一、研究的背景與問題
隨著國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級，高鋁鋼及微合金鋼等高端鋼鐵材料廣泛應(yīng)用于汽車、能源電力、海洋工程、船舶等重點(diǎn)領(lǐng)域，高效連鑄生產(chǎn)的技術(shù)質(zhì)量問題日益凸顯。如汽車用DP、TRIP鋼因鋼中Al含量高達(dá)1.0%以上，不僅難以實(shí)現(xiàn)多爐連澆，而且連鑄板坯存在橫向凹陷、裂紋、斷坯等問題；高等級橋梁鋼、高強(qiáng)鋼、能源鋼、管線鋼等因添加Nb、V、Ti等微合金元素，熱裝鑄坯軋后鋼板表面容易出現(xiàn)裂紋。這些難題不僅影響生產(chǎn)效率，還會造成資源和能源浪費(fèi)。此外，隨著用戶的個性化需求增多，微合金鋼品種、規(guī)格、連鑄短澆次增多，微合金鋼連鑄漏鋼風(fēng)險增大，直接影響高效連鑄過程的穩(wěn)定性。相對于普通鋼材，高鋁鋼和微合金鋼元素多且含量高，質(zhì)量控制難度大、工藝復(fù)雜。原有的高效穩(wěn)定工藝技術(shù)，已無法適應(yīng)高鋁鋼和微合金鋼生產(chǎn)需求，具體體現(xiàn)在：
1、高鋁鋼保護(hù)渣易反應(yīng)變性，粘結(jié)報警頻繁，連鑄可澆性差，板坯表面裂紋多，必須下線清理。針對高鋁鋼板坯連鑄，韓國浦項制鐵開發(fā)了液態(tài)保護(hù)渣技術(shù)，將鈣鋁系保護(hù)渣加熱熔化后流入結(jié)晶器，控制渣圈達(dá)到改善板坯表面質(zhì)量的目的；國內(nèi)也有企業(yè)直接采用低堿度、低熔點(diǎn)鈣硅系保護(hù)渣或者直接采用鈣鋁系保護(hù)渣的成功先例。這些技術(shù)極大促進(jìn)了高鋁高錳鋼的開發(fā)與應(yīng)用，但均未實(shí)現(xiàn)常規(guī)拉速的多爐連澆。
2、Nb、V、Ti微合金橋梁鋼、高強(qiáng)鋼、能源鋼、管線鋼等高等級鋼實(shí)現(xiàn)高溫?zé)嵫b（兩相區(qū)）難度大，鋼板易產(chǎn)生紅送裂紋。針對高等級微合金高強(qiáng)鋼板的熱裝紅送裂紋，國內(nèi)外普遍采用板坯下線控溫、專用淬火池及鑄坯切割后淬火等方式，鑄坯熱量損失大，生產(chǎn)效率低，表層組織細(xì)化和抑制第二相粒子析出的效果不充分。
3、多品種、小批量、多規(guī)格的高品質(zhì)鋼連鑄短澆次多、混澆坯長?；鞚蹭摲N成分差異大，混澆模型判定不準(zhǔn)確，不得不下線取樣化驗(yàn)，降低入爐效率；多斷面板坯連鑄，為避免漏鋼結(jié)晶器在線調(diào)寬必須低拉速或者降拉速，降低了生產(chǎn)效率。
二、解決問題的思路與技術(shù)方案
圍繞以上高效化連鑄的關(guān)鍵問題，首鋼與北京科技大學(xué)長期開展合作，進(jìn)行高鋁鋼及微合金鋼板坯連鑄關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。首先針對高鋁鋼的凹陷、裂紋、斷坯和連鑄過程粘結(jié)報警問題，研究發(fā)現(xiàn)了結(jié)晶器保護(hù)渣渣圈對鑄坯表面橫向凹陷、裂紋和粘結(jié)報警的影響規(guī)律，從彎月面鋼水流動性、保護(hù)渣反應(yīng)性等方面抑制渣圈長大，并通過結(jié)晶器小負(fù)滑脫振動控制渣圈周期性脫落，減小渣圈對初生坯殼的擠壓變形，進(jìn)而減小其對橫向凹陷和裂紋的不利影響，實(shí)現(xiàn)高鋁鋼高質(zhì)量穩(wěn)定澆鑄，板坯裂紋發(fā)生率逐年降低。同時，開發(fā)了結(jié)晶器內(nèi)坯殼均勻凝固技術(shù)，提高了微合金鋼板坯連鑄拉速，降低了板坯縱裂紋發(fā)生率。在改善鑄坯質(zhì)量的基礎(chǔ)上，針對鑄軋界面微合金鋼因紅送裂紋不能高溫?zé)嵫b的問題，對鑄機(jī)末段進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)鑄坯在線高溫快冷，最有效地抑制了析出物、細(xì)化了微觀組織，并基于軋制過程鑄坯表層應(yīng)力分析和組織轉(zhuǎn)變冷速分析，首次開發(fā)了基于連鑄機(jī)二冷段的板坯熱裝預(yù)處理工藝，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備、工藝技術(shù)和控制系統(tǒng)的集成。針對高鋁鋼及微合金鋼品種多，規(guī)格多、個性化要求多的問題，為進(jìn)一步提高成材率、減少混澆坯浪費(fèi)和判定處理周期，實(shí)現(xiàn)結(jié)晶器在線調(diào)寬的高效應(yīng)用，研究發(fā)現(xiàn)了調(diào)寬過程中窄面銅板的溫度波動規(guī)律，開發(fā)了恒拉速結(jié)晶器雙向高效調(diào)寬技術(shù)；通過混澆坯成分預(yù)測系統(tǒng)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)混澆坯在線精準(zhǔn)判定，減少了混澆坯長度。針對微合金鋼易漏鋼的問題，在坯殼均勻凝固技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了漏鋼控制集成技術(shù)。
