科技新进展：连铸板坯热装预处理工艺装备集成技术

一、研究背景与问题

2021年国家提出“碳达峰、碳中和”政策目标后，高效、绿色是新时代发展的重要命题，也是钢铁企业未来主要的发展方向。连铸坯热装热送作为钢-轧界面的核心技术之一，在节约能源、提高成材率和缩短生产周期方面起到关键作用。连铸板坯的高温热装可以直接降低加热炉燃气消耗，热装温度提高100℃，燃气消耗降低5-8%，大幅降低二氧化碳排放。连铸板坯的高温热装可以减少钢坯氧化铁皮生成量0.5-1.5mm，降低钢铁料消耗，提高成材率。连铸板坯的高温热装对钢铁企业加快生产节奏，提高物流效率起到重要作用。

微合金钢在钢铁企业中占比很大，当微合金钢板坯在表面温度≥600℃热装后钢板极易发生“红送裂纹”缺陷，是行业继续提高微合金钢板坯的热装比例及热装温度的主要技术瓶颈，“红送裂纹”产生的根本原因是：铸坯表层组织晶界严重脆化，轧制过程中表面应力导致钢板表面开裂。晶界脆化的原因是铸坯在冷却凝固过程中微细的氮化物、碳氮化物在奥氏体-铁素体两相边界析出，加热炉加热后析出物回溶后在相界形成串状细微孔洞，再加上两相区加热后组织粗大且晶粒不均匀。解决高温热装的红送裂纹问题，需要从铸坯表面组织细化及抑制两相区析出物析出入手，通过合理控制铸坯表面细晶层厚度，来抵抗轧制过程表面应力。

钢铁企业传统避免产生钢板表面红送裂纹的方法有两种，一种方式是铸坯表面温度降至500℃以下，低于A₁相变温度点。铸坯下线缓冷时间通常在10小时以上，这种方式造成大量的热损失，严重影响物流节奏。第二种方式是铸坯表面温度在950℃以上，高于A₃相变温度点，为全奥氏体组织。这种方式对于高拉速薄板坯的热连轧产线适用，但对占90%以上产能的200-400mm厚的常规连铸板坯来讲，即便辊道直装也无法达到表面950℃以上的温度。常规板坯直装温度最高的温度区间为550-800℃，落入大多数钢种的两相区范围，极易产生“红送裂纹”，传统技术手段无法实现这个温度区间的热装。

国内外解决红送裂纹技术包括日本住友金属的“离线铸坯淬火池”技术，国内某些企业的“送坯辊道淬火箱”技术。“离线淬火池技术”是将切割的高温铸坯吊运至淬火池冷却淬火，生产效率低，操作复杂，铸坯温降大。“送坯辊道淬火箱”技术铸坯温度热损失较大，对场地及环境要求高，需要蒸汽风机、淬火箱体等设备投入大。

二、解决问题的思路与技术方案

首钢公司攻关团队立足京唐二期中厚板产线搬迁调整的契机，依托京唐6#连铸机开发了基于连铸扇形段的板坯热装预处理工艺、装备及自动化集成成套技术。在连铸机扇形段实施该工艺最大的优势是可以充分利用铸坯内部高温对表面快冷组织进行自回火处理，提高表面组织韧性；同时可以利用扇形段内的二冷风机系统处理大量蒸汽，环境优化、投入较小。不利的方面是板坯喷淋工艺不适应会导致铸坯弯曲。

基于此，攻关团队从机理研究、中试实验、仿真模拟，再到工业实验，开发了整套热装预处理技术，整体思路如图1.

 图1 整体研发思路

三、主要创新性成果

1、系统研究微合金钢板表面热装裂纹发生机理，提出了抑制铸坯高温两相区第二相粒子析出及铸坯表面组织细化的控制方法，开发了连铸坯快冷-回温工艺，快冷阶段冷却速度≥3.5℃/s，实现了热装铸坯在加热炉前的表层组织细化，消除了轧后钢板热装裂纹。

2、研究了高温快冷条件下高温连铸板坯弯曲机理，开发了板坯外、内弧最优水量比例冷却工艺，彻底解决了快冷条件下铸坯弯曲的关键难题。

3）开发基于连铸机扇形段的板坯表面热装预处理均匀喷淋工艺，自主设计大流量冷却喷嘴及内弧最佳布置方式，实现全钢种、全断面规格的覆盖。

4）自主开发集成热装预处理自动化控制系统，实现工艺、装备及自动化系统集成，实现了连铸板坯热装预处理快速冷却的在线控制以及铸坯内、外弧水流量动态实时的水量平衡。

四、应用情况

连铸板坯热装预处理系统自2020年9月在首钢京唐6#连铸机实现工业化应用，如图2所示。

图2 连铸板坯热装预处理装备、生产及自研主控软件

图3为生产过程实绩情况，高温铸坯经预处理快冷后表层温度降低至525℃，1min内快速回温至738℃，表层进行了自回火处理，完全达到工艺设计要求。 

图3 铸坯表面温度与形貌：（a）预处理后；（b）铸坯返温后

图4 常规热装与铸坯表面预处理后铸坯表层组织

图4是传统工艺与热装预处理工艺条件下铸坯组织的比较，可以看出热装预处理工艺的铸坯表层、皮下10mm和皮下20mm铸坯组织均得到了细化，提高了铸坯高温塑性塑性，降低红送裂纹的发生几率。

连铸板坯热装预处理工艺及装备成功应用后，首钢京唐厚板坯热装表面温度最高可达658℃以上，吨钢降低CO₂的排放量为11kg，整体铸坯热装比例提高了50个百分点，全面覆盖中碳含铌钢、亚包晶钢等裂纹敏感钢种，解决了连铸板坯高温热装钢板红送裂纹问题。项目实施以来，累计降本3000余万元，有效助力钢铁企业节能降耗。项目目前在首钢其他板材产线移植推广。本项目共获得授权专利5项，申报国际专利1项，团体标准1项。

连铸板坯热装预处理整套工艺装备技术如向全行业推广应用，前景广阔，经济效益巨大，可助力钢铁行业实现低碳绿色生产。

信息来源：首钢集团有限公司研究院