科创中国

目前，模铸在钢锭的生产中仍然占有一定比例，这主要是因为模铸可以生产连铸无法生产的大断面钢锭，从而提高成材的压缩比，得到内部组织更加细密均匀的产品。此外，模铸还具有批量小、生产灵活、适应性强等特点。但随着锭型尺寸的增加，凝固速度减慢，由此带来一系列的质量问题，各种偏析加剧、疏松及缩孔增加、非金属夹杂物增多、柱状晶发达、等轴晶粗大，导致钢锭的内部质量大幅度下降。采用电渣重熔方法也能生产大型铸 锭，但电渣重熔铸锭的尺寸受限，电能消耗高，电极熔化速度慢，生产效率低，生产成本高，

如果渣系中含有氟化钙还会导致氟的大气污染。为了提高模铸钢锭的内部质量，根据钢锭的凝固特点，人们开发了多种提高钢锭内部质量的方法。

本成果针对现有技术中浇铸大型钢锭或合金钢锭存在的问题，提供了一种双向冷却动态浇 注复合铸锭的方法及其装置。该方法的步骤包 括：原料准备，芯坯准备，铸模与芯坯的组装，布模，排空模腔内空气，转动芯坯，浇注金属熔体，铸锭冷却；并提供了该方法所使用的装置。通过在铸模内预置多块作为搅拌器的低温芯坯，从内外两个方向对铸锭进行强制冷却，增强对金属熔体凝固过程中温度场的控制，浇注熔体与被冲熔的芯坯一起形成内部含有大量晶核和半固态质点的过冷的熔体，转动的芯坯还可以清洁芯坯表面，提高芯液界面结合质量，增加形核率，细化组织，减轻疏松和气孔缺陷，使溶质分布更均匀，获得内部组织细密的各种吨位的大型合金钢锭。

液固复合浇铸技术是将一种液态金属熔体浇铸到一种固态金属表面制成复合坯料，再利用轧制、锻造、挤压或拉拔等压力加工手段进行塑性成形，获得层状金属复合材料，或以其细化、均质化、致密化同一种材料的工艺方法。用于不锈钢复合材料的生产，具有制坯效率高、界面结合强度高、工艺简单成本低等优点。用于大型钢锭或板坯的生产，具有铸态组织细小均匀、心部致密以及成份偏析小等优点。本项目提出的液固复合技术可以制备均质、致密、细晶组织的大型合金钢锭，可以铸成心部无疏松、缩孔、偏析、夹杂物以及粗晶等缺陷的合金钢锭。亦可制备层状金属复合材料，包括复合板材、复合管材以及复合型棒材，所制备的坯料界面结合强度达到200MPa以上。

本技术成果利用液固复合浇铸+轧制或锻造技术可以制备心部无缺陷的细晶、均质、致密大型合金钢锭；可以低成本制备层状金属复合材料，包括复合板材、复合管材以及复合型棒材，所制备的坯料界面结合强度达到200MPa以上。

与现有技术相比，技术的优势在于：

(1)采用连铸坯、轧材或锻材作为待复合的芯坯，将芯坯铸在铸锭的心部，

代替凝固组织，可以彻底消除铸锭心部的疏松、气孔和夹杂物等缺陷，进一步提高铸锭的心部质量；

(2)采用与金属熔体成分相同的芯坯作搅拌器，即可避免金属熔体的污染，

又可增加形核率，细化组织，减轻偏析、疏松和缩孔等缺陷，一举多得；

(3)将钢液浇注到冲熔芯坯上，芯坯因吸热而熔化，钢液因放热而冷却，二者都将形成过冷的熔体，内部形成大量的过冷晶核和半固态质点，提高了金属熔体内的形核率，从而细化了铸锭内部的组织；

(4)通过电机带动芯坯转动，可以使芯坯与钢液之间产生相互摩擦，从而清除芯坯表面的微量氧化物和气体，使芯坯表面裸露出清洁的金属基体，便于钢液与芯坯之间形成冶金结合，消除芯坯与凝固组织之间的界面缺陷，提高结合质量；

