“連鑄凝固末端重壓下技術開發與應用”項目成果喜獲2020年度國家科技進步二等獎

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

東北大學聯合攀鋼、唐鋼等單位，歷經十年攻關，從理論、工藝、裝備等方面研發應用了適用于我國“一線多產”的動態重壓下關鍵工藝與裝備技術，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%)，充分利用連鑄坯內熱外冷高達500 ℃的溫差特點，實現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。

左：朱苗勇教授，右：祭程教授

一、創新亮點

1.解決了“在哪兒壓？壓多少？”的重壓下關鍵工藝理論問題

在連鑄坯凝固末端重壓下實施過程中，輥壓力、熱應力、矯直力、拉坯阻力等內外力共同作用下的變形，及其與溶質偏析、溶質擴散、裂紋萌生及擴展等宏微觀行為之間的相互作用極其復雜，超出了現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度的工藝本質和技術原理，主要包括：采用壓縮試驗替代傳統拉伸法，闡明了重壓下過程的連鑄坯金屬流變新特征；系統研究了壓下參數、輥型結構、差速驅動等對鑄坯致密度的改善機制，以及電磁、冷卻、壓下協同調控下連鑄坯兩相區內液相流動、溶質傳輸、CET 轉變等行為規律，揭示了大變形量壓下可有效抑制凝固末期溶質加速富集的新機制，并探索了重壓下導致的鑄坯組織再結晶規律。為技術路線確立、壓下量與壓下區間工藝研發和關鍵裝備研制奠定重要理論基礎。

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構特點，在系統研究揭示了“壓下位置-壓下量-壓力-拉坯力”定量關系的基礎上，獲得了重壓下過程扇形段壓坯力與拉坯力關鍵基礎數據；基于極限工況下扇形段變形、等效應力、振動特性等規律，設計了高剛度高強度結構框架、低撓度變形芯軸、高效冷卻結構輥套等關鍵部件，研制應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），壓坯力較常規扇形段提升了4倍，保障了寬厚板坯重壓下工藝的穩定性。

針對大方坯連鑄機，系統分析了重壓下過程輥型結構對大方坯心部變形與輥/坯接觸域變形的影響規律，研發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，突破了常規大方坯連鑄機難以實施大變形壓下的裝備瓶頸。

3.研發了準確、高效、穩定的大斷面連鑄坯凝固末端重壓下集成技術

研發了基于溶質非均勻分布“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定技術，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變化的問題，并基于實時測定的壓下量與壓力，直接標定坯殼厚度，進一步確保了凝固末端的檢測精度。

結合寬厚板連鑄機裝備特點，在壓下總量不變的前提下，利用扇形段入口內弧輥壓下8～10 mm，提高變形量向鑄坯心部滲透效率，實現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壓下，抑制鑄坯中心區域疏松的持續生長。

通過對各驅動輥扭矩的非均衡控制，有效抑制鑄坯延展應變(拉伸變形)，即研發了高效擠壓變形控制技術，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變測定新方法，確立了中間裂紋萌生與表層裂紋擴展的風險防控準則，確保了重壓下的穩定實施。

二、應用效果

在唐鋼、攀鋼分別建成并投產國際首條連續、動態重壓下寬厚板坯和大方坯連鑄示范生產線，解決了高端大斷面連鑄坯中心偏析與疏松嚴重的技術難題，首次實現軋制壓縮比1.87∶1 條件下150 mm 厚高建用鋼大批量的穩定生產，率先實現了軋制壓縮比3.74∶1下車軸方鋼等大規格棒材的產品制備，生產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率達90%。項目技術已在中國寶武、鞍鋼及韓國現代鋼鐵等國內外鋼鐵企業的近20 條生產線上推廣應用，生產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、大規格曲軸用鋼等供貨給奔馳、寶馬、NSK 等高端用戶，應用于萬噸級遠洋貨輪、高鐵動車、風電傳動、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。