完成人
白 云、常 海、柴 鋒、苗丕峰、孫憲進、張 建、陳衛(wèi)強、劉觀猷、代宗嶺、葉建軍、師仲然、蘇 洸、李經(jīng)濤、徐國慶、寧康康
完成單位
江陰興澄特種鋼鐵有限公司、中冶京誠工程技術(shù)有限公司、鋼鐵研究總院有限公司
項目背景與意義
超大規(guī)格高品質(zhì)能源用鋼板作為“大國重器”制造必需的高端材料，其制造工藝技術(shù)先進性，是推動能源裝備制造國際化、保障國家能源安全、實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”的關(guān)鍵。長期以來，要求心部韌性的超大規(guī)格鋼板（厚度≥120mm或單重≥28噸）主要采用模鑄生產(chǎn)，效率低、能耗大、成本高。與模鑄相比，連鑄具有機時產(chǎn)量高、軋鋼成材率高、加熱時間短、燃氣消耗低、生產(chǎn)周期短的優(yōu)點。因此，國內(nèi)外鋼鐵企業(yè)一直致力于連鑄代替模鑄工藝技術(shù)的開發(fā)。但是，該技術(shù)長期躑躅不前，關(guān)鍵裝備、核心技術(shù)和代表性產(chǎn)品研發(fā)亟待突破，存在三大難題：
1、450mm×2600mm斷面高均質(zhì)直弧型特厚連鑄坯制造裝備與技術(shù)尚無先例。項目開展前，國際上僅迪林根采用立彎式連鑄機生產(chǎn)450mm厚度連鑄坯，極限寬度僅為2200mm。國內(nèi)當(dāng)時能夠生產(chǎn)的連鑄坯最大厚度僅400mm，為直弧型連鑄機生產(chǎn)。由于內(nèi)部和表面質(zhì)量問題，據(jù)此生產(chǎn)的100mm以上厚度鋼板的心部性能難以保證。相較于立彎式連鑄機，直弧型板坯連鑄機投資小、生產(chǎn)效率高，但連鑄坯表面和內(nèi)部質(zhì)量控制方面技術(shù)難度更大。項目開展前450mm×2600mm斷面的直弧型連鑄裝備和制造技術(shù)在國際上仍處于空白，存在諸多重大技術(shù)難題。
2、采用450mm直弧型連鑄坯生產(chǎn)保證心部韌性的超大規(guī)格能源用鋼板的低壓縮比組織性能定量調(diào)控技術(shù)處于空白狀態(tài)。當(dāng)采用鋼錠或電渣錠生產(chǎn)超大規(guī)格能源用鋼時，壓縮比普遍在4以上，可有效解決心部變形滲透差、晶粒粗大的技術(shù)難題；但采用連鑄坯生產(chǎn)時，壓縮比顯著降低，心部變形滲透差、晶粒容易粗大，心部缺陷不易彌合，鋼板性能穩(wěn)定性差。采用特厚連鑄坯生產(chǎn)超厚鋼板的低壓縮比技術(shù)仍處于定性探索階段，針對450mm厚度直弧型連鑄坯的低壓縮比高心部韌性超大規(guī)格鋼板組織性能定量調(diào)控技術(shù)處于空白。
3、用直弧形連鑄代替模鑄或電渣錠生產(chǎn)超大規(guī)格海工、容器鋼板的產(chǎn)品研發(fā)和推廣應(yīng)用尚無先例。項目開展前，海工裝備、壓力容器等領(lǐng)域的超大規(guī)格能源用鋼板均采用模鑄或電渣錠生產(chǎn)，用直弧形特厚連鑄坯生產(chǎn)保證心部韌性的超大規(guī)格能源用鋼板的產(chǎn)品研發(fā)仍處于空白狀態(tài)，需要從成分設(shè)計、關(guān)鍵生產(chǎn)工藝技術(shù)、用戶應(yīng)用技術(shù)以及產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用等方面進行全流程研發(fā)。
