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冶金科技奖一等奖 | 装备、工艺、产品国际领先!兴澄特钢超大规格高品质能源用钢板高效低耗制造技术创新及应用

浏览数量: 0     作者: dagang     发布时间: 2022-09-05      来源: 中国钢铁新闻网

完成人

白 云、常 海、柴 锋、苗丕峰、孙宪进、张 建、陈卫强、刘观猷、代宗岭、叶建军、师仲然、苏 洸、李经涛、徐国庆、宁康康

完成单位

江阴兴澄特种钢铁有限公司、中冶京诚工程技术有限公司、钢铁研究总院有限公司

项目背景与意义

超大规格高品质能源用钢板作为“大国重器”制造必需的高端材料,其制造工艺技术先进性,是推动能源装备制造国际化、保障国家能源安全、实现“碳达峰、碳中和”的关键。长期以来,要求心部韧性的超大规格钢板(厚度≥120mm或单重≥28吨)主要采用模铸生产,效率低、能耗大、成本高。与模铸相比,连铸具有机时产量高、轧钢成材率高、加热时间短、燃气消耗低、生产周期短的优点。因此,国内外钢铁企业一直致力于连铸代替模铸工艺技术的开发。但是,该技术长期踯躅不前,关键装备、核心技术和代表性产品研发亟待突破,存在三大难题:

1、450mm×2600mm断面高均质直弧型特厚连铸坯制造装备与技术尚无先例。项目开展前,国际上仅迪林根采用立弯式连铸机生产450mm厚度连铸坯,极限宽度仅为2200mm。国内当时能够生产的连铸坯最大厚度仅400mm,为直弧型连铸机生产。由于内部和表面质量问题,据此生产的100mm以上厚度钢板的心部性能难以保证。相较于立弯式连铸机,直弧型板坯连铸机投资小、生产效率高,但连铸坯表面和内部质量控制方面技术难度更大。项目开展前450mm×2600mm断面的直弧型连铸装备和制造技术在国际上仍处于空白,存在诸多重大技术难题。

2、采用450mm直弧型连铸坯生产保证心部韧性的超大规格能源用钢板的低压缩比组织性能定量调控技术处于空白状态。当采用钢锭或电渣锭生产超大规格能源用钢时,压缩比普遍在4以上,可有效解决心部变形渗透差、晶粒粗大的技术难题;但采用连铸坯生产时,压缩比显著降低,心部变形渗透差、晶粒容易粗大,心部缺陷不易弥合,钢板性能稳定性差。采用特厚连铸坯生产超厚钢板的低压缩比技术仍处于定性探索阶段,针对450mm厚度直弧型连铸坯的低压缩比高心部韧性超大规格钢板组织性能定量调控技术处于空白。

3、用直弧形连铸代替模铸或电渣锭生产超大规格海工、容器钢板的产品研发和推广应用尚无先例。项目开展前,海工装备、压力容器等领域的超大规格能源用钢板均采用模铸或电渣锭生产,用直弧形特厚连铸坯生产保证心部韧性的超大规格能源用钢板的产品研发仍处于空白状态,需要从成分设计、关键生产工艺技术、用户应用技术以及产业化推广应用等方面进行全流程研发。

兴澄特钢联合中冶京诚工程技术有限公司和钢铁研究总院,通过“关键装备+核心技术+系列产品”系统攻关,开发出450mm厚度直弧形板坯连铸装备与工艺技术、特厚钢板心部组织性能调控共性关键技术,研发了六大类超大规格高品质海工及压力容器用钢板并实现推广应用。本项目系统完成了直弧形连铸工艺生产超大规格高品质能源用钢理论研究、工艺技术开发和代表性产品研发及产业化应用。提升了企业产品竞争力的同时,推动了我国高性能特厚钢板冶金装备、生产技术的整体进步,提升了我国在高端装备制造领域的综合竞争力。

