鋼鐵研究總院有限公司
首鋼集團有限公司
河鋼集團邯鄲鋼鐵集團有限責任公司
中國寶武山西太鋼不銹鋼股份有限公司
山鋼集團萊蕪鋼鐵集團銀山型鋼有限公司
首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責任公司
中達連鑄技術國家工程研究中心有限責任公司
研究的背景與問題
在微合金化鋼生產(chǎn)過程中，國內外鋼鐵企業(yè)普遍存在著鑄坯和板帶材表面質量缺陷，即使是世界各大先進鋼鐵企業(yè)也不例外。早在立項前，由該項目主要成員單位開發(fā)的倒角結晶器技術已在微合金化鋼帶鋼連鑄坯表面無缺陷生產(chǎn)技術方面取得突破，并在國內生產(chǎn)企業(yè)中得到廣泛推廣應用，取得了良好的經(jīng)濟和社會效益。但是，一些制約微合金化鋼連鑄—軋鋼工序高效化生產(chǎn)的關鍵技術問題依然存在。其主要表現(xiàn)在以下幾個方面：
一是在板帶材邊直裂或翹皮缺陷控制方面尚未形成工程化應用技術，其造成約3%的裁邊損失。
二是由于紅送裂紋的存在，微合金化鋼連鑄坯熱送熱裝還停留在冷裝或550攝氏度以下碼垛溫裝階段，制約了微合金化鋼連鑄坯高溫熱裝的實現(xiàn)。
三是在帶鋼生產(chǎn)企業(yè)中，早期的大倒角結晶器技術滿足了微合金化鋼板坯的連鑄生產(chǎn)拉速需求，但是窄斷面低碳鋼、超低碳鋼最高工作拉速只有1.5米/分鐘，更高的鑄機拉速帶來的鑄坯角部縱裂缺陷依然沒有得到解決，它致使項目技術成果在鋼鐵企業(yè)的應用范圍受到限制。
四是期倒角結晶器技術的應用盡管很好地解決了微合金化帶鋼的連鑄坯角部橫裂紋問題，但是裂紋敏感性強的寬厚板角部橫裂紋缺陷需要進行改善。
五是鑄—軋界面高效化、綠色化提升技術需要進一步完善。
依托“十三五”國家重點研發(fā)計劃“鋼鐵流程鑄—軋界面物質流與能量流協(xié)同優(yōu)化及智能控制技術”，鋼鐵研究總院、首鋼集團、河鋼集團邯鋼公司、山西太鋼不銹鋼股份有限公司、山鋼集團萊鋼銀山型鋼有限公司、首鋼京唐、中達連鑄技術國家工程研究中心展開深入合作研究，以期在微合金化鋼板帶材生產(chǎn)關鍵技術方面取得突破，并率先在國內建成大板坯連鑄—軋鋼界面高效化、綠色化關鍵技術集成應用示范生產(chǎn)線，并向鋼鐵企業(yè)進行工程化推廣，使連鑄坯真正成為物質流、能量流、信息流的載體，被直接輸送到下一步軋制工序，徹底打通和捋順鑄—軋界面，為下道工序高效率、綠色化、高質量生產(chǎn)奠定了堅實的基礎。
解決問題的思路與技術方案
針對國內外微合金化鋼板帶材生產(chǎn)中存在的能耗高、成材率低、生產(chǎn)效率低的實際情況，該項目以國內大型鋼鐵企業(yè)典型生產(chǎn)流程為依托，重點開展邊直裂控制技術、紅送裂紋控制技術、微合金化鋼連鑄坯表面無缺陷生產(chǎn)技術等研究工作，開發(fā)關鍵工藝和裝備控制技術，實現(xiàn)關鍵技術的集成與工業(yè)化應用，并向國內外冶金企業(yè)進行推廣。
主要創(chuàng)新性成果
創(chuàng)新點1：板帶材邊直裂形成機理與控制。
該項目組通過熱態(tài)模擬和工業(yè)試驗，揭示了板帶材邊直裂的形成機理。帶鋼邊直裂產(chǎn)生于精軋過程的第二道次以后，軋件角部溫度進入兩相區(qū)造成的形變不一致并在角部形成折疊，隨著軋制過程的進行，這種折疊翻轉到帶材表面形成邊直裂；寬厚板邊直裂產(chǎn)生于初期展寬軋制造成的折疊。
開發(fā)具有二次倒角形狀的連鑄坯可提高鑄坯的角部溫度、保持鑄坯溫度的均勻性；同時，二次倒角鑄坯可改善軋制過程中角部受力狀態(tài)，使應變的最大值由直角鑄坯的0.32降低到0.04，大大降低了側面折疊發(fā)生概率。
為此，該項目組在國際上首創(chuàng)了鑄坯角部形狀優(yōu)化裝備專利技術。該設備安置在鑄機出口處，它充分利用了鑄坯的高溫和鑄機的傳動能，在線對一次倒角連鑄坯角部進行形狀優(yōu)化。
該項目成果實現(xiàn)無邊直裂發(fā)生率由30%提高到95%以上，邊直裂發(fā)生位置全部減小到距邊部10毫米以內，寬厚板毛邊板交貨合格率達到99.5%以上，減少裁邊可使板帶材成材率提高1%以上。
創(chuàng)新點2：微合金化鋼熱送裂紋形成機制與控制。
微合金化鋼紅送裂紋形成機制研究取得突破，提出第二相粒子沿晶界鐵素體膜上的析出與固熔是造成晶界脆化和紅送裂紋產(chǎn)生的原因。為抑制熱送裂紋發(fā)生、實現(xiàn)高溫直裝，該項目組開發(fā)了基于鑄坯溫度檢測與實時反饋的動態(tài)快冷控制技術和雙工位鑄坯表面層快冷技術及裝備，提高了鑄坯綜合熱裝比和熱裝溫度；同時滿足連鑄高效生產(chǎn)及節(jié)能、環(huán)保需求。
