高品質(zhì)連鑄坯是制備高性能鋼材的前提保證，頻發(fā)的連鑄坯表面裂紋缺陷和不穩(wěn)定的內(nèi)部偏析及疏松已成為限制高品質(zhì)連鑄坯穩(wěn)定生產(chǎn)的瓶頸。東北大學(xué)針對(duì)這兩個(gè)限制連鑄坯高質(zhì)化穩(wěn)定生產(chǎn)的共性技術(shù)難題開(kāi)展了系統(tǒng)研究，開(kāi)發(fā)形成了針對(duì)微合金鋼連鑄生產(chǎn)的鑄坯角部裂紋控制新技術(shù)和旨在提升鑄坯內(nèi)部質(zhì)量并突破壓縮比限制的連鑄坯凝固末端重壓下技術(shù)，并進(jìn)行了工業(yè)化推廣應(yīng)用。主要進(jìn)展如下：

針對(duì)微合金鋼連鑄過(guò)程頻發(fā)鑄坯角部裂紋缺陷，而已有技術(shù)控制穩(wěn)定性欠佳的現(xiàn)狀，東北大學(xué)研發(fā)出基于連鑄結(jié)晶器角部快速冷卻與連鑄二冷區(qū)鑄坯角部晶粒超細(xì)化相結(jié)合的裂紋治本控制新方法，并開(kāi)發(fā)形成了原創(chuàng)性?xún)?nèi)凸型曲面結(jié)晶器技術(shù)和鑄坯二冷高溫區(qū)晶粒超細(xì)化智能控冷新工藝與裝備技術(shù)（圖1），從根源上消除了致使微合金鋼連鑄坯角部裂紋產(chǎn)生的微合金碳氮化物析出脆化晶界及傳統(tǒng)微合金鋼鑄坯生產(chǎn)過(guò)程生成“奧氏體+鐵素體膜”低塑性組織結(jié)構(gòu)的難題。2016年度，該技術(shù)在成功應(yīng)用于梅鋼、唐鋼等企業(yè)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步推廣至鞍鋼、舞陽(yáng)鋼鐵、河北敬業(yè)鋼鐵以及邯鋼等企業(yè)，實(shí)現(xiàn)了含Nb等微合金鋼連鑄坯批量化生產(chǎn)過(guò)程中角部裂紋的穩(wěn)定控制，保障了應(yīng)用企業(yè)微合金鋼連鑄坯的高質(zhì)與高效化生產(chǎn)。

傳統(tǒng)微合金鋼連鑄坯角部裂紋控制多依靠鋼種成分優(yōu)化和控制鑄坯角部溫度等“治標(biāo)”方法，其實(shí)際實(shí)施過(guò)程裂紋控制穩(wěn)定性不甚理想。該裂紋控制技術(shù)基于微合金鋼連鑄坯角部裂紋產(chǎn)生根本機(jī)理，創(chuàng)新提出了通過(guò)開(kāi)發(fā)新型可快速冷卻鑄坯角部凝固組織、實(shí)現(xiàn)鑄坯角部組織晶界與晶內(nèi)微合金碳氮化物彌散化析出，從而徹底解決微合金碳氮化物大規(guī)模析出脆化鑄坯角部組織晶界難題的新型內(nèi)凸型曲面結(jié)晶器技術(shù)和利用鑄坯二冷高溫區(qū)溫度分布及組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變特點(diǎn)、實(shí)現(xiàn)鑄坯角部組織晶粒超細(xì)化以及結(jié)構(gòu)向高塑性組織轉(zhuǎn)變的裂紋控制新方法，整體實(shí)現(xiàn)了鑄坯角部組織自身抗裂紋能力提升，可“治本”控制微合金鋼連鑄坯角部裂紋產(chǎn)生。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施上述微合金鋼連鑄坯角部裂紋控制新技術(shù)實(shí)踐表明，采用新型內(nèi)凸型曲面結(jié)晶器的鑄坯角部組織一次凝固形成晶粒尺寸得到有效細(xì)化，由于結(jié)晶器內(nèi)氣隙等緩慢傳熱造成的鑄坯角部組織奧氏體晶粒粗化現(xiàn)象得到有效緩解，相同鋼種的原奧氏體晶粒尺寸約細(xì)化12.4%。同時(shí)，透射顯示其所生產(chǎn)的鑄坯角部組織含Nb等微合金碳氮化物得到了高度彌散化控制，徹底消除了傳統(tǒng)微合金鋼連鑄生產(chǎn)過(guò)程微合金鋼碳氮化物于角部組織晶界集中呈彌散化析出的難題。投用鑄坯二冷高溫區(qū)晶粒超細(xì)化控冷新工藝，金相檢測(cè)顯示鑄坯角部組織結(jié)構(gòu)經(jīng)多次相變重組，其結(jié)構(gòu)成功由傳統(tǒng)“奧氏體+鐵素體膜”低塑性組織向“鐵素體+珠光體”高塑性結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，并將晶粒尺寸由傳統(tǒng)的100-200μm超細(xì)化至≤20μm水平，從根本上強(qiáng)化鑄坯角部抗裂紋能力，消除微合金鋼連鑄坯角部裂紋產(chǎn)生。