(5)通过电机带动芯坯转动，芯坯转动可以强制钢液产生紊流流动，对钢液

起到机械搅拌作用，从而打碎熔体内粗大的枝晶，增加形核率，细化组织，还可以阻止枝晶搭接，减轻疏松和气孔缺陷，使溶质分布更均匀，减轻各种偏析缺陷；

(6)通过电机带动芯坯转动，芯坯分段设置，中间采用连杆连接，每浇注一

段时间后连杆熔断，下部芯坯停止转动，熔体凝固，上部芯坯继续转动，继续起到搅拌细化作用，从而实现芯坯和钢液的逐层凝固复合，增加熔体的补缩，减轻缩孔缺陷，提高成材率。

(7)在铸模内预置低温的冲熔芯坯和调温芯坯，可以从内外两个方向对铸锭进行强化冷却，提高了凝固速度，通过调整芯坯数量、尺寸、间距等参数调整金属熔体内部的温度场，实现对凝固过程的合理控制；

(8)通过改变芯坯的尺寸、重量、数量及分布位置，可以灵活地控制熔体凝固过程中的温度场和浓度场，浇铸出任何形状、尺寸及重量的高质量的复合铸锭 .

近年来，大型锻造件在军工、海洋工程、核电、压力容器、大型水利、重化工、桥梁、大型模具、重型机械等重大技术装备制造得到快速发展，质量要求越来越高。 模铸钢锭作为大型铸锻件的主要原料，其生产过程简单，生产成本低。 但模铸钢锭存在内部质量较差、成材率较低等问题，因此，进一步提高模铸大型钢锭的内部质量具有重要意义。为提高大型模铸钢锭的内部质量， 本团队提出在高温熔体中预置低温钢芯的复合浇铸的方法提高熔体的凝固速度和形核率， 以此达到细化凝固组织、消除铸锭心部缺陷的目的。

大型钢锭是大型锻件和部分轧件的原材料，钢锭的内部质量直接影响锻件和轧件的组织性能及服役寿命，通常是国家重大工程装备所必须的核心和关键材料。随着国家重大工程装备的大型化、国产化和对外输出，对低成本高质量大型合金钢锭的需求也越来越迫切。锻造钢锭的浇注方式也有上注和下注两种。吨位较小的钢锭多采用下注；吨位较大的钢锭则用上注。由于钢液真空处理等炉外精炼和保护浇注的手段日益完善，下注钢锭的吨位逐渐增大，最大的下注钢锭达180t（德国）。最大的上注钢锭是日本室兰制钢所生产的570t钢锭。

大型合金钢锭和铸锻件的制造能力是衡量一个国家工业水平的重要标志之一，本次中国一重研制的超大钢锭其尺寸、重量极大，对设备能力有着非常高的要求，加工工艺也极为复杂，制造难度相当大。该类钢锭在核电、水电等领域应用广泛，由于此前装备和技术条件的限制，我国超大钢锭和铸锻件生产能力无法满足国内需求，三峡工程水轮机转轮铸件、核电压力容器锻件等曾长期依赖进口，严重制约国家重大工程进展。中国一重经过数年的准备，成功研制了619吨特大钢锭，这是目前世界上研制的最大钢锭。

生产工艺有真空浇注和大气浇注两种。真空浇注适应于浇注吨位较大质量要求较高的上注钢锭。真空度一般在66.5Pa以下。大气浇注，既可上注又可下注。对质量要求较高的钢锭应采取保护浇注。锻造钢锭用的钢锭模是用特定成分的铸造生铁制成。其内部形状与钢锭外形相一致；外部形状近似正多边形或圆形。为了造型后起模方便，外部做成上小下大的倒锥体用于制备合金钢锭，可以提高成材率5%—12%左右，同时提高了锻轧件内部质量。

用于制备不锈钢复合板可减少资本投入，降低生产成本，与同类方法相比，界面结合强度提高20—100MPa，降低成本800元—1500元/吨。用于生产不锈钢复合管材吨钢成本降低800元—2000元左右。