興澄特鋼聯(lián)合中冶京誠工程技術(shù)有限公司和鋼鐵研究總院，通過“關(guān)鍵裝備+核心技術(shù)+系列產(chǎn)品”系統(tǒng)攻關(guān)，開發(fā)出450mm厚度直弧形板坯連鑄裝備與工藝技術(shù)、特厚鋼板心部組織性能調(diào)控共性關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)了六大類超大規(guī)格高品質(zhì)海工及壓力容器用鋼板并實現(xiàn)推廣應(yīng)用。本項目系統(tǒng)完成了直弧形連鑄工藝生產(chǎn)超大規(guī)格高品質(zhì)能源用鋼理論研究、工藝技術(shù)開發(fā)和代表性產(chǎn)品研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。提升了企業(yè)產(chǎn)品競爭力的同時，推動了我國高性能特厚鋼板冶金裝備、生產(chǎn)技術(shù)的整體進步，提升了我國在高端裝備制造領(lǐng)域的綜合競爭力。
技術(shù)路線與解決方案
1、技術(shù)路線
本項目依托江蘇省科技成果轉(zhuǎn)化專項，通過“關(guān)鍵裝備—核心技術(shù)—系列產(chǎn)品研發(fā)”全鏈條自主創(chuàng)新，實現(xiàn)連鑄代替模鑄制造超大規(guī)格高品質(zhì)能源用鋼的短流程、低能耗、低成本的新型生產(chǎn)工藝的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。總體思路如下：
2、解決方案
（1）450mm厚直弧形特厚板坯連鑄機關(guān)鍵裝備及關(guān)鍵工藝的開發(fā)：
450mm厚直弧型連鑄機具有生產(chǎn)效率高、投資小的優(yōu)點，但是鑄坯表面與心部質(zhì)量難以同時保證。主要難點有：①特厚板坯凝固角部過冷傾向大，彎曲和矯直過程極易產(chǎn)生內(nèi)部和表面裂紋。②特厚板坯連鑄厚度方向凝固收縮大，凝固終點長、凝固糊狀區(qū)寬，中心偏析和中心疏松嚴(yán)重。③特厚板坯結(jié)晶器、大壓下扇形段等裝備技術(shù)空白，需進行創(chuàng)新研發(fā)。
本項目針對特厚板坯連鑄變形抗力大和極易出現(xiàn)表面裂紋難題，開發(fā)出大斷面小曲率半徑、高溫低應(yīng)變連續(xù)矯直輥列技術(shù)，創(chuàng)11m基本弧半徑生產(chǎn)最大厚度450mm厚鑄坯的行業(yè)紀(jì)錄，實現(xiàn)了密排輥設(shè)計，有效地控制了鑄坯的鼓肚變形，為生產(chǎn)無內(nèi)部和表面質(zhì)量缺陷特厚板坯提供有力保障。針對特厚板坯凝固角部過冷傾向大極易在彎曲和矯直過程中產(chǎn)生表面裂紋難題，以及厚板坯中心質(zhì)量差的技術(shù)難題，開發(fā)出特厚坯凝固進程和高均勻性表面溫度控制技術(shù)、“超弱二冷控制技術(shù)”及連鑄動態(tài)二冷配水模型，“凝固末端輕+大壓下”組合壓下等核心工藝技術(shù)，有效控制鑄坯縱向冷卻速度、回溫及橫向溫度均勻性，解決了特厚連鑄坯表面質(zhì)量差、心部質(zhì)量波動大的技術(shù)難題。圍繞直弧型超大斷面連鑄機的特殊特性，結(jié)合連鑄工藝和質(zhì)量保障要求，開發(fā)出專有的高剛度均勻冷卻結(jié)晶器、高精度非正弦結(jié)晶器液壓振動、“三高”（即：高強度、高剛度、高精度）大壓下扇形段等專有特厚板坯連鑄裝備，實現(xiàn)了高均質(zhì)、無缺陷特厚連鑄坯的高效穩(wěn)定生產(chǎn)。
