连铸结晶器凝固关键技术及应用

来源：中南大学冶金学院

连铸是现代钢铁生产核心技术之一。2019年中国粗钢产量为近10亿吨，连铸比高达98.3%。连铸结晶器是钢液初始凝固的地方，铸坯表面缺陷多发源于钢液初始凝固阶段；钢液初始凝固行为对连铸顺行和钢材产品质量具有重要且深远的影响。然而，结晶器内发生着高温、多相、瞬态变化的凝固传热、钢水流动、保护渣渗入和渣钢反应，加之结晶器本身不透明，使得对结晶器钢液凝固行为有效研究成为国际技术瓶颈。随着我国新一代近终型连铸技术的进一步发展，高拉速条件下铸坯表面质量的调控尤为艰难，成为制约新技术发展的瓶颈。因此，结晶器内钢液初始凝固的有效研究及其调控是制约新一代连铸技术发展的关键共性技术难题。

针对制约连铸技术发展的关键共性技术难题，中南大学王万林教授团队通过技术/设备研发、理论与实践相结合，如表1所示，从两个方向解决上述关键共性技术难题：

1、围绕连铸结晶器高温热动力学行为的有效研究方法和设备开展研究，建立了实验室条件下能研究连铸结晶器内初始凝固现象的结晶器钢液初始凝固热模拟技术体系，突破了结晶器钢液凝固有效研究的国际瓶颈；

2、建立结晶器内热动力学行为、连铸工艺参数、结晶器内腔形貌与铸坯质量、连铸效率的关系模型，解决了困扰连铸生产的关键共性技术难题。

1.建立了结晶器钢液初始凝固热模拟技术（Mold Simulator），使得在实验室规模下对结晶器内弯月面附近初始凝固行为的研究成为可能，阐明了结晶器传热、连铸工艺参数、保护渣等对铸坯表面质量、连铸效率的影响机制，形成了完整的装备、软件等成套技术体系。

连铸结晶器是钢液初始凝固的地方，决定最终铸坯质量。因此控制结晶器钢液初始凝固行为是发展先进连铸技术的核心，其主要难点有：

（1）结晶器钢液初始凝过程存在高温瞬间振动、钢水流动、保护渣渗入润滑、渣钢反应等因素影响，对结晶器高温热力学有效研究是国际公认的难题；

（2）结晶器钢液初始凝固过程缺少可靠的在线检测手段，难以快速、准确的掌握钢液初始凝固过程行为特征；

（3）如何综合研究铸坯质量与连铸参数、保护渣冶金行为、结晶器传热等相互关系，一直是国际连铸领域研究的瓶颈。

本研究在以下几方面取得创新：

（1）创新研发了连铸结晶器钢液初始凝固热模拟技术（图1a），实现了实验室规模条件下在线真实模拟结晶器内钢水凝固，保护渣渗入、结晶、润滑及控热等多相、多维、多体系热动力学行为的能力，并可方便地制取与真实结晶器内相同的渣膜和初始凝固坯壳，突破了结晶器冶金有效研究的国际瓶颈。

（2）开发了快速测温技术（采集频率可达100 Hz）、传热反问题技术（拥有良好抗噪声干扰和在线反演能力）、频谱分析技术以及噪声过滤与信号提取技术，实现了结晶器热流密度的在线计算与分解；

（3）可视化研究结晶器的传热行为及其振动、液面波动、浇铸温度、拉速，渣钢反应、保护渣消耗及其传热、渣膜结构变化对坯壳的振痕、厚度、裂纹和凝固组织等影响机制（图1b）。

图1 (a) 连铸结晶器钢液初始凝固热模拟技术装置示意图; (b) 结晶器内热动力学行为、保护渣性能、连铸工艺参数等与铸坯质量的关系模型研究.

