燕山大学国家冷轧工程中心
创新成果展（一）
“国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心”（以下简称“中心”）依托燕山大学，于2011年由科技部批准组建，2014年通过验收，并以该中心为依托建设有“河北省现代轧制技术与先进钢铁材料协同创新中心”和科技部“面向先进高强钢板带产业的科技服务业试点”。中心主要围绕“产品质量精确控制”、“机械设备高效可靠”、“生产过程节能环保”三大主题，在板形板厚和表面质量控制、轧机装备智能化、带钢深加工及先进钢铁材料制备等方向开展相关基础性和工程化技术研究，重点推进“核心技术突破、成熟技术升级、新技术推广示范”三个方面的工作，取得了一系列具有自主知识产权的科研创新成果，部分研究成果填补了国内空白。中心建有轧制/测控中试生产线、材料物理模拟、定量结构表征（中-丹联合实验室、YSU-FEI联合实验室）和重型机械智造工程超算中心四大科研平台，承担了国家重点研发计划、国家自然科学基金重点及企业重大项目等大批研究与开发任务，是一个集工程化技术研发、科技成果中试与转化、标准化与检测、人才培训与信息交流为一体的技术创新与公共服务平台。
“高效连铸”关键技术的研发与应用
1概述
从20世纪90年代开始，燕山大学国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心高效连铸技术团队，对控制连铸坯裂纹的产生和减轻铸坯表面振痕技术进行了深入研究，先后研发出了连铸坯等应变速率固定辊连续矫直技术、结晶器椭圆齿轮非正弦振动技术以及伺服电机非正弦振动技术等多项核心技术，提出了连铸坯蠕变弯曲矫直理论及机型设计方法。这些技术大大降低了连铸坯在弯曲矫直过程中产生裂纹的风险，减轻了铸坯表面振痕深度。结晶器非正弦振动技术及连续弯曲矫直技术已经成功地应用在邯钢、济钢、首钢、鞍钢等多家大型钢铁公司，提高了铸坯的质量和连铸机的生产率，取得了显著的经济效益，其技术指标达到了国际先进水平。
2连铸坯弯曲矫直技术
2.1弯曲矫直技术发展
伴随着当今高效连铸的发展，矫直技术也从单点的固相矫直发展到多点、连续的带液芯矫直。连铸机单点矫直方法使连铸坯在矫直点附近的应变和应变速率都很大，并且在矫直点处达到最大值，如果再考虑拉坯力和导向辊不对中所引起的变形，很有可能使总变形超过极限应变，而提高铸坯产生裂纹缺陷的风险。多点矫直虽然将一点的矫直应变分布在多个矫直辊，相应地降低了每个辊的矫直应变，但是多点矫直方法的连铸机机型曲线在每个矫直点的曲率半径存在突变，铸坯的变形并不连续，在每个矫直辊处存在应变突变，接触点的应变速率仍然很高，这一定程度上会对铸坯质量产生影响。燕山大学国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心高效连铸技术团队开发了等应变速率固定辊连续矫直技术，降低了铸坯矫直应变速率，已应用于多家钢铁公司。
2.2蠕变弯曲矫直理论
目前的连铸坯弯曲矫直技术均没有充分利用钢的高温蠕变特性。连铸坯在弯曲矫直过程中处于800-1400℃的高温，对于金属而言，当温度大于自身熔点的0.4倍时，蠕变特征非常明显。在目前的连铸机弯曲矫直设计过程中，往往只考虑塑性变形，而忽略了蠕变变形的影响。燕山大学张兴中教授基于钢的高温蠕变特性，提出了新的连铸坯蠕变弯曲矫直理论及依靠蠕变变形进行铸坯弯曲和矫直的连铸机机型设计方法。
由于钢在连铸过程中显著的蠕变特性，连铸坯在高温状态下即使矫直应力低于屈服应力也会产生永久变形，因此团队提出设计连铸机机型曲线时利用钢的高温蠕变特性，使连铸坯在矫直过程中发生尽可能多的蠕变变形，利用蠕变变形实现铸坯矫直，降低矫直应力，控制内部矫直裂纹的产生，提高铸坯质量。连铸机机型曲线具备以下两个方面的特点：
1）尽量缩短甚至取消基本圆弧段，显著延长弯曲段和矫直段弧长，增加连铸坯蠕变变形的时间；
2）弯曲段和矫直段曲线设计时采用曲率变化率低的曲线，这样可以降低连铸坯在弯曲矫直过程中的应变速率，当弯曲矫直应变速率低于蠕变速率时，此时连铸坯的弯曲矫直变形全部依靠蠕变变形，实现蠕变弯曲矫直。
2.3连铸坯蠕变弯曲矫直机型曲线介绍
根据钢的高温蠕变试验结果，建议满足要求的几种连续弯曲矫直曲线如下：
1）多段渐开线及三次方曲线作为连续弯曲矫直曲线；
