国内外高级钢连铸技术进展与趋势（二）

1.3.3减轻中心偏析和疏松技术

　　连铸坯中心偏析产生的原因是，铸坯在二冷区支撑辊之间产生鼓肚和凝固末端凝固层收缩产生负压引起钢水流动，使凝固界面附近的树枝状结晶间的高成分钢水向铸坯中心移动聚集。 从20世纪80年代开始对减轻中心偏析的技术进行研究，开发了缩短二冷区辊间距减轻鼓肚技术、凝固末端轻压下技术、结晶器和冷却段电磁搅拌增加等轴晶比例等技术，并得到广泛应用。

　　特厚板坯、大断面方坯连铸技术也有了进一步的发展。凝固末端轻压下、凝固末端大压下、双向锻压等技术在特厚板坯连铸机得到应用。在大断面方坯连铸技术方面，开发出铸坯凝固后立即在线挤压技术和两级大压下技术。此外，对凝固末端锻压，将铸坯内部钢水挤压到上方，减轻中心偏析和疏松的连续锻压技术也实现实用化。

　　铸坯坯壳厚度和冶金长度末端位置的测定和控制对于减轻中心偏析是十分重要的。除了测定坯壳厚度的射钉法，还开发出检测支撑辊反作用力方法、电磁超声波方法、振动传感器和3维传热阻尼计算方法等坯壳厚度和冶金长度末端位置的在线检测方法。在控制技术方面开发了提高铸坯宽度方向二冷均匀性、根据拉坯速度变化的动态轻压下、具有自对中功能的轻压下扇形段等技术。在连铸操作方面，对结晶器锥度设定、宽度调整和振动、扇形段辊距、喷水位置等操作条件的数字化控制技术有了进一步发展。为了使轻压下扇形段辊子变形最小化，扇形段辊子采用了沿宽度方向的分节辊结构，但这种方法仍不能消除铸坯凝固的不均匀性，并有时会产生负中心偏析的效果。为了进一步减轻中心偏析，开发了的新技术有：施加电磁振动使等轴晶微细化的方法，以及在凝固末端施加静磁场阻止高浓度钢水流动的方法。

　　在关于凝固组织形成的基础性研究方面也取得了进展。利用辐射线直接观察钢的凝固组织和δ-γ转变、2维凝固断面组织转换为3维凝固结构、包晶反应的动态观察、凝固组织形成和沟状偏析形成的模拟计算等技术可以对研究者感兴趣的区域进行定量观察和解析分析。可以期待，这些基础研究工作将会推动连铸凝固组织控制技术和减轻中心偏析技术的进一步发展。

　　1.3.4铸坯表面性状改质技术

　　在铸坯表面性状改质技术方面，开发了等离子电弧振动加热法，使铸坯表面的粗大夹杂物分解。对这种铸坯制造的钢材表面喷镀镍，表面镍富化，浓度可达1%。该技术的进一步发展，值得期待。

　　1.3.5微细氧化物硫化物利用技术

　　细化晶粒是提高厚钢板大线能量焊接钢HAZ韧性的有效方法，已经实用化的方法有在HAZ的γ晶粒内生成微细针状铁素体(IGF)的方法和抑制HAZ γ晶粒粗大化方法。研究发现，可以成为IGF生成核心的有TiN、REM(O，S)-BN、Ca(O，S)、 TiN-MnS-Fe23(CB)6、Ti2O3-TiN-MnS、TiN-MnS等。这些夹杂物已经在提高HAZ韧性的方法中得到实用。为缩短结构件的焊接工期，普遍采用大线能量焊接方法，在更高温度下，HAZ内作为IGF核心的稳定氧化物或硫化物有REM(O，S)、 Ca(O，S)和Ti2O3等。Ti脱氧钢的IGF生成机制为：Ti2O3吸附了钢中的B，Ti2O3附近形成了贫B区;另一方面，与Ti2O3有良好共格性的MnS也在Ti2O3质点上析出使Ti2O3附近也形成了贫Mn区。这两个现象作用的结果，使局部区域的α相成为稳定相，从而诱发γ-α转变。

　　研究表明，与MnS有良好共格性的ZrO2，可以作为MnS析出的核心，对ZrO2在IGF核心中的作用有了进一步的认识。此外还查明，钢水中的液态氧化物MnOSiO2对促进MnS的析出非常有效。在抑制HAZ γ晶粒长大方面，开发了将尺寸为数十纳米弥散的Mg、Ca氧化物硫化物作为钉扎粒子的技术。

　　研究发现，氧化物可以作为连铸中钢水凝固的新的核心。其中有为防止铁素体不锈钢冷轧板深冲时的起皱现象，开发出含Al、Mg氧化物的复合化合物弥散化技术(图4)。此外还有实验室研究的将ZrO2作为高碳钢形核剂，促进钢水凝固为奥氏体的技术。