技术路线与解决方案

1、技术路线

本项目依托江苏省科技成果转化专项,通过“关键装备—核心技术—系列产品研发”全链条自主创新,实现连铸代替模铸制造超大规格高品质能源用钢的短流程、低能耗、低成本的新型生产工艺的产业化应用。总体思路如下: 

2、解决方案

(1)450mm厚直弧形特厚板坯连铸机关键装备及关键工艺的开发:

450mm厚直弧型连铸机具有生产效率高、投资小的优点,但是铸坯表面与心部质量难以同时保证。主要难点有:①特厚板坯凝固角部过冷倾向大,弯曲和矫直过程极易产生内部和表面裂纹。②特厚板坯连铸厚度方向凝固收缩大,凝固终点长、凝固糊状区宽,中心偏析和中心疏松严重。③特厚板坯结晶器、大压下扇形段等装备技术空白,需进行创新研发。

本项目针对特厚板坯连铸变形抗力大和极易出现表面裂纹难题,开发出大断面小曲率半径、高温低应变连续矫直辊列技术,创11m基本弧半径生产最大厚度450mm厚铸坯的行业纪录,实现了密排辊设计,有效地控制了铸坯的鼓肚变形,为生产无内部和表面质量缺陷特厚板坯提供有力保障。针对特厚板坯凝固角部过冷倾向大极易在弯曲和矫直过程中产生表面裂纹难题,以及厚板坯中心质量差的技术难题,开发出特厚坯凝固进程和高均匀性表面温度控制技术、“超弱二冷控制技术”及连铸动态二冷配水模型,“凝固末端轻+大压下”组合压下等核心工艺技术,有效控制铸坯纵向冷却速度、回温及横向温度均匀性,解决了特厚连铸坯表面质量差、心部质量波动大的技术难题。围绕直弧型超大断面连铸机的特殊特性,结合连铸工艺和质量保障要求,开发出专有的高刚度均匀冷却结晶器、高精度非正弦结晶器液压振动、“三高”(即:高强度、高刚度、高精度)大压下扇形段等专有特厚板坯连铸装备,实现了高均质、无缺陷特厚连铸坯的高效稳定生产。

(2)超大规格钢板低压缩比高韧性心部组织性能调控关键技术研发:

采用450mm直弧型连铸代替模铸生产超大规格高品质能源用钢时,其总体压缩比远小于模铸钢锭,主要难点有:①钢板总压缩比降低,质量不均匀性增大,心部性能明显下降;②厚度截面变形渗透差,心部组织性能调控难度大;③超长规格钢板头尾组织和性能均匀性差异大。本项目定量化、模型化研究了低碳当量条件下高淬透性复合合金化成分设计方法,确定特厚高性能钢板成分设计体系;研究了轧制速率/压下量/轧制温度/坯料尺寸对特厚板组织与性能的影响,以及差温轧制对心部组织细化的效果及可行性;研究了奥氏体化工艺对特厚钢板组织与性能的影响规律,揭示影响高性能特厚钢板厚度中心低温韧性调控的物理冶金学原理及主要控制因素;研究了超长规格钢板热处理时炉温加热模型,完成了连铸坯代替钢锭或电渣锭生产超大规格能源用钢板的低压缩比高韧性组织性能定量调控技术开发,突破了用连铸坯生产要求心部性能特厚板时的压缩比限制,解决了压缩比小、变形渗透差、心部韧性差的难题,实现了180mm厚海工钢F690级压缩比2.5,-60℃心部夏比冲击功≥100J;200mm厚加氢反应器用钢12Cr2Mo1R压缩比2.25,-30℃心部夏比冲击功≥200J。

(3)超大规格低温高韧性海洋工程用钢板和高品质压力容器用钢板的开发:

本项目针对海工及压力容器用能源钢板的特殊需求,利用连铸代替模铸或电渣锭工艺,在国际上率先采用直弧型连铸板坯开发出-60℃条件下使用的180mm厚低碳当量高韧性特厚F690海工钢板,其中150mm厚度F690实现批量工业化应用;采用直弧型连铸坯在国际上率先开发出厚度达155mm、要求-60℃冲击性能的FH36海上风电安装平台用钢板,并批量应用在N966自升式风电安装平台、三峡广东浮式海上风电(中国首个浮式发电示范性项目)等海上风电项目,填补了国内空白。采用连铸工艺开发出最大厚度200mm的加氢反应器用钢、142mm厚LPG储罐用钢、150mm厚低温压力容器用钢、150mm厚气化炉用钢等4大类产品,并广泛应用于中石油、中石化、中海油、BP、Saudi Aramco、马来西亚石油等国内外知名石化企业的重点装备制造,制造工艺达到国际领先水平,深受用户欢迎。

主要创新性成果

本项目针对高品质要求特别是心部性能要求的超大规格能源用钢板,通过“关键装备+核心技术+系列产品”的全流程创新,完成了直弧型板坯连铸代替模铸钢锭工艺生产超大规格高品质能源用钢的高效低耗制造技术创新及应用,整体达到国际领先水平,主要创新成果如下:

1、首创世界最大规格450mm×2600mm直弧型连铸成套装备和工艺技术。

开发出该工艺条件下大断面小曲率半径、高温低应变连续矫直辊列技术、特厚连铸坯的凝固进程和表面温度控制技术、超弱二冷设计及动态控制技术、高温低应变连续矫直技术、特厚板坯轻+大压下组合压下等系列核心技术,开发了独有的特厚板坯连铸高刚度均匀冷却结晶器、非正弦结晶器液压振动、“三高”大压下扇形段等关键设备,解决了特厚板坯连铸表面裂纹及中心疏松等难题。铸坯中心偏析C类占比达到91%,中心疏松0.5级占比98.5%,表面裂纹率0.3%。

2、开发出适用于450mm直弧型连铸坯的行业最小压缩比并保证心部低温韧性的组织性能定量调控技术。

通过定量化研究成分、轧制及热处理工艺对低压缩比条件下心部组织性能的影响,开发出行业最小压缩比并保证心部性能的调控工艺技术,精确指导了450mm直弧型连铸坯生产特厚板时的心部组织性能调控工艺设计,解决了压缩比小、变形渗透差、心部性能不稳定的难题,实现了180mm厚海工钢F690级压缩比2.5,-60℃心部夏比冲击功≥100J;200mm厚加氢反应器用钢12Cr2Mo1R压缩比2.25,-30℃心部夏比冲击功≥200J。

3、采用直弧型连铸坯,率先完成了同类工艺国际最大厚度142-200mm的高心部质量系列能源用钢板的产品研发和推广应用。

采用直弧型连铸板坯,在国际上率先完成了155-180mm厚的F级系列高韧性海工钢板(F690、FH36)、142-200mm厚系列压力容器用钢板(12Cr2Mo1R、SA537CL2、09MnNiDR、14Cr1MoR)的产品研发和推广应用。与传统模铸工艺相比(F690为例),本项目连铸工艺机时产量提升12倍、成材率提升18%、加热时间缩短75%、燃气消耗减少76%、制造成本节约3200元/吨,生产周期缩短1/3,实现了高效低耗工艺创新及应用。

推广应用与效果

本项目获专利授权45件(其中发明38件,日本专利1件),国家标准5项,论文22篇。连铸装备推广4家,市场占有率80%。近三年生产超大规格能源用钢板近百万吨,新增产值74.26亿元。压力容器用钢板综合排名第一,高心部质量特厚F690级海工钢板国内唯一批量供应国际知名企业HUISMAN,155mm厚FH36在国内首次批量应用,填补国内空白,经济社会效益显著。经中钢协组织的院士及知名专家评价:项目总体达到了国际领先水平。在国际上开创了用直弧型特厚连铸坯生产超大规格高品质能源用钢板的先河。


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