2）曲率随弧长满足正弦规律变化的曲线，作为连续弯曲连续矫直曲线；
3）曲率随弧长满足五次奇次多项式规律的曲线，作为连续弯曲连续矫直曲线。
设计例：针对目前的R9300直弧型板坯连铸机，利用蠕变弯曲矫直理论对机型曲线进行重新设计。在新机型曲线中，弯曲段采用曲率正弦规律变化曲线，矫直段采用曲率按五次奇次多项式规律变化曲线，弯曲段与矫直段直接光滑连接，取消了基本圆弧段。通过试验可以看出，新机型可以依靠铸坯的蠕变变形实现弯曲和矫直，这将有效避免铸坯内部裂纹的产生。
2.4连续矫直技术应用
燕山大学国家冷轧工程中心开发的等应变速率固定辊连续矫直技术，采用固定辊代替康卡斯特的浮动辊，使矫直区与基本圆弧区光滑连接，矫直应变速率线性变化，降低了矫直力及矫直应变速率。此技术先后应用于邯钢、济钢、首钢等多家钢铁公司，取得明显的工艺效果和显著的经济效益。对于鞍钢二炼钢2号板坯连铸机第三流的连续矫直改造，采用光滑连接的一段渐开线和三次方曲线作为矫直曲线。改造后与未经改造的第四流相比，铸坯质量明显改善，后将第四流也进行了改造。
改造后，从原来曲率存在突变的多点矫直，实现了曲率连续、线性变化的连续矫直，并使铸坯固液相界面处的应变速率保持低值、恒定。硫印结果表明：板坯中间裂纹得到明显控制。
3结晶器非正弦振动技术
结晶器非正弦振动相比正弦振动有以下特点：负滑动时间短，有利于减轻铸坯表面的振痕；正滑动时间较长，可增加保护渣的消耗量，有利于结晶器的润滑；结晶器向上的运动速度与铸坯向下的运动速度差较小，可减小结晶器施加给铸坯向上作用的摩擦力，即可减小坯壳中的拉应力，减小拉裂；负滑脱作用强，有利于铸坯的脱模和拉裂坯壳的愈合，有利于提高拉坯速度，因此结晶器非正弦振动是实现高效连铸的关键技术之一。
结晶器振动是由振动装置来实现的，振动机构是振动装置的核心。目前工业上应用的非正弦振动装置按驱动系统的工作原理主要分为三种，液压驱动系统、伺服电动缸驱动系统和机械驱动装置。液压驱动系统可实现振幅、频率、波形偏斜率在线调节，但系统复杂，建造及维护费用高。伺服电动缸驱动装置可以实现振幅、频率、波形偏斜率在线调节，但伺服电机频繁正、反转，影响系统的控制精度，同时滚珠丝杠易产生局部磨损。机械驱动装置结构简单、成本低、便于维护、可靠性好，其波形偏斜率不容易调节，但振幅停机可调，频率在线可调，可以很好地满足生产的需要。
3.1结晶器非正弦振动技术
燕山大学高效连铸技术团队开发了几种机械驱动非正弦振动装置，其中有代表性的为椭圆齿轮驱动结晶器非正弦振动技术。该技术在原正弦振动驱动系统中增加一个椭圆齿轮箱，如图1所示。椭圆齿轮箱由一对形状完全相同的椭圆齿轮组成，其将驱动电机的匀速转动转变为偏心轴的变角速度转动，通过连杆推动振动台实现结晶器非正弦振动。目前，该技术已成功应用于新兴铸管、首钢二炼钢、济钢二炼钢、临钢、河北文丰钢铁厂、大冶特钢等钢铁公司，取得了较好的工艺效果，经济效益显著。
3.2结晶器非正弦振动装置
针对全板簧导向的板坯连铸结晶器振动，研究了双伺服电机驱动结晶器非正弦振动系统。目前应用的振动驱动装置为两个伺服液压缸，分别驱动振动台两侧，通过液压伺服控制实现结晶器振动。本装置采用两个伺服电机同步驱动两个偏心轴，实现结晶器振动台振动。其工作原理如图2所示。工作时，伺服电机通过减速器驱动偏心轴旋转，偏心轴通过连杆驱动结晶器振动台振动。通过控制两个伺服电机同步匀速或者变角速度运动，可使结晶器振动台产生正弦或非正弦振动。采用缓冲弹簧平衡振动台及结晶器等构件的重力和运动时的惯性力，减小电机的驱动功率，节约能源。该装置适用于直弧形、弧形连铸机，波形偏斜率和频率在线可调，振幅停机可调，可实现正弦波和非正弦波自动切换。通过控制伺服电机的转速变化规律可实现任意的正弦和非正弦振动波形。该装置具有传动系统简单、传动链短、结构紧凑、占用空间小、承载能力大、抗冲击能力强、能够在线调节波形和优化振动参数等优点。
4结语
蠕变弯曲矫直和结晶器非正弦振动技术是实现高效连铸的两项关键技术，对于改善连铸坯质量，提高连铸生产作业率有着积极的作用。燕山大学高效连铸技术团队经过多年的研究攻关，对连铸坯的弯曲矫直和结晶器振动提出了多项创新技术，推动了高效连铸技术的发展，具有广阔的应用前景。（张兴中）
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