基于各鋼廠(chǎng)微合金鋼連鑄生產(chǎn)實(shí)際，模擬研究了不同鋼種在結(jié)晶器內(nèi)的凝固傳熱與收縮行為，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)比照驗(yàn)證，探明了造成傳統(tǒng)結(jié)晶器條件下凝固坯殼角部無(wú)法快速冷卻的主要原因，即不合理的結(jié)晶器錐度補(bǔ)償制度引發(fā)結(jié)晶器中下部坯殼角部區(qū)域氣隙與保護(hù)渣集中分布，制約了坯殼角部的高效傳熱。據(jù)此，基于結(jié)晶器內(nèi)坯殼實(shí)際凝固收縮行為，設(shè)計(jì)了窄面結(jié)晶器銅板熱面為內(nèi)凸曲面結(jié)構(gòu)，并輔以適當(dāng)增加其上下口寬度差，可實(shí)現(xiàn)鑄坯凝固全程與銅板高效接觸傳熱并滿(mǎn)足多鋼種澆注與在線(xiàn)調(diào)寬功能的新型內(nèi)凸曲面結(jié)晶器技術(shù)。通過(guò)該新型結(jié)晶器技術(shù)，鑄坯在其內(nèi)凝固全過(guò)程角部冷卻速度≥10℃/s，完全滿(mǎn)足了現(xiàn)有主流微合金鋼連鑄坯角部組織晶界碳氮化物彌散化析出的最低冷卻速度要求，從而成功解決了傳統(tǒng)微合金鋼連鑄生產(chǎn)過(guò)程鑄坯角部組織晶界大尺寸析出微合金碳氮化物難題。

基于鋼組織高溫相變轉(zhuǎn)換機(jī)制及連鑄機(jī)足輥與立彎段垂直區(qū)等連鑄坯鑄流高溫區(qū)溫度演變特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出了可滿(mǎn)足在線(xiàn)調(diào)寬功能、實(shí)現(xiàn)二冷高溫區(qū)強(qiáng)噴淋冷卻的系統(tǒng)和強(qiáng)降溫與快回溫相結(jié)合的新控冷模式，開(kāi)發(fā)形成了寬工藝窗口控制鑄坯角部組織晶粒超細(xì)化與組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變控制新技術(shù)。通過(guò)該控制技術(shù)實(shí)施，實(shí)現(xiàn)了鑄坯在足輥與立彎段垂直區(qū)內(nèi)快速完成多相變組織結(jié)構(gòu)重組，鑄坯角部皮下0-20mm范圍晶粒由傳統(tǒng)200-300μm均勻超細(xì)化至≤20μm，并實(shí)現(xiàn)了其結(jié)構(gòu)由傳統(tǒng)“奧氏體+鐵素體膜”形式向“鐵素體+珠光體”高塑性結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，從根本上強(qiáng)化了鑄坯角部抗裂紋能力。

