连铸凝固末端压下技术

1 研究背景

特厚板、大规格型/棒材产品广泛应用于海洋工程、能源电力、国防军工等国家重要领域的重大工程与重大装备，具有重要战略意义和巨大经济价值，目前，我国大断面连铸产线已超过60条。然而随着连铸坏断面不断增宽加厚，其内部冷却条件明显恶化，铸坯偏析、疏松和缩孔凝固缺陷愈加严重，传统的低过热度浇铸与电磁搅拌等技术均不足以解决此难题，极大制约了产品成材率、生产效率及服役稳定性的提高。

鉴于此，东北大学高效连铸研究团队立足国家和行业重大需求，协同国内企业及设计院所，从理论、工艺、装备等方面入手，研发了适用于我国“一线多产”的连续、动态压下关键工艺与装备技术，即在铸坏凝固末端及完全凝固后实施大变形压下，充分利用内热外冷高达500℃的温差，实现压下量向铸坯心部的高效传递，以达到充分改善偏析疏松、闭合凝固缩孔的效果，从而从根本上解决采用连铸坯批量生产高端特厚板/大规格型棒材的技术难题。

2 凝固末端压下关键工艺与装备技术

2.1 “在哪压，压多少”的压下核心工艺

压下过程铸坯变形特征与常规连铸、轧制过程迥异，且随着压下量的增加，铸坯变形、凝固传热、组织生长、溶质偏析等现象越加复杂，对其认识描述已远远超出了常规连铸、轧制工艺理论范畴。

针对上述问题，系统揭示了重压下过程连铸坏在辊压力、拉坯力、热应力等综合作用下的变形规律及两相区内溶质传输行为规律，提出了连铸凝固末期大变形压下可抑制溶质加速富集的新机制；发现了显著提升宽厚板坯心部缩孔闭合度的单道次临界压下量应不小于8.4mm、持续补偿凝固缩孔生长的多道次压下率应不小于4mm/m；明晰了内外温差是影响压下量向铸坯心部传递效率的最关键因素，确立了保障压下变形量向铸坯心部高效渗透的最佳压下区域在固相率f_s大为0.5至铸坯完全凝固后5.0m内，准确回答了“在哪儿压、压多少”的关键工艺核心问题。

2.2 稳定实施大变形压下的压下核心装备

与固定安装位置的单辊压下设备相比，扇形段是在连续面上进行持续压下，在其压下范围内，均可受到压下作用，并可防止铸坏反弹变形，然而目前常规连铸坯扇形段压下能力远远达不到稳定实施大变形压下的要求，从而影响凝固末端压下技术的有效实施。

针对上述问题，研制应用了世界上压下能力最强的宽厚板连铸扇形段一增强型紧凑扇形段，压坏力较常规扇形段提升了4倍，首次实现了宽厚板连铸坯凝固末端及完全凝固后单段压下量18mm，多段总压下量40mm的突破；研发形成了大幅降低压下抗力、高效挤压铸坏心部的渐变曲率凸型辊，单辊压下量提升了3倍，且铸辊寿命提升5倍以上；在此基础上，研发了扇形段状态自监控系统与双反馈液压控制系统，实现了重负荷、强冲击下的辊缝与压力的高精度控制，为基于压力压下量反馈的凝固进程“真检测”提供了重要装备保障。

2.3 凝固末端位置、形貌高精度在线标定技术

在连铸生产过程中，铸坯凝固末端位置随着成分、拉速、过热度等工艺参数的变化而改变，准确预测凝固末端位置与形貌是确定合理压下工艺的首要前提。

针对上述问题，研发形成了基于软测量与真检测相结合的凝固末端形貌、位置高精准度在线探测技术，该技术基于溶质分布演变规律准确建立了凝固全程铸坏断面热物性参数分布，突破了既有软测量方法(传热计算)采用全程全断面固定热物性参数的技术局限；基于实测凝固坯壳厚度与热/力学分析，建立准确的“压力—压下量—坯壳厚度”关系，解决了由于压下变形、溶质迁徙等因素导致凝固末端“漂移”无法准确预测的难题。在准确预测凝固末端位置形貌的基础上，根据连铸坯凝固过程中心偏析与疏松的形成特点，提出了靶向性工艺解决方案，即根据凝固进程划分的两阶段连续重压下工艺，最终实现铸坏均质度与致密度的同步提升。

