梯队负责人: 张家泉 教授

梯队简介:

连铸是钢铁冶金生产流程中材料转换的关键环节，也是节能降耗、提高钢材使用性能的关键阶段。现代连铸技术与工程就是积极利用交叉学科、交叉技术领域的技术进步、改造与提升传统铸机的简单材料转换功能，实现稳定可靠地将合格钢水高效、优质地浇注成合格铸坯乃至近终形产品，且能有效地提升铸态钢坯的内在质量（如成分均匀性、组织致密性等）、并为后续热轧环节提供铸坯质量状态的有效信息，真正实现连铸在钢水精炼与热轧工序之间承上启下、乃至上下工序耦合控制的重要作用。

本梯队的主要研究方向为高效、优质连铸以及铸—轧耦合（如常规板坯、方坯连铸动态轻压下、薄板坯连铸液芯压下等）过程中所涉及的凝固、热学、力学、以及冶金工艺学问题的研究。密切结合国家钢铁冶金发展战略与生产实际开展模型研究、工艺优化、铸坯缺陷分析、质量保证技术以及生产过程的先进控制等，并努力探索高效连铸新流程、新工艺与新技术。此外，我们将始终秉承我校“学风严谨，崇尚实践”的科学态度与精神，科学研究围绕“引领企业技术进步”目标，加强跨学科交叉创新、加强与国内外相关研究与设计机构及钢铁企业的实质性合作、努力推动钢铁材料先进制造技术的进步。

代表性研究内容与成果:

本梯队是国内率先开展现代板坯、大方坯连铸动态轻压下先进技术研究的单位之一。是首台国产大方坯连铸动态轻压下先进铸机连铸工艺与过程控制技术的研发与设计单位（包头钢铁公司国产高速轨钢坯专用铸机—5号机，2006年）、也是首台国产大断面圆坯铸机（φ600mm）连铸二冷工艺与在线动态控制模型的研发与设计单位（中冶京诚营口基地，2008年）、是首套国产特殊钢大方坯连铸质量在线预报模型与生产应用的开发单位（莱芜钢铁公司特钢厂，2009年）等。本梯队也曾是国家技术创新项目宝钢梅山板坯连铸动态轻压下技术研究的主要承担单位之一。此外，曾在国内外率先揭示出钢在凝固温区的黏弹塑性流变模型、提出凝固热裂纹趋势的凝固力学概念、揭示钢高温下表观脆性、微观塑性的热裂特征与机制、以及揭示连铸板坯横向表面温度分布特征及其与三角区裂纹的相关性，率先通过实验揭示了连铸板坯表面辐射系数与其表观系数的环境相关性、进而提出并实现了拉矫前铸坯表面温度的合理红外检测技术。同时在国内较早地开展了板坯铸轧（包括薄板坯带液芯压下、常规板坯轻压下）以及结晶器热-力学耦合有限元分析的研究。

此外，本梯队是国际钢铁协会钢大学组织的常委单位，参与组织与推广国际公益性计算机虚拟炼钢与连铸培训项目(www. steeluniversity.org)；也是国际著名钢铁冶金高技术报道年刊的Millennium Steel以及Millennium Steel China（Millennium steel Publishing, London）的特约稿件单位。

梯队有关研究获得相关专业学会优秀论文奖以及北京科技大学研究生优秀毕业论文奖等共十多项，研究成果取得了不同程度的应用。其中近五年我们与合作企业一起所取得的主要相关成果如下：

(1) 中国冶金科技进步二等奖， 《板坯连铸动态轻压下技术的研究开发及应用》，2007（No.02CJ-01-01-01）

(2) 内蒙古自治区科技进步一等奖提名，《大方坯连铸动态轻压下技术及其成套装备》，2009等

(3) 发明专利,一种板坯连铸轻压下位置的控制方法；公开号：CN1911561，  2007.02.14

(4) 发明专利, 一种连铸坯表面目标温度监控分析方法及其装置；公开号：CN1958193, 2007.05.09

(5) 发明专利, 连铸坯动态轻压下系统集成技术，申请号：200810187686.4

(6) 国家软件著作权, 板坯连铸动态轻压下在线控制模型软件V1.0，国家版权局，2006SR05187，2005年

(7) 国家软件著作权, 大方坯连铸动态轻压下在线控制模型软件V1.0, 国家版权局，2006SR04634，2005年.

