攻坚克难引领我国高效连铸技术创新发展——记东北大学2011钢铁共性技术协同创新中心高效连铸研究团队
发布时间: 2024-05-23 05:25:37 人气：1 来源：产品中心
时间定格在1997年12月，伴随着引擎的轰鸣，一架飞机展翅而起，在空中划过一个半圆后飞往北京。32岁的朱苗勇刚刚结束了第三次日本访学。机舱里的乘客或在沉睡，或在兴奋地私语，但他望着湛蓝的海面，脑海里却始终盘念着临行前松宫先生的话：“在日本，连铸已成为高端钢铁产品生产的重要环节，其中中心偏析疏松控制十分重要，我们这几年在探索连铸凝固末端轻压下技术，实践证明这项技术十分有效。研究发展连铸技术在中国会大有作为。”
连铸是上世纪五十年代开始工业化的可将钢水直接浇铸成坯的革命性技术，与传统模铸生产相比，其金属收得率可提高10%以上，降低能耗达50%，节省劳动力70%，全方面提升了生产效率和产品质量。到上世纪八十年代，连铸技术已逐步完善，并在欧美国家得到普遍应用，连铸比已达到90%，即90%的钢采用连铸方式生产。我国在改革开放后才真正开始引进国外公司的先进连铸技术，并对其进行消化移植。直到九十年代，我国才首次实现板坯连铸机国产化，但连铸比仍不足50%，且诸多先进连铸工艺与装备技术仍依赖进口。
众所周知，大多数的钢都是以铁碳合金为基础，并加入硅、锰、铝、铬等微量元素组成的金属材料。连铸过程中，钢水从液态转化为固态，溶质元素在固相和液相之间进行了重新分配。在钢水凝固过程中，会产生枝晶间的微观偏析和宏观偏析。通过对连铸坯加热可以消除微观偏析，但对宏观偏析几乎无用。这些宏观偏析缺陷将遗传至轧制阶段，恶化钢的力学性能，引发钢材的一系列质量问题。
就在朱苗勇回国的同一年，奥钢联集团在芬兰罗德洛基建成了第一条拥有动态轻压下技术的连铸机。该铸机由15个具有辊缝远程可调能力的扇形段组成，并应用了热跟踪、“动态二冷”“动态轻压下”等模型。随后，美国、韩国等国的钢铁企业在短短几年里迅速采用了此技术，其技术原理是在铸坯凝固末端区域施加压力产生一定的压下量，使坯壳变形来补偿两相区凝固收缩量，改变溶质传输，补偿凝固收缩，进而达到治愈偏析与疏松的工艺效果，而国内相关研究几乎是空白。
回国后，朱苗勇迅速开始调研，他发现凝固末端动态轻压下技术不单单是冶金工艺，更涉及自动化、机械、材料加工等诸多知识。围绕这一方向，他组建了一支多学科跨专业的团队，展开了压下工艺理论与装备技术的前期探索。机会永远留给有准备的人，朱苗勇教授正是这样的人。2001年，宝钢梅山钢铁公司引进建设了国内第一条具有全流线“动态轻压下”功能的先进板坯连铸机，但受限于国外的技术封锁，设备厂家提供的工艺控制核心模型均为“黑匣子”无法自主调节，设备遭遇“水土不服”，“轻压下”技术的功能并没有正真获得有效发挥。2003年，宝钢梅山钢铁公司依托国家重大装备自主研发任务，在全国范围内寻找能解决此问题的团队。得知消息后，朱苗勇教授第一时间带队前往南京，凭借着扎实的前期工作基础与完备的团队专业构成竞标成功。
然而，事情并不像想象的那样简单。除了要从理论上搞清楚压下过程的冶金学行为规律，还一定要通过自主研发动态压下在线控制模型及过程控制管理系统，打通工艺与控制的通道，给奥钢联集团设计制造的连铸机换上“中国大脑”。自项目论证会伊始，就有有经验的人指出这项工作涉及内容太多，而且究竟能不能突破通讯瓶颈，换上“中国大脑”也是一个未知数。面对这样的一种情况，朱苗勇教授带领团队迎难而上，不断奔波于东北大学和梅山钢铁公司，进行协调推荐，团队的年轻人更是在梅山钢铁公司家属区租了房子，天天泡在中控室和机房里，成为了梅山钢铁公司的编外员工。
