冶金科技奖一等奖 | 高铝钢及微合金钢板坯连铸关键技术开发与应用

19 08月 2022

2022-08-19 10:26

完成人

季晨曦、张丙龙、陈斌、于会香、俞学成、刘洋、田贵昌、刘国梁、刘建斌、邓小旋、朱志远、刘延强、杨春宝、刘珍童、王策

完成单位

首钢集团有限公司、北京科技大学、首钢京唐钢铁联合有限责任公司、北京首钢股份有限公司

研究的背景与问题

随着国民经济发展和产业结构升级，高铝钢及微合金钢等高端钢铁材料广泛应用于汽车、能源电力、海洋工程、船舶等重点领域，高效连铸生产的技术质量问题日益凸显。如汽车用DP、TRIP钢因钢中Al含量高达1.0%以上，不仅难以实现多炉连浇，而且连铸板坯存在横向凹陷、裂纹、断坯等问题；高等级桥梁钢、高强钢、能源钢、管线钢等因添加Nb、V、Ti等微合金元素，热装铸坯轧后钢板表面容易出现裂纹。这些难题不仅影响生产效率，还会造成资源和能源浪费。此外，随着用户的个性化需求增多，微合金钢品种、规格、连铸短浇次增多，微合金钢连铸漏钢风险增大，直接影响高效连铸过程的稳定性。相对于普通钢材，高铝钢和微合金钢元素多且含量高，质量控制难度大、工艺复杂。原有的高效稳定工艺技术，已无法适应高铝钢和微合金钢生产需求，具体体现在：

（1）高铝钢保护渣易反应变性，粘结报警频繁，连铸可浇性差，板坯表面裂纹多，必须下线清理。针对高铝钢板坯连铸，韩国浦项制铁开发了液态保护渣技术，将钙铝系保护渣加热熔化后流入结晶器，控制渣圈达到改善板坯表面质量的目的；国内也有企业直接采用低碱度、低熔点钙硅系保护渣或者直接采用钙铝系保护渣的成功先例。这些技术极大促进了高铝高锰钢的开发与应用，但均未实现常规拉速的多炉连浇。

（2）Nb、V、Ti微合金桥梁钢、高强钢、能源钢、管线钢等高等级钢实现高温热装（两相区）难度大，钢板易产生红送裂纹。针对高等级微合金高强钢板的热装红送裂纹，国内外普遍采用板坯下线控温、专用淬火池及铸坯切割后淬火等方式，铸坯热量损失大，生产效率低，表层组织细化和抑制第二相粒子析出的效果不充分。

（3）高性能产品在产量快速增长的同时，品种、规格和质量个性化的要求也大幅度增加，给连铸批量高效生产提出了严苛的要求。同时，异钢种连浇、在线调宽等技术的推广应用，也给连铸恒拉速生产和不漏钢带来了极大的挑战。

解决问题的思路与技术方案

围绕以上高效化连铸的关键问题，首钢与北京科技大学长期开展合作，进行高铝钢及微合金钢板坯连铸关键技术攻关。首先针对高铝钢的凹陷、裂纹、断坯和连铸过程粘结报警问题，研究发现了结晶器保护渣渣圈对铸坯表面横向凹陷、裂纹和粘结报警的影响规律，从弯月面钢水流动性、保护渣反应性等方面抑制渣圈长大，并通过结晶器小负滑脱振动控制渣圈周期性脱落，减小渣圈对初生坯壳的挤压变形，进而减小其对横向凹陷和裂纹的不利影响，实现高铝钢高质量稳定浇铸，板坯裂纹发生率逐年降低。同时，开发了结晶器内坯壳均匀凝固技术，提高了微合金钢板坯连铸拉速，降低了板坯纵裂纹发生率。在改善铸坯质量的基础上，针对铸轧界面微合金钢因红送裂纹不能高温热装的问题，对铸机末段进行改造，实现铸坯在线高温快冷，最有效地抑制了析出物、细化了微观组织，并基于轧制过程铸坯表层应力分析和组织转变冷速分析，首次开发了基于连铸机二冷段的板坯热装预处理工艺，实现了设备、工艺技术和控制系统的集成。针对高铝钢及微合金钢品种多，规格多、个性化要求多的问题，为进一步提高连铸过程的稳定性，实现跨钢种族混浇和恒拉速结晶器大幅调宽不漏钢，研究了调宽过程中窄面铜板的温度波动规律，开发了恒拉速结晶器双向高效调宽技术；开发了耦合中间包和结晶器混合过程的混浇成分预测模型，准确预测了结晶器内钢液成分，为结晶器锥度、水量等工艺参数实时调整提供了依据，解决了跨钢种族连浇容易发生的漏钢问题。

主要创新性成果

该项目取得重要科技创新如下：

（1）揭示了高铝钢（[%Al]≥1.0）连铸板坯的横向凹陷、裂纹、断坯等缺陷的形成机理，开发出“结晶器电磁搅拌+大倾角水口”等连铸坯壳均匀控制技术，提出并实现了结晶器非正弦小负滑脱新型振动模式，缺陷发生率降低至0.1%，拉速从0.8 m/min提高至1.2 m/min以上，高铝钢连浇炉数提高到5炉以上；

（2）针对微合金钢连铸板坯热装易出现的红送裂纹难题，开发出铸机扇形段内板坯热装表面在线预处理装备、工艺及控制系统成套技术，设计了大流量喷嘴最佳布置方式，研究得到了铸坯表面起始冷却温度、冷却速度等关键参数，开发了连铸板坯外弧/内弧最佳水量比控制工艺，解决了热装预处理快冷条件下铸坯易弯曲的关键难题，实现微合金钢铸坯热装的表面温度控制在650℃以上；

（3）开发了跨钢种族混浇技术和结晶器大幅调宽技术，解决了跨钢种族混浇和结晶器在线调宽量大易漏钢的难题，实现了恒拉速结晶器单次调宽量400mm以上，多品种、多规格单浇次连铸16.9万吨，单台铸机连续生产1350万吨未漏钢。

应用情况与效果

首钢与北京科技大学长期开展合作，进行高铝钢及微合金钢板坯连铸关键技术攻关。累计实现经济效益2.87亿元，授权发明专利10项，中国钢铁工业协会组织科技成果评价，专家组一致认为“该项成果总体技术达到国际领先水平”。

经过长期连铸工业实践和系统攻关，发现并揭示了高铝钢粘结报警及横向凹陷机理。从工艺上对结晶器振动、保护渣性能以及结晶器表面流动进行了优化，实现300吨钢包产线实现高铝钢（[%Al]≥1.0）单浇次稳定浇铸1500吨以上。连铸拉速从0.8 m/min提高至1.2 m/min。

采用本项目研发成果后，首钢京唐厚板坯热装表面温度从200℃提升到650℃以上，全面覆盖中碳含铌钢、亚包晶钢等裂纹敏感钢种，解决了连铸板坯高温热装钢板红送裂纹问题，实现高等级钢种（高强钢Q690、管线钢X70、桥梁钢Q500E-H等及以上级别）铸坯热装。热装温度提高后，节能降耗效果显著。氧化铁皮厚度从2.3 mm降至1.2 mm。该项目实施，有效推动了钢铁企业节能降耗，为钢铁企业实现低碳、绿色冶金提供了新的途径和方向。