（2）超大規(guī)格鋼板低壓縮比高韌性心部組織性能調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)：
采用450mm直弧型連鑄代替模鑄生產(chǎn)超大規(guī)格高品質(zhì)能源用鋼時，其總體壓縮比遠小于模鑄鋼錠，主要難點有：①鋼板總壓縮比降低，質(zhì)量不均勻性增大，心部性能明顯下降；②厚度截面變形滲透差，心部組織性能調(diào)控難度大；③超長規(guī)格鋼板頭尾組織和性能均勻性差異大。本項目定量化、模型化研究了低碳當(dāng)量條件下高淬透性復(fù)合合金化成分設(shè)計方法，確定特厚高性能鋼板成分設(shè)計體系；研究了軋制速率/壓下量/軋制溫度/坯料尺寸對特厚板組織與性能的影響，以及差溫軋制對心部組織細化的效果及可行性；研究了奧氏體化工藝對特厚鋼板組織與性能的影響規(guī)律，揭示影響高性能特厚鋼板厚度中心低溫韌性調(diào)控的物理冶金學(xué)原理及主要控制因素；研究了超長規(guī)格鋼板熱處理時爐溫加熱模型，完成了連鑄坯代替鋼錠或電渣錠生產(chǎn)超大規(guī)格能源用鋼板的低壓縮比高韌性組織性能定量調(diào)控技術(shù)開發(fā)，突破了用連鑄坯生產(chǎn)要求心部性能特厚板時的壓縮比限制，解決了壓縮比小、變形滲透差、心部韌性差的難題，實現(xiàn)了180mm厚海工鋼F690級壓縮比2.5，-60℃心部夏比沖擊功≥100J；200mm厚加氫反應(yīng)器用鋼12Cr2Mo1R壓縮比2.25，-30℃心部夏比沖擊功≥200J。
（3）超大規(guī)格低溫高韌性海洋工程用鋼板和高品質(zhì)壓力容器用鋼板的開發(fā)：
本項目針對海工及壓力容器用能源鋼板的特殊需求，利用連鑄代替模鑄或電渣錠工藝，在國際上率先采用直弧型連鑄板坯開發(fā)出-60℃條件下使用的180mm厚低碳當(dāng)量高韌性特厚F690海工鋼板，其中150mm厚度F690實現(xiàn)批量工業(yè)化應(yīng)用；采用直弧型連鑄坯在國際上率先開發(fā)出厚度達155mm、要求-60℃沖擊性能的FH36海上風(fēng)電安裝平臺用鋼板，并批量應(yīng)用在N966自升式風(fēng)電安裝平臺、三峽廣東浮式海上風(fēng)電（中國首個浮式發(fā)電示范性項目）等海上風(fēng)電項目，填補了國內(nèi)空白。采用連鑄工藝開發(fā)出最大厚度200mm的加氫反應(yīng)器用鋼、142mm厚LPG儲罐用鋼、150mm厚低溫壓力容器用鋼、150mm厚氣化爐用鋼等4大類產(chǎn)品，并廣泛應(yīng)用于中石油、中石化、中海油、BP、Saudi Aramco、馬來西亞石油等國內(nèi)外知名石化企業(yè)的重點裝備制造，制造工藝達到國際領(lǐng)先水平，深受用戶歡迎。
主要創(chuàng)新性成果
本項目針對高品質(zhì)要求特別是心部性能要求的超大規(guī)格能源用鋼板，通過“關(guān)鍵裝備+核心技術(shù)+系列產(chǎn)品”的全流程創(chuàng)新，完成了直弧型板坯連鑄代替模鑄鋼錠工藝生產(chǎn)超大規(guī)格高品質(zhì)能源用鋼的高效低耗制造技術(shù)創(chuàng)新及應(yīng)用，整體達到國際領(lǐng)先水平，主要創(chuàng)新成果如下：
