一、研究的背景與問題
高性能寬厚板廣泛應(yīng)用于能源石化、交通運輸、海洋工程等領(lǐng)域的重大工程與裝備，是中國制造、國家安全、強國戰(zhàn)略的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料。2023年我國中/寬厚板總產(chǎn)量近億噸，其中98%以上的鑄坯母材通過用連鑄方式生產(chǎn)。
因高性能、寬大規(guī)格要求，寬厚板生產(chǎn)特點是微合金元素多、連鑄斷面大、軋制大展寬比。然而，隨著鑄坯斷面增寬加厚，生產(chǎn)過程面臨如下3方面的難題，即：1、距厚板坯窄面30-100mm的寬面偏離角區(qū)，頻發(fā)凹陷與裂紋缺陷（如圖1(a)），造成軋制鋼板邊部60-120mm寬裂紋；2、微合金鋼厚板坯熱送過程，受連鑄拉速與現(xiàn)有產(chǎn)線布局制約，鑄坯進加熱爐的溫度多為550-750℃，由于微合金碳氮化物析出與兩相凝固組織結(jié)構(gòu)造成的低塑性，鑄坯加熱過程寬面高發(fā)熱送裂紋（如圖1(b)）。3、大展寬比軋制過程，受金屬寬展流動等影響，鋼板邊部高發(fā)45-120mm寬的邊線裂紋（亦稱邊部“黑線”或“邊直裂”等）。受此影響，實際生產(chǎn)只能將偏離角區(qū)缺陷鑄坯下線火焰清理，熱送裂紋敏感鑄坯冷卻至＜500℃再裝爐加熱。對于邊線裂紋，企業(yè)只能進行鑄坯圓角清理與鋼板寬切邊處理，由此造成成材率降低，最大可達(dá)4%，造成了重大的經(jīng)濟損失。與此同時，由于高溫鑄坯無法熱送和大量鋼板切邊余料回爐再制造，全行業(yè)每年將增加能耗200萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，增加CO2排放500萬噸，大幅增加鋼鐵制造流程碳排放，嚴(yán)重影響行業(yè)與企業(yè)的綠色化發(fā)展。
隨著我國超大型核電、能源石化、超大型基礎(chǔ)設(shè)施等工程與裝備的大型化發(fā)展，亟需寬度5000mm以上的高性能超寬幅鋼板。但受制于寬厚板軋制過程的邊線裂紋，我國已投產(chǎn)的最大5500mm軋機難以穩(wěn)定制備出正品寬度超過5000mm的寬厚板，制約了我國重大工程與裝備建設(shè)。
圖1 厚板坯偏離角區(qū)凹陷(a)、熱送裂紋(b)、寬厚板邊線裂紋(c)形貌
二、解決問題的思路與技術(shù)方案
從2009年起，本項目通過產(chǎn)學(xué)研協(xié)同，從理論、裝備、工藝等方面著手，全面深入開展了高性能寬厚板綠色制備的關(guān)鍵連鑄技術(shù)。通過全面揭示厚板坯偏離角區(qū)凹陷及裂紋、微合金鋼板坯熱送裂紋、軋制寬厚板邊線裂紋的形成機理，進而系統(tǒng)研發(fā)從源頭控制的新方法、新裝備、新工藝，并在鞍鋼、湘鋼、山鋼等國內(nèi)重點寬厚板生產(chǎn)線應(yīng)有推廣。具體內(nèi)容包括：
1、研究闡明厚板坯偏離角凹陷、熱送裂紋、軋制寬厚板邊線裂紋形成機理，提出從源頭控制的新思路、新方法。
2、凸透鏡形結(jié)晶器及其腰鼓形足輥和超強淬火扇形段連鑄核心裝備研制。
3、開發(fā)并集成應(yīng)用高性能寬厚板高效綠色制備連鑄新工藝技術(shù)。
項目研發(fā)思路如圖2所示。
圖2 項目總體技術(shù)路線
三、主要創(chuàng)新性成果
1、研究闡明了厚板坯偏離角區(qū)凹陷、熱送裂紋、軋制寬厚板邊線裂紋形成機理，提出了源頭控制的新思路、新方法
(1) 首次提出厚板坯偏離角凹陷 “兩階段”成因理論及基于結(jié)晶器與足輥強約束鑄坯凝固變形的根治思路
通過構(gòu)建傳統(tǒng)厚板坯結(jié)晶器及其二冷全鑄流鑄坯凝固三維多物理場耦合模型，探明了常規(guī)結(jié)晶器因其窄面中上部無法高效貼合凝固坯殼收縮，致使窄面坯殼脫離銅板，并在鋼水靜壓力作用下彎曲而“拖拽”寬面角部而脫離銅板，進而引發(fā)寬面偏離角區(qū)形成“熱區(qū)”（基礎(chǔ)成因），出窄面足輥區(qū)后，“高剛度”的鑄坯角部在窄面鼓肚作用下扭轉(zhuǎn)（動力成因），迫使高溫低強度的寬面偏離角區(qū)形成凹陷的“兩階段”成因理論。
圖3 厚板坯偏離角區(qū)凹陷形成過程示意
在此基礎(chǔ)上，創(chuàng)新提出了基于窄面凸透鏡形結(jié)晶器及其腰鼓形足輥強約束鑄坯的凝固變形，使鑄坯出結(jié)晶器后寬面偏離角區(qū)與其中心的溫差降至＜50℃（消除凹陷“基礎(chǔ)”成因），并通過實施鑄坯窄面腰鼓形足輥及其強支撐工藝，確保凝固全程厚板坯窄面凹形回彈量＜1mm（圖4，消除凹陷 “動力”條件），而根治偏離角區(qū)凹陷的新方法。
