一、研究的背景与问题
高端厚板广泛用于能源、海工、大型装备及国防等重大工程，我国年需求超过1.3亿吨，98.8%坯料采用连铸生产，为追求质量及压缩比，300~480mm宽厚板坯连铸线超过40条，铸坯中心疏松偏析控制仍为首要难题，长期制约高端中厚板的生产应用，一直是国内外研究的热点。
传统连铸坯内部质量控制技术主要有动态轻压下、电磁搅拌等，这些技术对控制中心偏析起到较好效果，但对于中心疏松的改善效果有限，主要原因是：宽厚板坯坯型大、坯壳厚，轻压下及电磁外场很难作用到厚板坯中心，难以有效改善中心疏松偏析，为消除这些缺陷、提高厚板芯部性能，只能通过增大轧制压缩比方式解决。因此，生产100mm以上优质特厚板普遍采用连铸超厚板坯、大钢锭模铸、板坯叠焊等方法，一直难以突破压缩比<3.0的瓶颈。
针对铸坯中心疏松偏析问题，近年国内外开展了诸多研究，日本制铁开发了用于大方坯的“NSBLR”技术，住友金属开发了板坯凝固末端单点压下PCCS，浦项PosHARP、普瑞特SRD及东北大学DSHR等技术采用单段或多扇形段小辊径凝固末端重压下，单扇形段的5~7对小辊压下量之和为10~20mm，因单辊压下量小(<3mm)，变形无法渗透至铸坯芯部，应用的最大坯厚300mm。综上可见，解决300mm以上特厚板坯的中心疏松偏析难题，国内外尚无成熟有效的技术。
全球300mm以上板坯连铸线超过120条，我国400mm以上15条，如能从根本上解决宽厚板坯中心疏松偏析问题，实现轧制压缩比<3.0的优质特厚板低成本、低碳生产，不仅能显著提高成材率、降低成本及能耗，还可以大幅减少特厚板坯铸机及后序产线装备的投资，对推动钢铁技术创新，实现制造强国意义重大。
首钢联合北京科技大学等单位于2013年开始合作，在连铸坯中心疏松偏析形成改善、高变形渗透及大梯度温度场原理、板坯凝固前沿形状预测控制、铸机拉坯驱动力均衡机制等开展系统原创性研究，2019年设备上线调试，2020年基本完成大压下设备、工艺技术调试并解决了关键技术难题，随之进行批量生产应用，前后历经十余年，首创开发出连铸大辊径高渗透大压下装备工艺及高质量连铸坯与特厚板制造整套技术，实现400mm及300mm板坯中心疏松、偏析显著改善，以1.5~2.5极低压缩比、低碳低成本生产120mm~252mm高质量高强韧特厚板。
二、解决问题的思路与技术方案
围绕解决长期制约高端特厚板性能质量的板坯中心疏松、偏析技术难题，研究解决连铸坯中心疏松形成与中心高变形渗透机理，确定连铸阶段揉和粗轧大辊径轧制压下变形渗透、改善铸坯铸造组织的思路，基于此，开展工艺装备技术创新，开发连铸大辊径高渗透大压下核心装备及工艺控制技术，解决其中的关键技术，结合产线开展现场应用技术研究，实现稳定应用。
图1 研发整体思路
项目通过开展板坯中心疏松形成及消除原理、板坯大梯度温度场高变形渗透机理、板坯凝固均质化控制、铸机高拉坯力驱动平衡机制、连铸压下辊长寿命控制等基础理论工作，创新开发了连铸高渗透大压下装备、工艺以及高质量特厚板制造的整套技术。
三、主要创新性成果
本项目突破连铸凝固末端扇形段小辊重压下方法，独创开发出连铸大辊径高渗透大压下装备及工艺，解决了系列关键技术难题，国际首次实现在同一连铸线上对板坯凝固末端及凝固后实施大压下，显著提高了铸坯内部质量，形成具有全部自主知识产权的连铸高渗透大压下，低压缩比，绿色化制备高质量铸坯及特厚板成套技术。主要创新如下:
1、国际首创发明了连铸大辊径大压下装备并解决了关键控制技术。开发出首套整体式大辊径压下辊+辅助辊紧凑一体化的大压下装备及耐高温长寿命压下辊，解决了连续大压下及辊缝监测控制等关键技术，实现≤400mm×2400mm板坯连铸稳定大压下，最大压下量25mm；
