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汽车板钢中非金属夹杂物控制关键技术

汽车板要求优异的深冲性能，主要是 IF 钢，也称超低碳钢，在汽车工业中得到了广泛应用。对于 IF 钢，要获得成品钢材的高延展性、高塑性应变比以及优良的表面性能，要求钢中 C、N、O 含量尽可能低。由于铝具备强脱氧能力，IF钢生产过程采用Al 脱氧，在很短时间内钢中溶解氧即可以降低到 1×10-6 ~3×10 -6 ，同时生成 Al 2 O 3 夹杂。目前 IF 钢生产过程遇到的与夹杂物有关的问题主要包括：（1）钢水可浇性差，易发生浸入式水口堵塞；（2）由铸坯内大型夹杂物引起的冷轧薄板表面长条线状缺陷等。其中针对可浇性问题，主要是要尽可能地减少夹杂物的生成并促进夹杂物的去除，针对表面缺陷问题，主要是促进夹杂物在结晶器内的上浮去除，减少夹杂物被凝固坯壳捕捉。因此，开发了汽车板中非金属夹杂物控制关键技术，为提升国内钢铁企业汽车板的生产效率和产品质量做出了贡献。（1）RH 精炼能力提升技术。RH 真空精炼是汽车板钢中非金属夹杂物去除的主要场所，RH 精炼能力的提升有利于增加夹杂物的去除效率。而 RH 循环流量的增加是提升其精炼能力的主要手段。以往的研究主要集中于增大提升气体流量或者增大真空度来增加 RH 循环流量，但能够实现的增幅有限。本项目创造性地设计了一种圆形上升管-椭圆下降管的 RH 新型真空槽装置，并应用于企业生产实践。将RH 反应器的下降管替换为椭圆形，在不必增加钢包内径的前提下增大了下降管的截面积，起到增大循环流量并延长钢包使用寿命的效果。该技术可解决 RH 精炼效率提升的瓶颈问题，能够大幅提升 RH 真空精炼的效率和能力。图 1 所示的工业试验结果显示了采用此技术时夹杂物最少。（2）超低碳钢铸坯表层凝固钩预测和控制技术。以往对汽车板钢浇铸过程凝固坯壳对夹杂物的捕获现象研究较少，而通过研究发现浇铸过程钢中夹杂物和气泡容易被铸坯表层凝固钩结构所捕获。凝固钩是在结晶器内弯月面凝固后形成的结构，该结构向结晶器内部延伸，很容易捕获结晶器内上浮的气泡和夹杂物，从而引起铸坯的表层缺陷。尤其是超低碳钢凝固过程中的糊状区较窄，更容易形成大尺寸的凝固钩结构，因此对超低碳钢铸坯表层的凝固钩结构的控制尤为重要。本项目通过对不同浇铸参数下的铸坯凝固钩进行对比，研究了不同浇铸参数对凝固钩深度的影响，并通过建立结晶器初始凝固模型，开发了超低碳钢铸坯表层凝固钩的预测和控制技术。通过该技术的实施可以实现不同浇铸工艺条件下凝固钩深度和长度的预测，并采取针对性的措施对其进行控制。一方面有利于预测汽车板铸坯的扒皮深度，另一方面通过控制措施（较高拉速、较高浇铸温度和较低的结晶器一冷水流量、采用电磁制动等）的实施有效减小凝固钩的尺寸，如图 2 实施，减少其对大尺寸夹杂物和气泡的捕获，从而提升汽车板表面质量。（3）超低碳钢连铸一冷优化模型。结晶器是连铸机的心脏，具有极高的冷却效率。结晶器内的钢液流动和冷却速率对结晶器内的凝固坯壳生产和夹杂物的运动、去除和捕获具有重要影响，尤其是对超低碳钢铸坯表层凝固钩尺寸及其对夹杂物和气泡的捕获影响显著。本项目对超低碳钢连铸一冷优化模型进行了开发。首先建立结晶器内的流动及坯壳凝固模型，综合考虑了结晶器内钢液的流动、钢液及坯壳的传热、坯壳与铜板间的缝隙传热、铜板及冷却水的传热。模型首先通过Fluent 软件进行结晶器内的流场和温度场模拟，然后将得到的固相线处的热流密度导出，作为凝固模型的参数输入到凝固模型中进行计算。运用模型对结晶器的传热进行了计算，模拟了一系列结晶器宽度、拉速及浇铸过热度的结果，并将计算的结晶器水流量进行综合统计，得到了适合现场调水的临界水流量水表。在模型计算过程中，模型不但考虑了钢液流动、钢液及坯壳的传热、缝隙传热、铜板及冷却水传热，还对冷却水核沸等额外瞬间增大的热阻的现象进行了警示。图3 所示为模型计算得到的不同拉速、结晶器宽度下的临界水流量，能够为超低碳钢浇铸过程结晶器一冷水量优化提供指导，一冷水并不是越大越好，在保证安全的情况下适当地降低一冷水量能够有效减小凝固钩尺寸和铸坯表层夹杂物的数量。

北京科技大学 2021-04-13