圖4 窄面凹形坯凝固變形計實物形貌
(2) 定量闡明了微合金鋼組織高塑性調(diào)控機制，創(chuàng)新提出連鑄凝固末端超強淬火熱送裂紋控制新路線
鑒于造成微合金鋼板坯表面熱送裂紋的根源是碳氮化物在晶界集中析出脆化鑄坯表層組織晶界和γ、α兩相結(jié)構(gòu)低塑性組織在加熱過程因低塑性不足而開裂，研究確定了高性能寬厚板典型Nb、Al、V含量下的碳氮化物析出彌散析出的冷卻溫度應(yīng)≥950℃、冷卻溫度應(yīng)≥5℃/s，以及實現(xiàn)高溫鋼組織晶粒超細(xì)化的雙相變（γ→α→γ）關(guān)鍵工藝參數(shù)（由≥950℃強冷至＜600℃，而后回溫至＞800℃），并確定了實施鑄坯表層組織高塑性調(diào)控的最佳位置為鑄坯凝固末端壓下段之后。
(3) 首次闡明寬厚板邊線裂紋形成機理，首創(chuàng)基于窄面凹形坯軋制源頭控制新方法
通過構(gòu)建寬厚板軋制全流程多物理場耦合模型，首次闡明了寬厚板軋制中后期縱軋拉伸致使中間坯側(cè)面形成“拉絲”結(jié)構(gòu)，并在寬展過程“拉絲”結(jié)構(gòu)的波谷處開裂；與此同時，軋制過程中間坯表層展寬受軋輥橫向摩擦約束，特別是軋制中后期芯-表展寬速度差加劇作用，窄面開裂部位逐漸翻轉(zhuǎn)至寬面，最終形成軋材邊線裂紋（實物如圖5所示）的寬厚板邊線裂紋形成機理，并首次提出通過凸透鏡形結(jié)晶器制備窄面凹形板坯，預(yù)補償軋制過程中間坯表層寬展變形而抑制側(cè)面翻轉(zhuǎn)，從源頭控制邊線裂紋的新方法。
圖5 寬厚板側(cè)面形貌
2、首創(chuàng)了凸透鏡形結(jié)晶器和超強淬火扇形段連鑄關(guān)鍵核心裝備
立足結(jié)晶器內(nèi)坯殼凝固收縮特性，首創(chuàng)了橫向“中部弧面、邊部平直”、高度方向“上部快補償、中下部緩補償”結(jié)構(gòu)特點的高均勻凝固、長壽命凸透鏡形結(jié)晶器及其腰鼓形足輥（如圖6所示），保障了窄面凹形板坯的穩(wěn)定化、無缺陷制備。
圖6 凸透鏡形結(jié)晶器及其腰鼓形足輥
基于寬厚板坯凝固末端扇形段，首創(chuàng)出了最大水量400m3/h、最大冷速15℃/s、內(nèi)外弧超大水量比的超密排淬火扇形段（如圖7所示），從裝備上保障了高溫鑄坯的高平直度均勻淬火。
圖7 超密排淬火扇形段
3、創(chuàng)新開發(fā)并集成應(yīng)用了高性能寬厚板高效綠色制備連鑄新工藝技術(shù)
針對窄面凹形厚板坯凝固復(fù)雜、連鑄過程凹面回彈大等難題，確立了通過實施凸透鏡形結(jié)晶器大錐度及其窄面足輥非線性強支撐工藝，確保了結(jié)晶器內(nèi)鑄坯偏離角區(qū)高溫控制至＜50℃、凹面全程反彈量＜1mm，實現(xiàn)了厚度≥250mm系列窄面凹形寬厚板坯無缺陷高效制備（如圖8所示）。
圖8 窄面凹形坯形貌
針對鑄坯凝固末端超強淬火，創(chuàng)新開發(fā)形成了淬火段前在線溫度反饋與動態(tài)預(yù)測、水量自動調(diào)節(jié)、以及異常工況內(nèi)弧“小流量+延遲冷卻”、外弧“大流量+搶先冷卻”的淬火工藝，實現(xiàn)了全系列微合金鋼高平直度穩(wěn)定淬火生產(chǎn)（如圖9所示）。
圖9 鑄坯凝固末端淬火過程溫度場演變
四、應(yīng)用情況與效果
目前，該項目技術(shù)已推廣應(yīng)用至鞍鋼、寶武八一鋼鐵、湖南鋼鐵、山鋼萊鋼、營口中板、河鋼中厚板等國內(nèi)10余家大型鋼鐵企業(yè)。所制備的凹形坯，2.0以上展寬比軋制的邊線裂紋寬度由傳統(tǒng)70-100mm降至邊部20mm以內(nèi)（如圖10所示），軋制展寬比≤1.4的邊線裂紋全面消除，各應(yīng)用企業(yè)成材率平均提升1.07%-1.81%。實施連鑄凝固末端超強淬火，全面消除了熱送裂紋，實現(xiàn)鑄坯670-730℃高溫全連續(xù)裝爐生產(chǎn)。所制備的超寬幅寬厚板批量應(yīng)用于第三代核電、舟山石化煉化工程、超大型浮式生產(chǎn)儲卸油船、液態(tài)CO2運輸船等建造，滿足了國家重大工程及裝備用超寬幅寬厚板的亟需。
圖10 技術(shù)應(yīng)用前后寬厚板邊線裂紋控制效果
本項目技術(shù)的成功開發(fā)，對促進鋼鐵綠色低碳生產(chǎn)、推動我國鋼鐵技術(shù)創(chuàng)新、以及保障國家重大工程建設(shè)與高端裝備制造等均具有重要意義。
