科技新進展：高表面質量汽車板連鑄關鍵技術研究及應用

一、研究的背景與問題

隨著中國汽車行業的快速發展，對高表面質量汽車鋼板的需求量日益增加，高表面質量汽車板鋼質缺陷控制能力代表了鋼鐵公司煉鋼連鑄制造能力和質量控制水平。立項前2013年寶鋼高表面質量汽車板鋼質缺陷率對標國際先進鋼企存在很大差距，為了提高連鑄工序穩定制造和品質保證綜合技術能力，迫切需要從缺陷機理、關鍵工藝、關鍵裝備、關鍵輔材等方面開展了系統研究，提升汽車板產品的的核心競爭力。

1.連鑄工序穩定生產和品質保證能力需持續提升

高表面質量汽車板鋼質缺陷控制最為關鍵的是夾渣和氣泡缺陷的控制，結晶器鋼水液面波動是影響保護渣卷入最為關鍵的因素之一，立項前寶鋼連鑄機結晶器液面控制精度遠遠無法滿足高品質汽車板質量控制的要求，隨著市場及用戶對汽車板質量要求越來越高，現場結晶器周圍相關設備老化，連鑄機結晶器液面波動問題越來越突出，其主要表現為液面波動合格率低，特別是在結晶器電磁攪拌投入運行時，對液面檢測信號干擾大，嚴重影響結晶器液面的穩定控制，同時不同的液面計狀態條件下結晶器液面控制的穩定性也有很大差異。另外鋼水純凈度的波動也會加劇液面控制的難度，特別是在中間包連澆后期，導致大量板坯異常下線，改鋼降級，板坯合格率低，熱送率低。

2.汽車板連鑄過程水口結瘤嚴重影響生產順行和產品質量

汽車板連鑄過程中塞棒、水口結瘤是影響澆注穩定順行的重大難題，耐材結瘤不僅會影響中間包連澆爐數，成本上升，同時結瘤物的脫落導致鋼中夾雜缺陷增加，鋼水純凈度下降，嚴重影響汽車板產品質量。為緩解結瘤問題，被迫加大吹氬流量，由此又帶來氣泡缺陷增多。

3.寶鋼汽車外板鋼質缺陷率與進口材料尚有一定差距

寶鋼汽車外板鋼質缺陷率相對于進口材料還有較大差距，立項前寶鋼供合資公司高等級外板鋼質缺陷發生率為10%以上，是進口材料同期的2倍。

二、解決問題的思路與技術方案

寶鋼歷經近8年的技術攻關，由工藝、設備、耐材等專業資深技術人員組成汽車板質量攻關團隊，各專業技術人員有效協同，并依托寶鋼研究院相關研發手段，同時引入外部研發資源，形成項目團隊核心研發能力。針對本項目涉及的難點痛點問題進行攻關，從缺陷機理、關鍵工藝、關鍵裝備、關鍵輔材等方面開展研究，形成了具有自主知識產權的高表面質量汽車板連鑄成套關鍵技術。主要思路和技術方案：

1.汽車板鋼質缺陷分析和形成機理解析。

通過對汽車板冷軋板上缺陷和連鑄坯上的缺陷進行微觀分析，確定缺陷類型主要為三氧化二鋁、保護渣和氣泡。

圖1 冷軋板缺陷解析

針對夾雜物氣泡在鑄坯皮下位置分布規律研究，夾雜氣泡在皮下6mm厚度范圍內密度較高。

根據冷軋板缺陷和鑄坯缺陷機理的解析，技術措施主要聚焦于三氧化二鋁、保護渣和氣泡缺陷的控制。

2.率先突破了汽車板結晶器液面穩定控制技術，有效防止液面卷渣。核心技術包括: 干擾源信號頻率的屏蔽、硬件方面液位計的安裝固定優化、電纜的布局優化，濾波軟件開發、電磁攪拌電源變頻器的設計參數優化。通過監控軟件發現VUHZ液面放大器接受到的振動信號與結晶器實際發出的有差異，偏差的存在和振動信號的失真將會使液面檢測放大器在過濾振動波時受到影響，從而影響到液面合格率。

解決了結晶器電磁攪拌與VUHZ結晶器液位計組合應用的世界難題，大幅改善汽車板鋼種液面的穩定性。

3.首次成功開發汽車板澆注抑制浸入式水口結瘤關鍵裝備和工藝技術。開發了氮氬混合氣體成套控制裝置，在連鑄塞棒頭吹入部分氮氣代替部分氬氣，實現小氬氣流量下澆注浸入式水口不堵塞，同時降低了鑄坯氣泡缺陷?，F場運用顯著液面波動疵點數從5.5次/爐降低到2.5次/爐，降幅50%以上，熱軋夾雜和氣泡封鎖率從4.05%降低到3.34%。

