随着国民经济发展和产业结构升级，高铝钢及微合金钢等高端钢铁材料广泛应用于汽车、能源电力、海洋工程、船舶等重点领域，高效连铸生产的技术质量问题日益凸显。如汽车用DP、TRIP钢因钢中Al含量高达1.0%以上，不仅难以实现多炉连浇，而且连铸板坯存在横向凹陷、裂纹、断坯等问题；高等级桥梁钢、高强钢、能源钢、管线钢等因添加Nb、V、Ti等微合金元素，热装铸坯轧后钢板表面容易出现裂纹。这些难题不仅影响生产效率，还会造成资源和能源浪费。此外，随着用户的个性化需求增多，微合金钢品种、规格、连铸短浇次增多，微合金钢连铸漏钢风险增大，直接影响高效连铸过程的稳定性。相对于普通钢材，高铝钢和微合金钢元素多且含量高，质量控制难度大、工艺复杂。原有的高效稳定工艺技术，已无法适应高铝钢和微合金钢生产需求，具体体现在： 1、高铝钢保护渣易反应变性，粘结报警频繁，连铸可浇性差，板坯表面裂纹多，必须下线清理。针对高铝钢板坯连铸，韩国浦项制铁开发了液态保护渣技术，将钙铝系保护渣加热熔化后流入结晶器，控制渣圈达到改善板坯表面质量的目的；国内也有企业直接采用低碱度、低熔点钙硅系保护渣或者直接采用钙铝系保护渣的成功先例。这些技术极大促进了高铝高锰钢的开发与应用，但均未实现常规拉速的多炉连浇。 2、Nb、V、Ti微合金桥梁钢、高强钢、能源钢、管线钢等高等级钢实现高温热装（两相区）难度大，钢板易产生红送裂纹。针对高等级微合金高强钢板的热装红送裂纹，国内外普遍采用板坯下线控温、专用淬火池及铸坯切割后淬火等方式，铸坯热量损失大，生产效率低，表层组织细化和抑制第二相粒子析出的效果不充分。 3、多品种、小批量、多规格的高品质钢连铸短浇次多、混浇坯长。混浇钢种成分差异大，混浇模型判定不准确，不得不下线取样化验，降低入炉效率；多断面板坯连铸，为避免漏钢结晶器在线调宽必须低拉速或者降拉速，降低了生产效率。 首钢与北京科技大学长期开展合作，进行高铝钢及微合金钢板坯连铸关键技术攻关。经过长期连铸工业实践和系统攻关，发现并揭示了高铝钢粘结报警及横向凹陷机理。从工艺上对结晶器振动、保护渣性能以及结晶器表面流动进行了优化，实现300吨钢包产线实现高铝钢（[%Al]≥1.0）单浇次稳定浇铸1500吨以上。连铸拉速从0.8 m/min提高至1.2 m/min。

项目属冶金科学连铸技术领域。项目为“十三五”国家重点研发计划“钢铁流程关键要素协同优化和集成应用”项目中的“钢铁流程铸-轧界面物质流与能量流协同优化及智能控制技术”课题的主要研究任务，以及企业间的横向技术合作。项目的研究时间为2015年9月-2021年12月。针对国内微合金化钢板带材生产中存在的能耗高、成材率低、生产效率低的实际情况，在实验室计算机仿真和模拟加热、轧制等实验研究的基础上，以邯钢、鞍钢、京唐、莱钢等大板坯连铸机-加热炉-轧机生产线为依托，重点开展了连铸坯表面无缺陷生产、边直裂控制和红送裂纹控制等关键工艺与装备技术的研发和工业生产验证工作。形成的关键技术成果与创新如下： （1）探明了边直裂的形成机理，创新性的提出：合理优化铸坯角部形状,可以提高铸坯温度的均匀性，同时有效改善铸坯轧制过程中的角部受力和变形状态，达到消除和避免轧制过程边直裂产生的核心思想。开发出独有的连铸坯角部形状二次倒角工艺与装备系统专利技术，在国际上率先实现工业化应用。大幅度减小板带材的裁边量，使成材率提高约1%。 （2）微合金化钢红送裂纹形成机理研究取得突破，开发出了独家的双工位铸坯红送裂纹在线控制工艺和装备专利技术，一方面使铸坯8～10mm表面层温度快速降低到铁素体相区，实现了微合金化钢由冷装或码垛温装向平均750℃以上快冷直装的跨越，另一方面满足了铸坯高拉速、高效率生产，彻底解决了铸坯表面残水蒸发给厂房及设备带来的污染。 （3）首次开发出基于热流监测的锥度动态控制技术和组合结构的侧面支撑足辊装备以及弧形曲面形状优化的新型倒角结晶器，使低碳钢和超低碳钢大倒角连铸坯正常工作拉速达到1.7m/min，最高拉速达到1.8m/min；同时有效避免了裂纹敏感性宽厚板铸坯的角部横裂纹缺陷发生，使铸坯表面无缺陷率达到99.6%以上。 （4）在世界范围内首次集成连铸坯表面无缺陷生产、边直裂控制和红送裂纹控制等关键技术，并辅助以多种优化工艺与控制模型软件，创建了低成本、高效化板带材绿色制造工业示范生产线。 项目开发实现了系统技术成果在国内大型钢铁企业的推广应用，优化了微合金化钢生产工艺，提高了钢的成材率、节约了能源、大幅度缩短了生产时间。有力的推动了行业技术进步。 项目共获得授权专利33件，其中国际发明专利4件、国际实用新型专利6件。为在国内和国际市场推广奠定良好的基础。

