一、研究的背景與問題
在微合金化鋼生產過程中，國內外鋼鐵企業(yè)普遍存在著鑄坯和板帶材表面質量缺陷，即使是世界各大先進鋼鐵企業(yè)也不例外。由于對缺陷形成機理認識的不足，尚未開發(fā)出切實有效的工業(yè)應用技術。以寬厚板邊直裂為例，普遍的觀點認為邊直裂是連鑄板坯角部缺陷（包括：鑄坯角部縱裂、角部橫裂以及角部氣孔等）遺傳到鋼板表面所造成的，因此世界各大鋼鐵企業(yè)為消除邊直裂缺陷帶來的危害，首先采取的技術措施是改善鑄坯角部質量，但收效甚微。目前鋼鐵企業(yè)通常采用的措施是鑄坯清角和鋼板裁邊。對鑄坯進行清角處理，不僅造成大量能源消耗、生產成本增加，同時連鑄坯熱送熱裝生產也變得不可能。對于寬厚板展寬比較大的品種，鋼板裁邊的單邊裁邊量可達40～60mm，由此造成鋼的成材率降低2～3%。
近年來隨著研究工作的深入，國內外部分科研院所與鋼鐵企業(yè)也開始認識到軋制過程中的折疊是造成板帶材邊直裂的一個主要原因，并開始進行立輥軋機軋輥孔形的研究工作，以期通過粗軋過程中改變鑄坯角部形狀達到消除邊直裂的目的。但是該項技術開發(fā)未見工業(yè)化應用的報道。
早在項目立項前，由本項目主要成員單位開發(fā)的倒角結晶器技術已在微合金化鋼帶鋼連鑄坯表面無缺陷生產技術方面取得突破，并在國內生產企業(yè)中得到廣泛推廣應用，取得了良好的經濟和社會效益。但是，隨著倒角結晶器技術在鋼鐵企業(yè)應用的增多，也由此延伸出一些新的微合金化鋼高效化生產關鍵技術問題。其主要表現(xiàn)在：
1、在板帶材邊直裂或翹皮缺陷控制方面尚未形成工程化應用技術，它直接造成鋼的成材率降低；
2、由于紅送裂紋的存在，微合金化鋼連鑄坯熱送熱裝還停留在離線冷態(tài)切角處理或550℃以下碼垛溫裝階段，鑄坯的熱裝率和熱裝溫度有待提高；
3、在帶鋼生產企業(yè)中，早期的大倒角結晶器技術很好的滿足了微合金化鋼板坯的連鑄生產拉速需求，但是窄斷面低碳鋼、超低碳鋼最高工作拉速只有1.5m/min，更高的鑄機拉速帶來的鑄坯角部縱裂缺陷依然沒有得到解決，它致使項目技術成果在鋼鐵企業(yè)的應用范圍受到限制；
4、早期倒角結晶器技術的應用盡管很好的解決了微合金化帶鋼的連鑄坯角部橫裂紋問題，但是裂紋敏感性強的寬厚板角部橫裂紋缺陷需要進行改善；
5、連鑄-軋鋼界面高效化、綠色化技術需要進一步的提升。
針對國內微合金化鋼生產中存在的板帶材表面質量缺陷，以及生產過程能耗高、成材率低、生產效率低的實際情況，鋼鐵研究總院在2015年9月首先與邯鄲鋼鐵集團有限公司簽訂技術合作合同，共同開展寬厚板邊直裂控制技術和微合金化鋼紅送裂紋控制技術的研究工作，并取得初步成效。
在此基礎上，2017年7月由首鋼集團有限公司聯(lián)合邯鄲鋼鐵集團有限公司、鞍鋼股份有限公司、山西太鋼不銹鋼股份有限公司、新冶高科技集團公司等在微合金化鋼生產中具有豐富實踐經驗和研究基礎的單位，共同承擔“十三五”國家重點研發(fā)計劃中“鋼鐵流程鑄-軋界面物質流與能量流協(xié)同優(yōu)化及智能控制技術”課題的研究任務。以期在微合金化鋼板帶材生產關鍵技術方面取得突破，首先在國內建成集連鑄坯表面無缺陷生產技術、邊直裂控制技術、紅送裂紋控制技術等為一體的大板坯連鑄-軋鋼界面高效化、綠色化關鍵技術集成應用示范生產線，并向鋼鐵企業(yè)進行工程化推廣，使連鑄坯真正成為物質流、能量流、信息流的載體，被直接輸送到下一步軋制工序，徹底打通和捋順鑄-軋界面，為下工序高效率、綠色化、高質量生產奠定堅實的基礎。
二、解決問題的思路與技術方案