金属超纯熔炼与凝固控制创新工作室创办于2017年9月，自创办以来主要围绕“金属超纯熔炼与凝固”这一方向开展开展工作，在电渣重熔理论与工艺、特种高温合金、高性能工模具钢、特种铸造方式、冶金过程自动化控制、液压传动等方面开展科学研究创新活动。成立4年以来，开发了“加压&气氛保护电渣重熔设备”1套，二硅化钼管式炉&气氛控制设备1套，液位检测设备1套，资金投入1600余万元。

目前，创新工作室正围绕航空不锈轴承钢、高温合金、工模具钢的质量提升和高品质钢高效连铸、液固复合工艺及材料开发等课题开展工作，拟开发出适用于航空工业的新一代航空不锈轴承钢，研发出用于航空发动机等关键部位的Inconel718高温合金大钢锭等关键特种新材料和高品质钢高效产的冶炼与连铸技术，液固复合制备心部无缺陷的大型合计钢锭以及低成本制备不锈钢复合材料。

金属超纯熔炼与凝固控制创新团队现有成员9名，主要围绕电渣重熔理论与工艺、特种高温合金、高品质钢高效冶炼与连铸、特种铸造、冶金过程自动化控制、液压传动等方面开展科学研究创新活动。

团队负责人臧喜民教授，现为辽宁科技大学材料与冶金学院院长、博导，长期工作在高品质特殊钢制备领域，主要研究控制大规格钢锭（坯）表面质量和内部组织控制机制、装备和技术的开发，其成果绿色高效抽锭电渣重熔技术先后在中信特钢兴澄公司、武钢集团鄂州钢铁、邢台钢铁等多家特钢企业推广应用，成果转化额8000多万元，为企业创造效益4亿多元。2019年获得“国家科技进步一等奖”，入选辽宁省“百千万人才”百层次人次、辽宁省优秀科技工作者并获得辽宁省“五一劳动奖章”。目前团队成员共获得国家自然科学基金项目10余项，企业项目30余项，发表高水平研究论文50余篇，授权发明专利30余项。井玉安教授，主要研究不锈钢复合板及复合管棒材、层状双金属复合材料、热轧带钢免酸洗除鳞工艺、合金钢锭型优化、钢的控轧控冷及强韧化技术开发。主持完成国家自然科学基金1项、主持完成宣化钢铁、西宁特钢、抚顺特钢以及鞍山市科委项目等6项，参与完成过鞍钢、宝钢、863等多个项目。主编19万字教材1部，发表论文37篇，其中SCI论文8篇，EI检索4篇，授权发明专利17项，授权实用新型专利6项。多个于本成果相关性较高的专利，例如，一种多芯还原多包共浇复合浇铸大型钢锭的方法及装置。

现有技术中浇铸大型钢锭或合金钢锭存在的问题，提供了一种双向冷却动态浇注复合铸锭的方法及其装置，利用该方法及其装置通过在铸模内预置多块低温的芯坯，将钢液浇注到芯坯上，并采用与金属熔体成分相同的芯坯作为搅拌器对熔体进行搅拌，可以从内外两个方向对铸锭进行强制冷却，缩短金属熔体的凝固距离，增强对金属熔体凝固过程中温度场的控制，提高熔体的凝固速度，浇注熔体与被冲熔的芯坯一起形成内部含有大量晶核和半固态质点的过冷的熔体，转动的芯坯还可以清洁芯坯表面，提高芯液界面结合质量，可以强制熔体流动，打碎熔体内粗大的枝晶，增加形核率，细化组织，可以阻止枝晶搭接，减轻疏松和气孔缺陷，使溶质分布更均匀，减轻各种偏析缺陷，因此可以获得内部组织细密的各种吨位的大型合金钢锭。

钢铁行业坚持稳字当头、稳中求进，积极适应市场变化，行业运行总体平稳。

钢铁市场供需保持相对平衡，企业根据市场需求变化及时调整品种结构，实现了保供稳价。虽然行业效益同比有所下降，但环比呈现回升态势。下一阶段，要做好行业稳运行、促进产业链稳定可持续发展、推进绿色低碳发展等工作，努力推动钢铁行业高质量发展取得新进展。