团队年轻人祭程本科毕业于东北大学自动化专业，考入钢铁冶金专业后选择了硕博连读，博士课题就围绕“动态轻压下”过程控制管理系统展开，主要负责控制模型开发、系统对接、现场调试等。另外一名骨干是博士生林启勇，他毕业于材料加工工程专业，具体负责压下过程热力学行为模拟和压下率、压下效率理论计算模型研发。还有硕士生赵琦，他跟祭程一起承担程序的开发测试工作。就这样日复一日，年复一年，从工艺理论研究、控制模型开发、通讯测试平台搭建，直到一次次的冷调试、热调试，终于打通了技术与应用间的“最后一公里”，最终形成了具有自主知识产权的板坯连铸动态轻压下工艺控制模型和系统，替代了原有的奥钢联集团的过程控制管理系统，“轻压下”技术的效果得以充分显现，在当时的国内可以说算是一个创举。这项技术也获得了2017年冶金科技奖。中国金属学会名誉理事长殷瑞钰院士在第四届发展中国家连铸会议大会主旨报告“新世纪以来中国连铸的发展”中对此项工作给予了充分肯定。
“轻压下”技术的自主突破引发了国内研究者们的高度关注，无论是引进还是自行设计的连铸机都开始考虑此功能。2007年，团队又瞄准了攀枝花钢铁公司360mm×450mm国产大方坯连铸机，那是当时国内最大断面的方坯连铸机。这次带队攻关的还是祭程，此时的他已经留校任教。临行前一天他刚刚结束博士答辩，朱苗勇教授跟他聊到深夜，方坯与板坯的装备特点截然不同，不能躺在板坯的功劳簿上，要结合具体特点再接再厉，再下一城！
从2007年8月到2008年6月，团队以不破楼兰终不还的决心与勇气完成了方坯连铸动态轻压下集成技术的国产化研发与应用，首次实现了大方坯连铸工艺流程代替模铸工艺流程批量生产大规格列车车轴钢。2009年团队又以高碳钢为研究对象，继续为邢台钢铁公司的280mm×320mm国产大方坯连铸机开发并投运了动态轻压下工艺及系统，使邢台钢铁公司的轴承钢、弹簧钢、帘线钢的质量得到了较大幅度的提升。此后又陆续为国内的十余家企业优化了“轻压下”工艺，取得了良好的效果，获省部级科技奖5项。在攻关过程中同样锻炼培养的一批优秀毕业生，罗森完成了凝固末端压下区间工艺理论的完善拓展，后来也留在了团队，目前已成长为负责电磁冶金的技术骨干；马玉堂入职中国重型机械研究院，现已是设计总师；曹学谦入职中冶京诚工程技术公司，目前是连铸设计室主任；董长征现在是日照钢铁公司的连铸技术主管。正是这些求学阶段的宝贵经历，给他们奠定了迅速成长的基石。
站在“轻压下”技术的前沿，朱苗勇教授并没有停止思考与创新，他坚信科学的探索没有止境，只有结合实际才能迸发创新的源动力，只有不停地改进革新才能突破技术局限。实际上，进入新世纪后我国的经济发展与国家战略需求一直在升级调整，特厚板、大规格型/棒材产品的需求逐年上升，其大范围的使用在超大型基建、重载货运专线等国家重大工程，以及航母舰船、高铁动车等重大装备的关键承压、承重、耐磨部件制造，战略意义与经济价值显著。相应的，宽/大断面连铸机的数量也迅速增长，国内的宽厚板坯、大方坯、大圆坯的连铸生产线余条。随着断面的增宽加厚，一方面凝固条件恶化，铸坯偏析疏松愈加凸显，另一方面常规“轻压下”变形量已无法充分渗透至大断面连铸坯心部。鉴于此，朱苗勇教授大胆提出了增大凝固末端压下量，充分的利用铸坯“内热外冷”高达500℃的温差，实现大变形量向心部高效渗透以全方面提升大厚断面铸坯均质度与致密度的新想法。经过反复模拟分析与讨论，团队坚定了走下去的决心，并取名“重压下”技术。