針對國內外微合金化鋼板帶材生產中存在的能耗高、成材率低、生產效率低的實際情況，以國內大型鋼鐵企業(yè)典型生產流程為依托，重點開展微合金化鋼連鑄坯表面無缺陷生產技術、邊直裂控制技術、紅送裂紋控制技術等研究工作，以期在微合金化鋼板帶材高效化、綠色化生產關鍵技術方面取得突破，并輔助以并自主開發(fā)的漏鋼預報、質量判定專家系統(tǒng)、在線調寬、快換中間包、二冷動態(tài)控制、凝固末端輕壓下等智能控制軟件和工藝，建設全新的功能增強型大板坯連鑄機，如圖1所示，并首次在國內建成集連鑄坯表面無缺陷生產技術、邊直裂控制技術、紅送裂紋控制技術等為一體的板帶材綠色制造示范生產線，向鋼鐵企業(yè)進行工程化推廣。使連鑄坯真正成為物質流、能量流、信息流的載體，被直接輸送到下一步軋制工序，徹底打通和捋順鑄-軋界面，為下工序高效率、綠色化、高質量生產運行奠定堅實的基礎。
圖1 全新的功能增強型大板坯連鑄機
項目開發(fā)遵循著實驗室計算機仿真研究、物理模擬實驗、工業(yè)試驗開發(fā)、生產應用驗證、工程化推廣的技術路線。重點突破：
1、板帶材邊直裂及翹皮缺陷形成機理和控制關鍵技術；
2、紅送裂紋形成機理及控制工藝與裝備技術；
3、微合金化鋼連鑄表面無缺陷生產技術等。開發(fā)系統(tǒng)完整的工藝與裝備，并實現(xiàn)了關鍵技術的集成和應用，徹底消除或有效控制上述缺陷的發(fā)生，大幅度提高鑄坯直接熱裝軋制的比率和熱裝溫度；同時提高了生產效率和鋼的成材率。
三、主要創(chuàng)新性成果
1、獨創(chuàng)了板坯角部形狀二次控制技術，在國際上率先實現(xiàn)了工業(yè)化應用，有效解決了板帶材邊直裂缺陷，提高了鋼的成材率。
探明了邊直裂的形成機理，指出板帶材軋制過程中，鑄坯角部的無約束變形會導致側面首先形成折疊，該折疊被翻轉到軋材的表面形成邊直裂或邊部翹皮。項目研究創(chuàng)新性的提出：合理優(yōu)化鑄坯角部形狀,可以提高了鑄坯溫度的均勻性，同時有效改善鑄坯軋制中的角部受力和變形狀態(tài)，達到消除和避免軋制過程邊直裂產生的核心思想。開發(fā)出獨有的連鑄坯角部形狀控制工藝與裝備系統(tǒng)專利技術，使寬厚板生產無邊直裂發(fā)生率可以達到95%以上，邊直裂發(fā)生的位置全部在距離邊部10mm以內，由此大幅度減小裁邊量，使鋼的成材率提高1%。
2、針對微合金化鋼連鑄坯紅送裂紋的關鍵技術難題，開發(fā)出雙工位鑄坯表面層快冷技術及裝備，提高了鑄坯綜合熱裝比和熱裝溫度；同時滿足連鑄高效生產及節(jié)能、環(huán)保需求。
微合金化鋼紅送裂紋形成機理研究取得突破，提出第二相粒子沿晶界鐵素體膜上的析出與固溶是造成晶界脆化和紅送裂紋產生的原因。開發(fā)出了獨家的雙工位鑄坯紅送裂紋在線控制工藝和裝備專利技術，實現(xiàn)了微合金化鋼平均750℃以上快冷直裝的跨越，滿足了鑄-軋界面高效化生產需求。使依托工程直裝比達到85%，綜合熱裝比達到95%。
3、首次開發(fā)出基于熱流監(jiān)測的錐度動態(tài)控制技術和組合結構的側面支撐足輥裝備以及弧形曲面形狀優(yōu)化的新型倒角結晶器，實現(xiàn)了大倒角連鑄坯的高拉速生產，有效避免了鑄坯角部縱裂紋和裂紋敏感性寬厚板鑄坯的角部橫裂紋缺陷發(fā)生。揭示了低碳鋼、超低碳鋼高拉速角部縱裂的形成機理，提出結晶器寬面下部“動態(tài)渣膜更新”是鑄坯角部縱裂紋發(fā)生的本質原因，依次開發(fā)出基于熱流監(jiān)測的錐度動態(tài)控制技術；研制了組合結構的側面支撐足輥裝備，使低碳鋼和超低碳鋼大倒角連鑄坯正常工作拉速達到1.7m/min，最高拉速達到1.8m/min。同時，開發(fā)出優(yōu)化曲面形狀的新型倒角結晶器裝備，使鑄坯表面無缺陷率達到99.6%以上。這也是當今倒角結晶器技術應用的最好水平。