2.4 压下过程裂纹萌生与扩展风险预测技术

凝固末端压下技术虽然有效改善了偏析、中心疏松、缩孔等缺陷，但在一定程度上增加了裂纹发生的风险。若能在有效改善偏析、疏松、缩孔的同时，有效控制裂纹缺陷，将进一步提高宽大断面连铸坯质量，不断推动高品质钢材的生产。

针对该问题，提出了中间裂纹萌生与角部裂纹扩展临界应变测定新方法，采用高温拉伸实验法确定表面裂纹扩展的临界应变，从而确定相应钢种的裂纹临界准则；基于连铸全流程热/力耦合模型，耦合重压下过程再结晶细化表层组织、提升热塑性因素，定量预测重压下过程裂纹萌生与扩展风险，阐明了中低固相区内板坯压下率不大于3mm/m、大方坯单辊压下量不大于5mm的中间裂纹萌生风险防控，及单道次压下量不大于15 mm的表层裂纹扩展风险防制准则，确保了重压下的安全稳定实施。

3 应用效果

3.1 本钢特钢方坯连铸产线建设

在本钢特钢升级改造过程中，东北大学和中冶南方联合设计了2台方坯连铸机，其中430mmx510mm断面大方坯连铸机(1号机)是我国自主设计的首台采用平辊连续实施凝固末端重压下的方坯连铸机，其单机架最大压下量达15mm，总压下量可达40mm。本钢特钢两条方坯连铸机均采用了东北大学自主研发的连铸坯凝固末端压下与动态二冷过程控制系统，其具备可考虑溶质与温度演变对热物性参数影响的凝固进程高精度预测、基于各二冷区出口目标温度的二冷水表一键反算、基于铸机运行数据实时数据的设备监控诊断与铸坯质量判定等实用功能。铸机投产后运行平稳，铸坯中心疏松与偏析不大于0.5级比例均达到95%以上，处于国际领先水平，且形成了φ150mm大规格高端轴承棒材供货能力，生产的大规格轴承钢、齿轮钢等质量优异，已成功应用于风力发电、高铁动车等重大装备，切实推动了本钢特钢产品结构调整与升级转型发展。

3.2 湘钢450mm厚特厚板坯连铸机工艺与控制系统整体升级

针对湘钢450mm厚板坯连铸机（10号机）进行了凝固末端压下与二冷工艺、控制系统整体升级。系统设计研发了不同断面规格、钢种相关的凝固末端压下与冷却工艺，应用了基于数字孪生的过程控制系统，将现有手动/静态控制升级为动态控制，实现了整浇次工艺全自动投用和铸机设备状态监控评判，解决了非稳态浇铸过程缝异常锁死、尾坏无法调整压下策略、拉矫电流异常报警、铸坯厚度波动等一系列问题，大幅提升了压下工艺投用率。目前过程控制系统已在450mm、350mm等多个断面稳定投用，生产铸坯质量大幅上升，低合金、海工船舶、建筑、桥梁、风电、压力容器等品种中心偏析C类1.5级比例不小于90%，模具钢、耐磨钢等高合金钢中心偏析C类1.0级比例不小于80%，解决了高端大断面连铸坯中心偏析与疏松严重的瓶颈，基本消除了低合金钢厚板坯铸坯中间裂纹缺陷，实现100mm以上厚板探伤合格率98.5%。生产的产品成功应用于液化天然气LNG/VLGC运输船、大型集装箱船、俄罗斯YAMAL项目、泰国石油ZAWTIKAL项目等重大工程。

3.3 济源钢铁中/大方坯连铸机

济源钢铁是我国中原地区的重要特钢生产基地，为进一步提升铸坯内部质量，在济源钢铁5台方坯连铸机开展专利实施转化，其中在大方坯连铸机（1号机、5号机、6号机）实施了凝固末端压下技术。400mmx500mm断面大方坯连铸机（5号机）生产的齿轮钢、轴承钢连铸坯中心碳偏析0.94~1.07比例由50%提升至90%，320mmx360mm 断面大方坯连铸机（6号机）生产的齿轮钢连铸坯中心碳偏析合格率由66%提升至 92%。此外，架构了基于数字孪生的连铸关键工艺仿真系统，实现了全部连铸产线二冷、压下等关键工艺的快速仿真模拟设计，协同采用二冷、电磁搅拌等工艺实现全部产线铸坯中心疏松均不大于1.5级，中心缩孔均不大于1.5级，中间裂纹均不大于1.0级，助力企业产品结构升级调整。目前生产的高端棒材广泛应用于装备制造、轨道交通、新能源等行业。

3.4 鞍钢鲅鱼圈钢铁分公司300 mm厚板坯连铸机

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