　　1.3.6轧制中夹杂物的变形

　　轧制过程中夹杂物的延伸性和破碎性对高强度钢板和棒线材等高强度和高加工量的产品质量有很大影响，因此在钢材制造中一直从连铸和轧制两个方面对该问题进行研究。根据夹杂物长宽比和轧制压下率的关系，用宏观指标对夹杂物的延伸性进行了归纳分析，并根据钢板和夹杂物的高温强度差加深了对热轧中夹杂物的延伸性和破碎性的认识。最近，对包括冷加工在内的、加工中夹杂物变形行为又提出了新观点，并用轧辊下钢中的压缩应力和夹杂物断裂强度的相对关系对加工中夹杂物的变形行为进行归纳分析。

　　夹杂物对高强钢疲劳寿命的影响也已经查明。轴承钢疲劳试验结果表明，影响钢疲劳寿命的最主要因素是夹杂物的尺寸。在钢材高强度化的进程中，对钢的高洁净度和夹杂物微细化程度的要求会越来越高。

　　2近终形连铸

　　2.1薄板坯连铸

　　1984年，薄板坯连铸连轧工艺商用机在美国纽柯钢铁公司投产以来，陆续被欧洲的电炉钢厂和钢铁联合企业采用，在世界上得到广泛应用。除中碳钢连铸以外，薄板坯连铸连轧的标准流程是连铸速度5-6m/min的双流连铸机和1条热轧生产线的CC-DR流程。由于铸坯厚度小，所以均热度良好，轧制的钢板厚度精度很高。可制造的钢材品种很多，有CGC、热轧薄钢板、管线用钢、HSLA、不锈钢、电工钢、汽车用IF钢等等。虽然还存在着中心偏析的问题，但通过二冷工艺改进，中心偏析可达到250mm厚的常规连铸坯水平。

　　为进一步提高生产效率，推进了高速连铸和半无头轧制工艺的实施。将薄板坯连铸机的漏斗状结晶器的宽度中心的漏斗延长到结晶器下面的支撑辊，抑制凝固壳的变形速度，可使拉速达到13m/min。但在制造高级钢时还存在夹杂物和卷渣问题，需要进一步解决。

　　2.2带钢连铸技术

　　新日铁和三菱重工共同开发的不锈钢带钢连铸设备于1997年开始运转，2003年进行商业化生产。纽柯钢铁公司于2002年建造了碳素钢带钢连铸设备，之后欧洲带钢公司(EUROSTRIP)、浦项钢铁公司、宝钢等公司也相继建造了带钢连铸设备。纽柯钢铁公司的带钢连铸设备配置有单机架4辊轧机和水冷却区，主要生产厚度为0.8-1.0mm的440MPa级带钢。由于没有板坯加热，炼钢用废钢铁料的含Cu量可高达0.4%。由于没有热轧冷轧的退火工序，比传统薄板坯连铸连轧生产工艺节能4/5。此外，对带钢连铸中的钢水急冷凝固冶金学机制的基础性研究也取得了进展。最近研究表明，钢水急冷凝固时析出的微细Cu硫化物具有吸附磷的作用。

　　3连铸技术的发展方向

　　为进一步发挥出钢材的特性，大幅度降低钢中夹杂物含量和减轻中心偏析是十分必要的。钢材越是高强度化，对钢结晶度和夹杂物微细化程度的要求就越高。为了实现连铸生产的高效率和高质量，今后应着力进行以下3个方面的研究开发。

　　1)进一步减少夹杂物

　　除了利用钢水精炼的方法使钢水洁净化，不使钢水与大气接触，防止钢水二次氧化技术和粗大夹杂物分离上浮技术，仍是需要继续研究的课题。概括地说，钢水中夹杂物的粗大化经历生核、扩散长大、聚集成凝聚体3个阶段。如果能够防止夹杂物形成凝聚体，那么夹杂物的尺寸就可控制在几纳米的程度，但若使夹杂物凝聚体进一步粗大化也可以促进夹杂物的分离上浮。目前情况并不能对这两方面进行控制，所以关于控制夹杂物长大技术和促进夹杂物凝聚体进一步粗大化使之分离上浮技术仍然是尚未解决的课题。

　　弯月面上结晶器卷渣问题、防止夹杂物被凝固壳捕获的问题也没有得到很好的解决。此外，夹杂物行为的可视化技术和夹杂物行为的研究、超导和EMC和电化学等新的夹杂物控制手段的进一步发展也值得期待。在连铸轧制工序中对铸坯加热时，残留夹杂物变化行为和轧制时变形破碎行为进行控制的技术也应有进一步的发展。

　　2)进一步减轻偏析和疏松

　　20世纪80年代后开发的凝固末端轻压下技术和凝固后锻压技术使偏析和疏松减轻到相当低的水平。如果进一步减轻中心偏析，则可以降低合金成本、减少精炼渣用量和提高钢材质量，所以要继续开发减轻中心偏析的技术。形核剂处理和电磁振动等细化凝固组织的手段、连铸冶金长度末端位置检测、高温下对铸坯宽度方向冷却均匀性的稳定测量等测量和控制技术都有待进一步发展。

　　3)开发纳米级超微细氧化物利用技术

　　纳米级超微细氧化物和轧制、热处理中尺寸相近的碳氮化物配合使用，可以开发出微细粒子复合利用技术，改善钢材材质、提高钢材质量。薄板坯连铸和带钢连铸也存在微细粒子复合利用技术的研究课题。