圖1 項目總體研發(fā)思路
三、主要創(chuàng)新性成果
該項目取得重要科技創(chuàng)新如下：
1、揭示了高鋁鋼（[%Al]≥1.0）連鑄板坯的橫向凹陷、裂紋、斷坯等缺陷的形成機(jī)理，開發(fā)出“結(jié)晶器電磁攪拌+大傾角水口”等連鑄坯殼均勻控制技術(shù)，提出并實(shí)現(xiàn)了結(jié)晶器非正弦小負(fù)滑脫新型振動模式，缺陷發(fā)生率降低至0.1%，拉速從0.8 m/min提高至1.2 m/min以上，高鋁鋼連澆爐數(shù)提高到5爐以上；
2、針對微合金鋼連鑄板坯熱裝易出現(xiàn)的紅送裂紋難題，開發(fā)出鑄機(jī)扇形段內(nèi)板坯熱裝表面在線預(yù)處理裝備、工藝及控制系統(tǒng)成套技術(shù)，設(shè)計了大流量噴嘴最佳布置方式，研究得到了鑄坯表面起始冷卻溫度、冷卻速度等關(guān)鍵參數(shù)，開發(fā)了連鑄板坯外弧/內(nèi)弧最佳水量比控制工藝，解決了熱裝預(yù)處理快冷條件下鑄坯易彎曲的關(guān)鍵難題，實(shí)現(xiàn)微合金鋼鑄坯熱裝的表面溫度控制在650℃以上；
3、針對結(jié)晶器在線調(diào)寬拉速低、易漏鋼，異鋼種混澆坯判定周期長的難題，開發(fā)了基于結(jié)晶器熱電偶溫度的銅板/坯殼接觸動態(tài)控制技術(shù)、混澆坯長度控制與判定系統(tǒng)、漏鋼控制技術(shù)集成，實(shí)現(xiàn)了恒拉速（拉速≥1.4m/min）生產(chǎn)條件下結(jié)晶器單次調(diào)寬量≥400mm，多品種、多規(guī)格單澆次連鑄16.9萬噸，單臺鑄機(jī)連續(xù)生產(chǎn)1350萬噸未漏鋼。四、應(yīng)用情況與效果
首鋼與北京科技大學(xué)長期開展合作，進(jìn)行高鋁鋼及微合金鋼板坯連鑄關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會組織科技成果鑒定，專家組一致認(rèn)為“該項成果總體技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平”。
經(jīng)過長期連鑄工業(yè)實(shí)踐和系統(tǒng)攻關(guān)，發(fā)現(xiàn)并揭示了高鋁鋼粘結(jié)報警及橫向凹陷機(jī)理。從工藝上對結(jié)晶器振動、保護(hù)渣性能以及結(jié)晶器表面流動進(jìn)行了優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)300噸鋼包產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)高鋁鋼（[%Al]≥1.0）單澆次穩(wěn)定澆鑄1500噸以上。連鑄拉速從0.8 m/min提高至1.2 m/min。
采用本項目研發(fā)成果后，首鋼京唐厚板坯熱裝表面溫度從200℃提升到650℃以上，全面覆蓋中碳含鈮鋼、亞包晶鋼等裂紋敏感鋼種，解決了連鑄板坯高溫?zé)嵫b鋼板紅送裂紋問題，實(shí)現(xiàn)高等級鋼種（高強(qiáng)鋼Q690、管線鋼X70、橋梁鋼Q500E-H等及以上級別）鑄坯熱裝。熱裝溫度提高后，節(jié)能降耗效果顯著。氧化鐵皮厚度從2.3 mm降至1.2 mm。該項目實(shí)施，有效推動了鋼鐵企業(yè)節(jié)能降耗，為鋼鐵企業(yè)實(shí)現(xiàn)低碳、綠色冶金提供了新的途徑和方向。
圖2 鑄坯表面溫度與形貌：（a）預(yù)處理后；（b）鑄坯返溫后
建立了混澆模型，實(shí)現(xiàn)混澆坯成分在線判定的功能，改變了混澆坯下線取樣化驗(yàn)、判定周期長的狀況。通過板坯連鑄不漏鋼技術(shù)集成、結(jié)晶器在線調(diào)寬、異鋼種連澆等技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用，并結(jié)合高壽命結(jié)晶器、高壽命耐材、中間包快換等技術(shù)，以及鑄機(jī)設(shè)備精度嚴(yán)格控制與管理，實(shí)現(xiàn)恒拉速（≥1.4 m/min）結(jié)晶器雙向調(diào)寬，單澆次澆鑄突破16.9萬噸。
