完成人
季晨曦、張丙龍、陳 斌、于會香、俞學成、劉 洋、田貴昌、劉國梁、劉建斌、鄧小旋、朱志遠、劉延強、楊春寶、劉珍童、王 策
完成單位
首鋼集團有限公司、北京科技大學、首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司、北京首鋼股份有限公司
研究的背景與問題
隨著國民經濟發展和產業結構升級，高鋁鋼及微合金鋼等高端鋼鐵材料廣泛應用于汽車、能源電力、海洋工程、船舶等重點領域，高效連鑄生產的技術質量問題日益凸顯。如汽車用DP、TRIP鋼因鋼中Al含量高達1.0%以上，不僅難以實現多爐連澆，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裂紋。這些難題不僅影響生產效率，還會造成資源和能源浪費。此外，隨著用戶的個性化需求增多，微合金鋼品種、規格、連鑄短澆次增多，微合金鋼連鑄漏鋼風險增大，直接影響高效連鑄過程的穩定性。相對于普通鋼材，高鋁鋼和微合金鋼元素多且含量高，質量控制難度大、工藝復雜。原有的高效穩定工藝技術，已無法適應高鋁鋼和微合金鋼生產需求，具體體現在：
?。?）高鋁鋼保護渣易反應變性，粘結報警頻繁，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，韓國浦項制鐵開發了液態保護渣技術，將鈣鋁系保護渣加熱熔化后流入結晶器，控制渣圈達到改善板坯表面質量的目的；國內也有企業直接采用低堿度、低熔點鈣硅系保護渣或者直接采用鈣鋁系保護渣的成功先例。這些技術極大促進了高鋁高錳鋼的開發與應用，但均未實現常規拉速的多爐連澆。
?。?）Nb、V、Ti微合金橋梁鋼、高強鋼、能源鋼、管線鋼等高等級鋼實現高溫熱裝（兩相區）難度大，鋼板易產生紅送裂紋。針對高等級微合金高強鋼板的熱裝紅送裂紋，國內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，生產效率低，表層組織細化和抑制第二相粒子析出的效果不充分。
?。?）高性能產品在產量快速增長的同時，品種、規格和質量個性化的要求也大幅度增加，給連鑄批量高效生產提出了嚴苛的要求。同時，異鋼種連澆、在線調寬等技術的推廣應用，也給連鑄恒拉速生產和不漏鋼帶來了極大的挑戰。
解決問題的思路與技術方案
圍繞以上高效化連鑄的關鍵問題，首鋼與北京科技大學長期開展合作，進行高鋁鋼及微合金鋼板坯連鑄關鍵技術攻關。首先針對高鋁鋼的凹陷、裂紋、斷坯和連鑄過程粘結報警問題，研究發現了結晶器保護渣渣圈對鑄坯表面橫向凹陷、裂紋和粘結報警的影響規律，從彎月面鋼水流動性、保護渣反應性等方面抑制渣圈長大，并通過結晶器小負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，進而減小其對橫向凹陷和裂紋的不利影響，實現高鋁鋼高質量穩定澆鑄，板坯裂紋發生率逐年降低。同時，開發了結晶器內坯殼均勻凝固技術，提高了微合金鋼板坯連鑄拉速，降低了板坯縱裂紋發生率。在改善鑄坯質量的基礎上，針對鑄軋界面微合金鋼因紅送裂紋不能高溫熱裝的問題，對鑄機末段進行改造，實現鑄坯在線高溫快冷，最有效地抑制了析出物、細化了微觀組織，并基于軋制過程鑄坯表層應力分析和組織轉變冷速分析，首次開發了基于連鑄機二冷段的板坯熱裝預處理工藝，實現了設備、工藝技術和控制系統的集成。針對高鋁鋼及微合金鋼品種多，規格多、個性化要求多的問題，為進一步提高連鑄過程的穩定性，實現跨鋼種族混澆和恒拉速結晶器大幅調寬不漏鋼，研究了調寬過程中窄面銅板的溫度波動規律，開發了恒拉速結晶器雙向高效調寬技術；開發了耦合中間包和結晶器混合過程的混澆成分預測模型，準確預測了結晶器內鋼液成分，為結晶器錐度、水量等工藝參數實時調整提供了依據，解決了跨鋼種族連澆容易發生的漏鋼問題。
圖1 項目總體研發思路
主要創新性成果
該項目取得重要科技創新如下：
?。?）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理，開發出“結晶器電磁攪拌+大傾角水口”等連鑄坯殼均勻控制技術，提出并實現了結晶器非正弦小負滑脫新型振動模式，缺陷發生率降低至0.1%，拉速從0.8 m/min提高至1.2 m/min以上，高鋁鋼連澆爐數提高到5爐以上；
（2）針對微合金鋼連鑄板坯熱裝易出現的紅送裂紋難題，開發出鑄機扇形段內板坯熱裝表面在線預處理裝備、工藝及控制系統成套技術，設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、冷卻速度等關鍵參數，開發了連鑄板坯外弧/內弧最佳水量比控制工藝，解決了熱裝預處理快冷條件下鑄坯易彎曲的關鍵難題，實現微合金鋼鑄坯熱裝的表面溫度控制在650℃以上；
?。?）開發了跨鋼種族混澆技術和結晶器大幅調寬技術，解決了跨鋼種族混澆和結晶器在線調寬量大易漏鋼的難題，實現了恒拉速結晶器單次調寬量400mm以上，多品種、多規格單澆次連鑄16.9萬噸，單臺鑄機連續生產1350萬噸未漏鋼。
應用情況與效果
首鋼與北京科技大學長期開展合作，進行高鋁鋼及微合金鋼板坯連鑄關鍵技術攻關。累計實現經濟效益2.87億元，授權發明專利10項，中國鋼鐵工業協會組織科技成果評價，專家組一致認為“該項成果總體技術達到國際領先水平”。
經過長期連鑄工業實踐和系統攻關，發現并揭示了高鋁鋼粘結報警及橫向凹陷機理。從工藝上對結晶器振動、保護渣性能以及結晶器表面流動進行了優化，實現300噸鋼包產線實現高鋁鋼（[%Al]≥1.0）單澆次穩定澆鑄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熱裝鋼板紅送裂紋問題，實現高等級鋼種（高強鋼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。該項目實施，有效推動了鋼鐵企業節能降耗，為鋼鐵企業實現低碳、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）預處理后；（b）鑄坯返溫后
開發的跨鋼種族混澆技術和結晶器大幅調寬技術，解決了跨鋼種族混澆和結晶器在線調寬量大易漏鋼的難題，實現了多品種、多規格單澆次連鑄16.9萬噸，單臺鑄機連續生產1350萬噸未漏鋼，1.4m/min恒拉速單次在線調寬達到400mm。
開發的系列高鋁冷軋高強鋼批量應用于奔馳、一汽等車企，有力地支撐了汽車行業的輕量化。板坯熱裝溫度及比例提高，實現減排CO2達10.8kg/t鋼。