在连铸浇铸操作现场，自动加渣机成功代替了人工加渣，结晶器专家系统的上线也能及时预报连铸的漏钢等恶性生产事件。所以当前的连铸浇钢操作岗位，涉及到浇钢工人需要在现场操作的主要工艺内容为连铸新中包开浇、浇注异常状况的及时识别和正确处置，渣线和氩气人工调节、更换浸入式水口等。人员不能离开操作现场，主要是以上操作都需要在机旁完成，特别是浇注过程中发生异常情况时，需要人员及时、正确处置来避免事故扩大化。而浇注过程中的结晶器异常情况错综复杂，导致迟迟不能实现自动处置功能，这也成为制约连铸实现无人浇钢的关键控制点。目前行业内的无人浇钢技术，还都是集中在设备的投入和一些工艺模型的优化开发当中，比如自动加渣机机器人和动态二冷配水模型，动态轻压下模型的实现等。对于如何结合浇钢操作经验，实现无人浇钢或者让传统的浇钢工人远离高温粉尘的结晶器旁操作环境，都还没有成功的技术和应用实例。

随着我国包装产业转型发展，国家提出了适度包装，用材节约的新要求。镀锡板作为主要的金属包装材料，占金属包装成本的60~80%。因此，镀锡板厚度与锡层减薄对于包装行业绿色发展具有重大意义。 为了实现镀锡板产品厚度和镀层减薄，本项目研究了超薄镀锡板冶炼、连铸、酸连轧、连退在线二次冷轧及超薄镀层电镀等关键工艺控制技术，攻克了镀锡板连铸高拉速、超薄带酸连轧高速卷取穿带、连退在线二次冷轧、超薄镀层耐蚀性等诸多难题，最终在首钢京唐公司实现了超薄厚度，超薄镀层镀锡板产品高效生产，取得良好的技术经济指标。 项目的创新点主要有： （1）研发出超薄镀锡板洁净钢冶炼及高效连铸技术，提出钢包渣改质、中包气幕、新型浸入式水口的新方法，降低结晶器液位波动，实现夹杂物尺寸显著降低，中包平均T.O含量≤11.7 ppm，连铸拉速1.7 m/min的国际领先指标； （2）开发出超薄镀锡板酸连轧高速稳定穿带及高精度板形控制技术，解决了超薄带高速卷取穿带及板形控制难题，实现酸连轧0.12 mm超薄带稳定、批量生产的国际领先指标，板形质量显著提高（2~4 IU）； （3）开发出连退在线二次冷轧高效稳定生产技术，解决了连退在线二次冷轧稳定性和炉区高速通板难题，实现DR材在线批量稳定生产，“连退+二次冷轧”生产周期大幅度降低至0.6 h； （4）发明了超薄镀层无铬钝化装备及电镀成套技术，阐明了传统助熔剂对超薄镀层均匀性的影响规律，解决了超薄镀层过合金化和耐蚀性难题，镀锡生产效率显著提高，最薄镀锡量降到0.5 g/m2（镀层厚约0.07 μm）。 该项目近三年累计实现镀锡板供货140余万吨，经济社会效益及环境效益显著，对降低金属包装材料消耗，实现绿色化、高效化发展起到了重要的示范作用。