4.成功開發運用新型環縫式塞棒吹氬技術。采用環縫吹氬技術，在塞棒頭部預埋帶有環縫的透氣塞形成氬氣出口，用以取代傳統的單孔吹氬模式，環縫吹氬使氣泡在鋼流中分布均勻，大幅度改善了傳統單孔式塞棒棒頭易結瘤堵塞的問題，如圖2所示。

圖2  塞棒頭的設計左：單孔吹氬，右：環縫吹氬

5.設計新型浸入式水口結構和材質。解析不同斷面條件下缺陷的特征和機理，小斷面主要是因為水口和窄斷面的距離太近，側孔出流帶著氣泡夾雜直接沖擊到窄邊，形成較強的上下回流，上回流太強造成卷渣，下回流太強會將氣泡和夾雜帶到結晶器更深處。如圖3所示。通過水口結構優化改善結晶中鋼水上下回流的強度，優化了浸入式水口結構，鋼質缺陷率降幅50%。

圖3 不同斷面流場模擬

為緩解水口堵塞問題，浸入式水口內襯采用無碳材質，且材質密實、表面平滑，對減少氧化鋁等夾雜物的堆積起到積極地作用。

6.優化控流方式抑制結晶器偏流。在塞棒控流條件下，浸入式水口出口處的負壓分布區域較小。而在滑板開度為80%的控流方式下，在側孔出口處負壓區域增大，有可能引彎月面的擾動，甚至會吸入空氣，污染鋼液。如圖產4所示。另外從側孔的截面上靜壓分布還可以了解到，在有控流時，側孔出口處的靜壓分布不均勻，滑板側滑一側的壓力較大。

圖4浸入式水口的側截面上流場分布（拉速1.4m/min）

7.首次開發汽車板開展機清+板坯上下表面肋部修磨技術替代手清。肋部修磨即單邊邊部0～400mm，修磨示意圖如圖5。顯著提高了汽車板鑄坯質量，汽車板坯熱送率提高10個百分點。

圖5鑄坯肋部修磨示意圖

三、主要創新性成果

1、率先突破了汽車板結晶器液面穩定控制技術。核心技術包括: 干擾源信號頻率的屏蔽、硬件方面液位計的安裝固定優化、電纜的布局優化，濾波軟件開發、VUHZ液位計工作頻率優化、電磁攪拌電源變頻器的設計參數優化。解決了結晶器電磁攪拌與VUHZ結晶器液位計組合應用的世界難題，大幅改善汽車板鋼種液面的穩定性。

2、首次成功開發汽車板澆注抑制浸入式水口結瘤關鍵裝備和工藝技術。開發了氮氬混合氣體成套控制裝置，在連鑄塞棒頭吹入部分氮氣代替部分氬氣，實現小氬氣流量下澆注浸入式水口不堵塞，同時降低了鑄坯氣泡缺陷。成功開發運用環縫式塞棒吹氬技術，環縫吹氬使氣泡在鋼流中分布均勻，大幅度改善了傳統單孔式塞棒棒頭易結瘤堵塞的問題?，F場運用顯著液面波動疵點數從5.5次/爐降低到2.5次/爐，降幅50%以上；

3、首次開發汽車板開展機清+板坯上下表面肋部修磨技術替代手清。顯著提高汽車板鑄坯質量，汽車板坯熱送率提高10個百分點；成功開發噴印絲由銅合金改為鋁合金關鍵技術，完全解決了板坯頭部龜裂問題；

4、成功確立了高表面汽車板連鑄關鍵工藝、設備、輔材等大生產全面質量管控技術。顯著提升了連鑄工序穩定制造和品質保證得綜合能力，大幅改善了汽車板冷軋工序鋼質缺陷率，寶鋼汽車外板達到進口鋼板的質量水平。

該成果編制關鍵工藝技術相關CP成套技術管理文件10多件，形成專利13項，技術秘密20項，發表科技論文13篇，項目成果在寶鋼股份推廣應用，每年替代進口的高表面汽車板10萬噸，直接經濟效益2.05億元，實現了高表面汽車板連鑄關鍵技術的重大突破；

四、應用情況與效果

隨著汽車行業對高表面質量汽車板要求日益嚴苛，同時行業內同質化競爭加劇，對寶鋼汽車板質量提升提出迫切需求。近年來寶鋼股份煉鋼工序圍繞連鑄穩定制造能力、連鑄功能性耐材技術、連鑄板坯品質保證能力等方面開展了一系列科研開發工作， 通過高表面質量汽車板連鑄關鍵技術研究及應用，確立了高表面質量汽車板連鑄成套關鍵技術，顯著提升了連鑄工藝、設備、耐材綜合技術水平，有效提升了連鑄工序穩定制造和品質保證綜合能力，大幅改善了冷軋工序鋼質缺陷發生率，寶鋼外板與進口外板缺陷率持續縮小，質量控制達到國際先進水平,寶鋼供合資公司汽車外板的比例由61.9%提升至78.3%，如圖6所示，社會經濟效益顯著，有力支撐我國汽車工業發展。

圖6 寶鋼供合資公司汽車外板比例

信息來源:寶山鋼鐵股份公司