完成人
季晨曦、張丙龍、陳 斌、于會(huì)香、俞學(xué)成、劉 洋、田貴昌、劉國(guó)梁、劉建斌、鄧小旋、朱志遠(yuǎn)、劉延強(qiáng)、楊春寶、劉珍童、王 策
完成單位
首鋼集團(tuán)有限公司、北京科技大學(xué)、首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司、北京首鋼股份有限公司
研究的背景與問題
隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)，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(jí)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(huì)造成資源和能源浪費(fèi)。此外，隨著用戶的個(gè)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(xiǎn)增大，直接影響高效連鑄過(guò)程的穩(wěn)定性。相對(duì)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(wú)法適應(yīng)高鋁鋼和微合金鋼生產(chǎn)需求，具體體現(xiàn)在：
?。?）高鋁鋼保護(hù)渣易反應(yīng)變性，粘結(jié)報(bào)警頻繁，連鑄可澆性差，板坯表面裂紋多，必須下線清理。針對(duì)高鋁鋼板坯連鑄，韓國(guó)浦項(xiàng)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(guó)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。
?。?）Nb、V、Ti微合金橋梁鋼、高強(qiáng)鋼、能源鋼、管線鋼等高等級(jí)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(duì)高等級(jí)微合金高強(qiáng)鋼板的熱裝紅送裂紋，國(guó)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。
?。?）高性能產(chǎn)品在產(chǎn)量快速增長(zhǎng)的同時(shí)，品種、規(guī)格和質(zhì)量個(gè)性化的要求也大幅度增加，給連鑄批量高效生產(chǎn)提出了嚴(yán)苛的要求。同時(shí)，異鋼種連澆、在線調(diào)寬等技術(shù)的推廣應(yīng)用，也給連鑄恒拉速生產(chǎn)和不漏鋼帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。
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(zhǎng)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(duì)高鋁鋼的凹陷、裂紋、斷坯和連鑄過(guò)程粘結(jié)報(bào)警問題，研究發(fā)現(xiàn)了結(jié)晶器保護(hù)渣渣圈對(duì)鑄坯表面橫向凹陷、裂紋和粘結(jié)報(bào)警的影響規(guī)律，從彎月面鋼水流動(dòng)性、保護(hù)渣反應(yīng)性等方面抑制渣圈長(zhǎng)大，并通過(guò)結(jié)晶器小負(fù)滑脫振動(dòng)控制渣圈周期性脫落，減小渣圈對(duì)初生坯殼的擠壓變形，進(jìn)而減小其對(duì)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(shí)，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(duì)鑄軋界面微合金鋼因紅送裂紋不能高溫?zé)嵫b的問題，對(duì)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(guò)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(duì)高鋁鋼及微合金鋼品種多，規(guī)格多、個(gè)性化要求多的問題，為進(jìn)一步提高連鑄過(guò)程的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)跨鋼種族混澆和恒拉速結(jié)晶器大幅調(diào)寬不漏鋼，研究了調(diào)寬過(guò)程中窄面銅板的溫度波動(dòng)規(guī)律，開發(fā)了恒拉速結(jié)晶器雙向高效調(diào)寬技術(shù)；開發(fā)了耦合中間包和結(jié)晶器混合過(guò)程的混澆成分預(yù)測(cè)模型，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了結(jié)晶器內(nèi)鋼液成分，為結(jié)晶器錐度、水量等工藝參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)整提供了依據(jù)，解決了跨鋼種族連澆容易發(fā)生的漏鋼問題。
圖1 項(xiàng)目總體研發(fā)思路
主要?jiǎng)?chuàng)新性成果
該項(xiàng)目取得重要科技創(chuàng)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(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(dòng)模式，缺陷發(fā)生率降低至0.1%，拉速?gòu)?.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；
?。?）針對(duì)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(jì)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；
?。?）開發(fā)了跨鋼種族混澆技術(shù)和結(jié)晶器大幅調(diào)寬技術(shù)，解決了跨鋼種族混澆和結(jié)晶器在線調(diào)寬量大易漏鋼的難題，實(shí)現(xiàn)了恒拉速結(jié)晶器單次調(diào)寬量400mm以上，多品種、多規(guī)格單澆次連鑄16.9萬(wàn)噸，單臺(tái)鑄機(jī)連續(xù)生產(chǎn)1350萬(wàn)噸未漏鋼。
應(yīng)用情況與效果
首鋼與北京科技大學(xué)長(zhǎng)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)。累計(jì)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益2.87億元，授權(quán)發(fā)明專利10項(xiàng)，中國(guó)鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)組織科技成果評(píng)價(jià)，專家組一致認(rèn)為“該項(xiàng)成果總體技術(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平”。
經(jīng)過(guò)長(zhǎng)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(bào)警及橫向凹陷機(jī)理。從工藝上對(duì)結(jié)晶器振動(dòng)、保護(hù)渣性能以及結(jié)晶器表面流動(dòng)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?gòu)?.8 m/min提高至1.2 m/min。
采用本項(xiàng)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(jí)鋼種（高強(qiáng)鋼Q690、管線鋼X70、橋梁鋼Q500E-H等及以上級(jí)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(xiàng)目實(shí)施，有效推動(dòng)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
開發(fā)的跨鋼種族混澆技術(shù)和結(jié)晶器大幅調(diào)寬技術(shù)，解決了跨鋼種族混澆和結(jié)晶器在線調(diào)寬量大易漏鋼的難題，實(shí)現(xiàn)了多品種、多規(guī)格單澆次連鑄16.9萬(wàn)噸，單臺(tái)鑄機(jī)連續(xù)生產(chǎn)1350萬(wàn)噸未漏鋼，1.4m/min恒拉速單次在線調(diào)寬達(dá)到400mm。
開發(fā)的系列高鋁冷軋高強(qiáng)鋼批量應(yīng)用于奔馳、一汽等車企，有力地支撐了汽車行業(yè)的輕量化。板坯熱裝溫度及比例提高，實(shí)現(xiàn)減排CO2達(dá)10.8kg/t鋼。