钢铁行业面临着日益严峻的资源、市场、环保、竞争等重大挑战，迫切需要加快实施转型升级和提质增效。行业普遍面临的重大考验包括：（1）钢铁需求减少，钢铁总体产能过剩；（2）环保压力日益增大；（3）企业间同质化竞争日趋激烈。装备大型化、流程高效化日益成为钢铁工业的发展趋势。 除日韩等少数先进企业采用高效生产外，采用“转炉-RH精炼-板坯连铸”工艺生产低碳、超低碳钢的大部分钢铁企业普遍存在如下问题：（1）连铸拉速普遍较低；（2）转炉和精炼工艺效率不高；（3）转炉出钢温度高；（4）浇铸过程水口易堵塞制约连浇炉数提高。首钢京唐公司致力于建设高效、优质板材生产基地。在项目开展前，也面临着国内外板材生产企业的行业难题：超低碳钢连铸拉速低于1.7m/min；转炉和RH冶炼周期分别为43min和50min，转炉出钢温度1687℃，浇铸超低碳钢4炉更换一次SEN，浇铸后期水口堵塞严重。 从2012年开始，首钢与北京科技大学合作，自主研发了"炼钢全流程高效生产技术"系列项目，创新点如下： （1）创新集成了板坯高拉速连铸技术，开发了结晶器强冷却、无锂高拉速保护渣与高拉速结晶器流场控制技术，解决了高速连铸拉漏和结晶器卷渣两大技术难题，建成了智能浇注平台，常规厚度板坯最大连铸拉速达到2.5 m/min，突破铸机设计最高拉速。 （2）开发了大型转炉强供氧技术、RH高效耦合脱碳技术，300吨转炉冶炼周期从43 min大幅度降至35 min、超低碳钢RH真空处理时间大幅度降低至20 min。超低碳钢转炉出毕至开浇时间降至70 min之内，结合全流程温度管控技术，转炉出钢温度降至1647℃，年产能从900万吨提高至1100万吨。 （3）开发快节奏条件下浸入式水口无粘附技术：通过转炉终点氧含量精准控制、全流程钢-渣反应控制、夹杂物快速去除、中包吹氩密封及浸入式水口防堵技术的开发，超低碳钢中间包钢水平均全氧含量达0.0015%，300t钢包连浇7炉不更换浸入式水口，浇铸结束后水口无堵塞率达90%以上。 （4）从生产组织、过程管理、精细管理三个方面集成了全流程智能化管控系统，解决了复杂品种、规格条件下的组织排产，提高了钢包周转效率，周期缩短22min，每台铸机钢包数量降至4个，实现铁钢界面、钢轧界面和生产过程信息全面感知、智能决策、精准执行，稳定支撑了炼钢全流程高效专线化生产。

本项目属于钢铁冶金学科中的炼钢、连铸技术领域。 按照国家可持续发展的战略要求及集团的整体布局，将承德建龙打造成全球能源用钢的引领者，成立《高品质连铸大圆坯生产关键技术及高端产品研发》项目组，通过不断的技术创新，产品综合质量水平大幅提升，客户档次不断升级，品种结构大幅改善，在相关细分高端用钢领域成为主要的供应商。已为维斯塔斯、西门子、斯伦贝谢、瓦卢瑞克、南高齿、天津钢管等国际国内一流公司稳定供货并形成战略合作。近三年共生产连铸圆坯358万吨，其中φ350~600mm的高品质级别钢材大圆坯产品产量167万吨，圆坯市场占有率连续多年全国第一，取得了明显的经济及社会效益，吨钢盈利能力位居国内前列。 为了充分利用钒钛资源的综合效益优势，必须要攻克高磷、硫钒钛磁铁矿冶炼高洁净钢的技术难点，同时解决连铸大圆坯纯净度、偏析和中心裂纹等问题，满足高端客户对质量的需求，项目主要内容及特点如下： （1）采用“钒渣低钙提钒”、“半钢水KR脱硫”、“半钢补热”等关键技术，达到脱硫后半钢水硫含量≤0.005%，转炉终点磷含量≤0.003%；同时开发了提钒转炉长寿命技术、转炉氧氮气体混吹提钒技术，实现了钒、铬资源的高效利用。 （2）开发了不同品种的专用精炼渣系、钢中低Ti、低Ca控制技术、钢包水口控制吹氩+中包气氛保护+整体水口浇注的连铸保护浇注系统集成技术，结合多孔水口创新设计，实现风电偏航变桨轴承钢、石油阀体钢非金属夹杂物D类、Ds类≤1.0级，耐腐蚀抗硫管线钢非金属夹杂物A类≤0.5级、B类≤1.0级。 （3）开发了“结晶器、末端电磁搅拌+连铸坯超缓冷处理”集成技术，实现了风电轴承、石油阀体等中碳铬钼钢连铸坯横截面碳极差≤0.045%。 （4）开发了高纯净、抗硫化氢腐蚀管线钢；国内首家生产出满足API新标准（API SPECIFICATION 6A-2018, 21st EDITION）的高端石油阀体用连铸圆坯，实现稳定供货，替代了传统钢锭和电渣锭；实现了风电法兰S355NL钢屈服强度≥345MPa（锻件厚度≥150mm），-50℃冲击韧性≥120J；风电轴承达到了使用寿命≥30年所需的国际先进质量指标。 近三年新增产值621455万元，利税246014万元。获批专利16件，其中发明专利9件，发表论文16篇，参与制定石油阀体团体标准1项。