然而，“重压下”是典型的“第一只螃蟹”，没有企业愿意尝试增加凝固末端变形量的风险，何况还有必要进行设备升级改造投资。为了让技术尽快落地，朱苗勇教授开始奔波于各种会议与各个企业，四处推荐这一新想法。有一次他意外得知攀钢要研发新一代长尺重载钢轨钢，他给攀枝花钢铁公司领导写了一封情真意切的信，详细汇报了重压下技术的原理，断言重压下是源头保证高强韧重载钢轨组织均质性的必备手段，并用自己的学术声誉为担保立下了不成功便成仁的军令状。顶着重重压力的朱苗勇教授再一次选择祭程担任攻关主力，他承载着老师的殷殷希望，带领着王卫领、吴晨辉、邓世民、姚军路等团队师生再次开赴攀枝花钢铁公司。技术推广伊始，由于企业技术力量薄弱，工业试验推动困难。为兼顾教学任务，祭程不得不连续往返东北与西南，无暇顾及年幼的女儿。从2015年起，为了推广并让企业认可“重压下”技术，朱苗勇教授带领团队在学校利用远程连线、数据追溯分析等先进的技术为一线小时支撑保障，祭程在现场全程跟进指挥协调，先后历经50余次试验，就在这样一次次的艰难磨砺中，“重压下”工艺理论研究、技术方案论证、装备设计、研发技术、现场应用步步推进，日趋成熟，不但在攀枝花钢铁公司保障了长尺重载钢轨钢的稳定批量生产，更在唐山钢铁公司实现了宽厚板坯连铸重压下的突破，在国际上首次实现轧制压缩比1.87:1条件下高端厚板/特厚板产品的高效低成本生产。目前“重压下”技术已在鞍山钢铁集团、宝武钢铁集团等重点钢企的12条生产线实现规模化的应用，并在韩国现代钢铁等国外企业推广，开辟了高端大厚规格钢材低轧制压缩比高效制备的新途径，实现了我国连铸重大关键技术的自主创新，由跟跑、并跑向领跑的转变。目前凝固末端重压下已成为新建宽厚板坯、大方坯的标配/优选技术，此项成果获得2020年度国家科学技术进步二等奖。
除要求连铸坯内部的高均质致密外，其高表面上的质量也是连铸生产的另一重要难题。近年来，随着钢材服役环境日益苛刻，对以高强、高韧、耐腐蚀、易焊接等为特点的高端钢材需求量逐年增加，国内外各大企业先后开发出添加铌、钒、钛等元素的低合金钢（亦称微合金钢），大范围的应用于能源石化、交通运输、海洋工程、国防军工等领域，占到了全球钢产量的15%。我国的微合金钢年产量达1.2亿吨，其中超过98%由连铸方式生产。然而，在该类钢的实际连铸生产中，铸坯高发角部横裂纹缺陷，同时由连铸机生产出的高温铸坯由辊道热送至加热炉加热的阶段，铸坯宽面高发热送裂纹。钢铁企业往往需要将产生角部裂纹的铸坯下线进行角部火焰清理或切除，对易产生热送裂纹的铸坯下线℃以下再装炉加热，由此造成了巨大的能源浪费，并大幅度的增加环境压力和工人清理强度。可以说，微合金钢连铸坯高发角横裂纹与表面热送裂纹缺陷已成为制约钢铁行业微合金钢高质、高效、绿色、低成本生产的共性技术难题。
为了攻克该行业世界性难题，朱苗勇教授最早从2008年开始布局。基于他敏锐的视角，他认为造成微合金钢角横裂纹高发的最终的原因由于连铸结晶器内初始凝固坯壳质量不佳造成的。为了验证该观点，他安排了刚入学的博士生蔡兆镇开展了连铸板坯在结晶器凝固的热/力学行为研究。这个课题国内外前期已开展了大量研究。但朱苗勇教授认为，传统的结晶器内坯壳凝固热/力学研究忽略了一个重要的事实，那就是影响坯壳传热均匀性和效率的关键—保护渣膜和气隙多假设为定值或沿结晶器高度方向线性变化，而实际绝非如此！这些现象描述，采用常规模型及计算软件根本没办法实现。“如果还是采用常规商业软件开展这方面计算，肯定行不通！必须自己开发计算程序。”朱苗勇教授对蔡兆镇就是这么要求的。
