一、研究的背景与问题
高性能宽厚板广泛应用于能源石化、交通运输、海洋工程等领域的重大工程与装备，是中国制造、国家安全、强国战略的关键基础材料。2023年我国中/宽厚板总产量近亿吨，其中98%以上的铸坯母材通过用连铸方式生产。
因高性能、宽大规格要求，宽厚板生产特点是微合金元素多、连铸断面大、轧制大展宽比。然而，随着铸坯断面增宽加厚，生产过程面临如下3方面的难题，即：1、距厚板坯窄面30-100mm的宽面偏离角区，频发凹陷与裂纹缺陷（如图1(a)），造成轧制钢板边部60-120mm宽裂纹；2、微合金钢厚板坯热送过程，受连铸拉速与现有产线布局制约，铸坯进加热炉的温度多为550-750℃，由于微合金碳氮化物析出与两相凝固组织结构造成的低塑性，铸坯加热过程宽面高发热送裂纹（如图1(b)）。3、大展宽比轧制过程，受金属宽展流动等影响，钢板边部高发45-120mm宽的边线裂纹（亦称边部“黑线”或“边直裂”等）。受此影响，实际生产只能将偏离角区缺陷铸坯下线火焰清理，热送裂纹敏感铸坯冷却至＜500℃再装炉加热。对于边线裂纹，企业只能进行铸坯圆角清理与钢板宽切边处理，由此造成成材率降低，最大可达4%，造成了重大的经济损失。与此同时，由于高温铸坯无法热送和大量钢板切边余料回炉再制造，全行业每年将增加能耗200万吨标准煤，增加CO2排放500万吨，大幅增加钢铁制造流程碳排放，严重影响行业与企业的绿色化发展。
随着我国超大型核电、能源石化、超大型基础设施等工程与装备的大型化发展，亟需宽度5000mm以上的高性能超宽幅钢板。但受制于宽厚板轧制过程的边线裂纹，我国已投产的最大5500mm轧机难以稳定制备出正品宽度超过5000mm的宽厚板，制约了我国重大工程与装备建设。
图1 厚板坯偏离角区凹陷(a)、热送裂纹(b)、宽厚板边线裂纹(c)形貌
二、解决问题的思路与技术方案
从2009年起，本项目通过产学研协同，从理论、装备、工艺等方面着手，全面深入开展了高性能宽厚板绿色制备的关键连铸技术。通过全面揭示厚板坯偏离角区凹陷及裂纹、微合金钢板坯热送裂纹、轧制宽厚板边线裂纹的形成机理，进而系统研发从源头控制的新方法、新装备、新工艺，并在鞍钢、湘钢、山钢等国内重点宽厚板生产线应有推广。具体内容包括：
1、研究阐明厚板坯偏离角凹陷、热送裂纹、轧制宽厚板边线裂纹形成机理，提出从源头控制的新思路、新方法。
2、凸透镜形结晶器及其腰鼓形足辊和超强淬火扇形段连铸核心装备研制。
3、开发并集成应用高性能宽厚板高效绿色制备连铸新工艺技术。
项目研发思路如图2所示。
图2 项目总体技术路线
三、主要创新性成果
1、研究阐明了厚板坯偏离角区凹陷、热送裂纹、轧制宽厚板边线裂纹形成机理，提出了源头控制的新思路、新方法
(1) 首次提出厚板坯偏离角凹陷 “两阶段”成因理论及基于结晶器与足辊强约束铸坯凝固变形的根治思路
通过构建传统厚板坯结晶器及其二冷全铸流铸坯凝固三维多物理场耦合模型，探明了常规结晶器因其窄面中上部无法高效贴合凝固坯壳收缩，致使窄面坯壳脱离铜板，并在钢水静压力作用下弯曲而“拖拽”宽面角部而脱离铜板，进而引发宽面偏离角区形成“热区”（基础成因），出窄面足辊区后，“高刚度”的铸坯角部在窄面鼓肚作用下扭转（动力成因），迫使高温低强度的宽面偏离角区形成凹陷的“两阶段”成因理论。
图3 厚板坯偏离角区凹陷形成过程示意
在此基础上，创新提出了基于窄面凸透镜形结晶器及其腰鼓形足辊强约束铸坯的凝固变形，使铸坯出结晶器后宽面偏离角区与其中心的温差降至＜50℃（消除凹陷“基础”成因），并通过实施铸坯窄面腰鼓形足辊及其强支撑工艺，确保凝固全程厚板坯窄面凹形回弹量＜1mm（图4，消除凹陷 “动力”条件），而根治偏离角区凹陷的新方法。