目前，本裂紋控制新技術(shù)已經(jīng)成功推廣至唐鋼、鞍鋼、舞鋼、梅鋼、河北敬業(yè)鋼鐵、邯鋼等7家企業(yè)10條生產(chǎn)線(xiàn)，坯型全覆蓋至薄板坯、中薄板坯、常規(guī)板坯、寬厚板坯以及特厚板坯等板坯全系列，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用企業(yè)含Nb等微合金鋼連鑄坯批量化生產(chǎn)過(guò)程角部裂紋的穩(wěn)定控制。相關(guān)成果形成國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利4項(xiàng)。該技術(shù)的開(kāi)發(fā)與推廣應(yīng)用，將進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)鋼鐵企業(yè)高端微合金品種鋼的高質(zhì)與高效化生產(chǎn)，整體提升應(yīng)用企業(yè)產(chǎn)品的國(guó)內(nèi)與國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

高致密度與均質(zhì)度的連鑄坯是突破傳統(tǒng)軋制壓縮比限定、直接生產(chǎn)特厚板和大規(guī)格型/棒材的前提和保障。連鑄坯凝固末端重壓下技術(shù)借助鑄坯凝固末端內(nèi)外溫度梯度大的特點(diǎn)，通過(guò)在鑄坯凝固末端實(shí)施大變形量，有效焊合凝固縮孔、改善中心疏松，是全面提升鑄坯致密度的重要手段。東北大學(xué)結(jié)合寬厚板、大方坯連鑄生產(chǎn)的具體特點(diǎn)，以精準(zhǔn)壓下、高效壓下、有效壓下、安全壓下為目的，從理論研究、裝備設(shè)計(jì)、工藝開(kāi)發(fā)、控制技術(shù)集成等方面開(kāi)發(fā)形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的寬厚板連鑄坯凝固末端重壓下技術(shù)。2016年度，首次在唐鋼中厚板公司實(shí)現(xiàn)了寬厚板連鑄坯凝固末端重壓下技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)軋制壓縮比2.2:1條件下保探傷特厚板的制備；在大方坯連鑄方面，進(jìn)一步研發(fā)并成功實(shí)施了漸變曲率凸型輥壓下技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了凝固末端單輥壓下15mm的突破，進(jìn)一步提升了鑄坯心部致密度。

凝固末端重壓下的實(shí)施需要更強(qiáng)力的機(jī)械、液壓與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，在實(shí)踐過(guò)程中，根據(jù)數(shù)值仿真計(jì)算與工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出了針對(duì)寬厚板連鑄坯的增強(qiáng)型緊湊扇形段（圖2），其壓下力較常規(guī)扇形段提升4倍以上，拉矯力提升2.5倍以上，且配備了液壓、位移雙控系統(tǒng)，首次實(shí)現(xiàn)了寬厚板坯凝固末端單段壓下量≥16.5mm，多段壓下量≥40mm，保障了壓下工藝的穩(wěn)定實(shí)施。針對(duì)大方坯連鑄機(jī)，通過(guò)數(shù)值模擬與工程經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了拉矯機(jī)漸變曲率凸型輥，解決了傳統(tǒng)凸型輥“輥-坯”接觸應(yīng)力過(guò)大、應(yīng)變集中所導(dǎo)致的輥面脫焊、壽命受限等難題，成功實(shí)現(xiàn)鑄坯中間區(qū)域單輥壓下量提升2.5倍以上。

