“連鑄凝固末端重壓下技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用”項目成果喜獲2020年度國家科技進步二等獎

左：朱苗勇教授，右：祭程教授

2021 年11 月3 日，2020 年度國家科學(xué)技術(shù)獎勵大會在北京人民大會堂隆重召開。東北大學(xué)冶金學(xué)院朱苗勇教授作為第一完成人、東北大學(xué)作為第一單位牽頭完成的“連鑄凝固末端重壓下技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用”項目榮獲國家科技進步二等獎。

東北大學(xué)聯(lián)合攀鋼、唐鋼等單位，歷經(jīng)十年攻關(guān)，從理論、工藝、裝備等方面研發(fā)應(yīng)用了適用于我國“一線多產(chǎn)”的動態(tài)重壓下關(guān)鍵工藝與裝備技術(shù)，即通過在連鑄坯凝固末端及完全凝固后實施大變形壓下(壓下量約為鑄坯厚度的10%)，充分利用連鑄坯內(nèi)熱外冷高達500 ℃的溫差特點，實現(xiàn)壓下量向其心部的高效傳遞，以達到充分改善偏析疏松、閉合凝固縮孔的冶金效果。

一、創(chuàng)新亮點

1.解決了“在哪兒壓？壓多少？”的重壓下關(guān)鍵工藝理論問題

在連鑄坯凝固末端重壓下實施過程中，輥壓力、熱應(yīng)力、矯直力、拉坯阻力等內(nèi)外力共同作用下的變形，及其與溶質(zhì)偏析、溶質(zhì)擴散、裂紋萌生及擴展等宏微觀行為之間的相互作用極其復(fù)雜，超出了現(xiàn)有的連鑄與軋制工藝研究范疇。

鑒于此，闡明了重壓下提升連鑄坯致密度與均質(zhì)度的工藝本質(zhì)和技術(shù)原理，主要包括：采用壓縮試驗替代傳統(tǒng)拉伸法，闡明了重壓下過程的連鑄坯金屬流變新特征；系統(tǒng)研究了壓下參數(shù)、輥型結(jié)構(gòu)、差速驅(qū)動等對鑄坯致密度的改善機制，以及電磁、冷卻、壓下協(xié)同調(diào)控下連鑄坯兩相區(qū)內(nèi)液相流動、溶質(zhì)傳輸、CET 轉(zhuǎn)變等行為規(guī)律，揭示了大變形量壓下可有效抑制凝固末期溶質(zhì)加速富集的新機制，并探索了重壓下導(dǎo)致的鑄坯組織再結(jié)晶規(guī)律。為技術(shù)路線確立、壓下量與壓下區(qū)間工藝研發(fā)和關(guān)鍵裝備研制奠定重要理論基礎(chǔ)。

2.研制了連鑄重壓下核心裝備“增強型緊湊扇形段”與“漸變曲率凸型輥”

針對寬厚板連鑄機結(jié)構(gòu)特點，在系統(tǒng)研究揭示了“壓下位置-壓下量-壓力-拉坯力”定量關(guān)系的基礎(chǔ)上，獲得了重壓下過程扇形段壓坯力與拉坯力關(guān)鍵基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；基于極限工況下扇形段變形、等效應(yīng)力、振動特性等規(guī)律，設(shè)計了高剛度高強度結(jié)構(gòu)框架、低撓度變形芯軸、高效冷卻結(jié)構(gòu)輥套等關(guān)鍵部件，研制應(yīng)用了世界上壓下能力最強的寬厚板坯連鑄扇形段——增強型緊湊扇形段(ECS，Enhanced Compact Segment），壓坯力較常規(guī)扇形段提升了4倍，保障了寬厚板坯重壓下工藝的穩(wěn)定性。

針對大方坯連鑄機，系統(tǒng)分析了重壓下過程輥型結(jié)構(gòu)對大方坯心部變形與輥/坯接觸域變形的影響規(guī)律，研發(fā)形成了大幅降低壓下抗力、高效擠壓鑄坯心部的漸變曲率凸型輥（CSC-Roll，Curve Surface Convex Roll）。在鑄機液壓、機械等整體裝備不變的情況下，單輥壓下量提升了3 倍，突破了常規(guī)大方坯連鑄機難以實施大變形壓下的裝備瓶頸。

3.研發(fā)了準(zhǔn)確、高效、穩(wěn)定的大斷面連鑄坯凝固末端重壓下集成技術(shù)

研發(fā)了基于溶質(zhì)非均勻分布“軟測量”與壓力壓下量實時反饋“真檢測”的凝固末端位置形貌高精度在線標(biāo)定技術(shù)，解決了既有熱跟蹤計算方法無法考慮全程全斷面熱物性參數(shù)變化的問題，并基于實時測定的壓下量與壓力，直接標(biāo)定坯殼厚度，進一步確保了凝固末端的檢測精度。

結(jié)合寬厚板連鑄機裝備特點，在壓下總量不變的前提下，利用扇形段入口內(nèi)弧輥壓下8～10 mm，提高變形量向鑄坯心部滲透效率，實現(xiàn)寬厚板坯縮孔閉合度提升4.5%～8.5%，利用后繼各輥實施連續(xù)壓下，抑制鑄坯中心區(qū)域疏松的持續(xù)生長。

通過對各驅(qū)動輥扭矩的非均衡控制，有效抑制鑄坯延展應(yīng)變(拉伸變形)，即研發(fā)了高效擠壓變形控制技術(shù)，使大方坯在壓下與拉坯方向同時受壓，進一步提升鑄坯中心縮孔閉合度6%～14%。

提出了中間裂紋萌生與角部裂紋擴展臨界應(yīng)變測定新方法，確立了中間裂紋萌生與表層裂紋擴展的風(fēng)險防控準(zhǔn)則，確保了重壓下的穩(wěn)定實施。

二、應(yīng)用效果

在唐鋼、攀鋼分別建成并投產(chǎn)國際首條連續(xù)、動態(tài)重壓下寬厚板坯和大方坯連鑄示范生產(chǎn)線，解決了高端大斷面連鑄坯中心偏析與疏松嚴重的技術(shù)難題，首次實現(xiàn)軋制壓縮比1.87:1 條件下150 mm 厚高建用鋼大批量的穩(wěn)定生產(chǎn)，率先實現(xiàn)了軋制壓縮比3.74:1下車軸方鋼等大規(guī)格棒材的產(chǎn)品制備，生產(chǎn)的長尺重載鋼軌的軌腰致密度提升5.81%，在大秦線重車線鋪設(shè)率達90%。項目技術(shù)已在中國寶武、鞍鋼及韓國現(xiàn)代鋼鐵等國內(nèi)外鋼鐵企業(yè)的近20 條生產(chǎn)線上推廣應(yīng)用，生產(chǎn)的高強工程機械用鋼、高端塑料模具鋼、高性能耐候鋼、汽車輪轂軸承鋼、熱作模具鋼、大規(guī)格曲軸用鋼等供貨給奔馳、寶馬、NSK 等高端用戶，應(yīng)用于萬噸級遠洋貨輪、高鐵動車、風(fēng)電傳動、礦機液壓支架等重大裝備，以及北京大興國際機場、北京2022年冬奧會等國家重大工程的建設(shè)。