连铸是现代钢铁生产核心技术之一。2019 年中国粗钢产量为近 10 亿吨，连铸比高达 98.3%。连铸结晶器是钢液初始凝固的地方，铸坯表面缺陷多发源于钢液初始凝固阶段；钢液初始凝固行为对连铸顺行和钢材产品质量具有重要且深远的影响。然而，结晶器内发生着高温、多相、瞬态变化的凝固传热、钢水流动、保护渣渗入和渣钢反应，加之结晶器本身不透明，使得对结晶器钢液凝固行为有效研究成为国际技术瓶颈。随着我国新一代近终型连铸技术的进一步发展，高拉速条件下铸坯表面质量的调控尤为艰，成为制约新技术发展的瓶颈。因此，结晶器内钢液初始凝固的有效研究及其调控是制约新一代连铸技术发展的关键共性技术难题.

板坯连铸的实践表明，结晶器内钢水流动在很大程度上影响板坯内夹杂物和气泡的行为，弯月面附近的钢水流动又支配着保护渣熔融、铺展及保护渣的卷吸，决定了铸坯的表面质量。电磁搅拌是利用不同的磁场发生装置，在铸坯周围产生交变磁场，当铸坯中的钢液通过此交变电磁场时，产生感生电流，感生电流又与磁感应强度共同作用产生电磁力推动铸坯内部钢液运动。因此，板坯连铸普遍采用结晶器电磁搅拌，以改变弯月面附近钢水流动方向，促使板坯表层的初生凝固壳前沿钢液的均匀流动，维持坯壳均匀稳定地生长，从而抑制钢液温度分布的偏差，降低凝固滞后的发生率，减小坯壳厚度偏差，成为获得优质铸坯的重要技术手段。

钢水洁净度和可浇性对钢的质量和材料性能有重大影响，是国内外冶金界重点研究课题，是炼钢工艺控制的重点和难点。吹氩是国内外提高钢水洁净度和可浇性常用的炉外精炼手段，LF、RH、VOD、VD等以钢包为基本容器的炉外精炼技术得到长足的发展，以中间包为基本容器的吹氩冶金技术的应用效果不理想，亟待突破。 目前国内外连铸中间包吹氩技术主要有透气上水口吹氩、塞棒吹氩和条形气幕挡墙吹氩。项目立项研发时，因钢水洁净度和可浇性差造成的连铸机浇注超低碳铝镇静钢的水口结瘤及其引发的铸坯质量缺陷，是国际冶金共性技术难题，国内外普遍采用透气上水口吹氩和塞棒吹氩，存在的主要问题：如图1所示，随着透气上水口的透气面黏附和沉积夹杂物，抑制水口结瘤的作用逐步失效，导致连铸机被迫停浇、连浇炉数低，而塞棒吹氩形成的氩气泡被卷入钢流中，部分氩气泡进入结晶器中来不及上浮，易造成铸坯皮下气泡缺陷；

本项目包含以下功能模块，能够实现整个连铸浇钢环节的“少人化、无人化”目标，同时无人化和标准化的操作能够提升连铸浇钢质量，减少质量事故的发生。 1、在受包位布设一台六轴工业级机器人，采用激光视觉加相机视觉的方式实现拆装油缸位的精准识别，从而引导机器人实现大包滑板油缸的自动拆装和介质管道（氩气管、压缩空气管、电磁下渣检测线圈等）的自动插拔； 2、在浇钢位钢结构平台第二层布设一台大臂展工业铸造级六轴主机器人，用以实现大包长水口的自动安装和自动拆卸、自动吹氧引流、自动长水口氩封、自动碗部清理、自动测温、自动取样、自动加中间包保温覆盖剂等主体功能，在浇钢位钢结构平台第三层布设一台辅助用六轴工业机器人，主要配合分拣中间包覆盖剂至主机器人的投放料斗中； 3、此外，该项目采用密封圈自动落料机构实现长水口密封圈的自动落料、采用探头自动拆卸装置实现探头的自动拆卸和取样头的自动切除脱离，采用电磁大包下渣检测实现大包下渣的准确检测和报警，采用结晶器保护渣自动添加装置实现加渣操作的无人化，采用结晶器液位控制系统和自动开浇系统实现中间包的自动开浇操作，采用动态轻压下和凝固末端重压下实现铸坯质量的提升，采用机械手自动喷号系统实现标号作业的无人化。