东北大学钢铁共性技术协同创新中心

2024年度成果展示

东北大学钢铁共性技术协同创新中心（以下简称“中心”）新一轮建设启动以来，紧紧围绕铁矿资源绿色开发利用、低碳炼铁、高效炼钢-连铸、高端特殊钢、先进热轧工艺、先进冷轧工艺、短流程、数字化、汽车用钢九大研发方向，攻克了一系列行业关键共性技术难题，填补了多项行业技术空白，建成了多个产业示范基地，实现了多项科技成果转化，引领行业不断向高端化、智能化、绿色化方向发展。为全面展示2024年度中心取得的创新成果，本报特组织该专题，以飨读者。

1 研究背景与总体目标

高性能宽厚板广泛应用于能源、石化、海工以及国防等重大工程与装备，我国年产近1亿吨，其中超98%铸坯母材采用连铸工艺生产。但受连铸断面大、合金添加、大展宽比轧制等影响，制造过程长期面临板坯宽面偏离角区（距窄面30-100mm区域）凹陷及其表面与皮下裂纹、表面热送裂纹、轧制钢板边线裂纹（距边部40-120mm）等高发难题。实际生产只能将缺陷铸坯下线火清扒皮、热送裂纹板坯冷却至＜500℃、钢板大切边量应对，大幅增加了能耗、排放与成本。

围绕上述宽厚板生产难题，国内外分别开展了基于结晶器流场、保护渣、锥度以及二冷优化，连铸机后部辊道三冷、淬火池，以及利用倒角结晶器二次倒角等控制技术研究。实际应用表明，通过均匀结晶器流场、保护渣及锥度等优化技术，仅能减轻偏离角区凹陷深度，无法根除；连铸机后部辊道三冷、淬火池等技术因实施位置铸坯表面温度已降至≤800℃，引发热送裂纹的主因——碳氮化物晶界析出已完成，且冷却后铸坯组织亦无法进行回温相转变，实际实施铸坯仍需降温至＜500℃进炉。倒角结晶器虽可均匀铸坯加热温度、减缓轧制过程角部温降，但仅适用大压缩比（＞9）的板带生产。

鉴于此，东北大学联合鞍钢、山钢、湘钢等企业，开展了厚板坯偏离角区凹陷形成机理、微合金钢板坯表层组织高塑性机制、宽厚板边线裂纹成因及控制等研究，创新研发应用了基于凸透镜结晶器及其腰鼓形足辊根治厚板坯偏离角区凹陷裂纹和宽厚板边线裂纹、连铸凝固末端超强淬火根治热送裂纹的关键连铸装备与工艺技术，在鞍钢、山钢、湘钢等14条重点宽厚板产线应用，实现了铸坯表面平均≥700℃高温热送生产，2.0以上大展宽比轧制边线裂纹控制至距边部＜20mm，突破了5m以上超宽幅宽厚板批量制备的瓶颈。

2 解决的关键共性技术内容

2.1 厚板坯偏离角区凹陷控制

针对连铸厚板坯偏离角区凹陷，构建了结晶器与二冷全铸流铸坯凝固三维多物理场耦合模型，探明了传统结晶器因其中上部铜板无法有效贴合凝固坯壳收缩，致使窄面坯壳脱离铜板，并在钢水静压力作用下弯曲而“拖拽”宽面角部而脱离铜板，从而引发了铸坯宽面偏离角区厚保护渣膜与气隙填充，大幅降低宽面偏离角区传热而形成“热区”（结晶器出口处宽面偏离角区比其中心温度高130℃、坯壳薄近2.0mm）。

受结晶器内铸坯偏离角“热区”遗传作用，坯壳“热区”宽度在二冷区内持续扩大（由出结晶器时60mm增至约190mm）。受此影响，铸坯出窄面足辊区后，高刚度的铸坯角部在窄面鼓肚作用下扭转，迫使低强度的宽面偏离角区形成凹陷，而后在轻压下作用形成偏离角区凹陷。为此，提出了厚板坯宽面偏离角区凹陷形成的“两阶段”成因理论，即结晶器内宽面偏离角区凝固形成“热区”是基础成因，二冷区窄面鼓肚是其发展动力。

鉴于此，提出了基于窄面凸透镜结晶器及其腰鼓形足辊强约束铸坯凝固变形，以消除铸坯宽面偏离角区“热区”和二冷窄面鼓肚成因而根治偏离角区凹陷的新思路。

采用窄面凸透镜形结晶器后，坯壳与铜板全程完好贴合，强约束了铸坯角部在结晶器内的凝固变形，铸坯出结晶器后偏离角区与宽面中心的温差降至不足50℃（比传统降低约2/3），宽面偏离角区的“热区”基本消除。与此同时，出结晶器的铸坯窄面在腰鼓形足辊强支撑下，铸坯在全铸流凝固过程几乎无偏离角区凹陷产生。

