科技新进展：高拉速精控温板坯连铸关键装备技术开发及应用

一、研究的背景与问题

以高档汽车板用IF钢、DR07钢为代表的合金钢中厚板材料，其产品附加值极高，生产标准日趋规范与严苛。合金钢中厚板几乎全部由板坯连铸设备生产，其对高强度、高韧性、高成形性及高质量的多维性能要求，对连铸设备控制精度、生产效率、安全性与稳定性提出了严峻挑战。

日韩等国作为国际领先的钢铁技术强国，在全球年产能超1亿吨的180~260mm汽车板坯连铸领域长期处于引领地位，其连铸机普遍具备高拉速、高作业率和高品质的特点。日本JFE钢铁株式会社福山厂5号连铸机生产220mm板坯的拉速可达2.8~3.0m/min，是全球板坯高效连铸技术的典范之一。韩国POSCO浦项制铁公司光阳厂2~3号连铸机生产230~250mm板坯的拉速达2.5~2.7m/min，可满足年产350万吨汽车外板的需求。

相比之下，我国钢企的220~250mm汽车板坯连铸拉速仍集中在1.2~1.8m/min区间，单流设备产能仅有日本福山5号机的60%，与国际先进水平差距较大。近年来，虽有首钢京唐通过改造引进的达涅利连铸机，将SPHC板坯拉速提高至2.5m/min的成功案例，但我国高端汽车外板连铸生产仍主要采用“慢工”出“细活”。

图1 高档汽车外板连铸生产拉速提升的技术制约瓶颈

高档汽车板提高生产拉速将引发一系列难题，如图1所示。首先，连铸拉速2.0m/min时220mm板坯在结晶器内的初生坯壳厚度减少到12mm，漏钢概率显著上升；其次，连铸拉速2.4m/min时结晶器内液面波动＞±5mm，卷渣废品率大幅增高（在20世纪90年代，日本JFE连铸机生产拉速大于2.5m/min时，液面波动控制指标仅为≤±5mm）；最后，连铸拉速＞2.0m/min时板坯液芯长度＞34m，铸坯内部质量恶化等。因此板坯连铸装备技术的突破远非单点技术升级，而是集成工艺、装备与算法模型控制的系统性工程。为此，我们必须强化系统思维，推动工艺、装备与智能控制深度融合，开展全链条、一体化的技术研发与工程应用。

中国重型机械研究院股份公司（简称中国重型院）长期致力于板坯连铸装备与关键技术攻关工作。为解决上述生产技术难题，中国重型院联合东北大学、宝钢股份、重庆大学、华菱涟钢、中科电气和中冶冶金设备等高校与企业，组建“产学研用”协同创新团队。在国家自然科学基金、陕西省重点研发计划、宝钢金苹果科研计划及工程项目资助下，项目团队自2015年起开展实施“高拉速精控温板坯连铸关键装备技术开发及应用”项目，在结晶器高效均匀传热技术、高精度液面波动控制装备技术和数智热控系统及精确二冷装备技术三方面取得了突出进展。

二、解决问题的思路与技术方案

针对上述研发方向，项目团队依托金属成形技术与重型装备全国重点实验室、机械工业连铸技术装备重点（工程）实验室和西安市连铸装备院士工作站，聚焦高端汽车板用合金钢高拉速生产，开展关键装备与技术研发。项目构建的高拉速精控温板坯连铸关键装备技术方案如图2所示。为获得高拉速板坯连铸条件下均匀稳定的初生坯壳，研发了结晶器高效均匀传热技术；为稳定高拉速板坯连铸条件下结晶器液面、提高板坯表面质量，研发了高精度液面波动控制装备技术；为控制高拉速板坯连铸条件下凝固末端位置与内部质量，研发了数智热控系统及精确二冷装备技术。通过精准的数智化控制系统及装备，成功解决了高端汽车板坯连铸过程的高拉速生产、温度精确控制及板坯质量可控三方面难题，形成了具有完全自主知识产权的成套技术以及完整系统的工程化档案。

图2 项目技术方案

三、主要创新性成果

1、创新研发高拉速板坯连铸结晶器均匀传热技术，改善高钢通量下结晶器内初生坯壳的均匀性和稳定性，为板坯安全高效生产提供核心技术支撑。

（1）高拉速条件下结晶器内初始凝固理论研究，针对拉速提升导致热通量增加、初生坯壳减薄、润滑恶化、易引发漏钢与裂纹的难题，精准揭示了高拉速连铸结晶器内坯壳凝固生长规律以及坯壳-铜板界面间隙形成机制，为高拉速结晶器装备技术改进提供了理论依据。

图3 高拉速结晶器板坯初始凝固理论研究

（2）高拉速板坯连铸结晶器铜板水槽多目标优化研究，通过数值仿真、多目标优化和试验验证，显著提升了结晶器铜板的冷却效果和传热均匀性。宽面铜板的热面（除角部外）最高温度由优化前的255℃降低到优化后的232℃，横断面温度差由优化前的67℃降低为优化后的＜10℃。该方法为高拉速精控温板坯连铸结晶器设计提供了技术支撑。

图4 高拉速板坯连铸结晶器铜板水槽多目标优化研究

（3）高拉速板坯连铸结晶器非线性补偿曲面设计，准确补偿坯壳沿宽度方向热收缩在高度方向的非线性变化，有效消除角部气隙与厚渣堆积，将结晶器中下部冷却速率由3.5℃/s提升至10℃/s以上，促进板坯晶粒细化，显著减少板坯角部裂纹。

图5 高拉速板坯连铸结晶器非线性补偿曲面设计

2、创新研发高拉速板坯连铸高精度液面波动控制装备技术，突破高拉速生产过程结晶器液面剧烈波动控制的共性难题，有效改善钢液流场紊乱引发的卷渣与夹杂，提高板坯质量稳定性。

