基于特征单元的连铸凝固过程热模拟技术及其应用

由于高温、不透明、连续化和大规模等特点，连铸凝固过程的实验研究一直没有有效的方法，给工艺优化、组织调控、新技术开发及缺陷预防带来很大困难。

本团队在深刻认识影响连铸凝固过程关键因素基础上，发明了基于特征单元热相似性的连铸凝固过程热模拟新方法、系列技术和装备。

所谓特征单元是指能够反映所研究对象凝固过程和组织转变的最小单元体。基于特征单元热相似性的连铸凝固过程热模拟实验技术采用实际金属作为实验材料，基于特征单元热相似原理，通过合理的控制技术和装备，离线再现特征单元在实际生产中凝固的真实环境，从而把十几吨连铸坯的凝固过程“浓缩”到实验室用百克钢研究。这一方法弥补了数值模拟和传统物理模拟方法的不足，可以真实、有效、直观地模拟连铸凝固过程和组织演变规律，极大地降低了实验成本，缩短了周期。同时，可以得到凝固过程中固液界面形貌和固液界面前沿溶质及夹杂物分布等生产现场无法得到的重要信息。

连铸坯枝晶生长热模拟试验机

中国金属学会组织组织专家评价认为，该技术为“原创性成果”，“提升了连铸生产工艺的实验研究水平，促进了连铸工艺的技术进步”，“总体达到国际领先水平”。该技术获2020年冶金科学技术一等奖。

团队依托该技术为宝钢、攀钢、原珠钢、上海宏钢铸锻和中天钢铁等企业提供技术服务，经济效益和社会效益显著，目前已为企业创造直接效益约4500万元。具体如下：

a）解决了宝钢双相不锈钢S32101铸坯皮下气孔问题，通过调整生产工艺，铸坯皮下氮气孔造成的铸坯报废率从40%降低到5%以下，大幅度减少了铸坯修磨操作，基本取消了铸坯的人工复检和挑坯工作。三年共计节约实验成本约100万元。

b）为宝钢和攀钢五种不锈钢及两种合金钢连铸试生产提供工艺参数，节约试制成本约880万元。试生产周期由一般3-5炉次，降低至基本一炉成功，大幅节省了试制成本，经济效益显著。试制周期大幅度缩短，支持了宝钢B2002双相不锈钢实现全球首发。

c）为中天采用脉冲磁致振荡新技术提供实验依据，用实验数据打消决策顾虑，加速了新技术应用进程。并进一步优化了多个钢种的脉冲磁致振荡参数和连铸工艺参数，三年创造经济效益3500万元。

d）上海宏钢应用热模拟技术解决大型铸件的铸造缺陷并打破西门子等国际巨头在相关产品的垄断，社会效益不可估量。认为该技术为“大型复杂铸件的铸造工艺设计提供了崭新的技术路线，打通了多年来横亘在数值模拟和实际生产之间的鸿沟，使铸造工艺设计由依赖工艺师的个人经验转向基于数值模拟和热模拟的理性设计之路，对实际生产有重要的指导价值”。

钢铁企业采用该技术进行连铸及模铸工艺制定及优化，可大幅减少试生产炉次，节约大量时间和经济成本，这将有力助推企业稳定产品质量及首发新品种，提高我国钢铁企业的世界竞争力,具有显著的经济和社会效益。热模拟实验系统得到冶金界多位专家学者的高度肯定，其中连铸坯枝晶生长热模拟试验机已达到商业仪器标准，已被冶金老牌高校内蒙古科技大学和鞍钢北京研究院作为科研仪器定制。

该技术2020年荣获中国冶金科学技术一等奖。