(8) 国家软件著作权, 板坯连铸逻辑漏钢预报模型软件V1.0， 国家版权局，2006SR05188， 2005年

(9) 国家软件著作权, 连铸过程动态热跟踪与动态二冷配水控制软件V1.0, 国家版权局，2006SR04632，2006年

(10) 国家软件著作权, 铸坯矫直点表面控制温度在线采集与监测系统，国家版权局，2006SR04633, 2006年

(11) 国家软件著作权, 方坯连铸结晶器对称传热监测软件，国家版权局，2006SR05189， 2006年

(12) 国家软件著作权,长白方坯连铸结晶器铜管锥度设计系统，国家版权局，2006SR00688， 2006年

(13) 国家软件著作权, 板坯连铸二冷优化配水系统，国家版权局，2006SR07396， 2006年

(14) 国家软件著作权, 方坯连铸二冷优化配水系统，国家版权局，2006SR07395， 2006年

(15) 国家软件著作权, 基于逻辑判定的板坯连铸结晶器漏钢预报在线监测系统V1.0, 国家版权局， 2008SRBJ2088，2008年

(16) 国家软件著作权, 铸坯内部质量在线预报系统V1.0, 国家版权局，2008SRBJ2092，2008年

(17) 国家软件著作权, 大方坯连铸辊列计算机辅助设计系统V1.0，国家版权局，2009SRBJ0739，2009年

(18) 国家软件著作权, 圆坯连铸二冷设计系统V1.0，国家版权局：2009SRBJ2373，2009年

(19) 国家软件著作权, 大圆坯连铸二冷动态在线控制软件系统V1.0，国家版权局：2009SRBJ2375，2009年

(20) 国家软件著作权,连铸异型坯二冷配水系统V1.0，国家版权局：2009SRBJ2374，2009年。

众所周知，先进的过程控制技术可以提高铸机的作业率、产品质量与生产过程的稳定性，同时还可以有效地促进企业的技术与设备管理的经常性和规范性。

以下举例介绍本梯队近期在帮助钢铁企业连铸技术升级改造过程中，在生产中得到应用的几项技术。

1) 连铸过程铸坯热跟踪与动态轻压下控制

常规连铸主要通过表面水冷工艺来控制铸坯凝固与质量，效率与效果有限。常见的铸坯内部质量问题，如中心疏松、中心偏析超标等在常规连铸中几乎很难避免，铸坯内质很难实质性提高。长期以来，基于凝固原理，人们一直试图将不同加工工艺或物理场控制理论耦合应用到连铸过程控制中，其中连铸过程热跟踪与动态轻压下是目前在原理和综合效果方面最有发展前景并日益成熟的先进技术之一，如图1所示。

图 1.  板坯连铸动态轻压下辊缝动态调节控制系统

图2为国内自主开发并投入国产现代化大方坯铸机实际应用的第一个动态二冷与动态轻压下二级控制模型。通过适时跟踪铸坯凝固终点，根据钢的收缩特性，在凝固末端凝固两相区通过拉坯压下辊，实施合适的动态压下控制工艺，实现了对高碳当量铸坯中心疏松与偏析有效控制、轧材综合力学性能明显提升的良好效果。

图2 大方坯连铸动态轻压下在线模型应用

2）方坯、圆坯以及板坯连铸动态二冷控制技术

连铸动态二冷控制为常用水表法自动配水的升级技术，是国内自主研发并实现工业应用的连铸二冷二级动态控制模型。可避免常用一级控制模型使用过程中的过多人为干预。根据钢种热特性和铸坯质量控制要求，制定合理的目标冷却策略，通过适时跟踪浇注温度和拉坯速度，动态控制二冷水量；通过保证一定钢种和断面的铸坯冷却过程合理且相对稳定来确保铸坯质量。不同断面的铸坯，因几何形状和传热特征的差异，其冷却控制模型也是不同的。其中板坯适合用一维控制模型、圆坯也可使用柱坐标一维模型加以描述，而方坯必须使用二维控制模型。

图3为用于当前小方坯二冷控制技术升级的动态二冷控制生产应用界面。

图3 方坯连铸动态二冷在线模型应用

3) 连铸过程铸坯质量在线跟踪与预报技术

对连铸生产过程关键设备与工艺状态进行跟踪、记录，做到“芯”中有数，才有可能对生产过程的产品质量心中有数。针对国内当前先进铸机装备的特点，采用人工神经网络技术开发用于预报中心偏析、中间裂纹及中心裂纹等常见铸坯质量在线预报模型。该模型的最大特点只要根据客户生产情况进行适当样本训练，投入在线应用后具有自学习的智能化能力，从而具有较高的预报精度，能够满足现场的使用要求。对热装热送判定或异常浇注状态质量待定判别具有重要指导意义。图4为智能化质量预报模型预测精度可以在使用过程中通过自学习不断提高。

图4基于人工神经元的智能化铸坯质量预报模型预测精度

4) 铸坯在结晶器与二冷区冷却与变形的有限元分析

连铸过程涉及复杂传热、机械与热变形的交互作用 ，其作用规律不仅影响铸坯质量及其控制策略，也对结晶器铜板、辊列等铸机设备产生重要作用，进而影响到设备工作状态的稳定性与可靠性。当前，有限元（FEM）分析是认识与掌握连铸过程复杂物理现象的重要手段。为此，我们利用现代高温热特性检测技术系统研究了一些钢种的高温热特性，并利用热弹塑性耦合数值模拟技术研究了连铸结晶器内的传热与变形、铸坯在二冷辊列中的温度分布特点与变形规律。在国内外较早地揭示板坯横向冷却温度分布的特征与对策，以及板坯在辊缝锥度或轻压下工艺下的传热与变形特点，如图5-图7所示。

图5 结晶器铜板与水槽分布对钢水初始凝固影响的FEM几何模型

（a.200mm，b.400mm，c.600mm，d.800mm）

图6 弯月面向下不同距离处结晶器铜板横截面内温度场

图7 辊缝锥度与逐辊轻压下过程板坯的变形历程