（1）高拉速板坯连铸结晶器内钢液流动特性研究，明晰了拉速1.8~2.2m/min下结晶器内流股的冲击点位置、弯月面波动幅度与界面流速的变化规律，准确探明了水口高速流股引发上回流湍动能激增与“结晶器-辊列”频率耦合导致液面剧烈波动的机制。

图6 高拉速板坯连铸结晶器内钢液流动特性研究

（2）高精度结晶器液面波动控制模型开发，建立了塞棒开度与钢水流量精准映射模型，创新研发了基于鼓肚力扰动补偿和变模态分解支持向量机算法的钢液面高精度控制模型与液压控制系统，实现工艺参数自适应控制，提升模型响应速度与预测精度。

图7 高精度结晶器液面波动控制模型开发

（3）高拉速板坯连铸结晶器多模式电磁控流装备技术研发，通过多感应器设计与磁屏蔽技术实现电磁加速、电磁减速、电磁搅拌的灵活切换，满足高低拉速及不同钢种的生产需求；深入研究感应器磁场特性、组合形态、励磁安匝、磁场形态、磁场大小、安装位置以及适应的铸坯宽度等参数，电磁推力超过了同类进口产品。该技术与高精度结晶器液面波动控制模型的联合应用，实现拉速2.0m/min稳定生产条件下，结晶器液面波动≤±2mm比例≥90%。

图8 高拉速板坯连铸结晶器多模式电磁控流装备技术研发

3、创新研发了高拉速板坯连铸数智热控系统及精确二冷装备技术，解决高拉速连铸过程中拉速波动引致凝固失稳、冷却水控制精度低、传统系统难以实现全局协同优化等难题，实现连铸二冷精准控制与板坯内部质量改善。

（1）高拉速板坯连铸开浇与拉速波动过程热-力行为研究，通过构建多物理场动态耦合数值模型，准确揭示了拉速及冷却水量变化对铸坯凝固末端位置变化与矫直应力演变的影响规律，为二冷水精确控制和板坯缺陷抑制提供理论依据。

图9 高拉速板坯连铸开浇与拉速波动过程热-力行为研究

（2）高拉速板坯连铸二冷区数智热控中枢系统开发，通过构建基于64位平台与GPU并行计算的网格、物性、边界、计算、控制和质量“六维耦合”模型，实现了不同工况、不同钢种板坯的二冷区三维温度场精准计算，在线计算周期＜0.5s、误差＜15℃、凝固终点预测偏差≤±0.2m。

图10 高拉速板坯连铸二冷区数智热控中枢系统开发

（3）高拉速板坯连铸二冷水精确控制装备技术，采用高调节比冷却水喷淋系统，显著提升冷却水在不同冷却强度下水流密度分布的均匀性，同时满足了高拉速强冷与低拉速弱冷需求。创新开发“水流密度矩阵+七指标闭环控制”模型，结合实时反馈与自适应调整机制，形成了数据驱动下的二冷配水精准调控，实际水流量与理想值一致性≥93%。应用上述装备技术后，凝固终点位置处（角部除外）铸坯横向温差由原先的40℃降低到15℃，内部质量显著提升。

图11 高拉速板坯连铸二冷水精确控制装备技术

四、应用情况与效果

项目技术已成功在宝山钢铁股份有限公司、湖南华菱涟源钢铁有限公司、首钢京唐钢铁联合有限责任公司、首钢股份公司迁安钢铁公司等国内重要钢铁公司实现工业应用。近三年新增产量824.1万吨、新增利税3.3亿元、增收节支总额6.3亿元。本项目关键技术的具体应用情况及实施效果如下：

（1）2020年4月起，应用中国重型院提供的结晶器高效均匀传热技术、高精度液面波动控制装备技术及多模式电磁控流结晶器装备，湖南华菱涟源钢铁有限公司230mm×2150mm连铸机生产DR07钢种，其稳定生产的最高拉速达到2.0m/min，结晶器液面控制精度＜±2mm比例超过90%。该钢种生产质量达到国际领先水平，在终端客户特斯拉连续2年不出现冲压开裂质量问题。

（2）2020年12月起，通过宝钢金苹果项目，在宝钢4#连铸机应用本项目研发的结晶器高效均匀传热技术、二冷区均匀冷却与数智热控技术及高效结晶器铜板，实现IF钢种的高效高质量稳定生产。该钢种生产质量达到国际领先水平，可实现最大拉速达到2.17m/min高效高质量连铸坯生产。应用本项目技术的连铸机效率和产能提升明显，年产量增加233万吨，年效益达到7927.68万元。

（3）2025年6月，项目研发的高拉速板坯连铸二冷区数智热控中枢系统在首钢京唐6#连铸机上成功实施。系统温度场预测误差稳定在±15℃以内，凝固终点预测偏差不超过±0.2m。与同车间引进连铸机对比，6#机板坯一检合格率提升0.65%至 99.225%，且在中间裂纹、角裂等缺陷的控制上表现优异。

本项目装备与技术的研发应用打破了国外板坯高效连铸装备与关键技术长期垄断的局面，为发展我国具有自主知识产权的连铸高端装备和关键控制技术起到引领作用。提高了我国钢铁高端产品的附加值，极大提升了我国汽车板的核心竞争力，助推我国新能源汽车在续航、安全、质感上突破升级。本项目还为钢铁企业转型升级、降本增效创造了必要条件，提高了我国连铸装备生产线自动化、绿色化和智能化水平，是装备制造业落实国家“十五五战略规划”的具体实践。

信息来源：中国重型机械研究院股份公司