钢铁研究总院有限公司
首钢集团有限公司
河钢集团邯郸钢铁集团有限责任公司
中国宝武山西太钢不锈钢股份有限公司
山钢集团莱芜钢铁集团银山型钢有限公司
首钢京唐钢铁联合有限责任公司
中达连铸技术国家工程研究中心有限责任公司
研究的背景与问题
在微合金化钢生产过程中，国内外钢铁企业普遍存在着铸坯和板带材表面质量缺陷，即使是世界各大先进钢铁企业也不例外。早在立项前，由该项目主要成员单位开发的倒角结晶器技术已在微合金化钢带钢连铸坯表面无缺陷生产技术方面取得突破，并在国内生产企业中得到广泛推广应用，取得了良好的经济和社会效益。但是，一些制约微合金化钢连铸—轧钢工序高效化生产的关键技术问题依然存在。其主要表现在以下几个方面：
一是在板带材边直裂或翘皮缺陷控制方面尚未形成工程化应用技术，其造成约3%的裁边损失。
二是由于红送裂纹的存在，微合金化钢连铸坯热送热装还停留在冷装或550摄氏度以下码垛温装阶段，制约了微合金化钢连铸坯高温热装的实现。
三是在带钢生产企业中，早期的大倒角结晶器技术满足了微合金化钢板坯的连铸生产拉速需求，但是窄断面低碳钢、超低碳钢最高工作拉速只有1.5米/分钟，更高的铸机拉速带来的铸坯角部纵裂缺陷依然没有得到解决，它致使项目技术成果在钢铁企业的应用范围受到限制。
四是期倒角结晶器技术的应用尽管很好地解决了微合金化带钢的连铸坯角部横裂纹问题，但是裂纹敏感性强的宽厚板角部横裂纹缺陷需要进行改善。
五是铸—轧界面高效化、绿色化提升技术需要进一步完善。
依托“十三五”国家重点研发计划“钢铁流程铸—轧界面物质流与能量流协同优化及智能控制技术”，钢铁研究总院、首钢集团、河钢集团邯钢公司、山西太钢不锈钢股份有限公司、山钢集团莱钢银山型钢有限公司、首钢京唐、中达连铸技术国家工程研究中心展开深入合作研究，以期在微合金化钢板带材生产关键技术方面取得突破，并率先在国内建成大板坯连铸—轧钢界面高效化、绿色化关键技术集成应用示范生产线，并向钢铁企业进行工程化推广，使连铸坯真正成为物质流、能量流、信息流的载体，被直接输送到下一步轧制工序，彻底打通和捋顺铸—轧界面，为下道工序高效率、绿色化、高质量生产奠定了坚实的基础。
解决问题的思路与技术方案
针对国内外微合金化钢板带材生产中存在的能耗高、成材率低、生产效率低的实际情况，该项目以国内大型钢铁企业典型生产流程为依托，重点开展边直裂控制技术、红送裂纹控制技术、微合金化钢连铸坯表面无缺陷生产技术等研究工作，开发关键工艺和装备控制技术，实现关键技术的集成与工业化应用，并向国内外冶金企业进行推广。
主要创新性成果
创新点1：板带材边直裂形成机理与控制。
该项目组通过热态模拟和工业试验，揭示了板带材边直裂的形成机理。带钢边直裂产生于精轧过程的第二道次以后，轧件角部温度进入两相区造成的形变不一致并在角部形成折叠，随着轧制过程的进行，这种折叠翻转到带材表面形成边直裂；宽厚板边直裂产生于初期展宽轧制造成的折叠。
开发具有二次倒角形状的连铸坯可提高铸坯的角部温度、保持铸坯温度的均匀性；同时，二次倒角铸坯可改善轧制过程中角部受力状态，使应变的最大值由直角铸坯的0.32降低到0.04，大大降低了侧面折叠发生概率。
为此，该项目组在国际上首创了铸坯角部形状优化装备专利技术。该设备安置在铸机出口处，它充分利用了铸坯的高温和铸机的传动能，在线对一次倒角连铸坯角部进行形状优化。
该项目成果实现无边直裂发生率由30%提高到95%以上，边直裂发生位置全部减小到距边部10毫米以内，宽厚板毛边板交货合格率达到99.5%以上，减少裁边可使板带材成材率提高1%以上。
创新点2：微合金化钢热送裂纹形成机制与控制。
微合金化钢红送裂纹形成机制研究取得突破，提出第二相粒子沿晶界铁素体膜上的析出与固熔是造成晶界脆化和红送裂纹产生的原因。为抑制热送裂纹发生、实现高温直装，该项目组开发了基于铸坯温度检测与实时反馈的动态快冷控制技术和双工位铸坯表面层快冷技术及装备，提高了铸坯综合热装比和热装温度；同时满足连铸高效生产及节能、环保需求。