2021年，我国钢铁行业效益创历史最好水平。在去年基数较高、行业面临困难和挑战增多的情况下，今年钢铁行业要稳运行、稳效益殊为不易。

综合各企业情况看，今年一季度，主要钢铁企业效益指标实现开门红，但也有部分企业生产经营遇到较大困难。

据中钢协统计，今年一季度，会员钢铁企业营业收入14993亿元，同比下降3.26%；利润总额553亿元，同比下降25.8%，环比呈逐月回升趋势。企业资产负债结构进一步优化，3月末，会员钢企资产负债率为61.08%，同比下降1.73个百分点。

由于钢铁业供需总体实现动态匹配，钢材价格保持了相对稳定。数据显示，一季度，国内市场钢材价格波动上行，中国钢材价格指数（CSPI）平均值为135.92点，同比上升4.38%。

今年，我国继续实施粗钢产量压减政策，遏制粗钢产量过快增长，有利于钢铁业实现供需平衡。而市场需求“旺季不旺”，给钢铁业运行带来新困扰。

着眼今年全年形势，中钢协分析认为，后期在国家稳增长的目标下，随着疫情形势的缓解和多重政策发力，钢材需求将加速释放，钢铁生产逐步恢复正常，需求增幅预计大于产量增幅，市场供需格局将有所好转，钢铁行业总体将保持平稳运行。

可进行技术转让、技术入股、技术合作等，具体事宜双方见面洽谈。

双向冷却动态浇注复合铸锭技术需要以下步骤和生产条件，希望和能够有条件完成下列工序的厂商进行合作，新建厂不予考虑。

a .原料的准备：以连铸或轧制或锻造的棒材或钢坯切成钢块作为待复合的芯坯， 芯坯的成分与待铸成品铸锭的成分相同，以轧制棒材切成段作为连杆和转杆，连杆和转杆的成分与芯坯的成分相同；

b .芯坯的准备：采用常规的焊接方法，将数块芯坯之间由连杆连接在一起，制成组合芯坯，组合芯坯或芯坯的一端再连接一根转杆形成转杆组合芯坯或转杆芯坯；再将芯坯、组合芯坯和转杆组合芯坯放进干燥箱内预热到100℃-400℃；

c .铸模与芯坯的组装：铸模及帽口均采用目前生产上使用的铸铁锭模和帽口，将帽口置于铸模的顶部，帽口与铸模之间采用石棉垫密封，然后使用螺栓锁紧，并在帽口内壁装设绝热板；

当采取上注法浇钢时，将预热的一块组合芯坯或芯坯作为冲熔芯坯立放于铸模底 部并位于上水口的正下方，将预热的一块或数块转杆组合芯坯或转杆芯坯作为调温芯坯，通过穿过模盖的转杆吊挂在模盖下方并位于冲熔芯坯的周围；

当采取下注法浇钢时，将预热的一块转杆组合芯坯或转杆芯坯作为冲熔芯坯，通过穿过模盖的转杆吊挂在模盖下方并位于下水口的上方，将预热的一块或数块转杆组合芯坯或转杆芯坯作为调温芯坯，通过穿过模盖的转杆吊挂在模盖下方并位于冲熔芯坯的周围；

然后，将转杆与位于铸模外的传动机构组装连接，再将模盖安放在帽口上方，在模盖与帽口之间采用石棉垫密封并使用螺栓将模盖与帽口紧固，即组装好了铸模、冲熔芯坯与调温芯坯；

d .布模：当采取上注法浇钢时，将组装好的铸模、冲熔芯坯与调温芯坯置于浇注平台的下方，通过浇注平台将上水口插入铸模，并在上水口上方安装浇注阀门，将盛有钢液的钢包吊放在浇注阀门的阀体上，准备浇注；

当采用下注法浇钢时，在底盘上面安装好浇注阀门，在铸模底部安装下水口，再将组装好的铸模、冲熔芯坯与调温芯坯吊放在浇注阀门的阀体上，准备浇注；

e .排空模腔内空气：关闭通入铸模内的进气管道和浇注阀门，利用常规的真空抽气装置通过通入铸模的排气管道将模腔内的空气抽出，真空度达到0 .1Pa～100Pa时关闭排气管道，打开进气管道，向模腔内充入惰性气体，将铸模内剩余空气排出，并保持模腔内为正压，或直接利用惰性气体排空铸模内的空气；