为此，蔡兆镇立足于梅山钢铁公司等企业的板坯连铸生产实际，开始了几近全年无休的研究。遇到没有办法解决的难题就跨学院请教，在论坛发帖子求助，通过近三年的不懈努力，终于在2010年下半年成功构建出了可定量揭示结晶器内保护渣膜与气隙定量分布的坯壳动态凝固热/力学行为计算模型，首次定量描述了保护渣与气隙的动态分布行为。正是有了该理论研究突破，定量证实了朱苗勇教授结晶器内坯壳凝固质量不佳造成铸坯角部凝固组织缺陷根源的认识，发现了传统结晶器中下部角部冷却速度不足是造成角部组织晶粒粗大与碳氮化物集中析出而引发其高温塑性不足的裂纹最终的原因。基于该认识，朱苗勇教授率领团队先后开发形成了适用薄板坯、中薄板坯、常规板坯以及宽厚板坯与特厚板坯连铸生产的角部高效传热结晶器，并开展了长达近5年的实践、推广、完善，最终实现了多家企业上线推广。在此基础上，进一步结合多种微合金钢种的特点，围绕碳氮化物析出温度低的特点，团队开发出了微合金钢铸坯角部组织晶粒细化控冷工艺与装备技术，较圆满地解决了全系列微合金钢连铸坯角部开裂的难题。目前，这些技术已在国内宝武钢铁集团、鞍山钢铁集团、河钢集团公司以及韩国现代钢铁等各大钢铁企业推广应用。
有了微合金钢角部横裂纹解决的理论与经验，微合金钢板坯表面热送裂纹解决起来就显得相对容易了。此时的蔡兆镇已在行业里小有名气，被王国栋院士等专家称为“裂纹克星”。但朱苗勇教授看得更远，他向蔡兆镇提出了新要求，要以点带面，以轧制需求为导向，实现微合金钢表面裂纹的全面控制。自2017年，蔡兆镇继续俯下身子，埋头一线年时间的攻关，研究确立了微合金钢板坯热送裂纹的产生机理，创新提出了连铸凝固末端高温全连续淬火高塑化根治宽厚板坯表面热送裂纹的新思想，并确定了新型微合金钢连铸板坯表面超强全连续淬火最佳工艺参数。在此基础上，首创扇形段一体化超强连续淬火工艺与装备技术，保障了微合金钢连铸坯以580～620℃表面温度超高温连续热送生产，开拓了铸/轧界面衔接新模式。目前，上述技术已获得省部级科学技术一等奖2项。
正是数十年如一日的坚持与努力，朱苗勇教授团队声名远播，高效连铸也已成为了东北大学的一张亮眼名片。朱苗勇教授连续入选“爱思唯尔”高被引学者，先后荣获了魏寿昆科技教育奖青年奖、宝钢优秀教师特等奖、全国五一劳动奖章、全国创新争先奖，他的学生祭程、蔡兆镇入选国家级人才项目，邓志银、王卫领获冶金院长奖等，毕业生马玉堂、于海岐、张胜军等早已成为鞍山钢铁集团、宝武钢铁集团等行业有突出贡献的公司的技术骨干。站在荣誉面前的朱苗勇教授经常谦虚地说，我的小小成绩都是源自我的团队，我的团队和学生才是我最大的骄傲。而团队的年轻人们却说，是朱老师的言传身教无时无刻地激励着、鞭策着、引领着我们。今天，慢慢的变多的年轻人正追随着老师们的脚步前行，一批批的毕业生进入钢铁企业、设计院所、高等院校，他们一棒接着一棒地传递着团队求真务实、开拓进取的精神，在各自的岗位上为冶金行业贡献更多的力量。（杨明）
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