大规格高品质钢具有高强度、高韧性和特殊服役性能，是支撑国家重大工程、高端装备制造和能源安全保障的重要基础材料，广泛应用于海洋工程、油气开采、汽车制造、压力容器和能源装备等领域。随着服役环境向深海、深地发展，对铸坯表面质量、内部组织均匀性、心部冲击韧性以及服役可靠性提出了更高要求。连铸是高品质钢质量控制的核心工序。对于大圆坯、大方坯和厚板坯等大断面铸坯，断面尺寸大、凝固时间长、拉速低，结晶器内传热、润滑、凝固收缩和热应力耦合复杂，易诱发表面裂纹、夹渣、凹陷等缺陷。此外，大断面铸坯心部冷却速率低，合金元素持续富集，易形成中心偏析并导致组织不均匀，并在后续轧制及热处理过程中发生缺陷遗传，导致产品心部韧性不足和服役可靠性下降。

当前，大规格高品质钢铸坯质量控制主要面临三方面共性难题：一是大圆坯低拉速连铸过程中保护渣润滑与控热功能难以协同，表面裂纹与中心偏析并发，高合金添加进一步加剧半宏观偏析，导致成本与性能难以兼顾；二是大方坯中碳合金钢结晶器初始凝固行为复杂，传热、渗渣、坯壳生长与表面裂纹之间关系缺乏有效研究手段，裂纹难以稳定抑制，并在热轧过程中氧化扩展，造成严重的产品降级；三是厚板坯中心偏析与组织恶化严重，元素心部富集后诱发异常贝氏体、带状组织和碳化物带，显著降低厚板心部低温冲击韧性，同时多工序参数高度耦合，传统经验试错难以建立微观组织与力学性能之间的定量关系。

针对上述行业共性难题，项目团队历经十余年持续攻关，围绕“大规格高品质钢连铸坯质量协同调控”这一核心目标，原创提出“前端协同抑制连铸坯缺陷、后端协同调控组织与性能”的总体技术思路，根据大规格铸坯不同断面，即大圆坯、大方坯、厚板坯，形成了涵盖保护渣设计、结晶器冶金调控、二冷与轻压下协同控制、组织与性能一体化调控及数字化优化的连铸坯质量协同调控关键技术群，建立了具有自主知识产权的成套工程应用体系，为我国高品质大规格钢材稳定生产和重大工程应用提供了系统解决方案，总体研究思路如图1所示。

图1：项目关键问题及研究思路

2.主要创新点

(1) 大圆坯表面质量与内部缺陷调控技术

大规格圆坯低拉速条件下坯壳承受摩擦与热应力时间长、渣膜稳定性差、润滑和传热难以兼顾，项目组提出保护渣“熔体微观结构-晶体生长行为-渣膜功能”协同设计理念，构建了“钢种凝固特性-连铸工艺参数-保护渣高温性能” 耦合连铸工艺模型和大圆坯连铸保护渣数据系统，实现了保护渣从经验设计向机理设计和数据驱动设计的转变，在此基础上，设计了兼具良好润滑能力和稳定控热能力的P91大圆坯保护渣，解决了大圆坯P91钢低拉速、控热难、易开裂的经典难题，从源头上抑制了表面裂纹形成。

高强韧油套管钢大圆坯Mo元素心部偏析严重，经热轧后形成的带状组织，项目组创新提出“减Mo添Nb与B” 低成本合金优化策略，微量B提高淬透性（替代Mo以促进马氏体转化），NbC起到细晶与弥散析出强化作用，以微量Nb、B部分替代高成本Mo元素，从源头抑制心部Mo富集偏析，优化后Mo偏析强度明显降低，带状组织等级由5级减轻至3级以下，突破了大圆坯中心偏析和带状组织控制的经典难题，实现了铸坯质量、产品性能和生产成本的协同优化。

(2) 大方坯表面裂纹与轧制扩展调控技术

连铸结晶器内发生高温、多相、瞬态变化，凝固传热、钢水流动、保护渣渗入，结晶器本身不透明，对其高温冶金行为有效研究是国际公认的难题。基于结晶器浸入钢液逆向凝固的思路，发明了连铸结晶器钢液初始凝固高温实验装置体系，可在实验室条件下研究结晶器钢水凝固，保护渣渗入、结晶、润滑及控热等多相体系热动力学行为。在此基础上，开发了高频结晶器温度测量与传热计算反问题技术，拥有良好抗噪声干扰和在线反演能力，实现了对结晶器每个振动周期内温度场和传热行为的在线监测，突破了实验室尺度下结晶器内钢液初始凝固行为有效研究的国际瓶颈。