4、在世界范圍內首次集成連鑄坯表面無缺陷生產、邊直裂控制和紅送裂紋控制等關鍵技術，并輔助以多種優(yōu)化工藝與控制模型軟件，創(chuàng)建了大板坯連鑄-軋鋼界面高效化、綠色化關鍵技術集成應用工業(yè)示范生產線。提高了鋼的成材率、節(jié)約了能源、大幅度縮短了生產周期。實現(xiàn)了系統(tǒng)技術成果在國內大型鋼鐵企業(yè)的推廣應用。
四、應用情況與效果
鋼鐵研究總院在2015年9月首先與邯鄲鋼鐵集團有限公司簽訂技術合作合同，在邯鋼第三煉鋼廠大板坯連鑄機上共同開展寬厚板邊直裂控制技術和微合金化鋼紅送裂紋控制技術等關鍵單體技術的研究工作。并于2017年底建成集微合金化鋼連鑄坯表面無缺陷生產技術、邊直裂控制技術、紅送裂紋控制技術等關鍵工藝和裝備技術為一體的寬厚板高效化、綠色制造示范生產線，開展了關鍵工藝與裝備技術的整體運行研究。該項技術成果的應用取得了良好的經濟效益。2019年到2021年的三年間產生的經濟效益總計為9557.95萬元，年平均效益達3186萬元。
2017年6月鋼鐵研究總院與萊蕪鋼鐵集團銀山型鋼有限公司簽訂了“寬厚板邊直裂控制技術開發(fā)”合同，2018年6月簽訂了“紅送裂紋控制技術開發(fā)”合同，并于2018年底建成集微合金化鋼連鑄坯表面無缺陷生產技術、邊直裂控制技術、紅送裂紋控制技術等關鍵工藝和裝備技術為一體的寬厚板高效化、綠色制造示范生產線，該生產線運行效益良好。2019年到2021年的三年間產生的經濟效益總計為8510.91萬元，年平均效益達2837萬元。
2018年3月鋼鐵研究總院與鞍鋼股份有限公司鲅魚圈分公司簽訂“寬厚板邊直裂控制技術開發(fā)”合同。隨后鞍鋼鲅魚圈分公司在其寬厚板連鑄機的后部自行配套建設了連鑄坯表面快冷裝備，集成建成了寬厚板高效化、綠色制造生產線。
鞍鋼鲅魚圈大板坯連鑄機與5500mm寬厚板軋機進行配套生產，代表了中國寬厚板生產的最高水平。該生產線進行了第二代邊直裂控制裝備技術改造，其在2.73的大展寬比下生產的寬厚板邊直裂或邊部折疊發(fā)生率不到5%，邊直裂距離板材邊部的距離全部小于10mm。依此可以大幅減小寬厚板的裁邊量。
在節(jié)能減排方面，以表面無缺陷生產技術為基礎的微合金化鋼連鑄坯熱送熱裝技術成果可以實現(xiàn)微合金化鋼鑄坯由冷態(tài)切角處理到高溫快冷直裝的轉變，由此可節(jié)約加熱爐能耗16kgce/t。按照每公斤標煤產生2.7公斤二氧化碳計算，按照國內僅一半即5000萬噸微合金化鋼生產采用本項目成果，每年可節(jié)約13.5萬噸標煤，減少二氧化碳排放36.45萬噸。同時，按照噸煤1500元計算，每年可節(jié)約生產成本2.025億元。
在提高成材率方面，采用板帶材邊直裂控制技術，由于減少裁邊可使鋼的成材率提高約1%。按照噸鋼可增加利潤為40元/噸進行估算，1億噸寬厚板其中50%采用該項目成果技術進行生產，可年創(chuàng)經濟效益20億元。
據統(tǒng)計，2020年我國板帶材產量達到59745萬噸，其中中（特）厚板材合計26177萬噸。我國現(xiàn)有板坯連鑄機250臺350流以上，板坯年生產能力超過6億噸。其中僅寬厚板年產量達到1億噸，按照單流連鑄機平均年產150萬噸連鑄坯計算，用于寬厚板生產的連鑄機不少于66流。這其中不完全包括帶鋼與寬厚板混合使用的連鑄機臺數。本項目的核心成果為獨家專利技術，從推廣應用情況來看，目前采用本項目關鍵技術成果的連鑄機不足10%，尚有巨大的推廣應用市場。