1、首創(chuàng)世界最大規(guī)格450mm×2600mm直弧型連鑄成套裝備和工藝技術(shù)。
開發(fā)出該工藝條件下大斷面小曲率半徑、高溫低應(yīng)變連續(xù)矯直輥列技術(shù)、特厚連鑄坯的凝固進程和表面溫度控制技術(shù)、超弱二冷設(shè)計及動態(tài)控制技術(shù)、高溫低應(yīng)變連續(xù)矯直技術(shù)、特厚板坯輕+大壓下組合壓下等系列核心技術(shù)，開發(fā)了獨有的特厚板坯連鑄高剛度均勻冷卻結(jié)晶器、非正弦結(jié)晶器液壓振動、“三高”大壓下扇形段等關(guān)鍵設(shè)備，解決了特厚板坯連鑄表面裂紋及中心疏松等難題。鑄坯中心偏析C類占比達到91%，中心疏松0.5級占比98.5%，表面裂紋率0.3%。
2、開發(fā)出適用于450mm直弧型連鑄坯的行業(yè)最小壓縮比并保證心部低溫韌性的組織性能定量調(diào)控技術(shù)。
通過定量化研究成分、軋制及熱處理工藝對低壓縮比條件下心部組織性能的影響，開發(fā)出行業(yè)最小壓縮比并保證心部性能的調(diào)控工藝技術(shù)，精確指導(dǎo)了450mm直弧型連鑄坯生產(chǎn)特厚板時的心部組織性能調(diào)控工藝設(shè)計，解決了壓縮比小、變形滲透差、心部性能不穩(wěn)定的難題，實現(xiàn)了180mm厚海工鋼F690級壓縮比2.5，-60℃心部夏比沖擊功≥100J；200mm厚加氫反應(yīng)器用鋼12Cr2Mo1R壓縮比2.25，-30℃心部夏比沖擊功≥200J。
3、采用直弧型連鑄坯，率先完成了同類工藝國際最大厚度142-200mm的高心部質(zhì)量系列能源用鋼板的產(chǎn)品研發(fā)和推廣應(yīng)用。
采用直弧型連鑄板坯，在國際上率先完成了155-180mm厚的F級系列高韌性海工鋼板（F690、FH36）、142-200mm厚系列壓力容器用鋼板（12Cr2Mo1R、SA537CL2、09MnNiDR、14Cr1MoR）的產(chǎn)品研發(fā)和推廣應(yīng)用。與傳統(tǒng)模鑄工藝相比（F690為例），本項目連鑄工藝機時產(chǎn)量提升12倍、成材率提升18%、加熱時間縮短75%、燃氣消耗減少76%、制造成本節(jié)約3200元/噸，生產(chǎn)周期縮短1/3，實現(xiàn)了高效低耗工藝創(chuàng)新及應(yīng)用。
推廣應(yīng)用與效果
本項目獲專利授權(quán)45件（其中發(fā)明38件，日本專利1件），國家標(biāo)準(zhǔn)5項，論文22篇。連鑄裝備推廣4家，市場占有率80%。近三年生產(chǎn)超大規(guī)格能源用鋼板近百萬噸，新增產(chǎn)值74.26億元。壓力容器用鋼板綜合排名第一，高心部質(zhì)量特厚F690級海工鋼板國內(nèi)唯一批量供應(yīng)國際知名企業(yè)HUISMAN，155mm厚FH36在國內(nèi)首次批量應(yīng)用，填補國內(nèi)空白，經(jīng)濟社會效益顯著。經(jīng)中鋼協(xié)組織的院士及知名專家評價：項目總體達到了國際領(lǐng)先水平。在國際上開創(chuàng)了用直弧型特厚連鑄坯生產(chǎn)超大規(guī)格高品質(zhì)能源用鋼板的先河。