图4 窄面凹形坯凝固变形计实物形貌
(2) 定量阐明了微合金钢组织高塑性调控机制，创新提出连铸凝固末端超强淬火热送裂纹控制新路线
鉴于造成微合金钢板坯表面热送裂纹的根源是碳氮化物在晶界集中析出脆化铸坯表层组织晶界和γ、α两相结构低塑性组织在加热过程因低塑性不足而开裂，研究确定了高性能宽厚板典型Nb、Al、V含量下的碳氮化物析出弥散析出的冷却温度应≥950℃、冷却温度应≥5℃/s，以及实现高温钢组织晶粒超细化的双相变（γ→α→γ）关键工艺参数（由≥950℃强冷至＜600℃，而后回温至＞800℃），并确定了实施铸坯表层组织高塑性调控的最佳位置为铸坯凝固末端压下段之后。
(3) 首次阐明宽厚板边线裂纹形成机理，首创基于窄面凹形坯轧制源头控制新方法
通过构建宽厚板轧制全流程多物理场耦合模型，首次阐明了宽厚板轧制中后期纵轧拉伸致使中间坯侧面形成“拉丝”结构，并在宽展过程“拉丝”结构的波谷处开裂；与此同时，轧制过程中间坯表层展宽受轧辊横向摩擦约束，特别是轧制中后期芯-表展宽速度差加剧作用，窄面开裂部位逐渐翻转至宽面，最终形成轧材边线裂纹（实物如图5所示）的宽厚板边线裂纹形成机理，并首次提出通过凸透镜形结晶器制备窄面凹形板坯，预补偿轧制过程中间坯表层宽展变形而抑制侧面翻转，从源头控制边线裂纹的新方法。
图5 宽厚板侧面形貌
2、首创了凸透镜形结晶器和超强淬火扇形段连铸关键核心装备
立足结晶器内坯壳凝固收缩特性，首创了横向“中部弧面、边部平直”、高度方向“上部快补偿、中下部缓补偿”结构特点的高均匀凝固、长寿命凸透镜形结晶器及其腰鼓形足辊（如图6所示），保障了窄面凹形板坯的稳定化、无缺陷制备。
图6 凸透镜形结晶器及其腰鼓形足辊
基于宽厚板坯凝固末端扇形段，首创出了最大水量400m³/h、最大冷速15℃/s、内外弧超大水量比的超密排淬火扇形段（如图7所示），从装备上保障了高温铸坯的高平直度均匀淬火。
图7 超密排淬火扇形段
3、创新开发并集成应用了高性能宽厚板高效绿色制备连铸新工艺技术
针对窄面凹形厚板坯凝固复杂、连铸过程凹面回弹大等难题，确立了通过实施凸透镜形结晶器大锥度及其窄面足辊非线性强支撑工艺，确保了结晶器内铸坯偏离角区高温控制至＜50℃、凹面全程反弹量＜1mm，实现了厚度≥250mm系列窄面凹形宽厚板坯无缺陷高效制备（如图8所示）。
图8 窄面凹形坯形貌
针对铸坯凝固末端超强淬火，创新开发形成了淬火段前在线温度反馈与动态预测、水量自动调节、以及异常工况内弧“小流量+延迟冷却”、外弧“大流量+抢先冷却”的淬火工艺，实现了全系列微合金钢高平直度稳定淬火生产（如图9所示）。
图9 铸坯凝固末端淬火过程温度场演变
四、应用情况与效果
目前，该项目技术已推广应用至鞍钢、宝武八一钢铁、湖南钢铁、山钢莱钢、营口中板、河钢中厚板等国内10余家大型钢铁企业。所制备的凹形坯，2.0以上展宽比轧制的边线裂纹宽度由传统70-100mm降至边部20mm以内（如图10所示），轧制展宽比≤1.4的边线裂纹全面消除，各应用企业成材率平均提升1.07%-1.81%。实施连铸凝固末端超强淬火，全面消除了热送裂纹，实现铸坯670-730℃高温全连续装炉生产。所制备的超宽幅宽厚板批量应用于第三代核电、舟山石化炼化工程、超大型浮式生产储卸油船、液态CO2运输船等建造，满足了国家重大工程及装备用超宽幅宽厚板的亟需。
图10 技术应用前后宽厚板边线裂纹控制效果
本项目技术的成功开发，对促进钢铁绿色低碳生产、推动我国钢铁技术创新、以及保障国家重大工程建设与高端装备制造等均具有重要意义。
