)瘤是影響澆注穩(wěn)定順行的重大難題，耐材結(jié)瘤不僅會(huì)影響中間包連澆爐數(shù)，成本上升，同時(shí)結(jié)瘤物的脫落導(dǎo)致鋼中夾雜缺陷增加，鋼水純凈度下降，嚴(yán)重影響汽車板產(chǎn)品質(zhì)量。為緩解結(jié)瘤問題，被迫加大吹氬流量，由此又帶來氣泡缺陷增多。
3.寶鋼汽車外板鋼質(zhì)缺陷率與進(jìn)口材料尚有一定差距
寶鋼汽車外板鋼質(zhì)缺陷率相對于進(jìn)口材料還有較大差距，立項(xiàng)前寶鋼供合資公司高等級(jí)外板鋼質(zhì)缺陷發(fā)生率為10%以上，是進(jìn)口材料同期的2倍。
二、解決問題的思路與技術(shù)方案
寶鋼歷經(jīng)近8年的技術(shù)攻關(guān)，由工藝、設(shè)備、耐材等專業(yè)資深技術(shù)人員組成汽車板質(zhì)量攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，各專業(yè)技術(shù)人員有效協(xié)同，并依托寶鋼研究院相關(guān)研發(fā)手段，同時(shí)引入外部研發(fā)資源，形成項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)核心研發(fā)能力。針對本項(xiàng)目涉及的難點(diǎn)痛點(diǎn)問題進(jìn)行攻關(guān)，從缺陷機(jī)理、關(guān)鍵工藝、關(guān)鍵裝備、關(guān)鍵輔材等方面開展研究，形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高表面質(zhì)量汽車板連鑄成套關(guān)鍵技術(shù)。主要思路和技術(shù)方案：
1.汽車板鋼質(zhì)缺陷分析和形成機(jī)理解析。
通過對汽車板冷軋板上缺陷和連鑄坯上的缺陷進(jìn)行微觀分析，確定缺陷類型主要為三氧化二鋁、保護(hù)渣和氣泡。
圖1 冷軋板缺陷解析
針對夾雜物氣泡在鑄坯皮下位置分布規(guī)律研究，夾雜氣泡在皮下6mm厚度范圍內(nèi)密度較高。
根據(jù)冷軋板缺陷和鑄坯缺陷機(jī)理的解析，技術(shù)措施主要聚焦于三氧化二鋁、保護(hù)渣和氣泡缺陷的控制。
2.率先突破了汽車板結(jié)晶器液面穩(wěn)定控制技術(shù)，有效防止液面卷渣。核心技術(shù)包括: 干擾源信號(hào)頻率的屏蔽、硬件方面液位計(jì)的安裝固定優(yōu)化、電纜的布局優(yōu)化，濾波軟件開發(fā)、電磁攪拌電源變頻器的設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化。通過監(jiān)控軟件發(fā)現(xiàn)VUHZ液面放大器接受到的振動(dòng)信號(hào)與結(jié)晶器實(shí)際發(fā)出的有差異，偏差的存在和振動(dòng)信號(hào)的失真將會(huì)使液面檢測放大器在過濾振動(dòng)波時(shí)受到影響，從而影響到液面合格率。
解決了結(jié)晶器電磁攪拌與VUHZ結(jié)晶器液位計(jì)組合應(yīng)用的世界難題，大幅改善汽車板鋼種液面的穩(wěn)定性。
3.首次成功開發(fā)汽車板澆注抑制浸入式水口結(jié)瘤關(guān)鍵裝備和工藝技術(shù)。開發(fā)了氮?dú)寤旌蠚怏w成套控制裝置，在連鑄塞棒頭吹入部分氮?dú)獯娌糠謿鍤?，?shí)現(xiàn)小氬氣流量下澆注浸入式水口不堵塞，同時(shí)降低了鑄坯氣泡缺陷?，F(xiàn)場運(yùn)用顯著液面波動(dòng)疵點(diǎn)數(shù)從5.5次/爐降低到2.5次/爐，降幅50%以上，熱軋夾雜和氣泡封鎖率從4.05%降低到3.34%。
4.成功開發(fā)運(yùn)用新型環(huán)縫式塞棒吹氬技術(shù)。采用環(huán)縫吹氬技術(shù)，在塞棒頭部預(yù)埋帶有環(huán)縫的透氣塞形成氬氣出口，用以取代傳統(tǒng)的單孔吹氬模式，環(huán)縫吹氬使氣泡在鋼流中分布均勻，大幅度改善了傳統(tǒng)單孔式塞棒棒頭易結(jié)瘤堵塞的問題，如圖2所示。
圖2 塞棒頭的設(shè)計(jì)左：單孔吹氬，右：環(huán)縫吹氬
5.設(shè)計(jì)新型浸入式水口結(jié)構(gòu)和材質(zhì)。解析不同斷面條件下缺陷的特征和機(jī)理，小斷面主要是因?yàn)樗诤驼瓟嗝娴木嚯x太近，側(cè)孔出流帶著氣泡夾雜直接沖擊到窄邊，形成較強(qiáng)的上下回流，上回流太強(qiáng)造成卷渣，下回流太強(qiáng)會(huì)將氣泡和夾雜帶到結(jié)晶器更深處。如圖3所示。通過水口結(jié)構(gòu)優(yōu)化改善結(jié)晶中鋼水上下回流的強(qiáng)度，優(yōu)化了浸入式水口結(jié)構(gòu)，鋼質(zhì)缺陷率降幅50%。