結(jié)合寬厚板坯、大方坯連鑄生產(chǎn)實(shí)際，開(kāi)發(fā)并投用了一系列凝固末端重壓下的工藝?yán)碚撆c工藝控制技術(shù)：形成了兩階段連續(xù)重壓下工藝?yán)碚摗吸c(diǎn)+連續(xù)重壓下工藝?yán)碚?、寬厚板非均勻凝固末端壓下區(qū)間等工藝?yán)碚摚瑴?zhǔn)確揭示了不同壓下模式、壓下量對(duì)鑄坯凝固縮孔焊合與溶質(zhì)擠壓排出等行為的影響規(guī)律，為工藝開(kāi)發(fā)奠定了理論基礎(chǔ)；開(kāi)發(fā)了基于壓力反饋的凝固末端智能檢測(cè)技術(shù)、“堆鋼”壓下工藝、多維動(dòng)態(tài)冷卻控制技術(shù)、輥縫在線(xiàn)標(biāo)定方法等關(guān)鍵工藝，實(shí)現(xiàn)了壓下量向鑄坯心部的高效、穩(wěn)定傳遞，保障了溶質(zhì)偏析與縮孔疏松的同步改善；開(kāi)發(fā)并投用了凝固末端動(dòng)態(tài)壓下智能控制系統(tǒng)，其可根據(jù)最終軋材成品質(zhì)量要求與規(guī)格要求，結(jié)合生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)高效、低成本壓下工藝的智能選取。

上述工藝控制技術(shù)的投用，實(shí)現(xiàn)了寬大斷面連鑄坯心部致密度的有效提升，為低軋制壓縮比制備特厚板、大規(guī)格軋材奠定了優(yōu)良母坯基礎(chǔ)。

2016年，上述裝備、工藝與控制技術(shù)已在唐鋼中厚板全面投用，建成投產(chǎn)了國(guó)內(nèi)第一條具有凝固末端重壓下功能的寬厚板連鑄生產(chǎn)線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了凝固末端單段16.5mm，總壓下量40mm的突破，生產(chǎn)中、低碳合金鋼連鑄坯中心偏析、疏松得到同步提升，鑄坯中心區(qū)域致密度提升至8.75%（原位分析法）（圖3），絕對(duì)密度提升0.76%（真密度測(cè)定法），已實(shí)現(xiàn)軋制壓縮比2.2:1條件下厚度方向Z35性能板、壓力容器用板等高端特厚板的成功制備。

在攀鋼全面投用拉矯機(jī)漸變曲率凸型輥技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了單輥壓下15mm，多輥壓下30mm的穩(wěn)定實(shí)施，鑄坯中心疏松區(qū)域?qū)挾扔?25mm降低至40mm以?xún)?nèi)（圖4），中心位置絕對(duì)密度提升0.91%（真密度測(cè)定法），制備的Ф210mm、Ф230mm規(guī)格車(chē)軸鋼成品鍛材（壓縮比≤4.2:1）探傷合格率由不足80%提升至100%，已為長(zhǎng)春客車(chē)廠(chǎng)批量供貨。

與傳統(tǒng)模鑄工藝相比，采用重壓下工藝可提高金屬收得率10%，降低噸鋼能耗25%；與真空復(fù)合焊接流程相比，其生產(chǎn)效率提升一倍以上；與超厚板坯連鑄相比，其投資節(jié)省800萬(wàn)元以上，噸鋼成本降低百元以上。目前，唐鋼中厚板無(wú)需經(jīng)RH處理即可生產(chǎn)50mm以下規(guī)格保探傷厚板，僅此一項(xiàng)可降低噸鋼成本約70元；生產(chǎn)40mm以下規(guī)格厚板無(wú)需軋后堆冷即可滿(mǎn)足探傷要求，可節(jié)約管理運(yùn)送成本約30元/噸。該技術(shù)的成功研發(fā)及應(yīng)用為高端特厚板和大規(guī)格型/棒材鋼鐵產(chǎn)品制備提供優(yōu)良母坯奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，目前該技術(shù)已在寶鋼股份、寶特韶鋼等企業(yè)推廣應(yīng)用，對(duì)推動(dòng)產(chǎn)品升級(jí)換代與結(jié)構(gòu)調(diào)整，提升國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力等均具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和戰(zhàn)略意義。