2.2 微合金钢板坯热送裂纹控制

微合金钢板坯表面热送裂纹的产生源于其凝固与热送过程中表层组织碳氮化物在晶界集中析出脆化晶界和γ、α两相结构低塑性组织在加热过程中因塑性不足而开裂。针对微合金碳氮化物析出，构建典型Nb、Al、V含量下碳氮化物析出热力学与动力学模型，确定了当前主流微合金钢碳氮化物析出的“鼻子点”温度为820-950℃，确立了确保主流高性能宽厚板坯表层碳氮化物弥散析出的最低冷却温度应≥950℃。在此基础上，通过研究不同冷速下碳氮化物析出分布，研究确立了确保微合金钢碳氮化物弥散析出的最低冷速应≥5℃/s。

在此基础上，基于高温钢组织相转变机制，提出通过对铸坯表层组织实施双相变（γ→α→γ）而超细化晶粒，从而高塑化铸坯表层组织的思路，并研究获得了5-15℃/s条件下冷却临界温度为400-680℃和最低回温温度应大于800℃的关键工艺参数。即定量探明了确保微合金钢板坯表层组织高塑化机制：表层10mm深组织在＞950℃高温以≥5℃/s强冷却至600℃以下，而后回温至800℃以上。

在此基础上，进一步构建了二冷凝固及其末端超强淬火三维传热模型，确定了实施铸坯表层组织超强淬火的最佳位置，即铸坯凝固末端压下段之后。实施该连铸凝固末端超强淬火，铸坯表面温度可快速降至约440℃，满足表层10mm内组织均以≥5℃/s冷速降至600℃以下，而后回温至800℃以上的组织高塑化工艺要求。为此，提出了通过实施连铸凝固末端超强淬火控制微合金钢板坯热送裂纹的新技术。

实施上述连铸凝固末端超强淬火技术，微合金钢板坯在单个扇形段内的宽面表层10mm深度的温度由950℃以上快速降至600℃以下，随后自回温至800℃以上，完成“γ→α→γ”高塑性组织调控，实现微合金钢板坯装炉温度≥700℃全连续热装无缺陷生产。

2.3 宽厚板边线裂纹控制

系统检测了宽厚板边线裂纹及其两侧的组织结构、晶粒尺寸、金属流向等特征，首次提出宽厚板边线裂纹形成机理：中间坯轧制中后期，纵轧拉伸引发边部形成“拉丝”状结构，在轧辊压下形成的宽展金属流动作用下，中间坯窄面于粗大的“拉丝”波谷处开裂，而后在继续减薄轧制过程翻转至钢板边部而形成边线裂纹，即宽厚板坯纵轧边部开裂并翻平而引发边线裂纹。

在此基础上，构建了宽厚板全流程轧制三维耦合计算模型，定量探明了窄面不同形状板坯轧制过程边部金属流动行为演变规律，基于此确定了适合主流宽厚板产线展宽比宽厚板轧制的宽厚板坯最佳窄面凹形量。

进而根据最佳窄面凹形量，以及铸坯在结晶器内坯壳动态凝固收缩特性，首创出了系列凸透镜结晶器及其腰鼓形足辊和配套的大锥度补偿与冷却工艺等，实现了窄面凹形坯批量稳定制备，2.0以上大展宽比轧制宽厚板边线裂纹稳定控制在边部20mm范围内（常规90-120mm），1.5以下展宽比边线裂纹基本消除，宽厚板成材率最大提升4%。

3 技术路线与实施方案

基于上述关键共性技术内容研究，结合实际产线装备及其工艺特点，按照图1所示的技术研发路线，全面开发形成涵盖连铸结晶器及其足辊、连铸凝固末端控冷在内的核心装备与工艺技术，实现高性能宽厚板高效、绿色、低成本制备。

4 推广应用与实施效果

该项目相关技术已推广应用至鞍钢（本部、鲅鱼圈分公司）、中国宝武（八一钢铁）、山钢（莱钢）、河钢（唐山中厚板）、南钢、营口中板、天钢等10余家大型钢企的14条产线。集成应用上述新工艺技术，全面消除了厚板坯偏离角区凹陷及其裂纹，实现了微合金钢板坯装炉温度≥700℃全连续热装生产（常规＜500℃）、2.0以上大展宽比轧制宽厚板边线裂纹稳定控制在边部20mm范围内（常规90-120mm），从根本上解决了微合金钢连铸及热装裂纹和轧制边线裂纹频发的重大生产难题，全面突破了5000mm以上超宽幅高性能宽厚板高效批量稳定制备的瓶颈，支撑了我国石化、核电等重大工程与高端装备建设。

5 结语

高性能宽厚板是中国制造、国家安全、强国战略关键基础材料。全面攻克其制造过程中面临连铸厚板坯偏离角区凹陷及其裂纹、热送裂纹、轧制钢板边线裂纹高发的生产难题，保障了高性能宽厚板高效、绿色、低成本制备。同时，本项目突破了“连铸与轧制”高效衔接和宽幅宽厚板制备瓶颈，对促进行业绿色低碳、保障国家重大工程与高端装备制造具有重大意义。本项目研制的连铸核心装备均为首创，对推动我国钢铁技术原始创新与引领发展具有重要意义。

《世界金属导报》

2025年第8期 B05