高品质特殊钢大断面连铸关键技术和装备开发与应用项目获2015年度国家科技进步二等奖

我国钢铁行业发展有力地支撑了国民经济的快速崛起，但随着资源、环境和经济发展模式的转变，正面临着从量变到质变的巨大挑战。其中大断面高品质特殊钢产品长期以来一直采用铸锭加锻造工艺，长材率低，加工成本及能耗居高不下，而且此工艺产能低不能满足相关行业发展的需求，制约着洁净能源、核电、海洋工程乃至高速铁路等高端制造业的发展。高品质钢的开发水平服从“乘法法则”，其中冶金装备技术和生产工艺技术是权重最大的影响因子。

特殊钢浇铸与凝固特性复杂，大断面高品质特殊钢生产对装备和工艺的先进性与集成度要求更高，被认为是现代钢铁冶金行业急需联合突破的核心技术。

本项目启动之初，满足海洋风电等洁净能源装备大型化所需的大断面特殊钢连铸产品生产国内外没有先例。传统模铸生产模式成材率低，流程长、效率低、工艺与质量稳定性差，已不能满足高端装备制造业对规格更大、质量更高、品质更可靠的特殊钢坯料要求，比如，全球挖掘机行业龙头企业、美国卡特彼勒大型挖掘机用齿轮钢，要求氧含量小于12ppm，以保证其疲劳寿命，而传统模铸工艺很难将氧含量稳定控制在20ppm以下。全弧形连铸是现代低成本、高效率的生产工艺，如能攻克生产过程的技术难题将是生产高品质特殊钢大断面产品的首选工艺。当时国内外投产的特殊钢圆坯连铸最大断面只能做到500mm以下，更大断面连铸生产装备与应用在全球尚处于研发阶段。大断面特殊钢连铸在质量保证、工艺技术和成套装备开发中存在一系列技术瓶颈，主要是特殊钢连铸凝固两相区长、补缩困难，很容易发生中心疏松、中心偏析和各种裂纹缺陷；大断面铸坯重量多达百吨以上，下滑力大，对连铸设备的整体刚度和工艺控制要求极高；另外，断面越大，铸坯质量控制难度越高，800mm以上大断面连铸生产技术，世界上没有先例，被国内外同行认为是现代连铸生产模式进一步取代传统模铸的堡垒！

基于国家战略和市场驱动需求，中冶京诚工程技术有限公司联合江阴兴澄特种钢铁有限公司、中冶连铸技术工程有限责任公司、湖北新冶钢有限公司和北京科技大学历时近十年的产学研跨专业合作、立足自主开发，创建了特殊钢大断面圆矩坯连铸生产新模式。突破了连铸化生产质量保证、工艺技术和成套装备研发中的系列技术瓶颈，攻克了矫直抗力大、内部与表面质量难以控制等连铸关键技术，创新研发出世界最大规格圆坯(1000mm)和国内最大规格矩形坯(410mm×530mm)特殊钢连铸机。实现了高品质特殊钢大断面产品规模化、洁净化连铸生产与应用。主要创新成果如下：

1.针对大断面特殊钢连铸内部疏松和成分偏析控制难题，创新提出钢水注流动量与凝固过热度强化耗散理论，开发出恒温、恒拉速旋流浇铸工艺技术；建立了连铸电磁流体—热—溶质传输耦合模型，揭示了连铸过程宏观偏析形成与分布规律，奠定了大断面连铸工艺与产品内部均质性控制的理论基础。

2.针对特殊钢连铸变形抗力大和极易出现表面裂纹难题，基于对特殊钢铸态高温热物理、热塑性及其组织相关性的深入研究，开发出大断面小曲率、超弱冷和高温低应变连续矫直技术，以及在线保温、下线控温热装等成套先进工艺，为消除特殊钢大断面连铸与热装过程表面裂纹提供了可靠技术保障。

3.针对特大断面特殊钢连铸装备空缺与设计难题，开发了独有的大断面结晶器、仿弧液压振动单元、拉矫与轻压下机组等关键设备，创新设计大断面铸机辊列、工艺技术和二冷动态控制系统，首创了世界最大规格全弧形特殊钢连铸机，并建立了基于CAE分析的铸机设计新体系和技术规范。为突破传统模铸生产模式、实现大断面特殊钢连铸化高效生产提供了先进的装备保障。

4.针对高端制造业紧缺的各类大断面高品质特殊钢产品，开发了涵盖钢水精炼、保护浇注和多炉连浇等连铸生产技术，首创系列钢种及其不同断面规格的连铸生产核心工艺和专有技术、开发应用铸坯质量判定与诊断系统（QES），为连铸流程规模化生产高品质特殊钢产品提供了可靠的生产工艺保障。

本项目创建了大断面特殊钢连铸化生产规范体系和新的产业链，培育了国际上特大断面特殊钢连铸产品从无到有的市场。形成了兴澄特钢、新冶钢、东北特钢等6家生产示范基地。开发出大口径厚壁超超临界高压锅炉管、超低温洁净能源和海洋工程用钢等200多个国内外市场紧缺的高品质特殊钢产品，取得国际8大顶级船级社认证，近三年已产生直接经济效益190亿元以上。

项目获授权专利11项、软件著作权4项、发表论文23篇，主持或参与起草连铸工程设计规范、特殊钢产品标准和法规3部。成果获行业和省部级特等奖1项、一等奖3项。超大断面特殊钢圆坯连铸技术达到国际领先，并被列为《钢铁工业“十二五”发展规划》重点发展技术之一。本项目成果有力推动了特殊钢冶金装备、生产技术和后续高端制造业的整体进步。（李杰）