圖3 不同斷面流場模擬
為緩解水口堵塞問題，浸入式水口內(nèi)襯采用無碳材質(zhì)，且材質(zhì)密實(shí)、表面平滑，對減少氧化鋁等夾雜物的堆積起到積極地作用。
6.優(yōu)化控流方式抑制結(jié)晶器偏流。在塞棒控流條件下，浸入式水口出口處的負(fù)壓分布區(qū)域較小。而在滑板開度為80%的控流方式下，在側(cè)孔出口處負(fù)壓區(qū)域增大，有可能引彎月面的擾動(dòng)，甚至?xí)肟諝猓廴句撘?。如圖產(chǎn)4所示。另外從側(cè)孔的截面上靜壓分布還可以了解到，在有控流時(shí)，側(cè)孔出口處的靜壓分布不均勻，滑板側(cè)滑一側(cè)的壓力較大。
圖4浸入式水口的側(cè)截面上流場分布（拉速1.4m/min）
7.首次開發(fā)汽車板開展機(jī)清+板坯上下表面肋部修磨技術(shù)替代手清。肋部修磨即單邊邊部0～400mm，修磨示意圖如圖5。顯著提高了汽車板鑄坯質(zhì)量，汽車板坯熱送率提高10個(gè)百分點(diǎn)。
圖5鑄坯肋部修磨示意圖
三、主要?jiǎng)?chuàng)新性成果
1、率先突破了汽車板結(jié)晶器液面穩(wěn)定控制技術(shù)。核心技術(shù)包括: 干擾源信號(hào)頻率的屏蔽、硬件方面液位計(jì)的安裝固定優(yōu)化、電纜的布局優(yōu)化，濾波軟件開發(fā)、VUHZ液位計(jì)工作頻率優(yōu)化、電磁攪拌電源變頻器的設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化。解決了結(jié)晶器電磁攪拌與VUHZ結(jié)晶器液位計(jì)組合應(yīng)用的世界難題，大幅改善汽車板鋼種液面的穩(wěn)定性。
2、首次成功開發(fā)汽車板澆注抑制浸入式水口結(jié)瘤關(guān)鍵裝備和工藝技術(shù)。開發(fā)了氮?dú)寤旌蠚怏w成套控制裝置，在連鑄塞棒頭吹入部分氮?dú)獯娌糠謿鍤?，?shí)現(xiàn)小氬氣流量下澆注浸入式水口不堵塞，同時(shí)降低了鑄坯氣泡缺陷。成功開發(fā)運(yùn)用環(huán)縫式塞棒吹氬技術(shù)，環(huán)縫吹氬使氣泡在鋼流中分布均勻，大幅度改善了傳統(tǒng)單孔式塞棒棒頭易結(jié)瘤堵塞的問題?，F(xiàn)場運(yùn)用顯著液面波動(dòng)疵點(diǎn)數(shù)從5.5次/爐降低到2.5次/爐，降幅50%以上；
3、首次開發(fā)汽車板開展機(jī)清+板坯上下表面肋部修磨技術(shù)替代手清。顯著提高汽車板鑄坯質(zhì)量，汽車板坯熱送率提高10個(gè)百分點(diǎn)；成功開發(fā)噴印絲由銅合金改為鋁合金關(guān)鍵技術(shù)，完全解決了板坯頭部龜裂問題；
4、成功確立了高表面汽車板連鑄關(guān)鍵工藝、設(shè)備、輔材等大生產(chǎn)全面質(zhì)量管控技術(shù)。顯著提升了連鑄工序穩(wěn)定制造和品質(zhì)保證得綜合能力，大幅改善了汽車板冷軋工序鋼質(zhì)缺陷率，寶鋼汽車外板達(dá)到進(jìn)口鋼板的質(zhì)量水平。
該成果編制關(guān)鍵工藝技術(shù)相關(guān)CP成套技術(shù)管理文件10多件，形成專利13項(xiàng)，技術(shù)秘密20項(xiàng)，發(fā)表科技論文13篇，項(xiàng)目成果在寶鋼股份推廣應(yīng)用，每年替代進(jìn)口的高表面汽車板10萬噸，直接經(jīng)濟(jì)效益2.05億元，實(shí)現(xiàn)了高表面汽車板連鑄關(guān)鍵技術(shù)的重大突破；
四、應(yīng)用情況與效果
隨著汽車行業(yè)對高表面質(zhì)量汽車板要求日益嚴(yán)苛，同時(shí)行業(yè)內(nèi)同質(zhì)化競爭加劇，對寶鋼汽車板質(zhì)量提升提出迫切需求。近年來寶鋼股份煉鋼工序圍繞連鑄穩(wěn)定制造能力、連鑄功能性耐材技術(shù)、連鑄板坯品質(zhì)保證能力等方面開展了一系列科研開發(fā)工作， 通過高表面質(zhì)量汽車板連鑄關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用，確立了高表面質(zhì)量汽車板連鑄成套關(guān)鍵技術(shù)，顯著提升了連鑄工藝、設(shè)備、耐材綜合技術(shù)水平，有效提升了連鑄工序穩(wěn)定制造和品質(zhì)保證綜合能力，大幅改善了冷軋工序鋼質(zhì)缺陷發(fā)生率，寶鋼外板與進(jìn)口外板缺陷率持續(xù)縮小，質(zhì)量控制達(dá)到國際先進(jìn)水平,寶鋼供合資公司汽車外板的比例由61.9%提升至78.3%，如圖6所示，社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益顯著，有力支撐我國汽車工業(yè)發(fā)展。
圖6 寶鋼供合資公司汽車外板比例
