科技新进展:“新一代连铸二冷及可控压下关键技术”

一、研究的背景与问题

连铸是钢铁流程中的关键环节，连铸坯质量也成为影响钢材质量的重要因素。微合金化钢、中碳合金钢铸坯普遍存在表面横裂纹及角横裂纹等问题，中碳合金钢、高碳钢的中心偏析、中心缩孔及中心疏松也是普遍存在的问题；表面横裂纹及角横裂纹问题的主要因素有弯曲、矫直半径，对弧、对中精度，二冷水量、压下工艺等；而铸坯的中心偏析、中心缩孔、中心疏松与对弧、对中精度、铸机弧半径，二冷及压下工艺有关。铸机投产后，其弯曲矫直半径已经确定，无法改变；铸机对弧、对中精度属于设备管理问题，各厂都很重视，均有各自的检修标准，严格按照标准进行管理，尽管如此，上述两类缺陷也时有发生。

控制上述质量缺陷的更为有效的手段是二冷及压下工艺。本研究开始时，甚至目前，大多数钢厂连铸二冷采用静态配水或旧式的动态配水技术，存在以下问题：

1、静态配水二冷的冷却水量仅与拉速有关，存在非稳态状况下铸坯热滞后问题，非稳态铸坯表面温度波动过大；

2、传统的动态配水技术是二维模型，容纳不了复杂的边界条件，而连铸机冷却水量在铸坯宽度方向分布呈不均匀状态，二维模型无法考虑这一状况；

3、具有幅切功能的铸机，边部的冷却水量是通过中心的冷却水量乘以一修正系数，修正系数凭经验来定；

4、连铸坯表面横裂纹，角横裂纹发生率冬季明显高于夏季，首罐钢明显高于其他罐钢，传统的二冷工艺没有考虑季节、浇注周期配水对铸坯表面质量的影响。

对于铸坯中心偏析、中心缩孔、中心疏松问题采用的有效办法是轻压下技术，轻压下技术里两个关键技术参数是压下位置和压下量。目前，轻压下技术存在以下问题：

1、这两个参数普遍认为由实际经验确定，有些资料给出采用数学模型计算溶质分布，然后对需要压下的溶质分布的区间进行压下，该方法基本处于理论研究阶段，压下量基本由现场实验确定，全国范围内几乎所有钢厂的总压下量都是6mm，且不随钢种变化。轻压下设定压下起始、结束的固相率，一般VAI压下工艺是铸坯从固相率0.3-0.95，其固相率范围一般不随钢种变化，同时铸坯固相率范围大经常造成铸坯的压下区间较长，通常压下区间为两个扇形段或三个扇形段，有时甚至四个，压下效果不够理想；

2、轻压下工艺的另一个问题是非稳态压下过程，非稳态是拉速波动的状态，普遍采用的压下方式是模型计算压下起始点、结束点位置，只要两个位置变化，立即参与控制，造成压下位置压下量波动频繁。此外，在拉速降低到0.5以下，切换成手动模式，然后按开浇方式重新投入压下模式，造成很长一段铸坯未被压下，这段铸坯的偏析、疏松级别较重。

针对上述问题，本研究从连铸坯主要缺陷入手，提出相应技术措施，减少上述铸坯的缺陷，提高铸坯质量。本技术早在2004年就开始研发，先后与鞍钢、宝钢、梅山钢厂、南钢等企业合作，逐步形成新一代连铸二次冷却及可控压下关键技术，实施在线应用，取得了良好效果。

二、技术解决方案

为了改善微合金化钢、中碳合金钢铸坯普遍存在表面横裂纹及角横裂纹，中碳合金钢、高碳钢的中心偏析、中心缩孔及中心疏松等问题，北京科技大学张炯明教授团队相继开发了新一代三维动态配水及可控压下软件、复杂边界条件确定技术、双目标温度设定技术、压下量及压下位置确定技术、精确可控单段压下技术、连铸非稳态压下技术、新一代连铸二次冷却及可控压下关键技术数据库、异钢种混合浇注二次冷却及压下技术、W形凝固终点形状预测与控制技术等九项技术，并将该九项技术进行有机的集成，从而形成了新一代连铸二冷及可控压下关键技术。

三、主要创新性进展

1、首次开发出在线使用的新一代三维动态配水软件，全面准确模拟连铸过程中钢水凝固传热过程；通过不同季节、浇注周期测温和喷嘴喷水量分布测定，对换热系数进行了修正，确定了更为接近实际二次冷却的复杂边界条件。

2、开发了双目标温度确定技术，对铸坯表面中心和边部分别设定目标温度，使边部水量给定的更为合理，并配合二次冷却喷嘴优化及幅切工艺等，减轻了凝固终点W形的程度，减少了铸坯三角区裂纹，改善了铸坯宽度1/4处的铸坯质量。

3、开发了精准可控单段压下技术，提出了压下起始或结束位置固相率的确定方法,V型偏析开始形成位置或中心线附近负偏析开始形成位置作为压下起始点，岛状偏析形成位置作为压下结束点，通过反向计算确定拉速，准确地将压下区间控制在单一扇形段内。

4、根据各钢种碳含量确定其凝固过程中的相转变路径，进而给出了考虑相变的钢种热物性参数，建立流动、传热、凝固耦合传热方程，修正液态钢的导热系数，建立了连铸二次冷却及可控压下关键技术的数据库。

四、应用情况与效果

新一代连铸二次冷却及可控压下关键技术拥有三维动态配水模型、实现精确的可控单段压下、铸坯中心和边部双目标温度控制技术、新型二冷及压下数据库、异钢种混浇配水和压下等多项创新技术，并且自动化程度高、对于铸坯的内部和外部质量能够有巨大提升。先后在鞍钢、五矿营口中板、唐山不锈钢、柳钢、宝钢等企业连铸机上应用。应用该技术后，各大钢厂微合金化钢及中碳合金钢铸坯角部横裂纹显著减轻，中碳钢、中碳合金钢及高碳钢铸坯中心偏析、缩孔及疏松明显减轻，提高了铸坯质量、改善了生产顺行，提高了热送热装比率、降低了劳动强度，取得显著的经济效益，近三年共创直接经济效益近1.6亿元人民币。

项目开展期间，本团队在国内外冶金主流期刊发表了与本项目相关的学术论文60余篇,多次在国内外冶金、材料学术会议上作了与本项目相关的学术报告，与国内外同行进行了深入的学术交流。项目开展前后，相关的关键技术申请了发明专利（申请14项、授权11项）。经专家鉴定，该项成果整体达到国际领先水平。

信息来源：北京科技大学冶金与生态工程学院专稿