該項目成果使鑄坯進加熱爐所需時間由原來碼垛溫裝的8小時縮短到30分鐘~45分鐘，鑄坯的斷面平均溫度由500攝氏度提高到750攝氏度以上。依托該項目成果，連鑄坯綜合熱裝率達到95%、直裝率達到85%以上，加熱爐燃料消耗噸鋼降低6.9千克標準煤/噸。
創(chuàng)新點3：微合金化鋼表面無缺陷及高速連鑄生產(chǎn)技術。
該項目研究發(fā)現(xiàn)，倒角連鑄坯角部是一個本質性的高溫區(qū)，在結晶器出口處坯殼出現(xiàn)明顯返溫，返溫區(qū)間長度達300毫米以上；隨著拉速提升，返溫情況會進一步加劇，當拉速從1.2米/分鐘增加到1.8米/分鐘時，鑄坯角部應力將增加3倍；結晶器下部突發(fā)性的“渣膜更新”造成坯殼支撐減弱。這些都是誘發(fā)倒角鑄坯角部縱裂產(chǎn)生的根本原因。
對此，該項目組首次開發(fā)出連續(xù)變截面倒角結晶器技術、基于熱流監(jiān)測的錐度動態(tài)控制技術和組合結構的側面支撐足輥裝備技術等，實現(xiàn)了大倒角連鑄坯的高拉速生產(chǎn)，有效避免了鑄坯角部縱裂紋和裂紋敏感性寬厚板鑄坯的角部橫裂紋缺陷發(fā)生。
該項目成果使結晶器出口處鑄坯角部應力降低了80%以上，它在滿足裂紋敏感性鋼種角部橫裂紋控制的同時，使低碳鋼工作拉速達到1.7米/分鐘，最高達到1.8米/分鐘，同時使鑄坯表面無缺陷率達到99.6%以上。
板帶材綠色制造
關鍵工藝及裝備技術集成應用
該項目集成板帶材邊直裂控制、熱送裂紋控制、鑄坯表面無缺陷生產(chǎn)等關鍵技術應用于同一條連鑄生產(chǎn)線，同時輔助以自主開發(fā)的漏鋼預報、質量判定專家系統(tǒng)、在線調寬、快換中間包、二冷動態(tài)控制、凝固末端輕壓下等智能控制軟件和技術工藝，建成功能增強型大板坯連鑄機，實現(xiàn)了典型鋼鐵流程大板坯連鑄的綠色化、高效化制造技術的工程應用，徹底打通和捋順了鑄—軋界面，為鋼鐵企業(yè)降低生產(chǎn)成本、節(jié)能減排提供了保障。
知識產(chǎn)權及專利情況
該項目開發(fā)共獲得授權專利33項，包括發(fā)明專利14項、實用新型專利19項。其中，中國發(fā)明專利10項，美國、意大利國際發(fā)明專利共4項，德國、奧地利實用新型專利共6項。獲國際專利授權為該項目成果打開國際市場提供了保障。
工業(yè)化應用及經(jīng)濟效益
該項目成果在邯鋼、首鋼京唐、鞍鋼、萊鋼等企業(yè)大板坯連鑄生產(chǎn)線上進行了集成，建立了工業(yè)化應用示范生產(chǎn)線，取得了良好的效果，引起國內外相關企業(yè)的廣泛關注。
2015年9月份，鋼鐵研究總院與邯鋼展開合作，在邯鋼第三煉鋼廠大板坯連鑄機上開展中厚板邊直裂控制技術和微合金化鋼紅送裂紋控制技術等關鍵單體技術的研究工作，并于2017年底建成集微合金化鋼連鑄坯表面無缺陷生產(chǎn)技術、邊直裂控制技術、紅送裂紋控制技術等關鍵工藝和裝備技術為一體的中厚板高效化、綠色制造示范生產(chǎn)線。
2017年6月份，鋼鐵研究總院與萊鋼銀山型鋼有限公司開展“寬厚板邊直裂控制技術開發(fā)”合作研究，2018年6月份開展“紅送裂紋控制技術開發(fā)”合作研究，并于2018年底建成集微合金化鋼連鑄坯表面無缺陷生產(chǎn)技術、邊直裂控制技術、紅送裂紋控制技術等關鍵工藝和裝備技術為一體的寬厚板高效化、綠色制造示范生產(chǎn)線。從2019年到2021年，兩家企業(yè)產(chǎn)生的經(jīng)濟效益合計18068.95萬元，平均每年達6022.65萬元。
另外，該項目成果已開始向國內重點生產(chǎn)企業(yè)如柳鋼、包鋼、營口中板廠、新疆八鋼等進行工程化推廣。
社會效益及推廣前景
據(jù)統(tǒng)計，2020年國內中厚板帶產(chǎn)量為26177萬噸，其中微合金化鋼產(chǎn)量接近1億噸。由此可見，該項目成果推廣市場前景廣闊。
該項目成果可以實現(xiàn)微合金化鋼鑄坯由冷裝到高溫快冷直裝的轉變，由此可減少加熱能耗16千克標準煤/噸鋼，減少二氧化碳排放43.2千克/噸鋼。如果項目成果向國內一半微合金化鋼市場即5000萬噸進行推廣，每年可節(jié)約80萬噸標準煤，減少二氧化碳排放216萬噸，社會和經(jīng)濟效益顯著。