该项目成果使铸坯进加热炉所需时间由原来码垛温装的8小时缩短到30分钟~45分钟，铸坯的断面平均温度由500摄氏度提高到750摄氏度以上。依托该项目成果，连铸坯综合热装率达到95%、直装率达到85%以上，加热炉燃料消耗吨钢降低6.9千克标准煤/吨。
创新点3：微合金化钢表面无缺陷及高速连铸生产技术。
该项目研究发现，倒角连铸坯角部是一个本质性的高温区，在结晶器出口处坯壳出现明显返温，返温区间长度达300毫米以上；随着拉速提升，返温情况会进一步加剧，当拉速从1.2米/分钟增加到1.8米/分钟时，铸坯角部应力将增加3倍；结晶器下部突发性的“渣膜更新”造成坯壳支撑减弱。这些都是诱发倒角铸坯角部纵裂产生的根本原因。
对此，该项目组首次开发出连续变截面倒角结晶器技术、基于热流监测的锥度动态控制技术和组合结构的侧面支撑足辊装备技术等，实现了大倒角连铸坯的高拉速生产，有效避免了铸坯角部纵裂纹和裂纹敏感性宽厚板铸坯的角部横裂纹缺陷发生。
该项目成果使结晶器出口处铸坯角部应力降低了80%以上，它在满足裂纹敏感性钢种角部横裂纹控制的同时，使低碳钢工作拉速达到1.7米/分钟，最高达到1.8米/分钟，同时使铸坯表面无缺陷率达到99.6%以上。
板带材绿色制造
关键工艺及装备技术集成应用
该项目集成板带材边直裂控制、热送裂纹控制、铸坯表面无缺陷生产等关键技术应用于同一条连铸生产线，同时辅助以自主开发的漏钢预报、质量判定专家系统、在线调宽、快换中间包、二冷动态控制、凝固末端轻压下等智能控制软件和技术工艺，建成功能增强型大板坯连铸机，实现了典型钢铁流程大板坯连铸的绿色化、高效化制造技术的工程应用，彻底打通和捋顺了铸—轧界面，为钢铁企业降低生产成本、节能减排提供了保障。
知识产权及专利情况
该项目开发共获得授权专利33项，包括发明专利14项、实用新型专利19项。其中，中国发明专利10项，美国、意大利国际发明专利共4项，德国、奥地利实用新型专利共6项。获国际专利授权为该项目成果打开国际市场提供了保障。
工业化应用及经济效益
该项目成果在邯钢、首钢京唐、鞍钢、莱钢等企业大板坯连铸生产线上进行了集成，建立了工业化应用示范生产线，取得了良好的效果，引起国内外相关企业的广泛关注。
2015年9月份，钢铁研究总院与邯钢展开合作，在邯钢第三炼钢厂大板坯连铸机上开展中厚板边直裂控制技术和微合金化钢红送裂纹控制技术等关键单体技术的研究工作，并于2017年底建成集微合金化钢连铸坯表面无缺陷生产技术、边直裂控制技术、红送裂纹控制技术等关键工艺和装备技术为一体的中厚板高效化、绿色制造示范生产线。
2017年6月份，钢铁研究总院与莱钢银山型钢有限公司开展“宽厚板边直裂控制技术开发”合作研究，2018年6月份开展“红送裂纹控制技术开发”合作研究，并于2018年底建成集微合金化钢连铸坯表面无缺陷生产技术、边直裂控制技术、红送裂纹控制技术等关键工艺和装备技术为一体的宽厚板高效化、绿色制造示范生产线。从2019年到2021年，两家企业产生的经济效益合计18068.95万元，平均每年达6022.65万元。
另外，该项目成果已开始向国内重点生产企业如柳钢、包钢、营口中板厂、新疆八钢等进行工程化推广。
社会效益及推广前景
据统计，2020年国内中厚板带产量为26177万吨，其中微合金化钢产量接近1亿吨。由此可见，该项目成果推广市场前景广阔。
该项目成果可以实现微合金化钢铸坯由冷装到高温快冷直装的转变，由此可减少加热能耗16千克标准煤/吨钢，减少二氧化碳排放43.2千克/吨钢。如果项目成果向国内一半微合金化钢市场即5000万吨进行推广，每年可节约80万吨标准煤，减少二氧化碳排放216万吨，社会和经济效益显著。