合金钢大方坯，合金元素较多，连铸过程中拉速、结晶器振动等工艺参数与钢种凝固特性不匹配，导致铸坯表面裂纹难以控制。项目组构建了钢液初始凝固、传热、工艺参数与表面质量关系模型，创新提出稳定高频热流协同结晶器润滑的裂纹抑制策略，实现了对大方坯冷镦钢连铸工艺参数定制，解决了工艺定制难的问题。此外，合金钢大方坯在结晶器内形成的表面夹渣、卷渣以及裂纹渗渣等缺陷，易诱发高温界面氧化行为，严重影响钢材质量。项目组系统阐明“保护渣自由氧渗入-合金元素界面氧化-热轧析出诱发晶界脆化”的连锁机制，创新提出“保护渣源头控氧+低氧轧制后端抑制裂纹扩展”的协同调控方法，有效阻断裂纹氧化扩展路径，钢料降级率由9.5%降至2.1%，有效解决了冷镦钢裂纹降级难题。

(3) 厚板坯中心偏析与组织性能调控技术

厚板坯断面尺寸大、凝固时间长，凝固不均匀问题加剧，增加凝固组织和中心偏析调控难度，成为制约心部质量提升的关键因素。项目组基于ProCAST建立CAFE模型，模拟凝固传热与组织演变，并耦合流体流动、溶质传输与机械应力，构建温度-流动-溶质-应力耦合模型。结合现场缺陷与模型计算，提出“二冷均质化冷却与轻压下” 厚板坯质量协同调控技术，厚板铸坯中心偏析得到改善，低倍评级C1.0类合格率从65%大幅提高至97%以上。

厚板坯中心偏析遗传至轧板中并诱发带状组织，导致组织不均匀与力学性能各向异性，严重制约海工钢冲击韧性的有效提升。项目组揭示了海工钢心部枝晶偏析-异常贝氏体-带状组织 -碳化物带的全流程遗传演变规律，提出“临界温度淬火-定温回火”组织均匀化调控策略，阻断带状组织向碳化物带的遗传转变，实现了海工钢厚板强韧性的最优组合与显著提升。此外，结合工业大数据，项目组开发了奥氏体晶粒识别软件和厚板工艺-性能预测模型，实现了铸坯质量向产品性能的数字化传递。

本项目围绕大规格高品质钢连铸坯质量的协同调控，系统揭示了关键冶金过程机理并构建成套技术体系。项目已获授权发明专利47项，软件著作权3项，发表论文88篇，获得国际矿物、金属与材料学会、美国金属学会的重要学术奖励，以及湖南省技术发明一等奖，显著提升了高品质钢连铸前沿技术领域的国际影响力。项目成果已在衡钢、湘钢等企业规模化应用，覆盖深井油套管钢、海工钢、冷镦钢等系列产品，形成了大圆坯、大方坯和厚板坯连铸坯质量协同调控成套技术体系。在大圆坯方面，新型保护渣和低成本合金优化技术显著改善了衡钢压力容器用钢、油套管钢等铸坯表面质量及心部组织均匀性，相关产品应用于塔里木油田、西南油气田、长庆油田等。在大方坯方面，相关技术应用于湘钢冷镦钢生产，产品摘得中钢协冶金金杯桂冠，产品取得了上汽、东风、吉利等汽车主机厂的材料认证，并纳入合格供应商平台，质量达到国内外同行领先水平。在厚板坯方面，技术应用于湘钢海工钢生产，通过世界9大船级社认证，入选国家级制造业单项冠军产品，应用于亚洲首座300米级深水导管架“海基一号”，入围“2022年度央企十大国之重器”榜单。近三年新增销售额146.26亿元，新增利润15.55亿元。项目突破了大规格铸坯表面缺陷、中心偏析和组织性能波动等瓶颈问题，显著提升了我国高品质大规格钢材自主保障能力，经权威专家鉴定整体达到国际领先水平。