2、开发出独创的宽厚板坯连铸大辊径高渗透大压下关键冶金模型及工艺精准控制技术。建立了大压下装备与扇形段驱动力协调匹配，适应工况的二冷水控制，预测控制凝固前沿位置形状等系列关键冶金模型，解决了宽厚板坯连铸凝固末端不均匀性(W型)，多炉浇铸大压下稳定控制，防止铸坯表面裂纹及内裂等技术难题；
3、首次提出大辊径大压下变形渗透及大梯度温度场新概念并建立柔性控制技术。开发出同一连铸线生产不同厚度铸坯，在凝固末端及凝固后均可实施大压下的柔性控制技术，实现400mm及300mm板坯连铸大压下显著改善中心疏松、偏析，大批量生产高质量铸坯；
4、开发出大压下连铸坯+轧制工艺优化极低压缩比生产高强韧特厚板成套技术。解决了大压下铸坯与轧机高效生产及轧制工艺优化等关键技术，实现1.5~2.5极低压缩比低成本生产120~252mm高强韧特厚板的国际领先指标，与叠焊坯及大型模铸比较，成材率提高15~25%，能耗及成本降低超50%。
四、应用情况与效益
2019年首套宽厚板坯整体式大辊径压下装备安装在首钢京唐5#宽厚板坯连铸线上，2020年~2024年，连铸大压下装备工艺技术进行了工业化批量应用，板坯厚度为400mm、300mm，最大宽度2400mm，单辊最大压下量达25mm，压下辊总计过钢量 726万吨，成功实现低压缩比、低成本、短流程、组织性能优异的高质量特厚板。产品覆盖首钢中厚板产线海工、桥梁、高建、风电、机械工程、结构用钢等七大系列34个牌号，产量约34.7万吨，创产值15.5亿元，经济效益1.48亿元。相关特厚板产品成功用于安罗高速黄河特大桥、亚洲最大高铁站、雄安高铁等国家重点工程，生产的注塑模具钢、工程机械钢、风电塔筒用钢、容器用钢、万吨级远洋运输船用钢等成功应用于能源、石化、海工等重大装备。
图2 风电塔筒门框130-165mm钢板 图3 安罗高速黄河特大桥用244mm钢板
图4 大型盾构机120-170mm钢板 图5 大型工业变速箱轴承座180-230mm钢板
图6 252mm特厚板性能三方检验报告
表1 宽厚板坯连铸重压下及大压下国内外同类技术对比
近年国内外钢铁行业开发的连铸凝固末端重压下技术主要有日本住友金属的PCCS 技术( Porosity Control of Casting Slab)、新日铁的NS Bloom Large Reduction 技术、韩国浦项的PosHARP技术、普瑞特的SRD重压下技术、以及唐钢-东大的DSHR重压下技术。其中，新日铁的NS Bloom Large Reduction 技术应用于方坯。针对应用于板坯的日本住友金属PCCS、普瑞特SRD、唐钢-东大DSHR、浦项PosHARP等的连铸凝固末端重压下技术以及首钢-北科大的连铸大压下技术进行比较。如表1所示，在连铸过程中的压下方式、压下量、应用板坯厚度均有所不同。其中，首钢-北科大的大辊径高渗透大压下技术的压下量最大，达到25mm，实施的连铸板坯厚度最厚，达到400mm，并且是全球唯一实现了在同一条连铸线对连铸宽厚板坯凝固末端(400mm铸坯)和全凝固状态(300mm铸坯)下均可实施20mm~25mm大压下量的原创工艺技术。
本项目实施大压下技术的连铸坯厚度最厚达400mm，基于保探伤、保性能轧制生产特厚板达到的板厚最大252mm，压缩比最低，低至1.50，成为目前国内外板坯连铸生产特厚板实现的最小压缩比，如图7所示。
图7 保探伤保性能特厚板行业对比
通过以上国内外同类技术对比结果表明，本项目首钢-北科大开发的高渗透大辊径大压下技术处于国际领先水平。2024年12月中国金属学会组织的由两位中国工程院钢铁冶金学科院士及7位炼钢连铸专家组成的科技成果评价委员会一致认为该技术成果达到国际领先水平。本项目获国内外授权发明专利20件(国际5件)，实用新型15件，发表学术论文5篇。
信息来源：首钢京唐钢铁联合有限责任公司
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