2. 集成创新了保护渣结晶、传热、润滑等综合性能评价体系，形成了保护渣成份优化/开发的成套技术，阐明了合金钢连铸过程中渣钢反应机理及其对铸坯质量的作用机制，提出了新型非反应型保护渣设计思路，为高效、清洁合金/特种钢连铸新技术发展提供了重要理论与技术支撑。

合金钢连铸过程一直是国内外研究的热点与难点，由于其连铸过程常存在渣钢反应，保护渣性能变化，易导致铸坯表面凹陷、裂纹和夹渣等缺陷，甚至引起漏钢。合金钢连铸遇到关键技术问题有：1) 如何快速评估渣钢反应对保护渣理化性能、润滑和传热行为，以及铸坯表面质量等的影响；2) 结晶器内渣钢界面反应机理，以及如何设计与连铸生产匹配的高效非反应行保护渣。

本研究在以下几方面取得创新：

（1）创新双热电偶技术（DHTT），成功实现了高铝钢连铸过程中，新型保护渣在结晶器渣道内的熔化、结晶行为的模拟研究；同时结合单丝热电偶技术（SHTT），构建了新型保护渣等温结晶过程的相变－温度－时间曲线和连续冷却过程中的相变－连续冷却曲线，实现了对高铝钢连铸保护渣在结晶器内复杂动力学行为的有效研究;

（2）基于Mold Simulator技术阐明了含铝合金钢保护渣的结晶、传热、润滑等性能及渣钢反应对铸坯表面质量的作用机制（图2），提出了新型非反应型保护渣设计思路。结合耦合单/双丝热电偶技术和Mold Simulator技术建立了保护渣结晶、传热、润滑等综合性能评价体系（图3），开发了新型CaO-Al2O3系非反应型保护渣。 

图2 渣钢反应对保护渣性能及铸坯质量的影响：(a) 渣膜厚度; (b) 固态渣膜状态; (c) 渣膜分布状态; (d) 拉坯过程热流变化; (e) 铸坯表面质量

图3 Mold Simulator保护渣传热与润滑性能的评价技术路线

3. 提出了研究结晶器的内腔形貌与凝固和传热等行为耦合关系的方法，创新研发了结晶器内腔形貌的综合优化技术，实现了对结晶器角部的凝固、传热等行为的实时在线观察与研究，大幅提升了对铸坯角部质量的控制与优化。

连铸坯角部常出现裂纹，尤其是一些裂纹敏感的钢种，例如包晶钢。主要技术难题为：

（1）结晶器角部复杂的二维传热，对结晶器角部钢液凝固、保护渣冶金行为和钢中第二相粒子析出等的正确理解和有效研究非常困难；

（2）实际连铸的复杂性使得数学模拟法难以设计出最优内腔，将设计后的新型结构结晶器直接应用于连铸生产，容易产生废坯甚至漏钢事故。

本研究在以下几方面取得创新：

（1）基于Mold Simulator技术，开发了直角结晶器高温热模拟装置（图4），实现在实验室条件下有效还原实际结晶器内角部处的钢水初始凝固过程、保护渣渗入、润滑和结晶等行为，并获得了对结晶器角部温度的实时采集，反算出结晶器面部和角部处的温度场和热流密度。形成了一套研究结晶器角部初始坯壳凝固、表面形貌、保护渣行为和结晶器传热相互关系机制的技术体系；

（2）提出了结晶器角部形状和结晶器锥度优化技术；该技术实现了高温实验研究结晶器内腔与连铸工艺参数、钢液凝固、结晶器传热、坯壳质量之间的关系；避免传统设计新型结晶器直接应用于连铸机时，产生废坯甚至漏钢事故。

图4 结晶器角部形状和锥度优化技术

1. 湘钢海工钢应用

华菱湘钢生产DH36/EH36等海工钢时，如图5所示：1) 铸坯表面易出现边部和跨角裂纹；2) 铸坯轧制展宽过程中易出现角部烂钢和深的边部裂纹。为解决这一问题，2015年项目团队将“连铸结晶器钢液凝固关键技术”-结晶器内腔形貌综合优化技术应用于海工钢生产。对结晶器角部倒角进行了优化，采用与直面成152°角的大倒角，并调整结晶器的锥度、冷却水水量和水槽结构。该技术应用生产后，显著减少了铸坯表面裂纹；同时，轧制展宽过程中，由于倒角能减少金属流变，轧制边直裂的出现位置从边部100 mm以内缩减到10 mm以内，边直裂由占表面缺陷的80%降至5%以下，轧制成材率大幅提高。湘钢的海工钢已成功应用于“一带一路”沿线国家重大工程，包括俄罗斯首个特大型能源合作项目-亚马尔项目，中海油泰国国家石油ZAWTIKA项目等。

图5  结晶器内腔优化前工厂生产的海工钢铸坯角部裂纹(a), 铸坯轧材表面的边直裂(b)和边部烂钢(c); 结晶器内腔优化后工厂生产的铸坯的角部(d)和铸坯轧材的表面(e)

2. 华菱湘钢容器钢应用

华菱湘钢生产容器钢时，由于合金元素较高、钢液凝固时有包晶反应，铸坯表面缺陷严重并遗传到轧制钢板产品上（图6），导致轧制成材率低甚至报废。为解决这一问题，2015年项目团队采用“连铸结晶器钢液凝固关键技术”-振动方式、拉速等综合优化技术对容器钢连铸坯及其轧制钢板缺陷产生的原因进行剖析；对连铸工艺参数等进行了优化，将实验室优化的连铸参数、保护渣应用于容器钢连铸生产后，连铸坯修磨率从最高的80%降至5.0%以下，裂纹发生率和因裂纹报废率均大幅降低。以09MnNiDR钢为例，结晶器采用高频低幅振动模式，拉速由原来的0.9 m/min提升至1.0 m/min，上述措施使得铸坯表面振痕变浅，铸坯在矫直段温度增加了30 oC，横裂纹发生率大幅降低，后续轧制产品质量稳定、各项性能达到国际领先水平。湘钢低温压力容器已成功用于世界最大煤制油项目—神华宁煤煤制油、土库曼斯坦天然气等大型项目。

图6 (a) 09MnNiDR铸坯边部表面横裂纹; (b) 09MnNiDR轧制钢板表面的横裂纹; (c) 09MnNiDR轧制钢板表面的烂钢状裂纹; (d) CrMo铸坯表面裂纹; (e) CrMo轧制钢板表面的星状裂纹; (f) CrMo轧制钢板表面的纵裂纹; (g) 实验室Mold Simulator优化容器钢连铸工艺时得到坯壳; (h)连铸工艺优化后工厂生产的CrMo钢连铸坯; (i) 连铸工艺优化后工厂生产的09MnNiDR钢连铸坯欢迎关注微信公众号轧钢之家ID：zhagangzhijia

3. 湘钢38CrMoAl钢应用

2015年湘钢宽厚板厂开始生产38CrMoAl钢，由于钢中活泼元素（如铝）易与保护渣发生渣钢反应，致使保护渣性能改变，进而诱发铸坯表面渣坑、凹陷和渣沟等缺陷（图7）。2016年项目团队利用“连铸结晶器钢液凝固关键技术”-保护渣综合优化技术，设计了全新的非反应型专用保护渣，应用于湘钢38CrMoAl钢实际连铸过程，有效抑制了渣钢反应，连续浇铸过程中保护渣性能稳定，铸坯角部和内弧面渣坑基本消除。同时解决了连铸过程中渣钢卷混和保护渣结余问题，降低了铸坯振痕深度和表面裂纹几率，消除了铸坯的皮下夹渣问题。

图7 典型38CrMoAl铸坯表面的凹陷(a), 裂纹(b)，渣坑(c-d); 使用原保护渣Mold Simulator实验获得的坯壳表面(e)和结晶器与铸坯间的渣膜(e); 使用优化的保护渣Mold Simulator实验获得的坯壳表面(g)和渣膜(h); 使用优化保护渣后工厂生产的38CrMoAl铸坯表面