目前，我国重载铁路采用世界最大的75kg/m钢轨，最长定尺长度为75m。线路应用表明，钢轨的焊接接头伤损和疲劳伤损是制约重载钢轨服役寿命的主要因素。采用100m长定尺，钢轨焊接接头数量较75m钢轨显著降低，可以从本质上减少焊接接头伤损。同时，采用大断面连铸坯大压缩比轧制可以提高钢轨致密度，从而提高钢轨的强韧综合性能指标。当前国内主要钢轨生产企业均采用280mm×380mm断面生产重载钢轨，本项目立足钢轨长尺化和性能提升两方面，开展了大断面连铸坯生产100m长尺75kg/m重载钢轨关键技术研究及应用。 实现大断面连铸坯高质量生产百米长尺重载钢轨，主要面临以下技术难题。 1、无成熟的重载轨连铸大断面设计经验可供借鉴。国内某厂此前开展过大断面连铸重轨钢的研究，由于大断面连铸坯和钢轨质量难以控制，大断面连铸坯生产重载钢轨难度大而未开展工业化批量生产。因此，首要任务就是设计适合百米长尺重载钢轨稳定生产的大断面连铸坯。 2、大断面连铸坯质量控制难度高。连铸断面越大，高碳、高硅、高锰含量的钢轨钢越容易产生中心偏析、疏松和缩孔等缺陷，最终导致钢轨轨腰缺陷严重。连铸坯断面越大，凝固过程铸坯角部传热控制难度越大，容易产生角部裂纹、凸包等缺陷，轧制钢轨若形成封闭缺陷则难以检查发现，严重影响钢轨服役性能。 3、大断面连铸坯生产百米长尺重载钢轨高效高精度轧制难度大。随着轧制压缩比增加，轧制过程钢轨头部开裂的风险增大；铸坯单重及材质强度的提升导致钢轨通长规格尺寸波动大，表面缺陷增加，特别是轧疤缺陷控制难度更大。 因此，采用大断面连铸坯轧制大断面长尺钢轨已成为我国重载铁路钢轨亟待解决的问题。

由于异形坯断面形状不规则，受力情况复杂，在连铸生产中容易出现裂纹、夹渣等缺陷，导致轧制时产品报废率高。国内的几台大断面异形坯铸机均为国外引进，其最大断面为1024mm×390mm×120mm。而国产的两台异形坯铸机生产的异形坯最大宽度只有500mm，和引进铸机还存在较大的差距，我国此前还没有完全掌握异形坯铸机核心技术。当需要生产新的断面时，只能简单仿制，往往使用效果较差，铸坯质量难以保证。随着，我国的基础建设不断投入，我们需要大量产线更丰富的异形坯铸机，而且还需要进一步加大其断面。为此，开发我国用于轧制重型H型钢的重型异形坯连铸机技术与装备非常重要。 重型异形坯断面尺寸更大，铸坯的凝固进程更长，应力情况非常复杂。铸坯对整个凝固过程的传热均匀性，以及设备的刚度提出了更高的要求。同时兼顾板坯、非对称异形坯的生产，对夹持段也有一些特殊的要求。冶金控制模型应稳定、可靠，确保铸坯的坯壳均匀生长，表面温度平稳下降。设备结构合理，以保证较高对弧精度，同时更换快捷。 从设备设计、模型开发两方面着手，开发的设备结构为计算模型提供基础，模型计算结果为设备开发提供理论依据，相互验证、推动。在形成一套完整的重型异形坯铸机装备的同时，给出详实可靠的理论支撑。研发出的冶金模型，辅助设备设计的同时，得到合理的连铸工艺，形成一整套生产工艺参数。使研发的设备、工艺参数做到有的放矢，确保铸机投产后稳定生产。

当前限制薄带铸轧技术进一步发展的瓶颈主要有四个方面： 1.生产稳定性差，核心技术指标偏低，生产成本高。薄带铸轧产线是将钢水到带钢卷取集合在一起的连续性产线，其中一个环节出问题，整个生产过程就要中断，尤其是在铸区，对钢水质量、耐材质量、工艺控制等要求非常高。纽柯公司Castrip产线计划完成率不到80%，连浇炉数不足4炉，成材率也不到90%，这导致其生产成本较高，产品竞争力不强。 2.薄规格产品比例低，技术优势未充分发挥。薄带铸轧技术可直接铸出2.0mm以下厚度的铸带坯，易于实现薄规格产品生产，同时单机架轧制也利于板型控制。但在集中生产薄规格产品时，单道次轧制压下率大，导致板型控制困难。 3.工艺优势未充分利用，特色品种少。薄带铸轧亚快速凝固的优势，可消除易偏析元素含量高的钢种在凝固过程中的偏析，从而充分利用相应元素的有利作用。但部分元素对于凝固过程和相变过程的影响，会导致钢水稳定成带困难、带钢易出现表面微裂纹等问题，因此此类产品一直未能量产。此外，利用薄带铸轧过程强化元素特殊的物理冶金规律表现，以及短氧化过程的特点，可开发具有显著成本优势和良好使用性能的产品。但技术引进时纽柯公司Castrip产品主要是结构用低碳钢和低合金高强钢，在特殊钢种的开发和推广应用方面一直没有涉及。 4.设备由国外供应商提供，采购成本高，部分设备使用效果不理想。薄带铸轧产线流程短、工序紧凑，在很短距离内工艺控制点多，设备要求高，目前产线设备只能由国外少数供应商供应，价格高且供货及时性难以保证。 以上这些问题导致薄带铸轧生产成本高、产品品种少、应用面窄、产品竞争力相对较差，严重影响了薄带铸轧技术的推广和应用。薄带铸轧技术如何实现从“可以生产”到“稳定高效生产”的突破已成为钢铁行业亟待解决的难题。

上海大学先进凝固技术中心（简称CAST）聚焦冶金工业对凝固过程研究方法的迫切需求，提出基于特征单元热相似性的凝固过程热模拟方法，发明了连铸凝固过程热模拟技术及装备。历时20年，在不断完善连铸凝固过程热模拟技术及装备的同时，发明了异质形核、凝固裂纹和亚快速凝固等热模拟技术及装备，构建了一套比较完整的面向冶金生产工艺流程的凝固热模拟实验系统，实现了生产条件下凝固过程的离线再现。这一成果对认识凝固过程、组织及缺陷形成规律和优化工艺具有重要价值，并为凝固数值模拟提供了简单可靠的实验支撑。

该项目属于冶金工程技术领域，是利用多模式磁场净化金属液的电磁冶金新技术。高端金属材料中残留夹杂物和气体对最终产品质量和性能的影响甚大，这类缺陷的控制水平是限制我国相当多的高端金属材料发展的关键技术难题之一。该技术提出多模式定制磁场以去除凝固界面附近的夹杂物和气泡，控制其定向运动，调节熔体流场新作用的基础上；并提出了电磁场控制结晶器内流场的量化综合评价标准体系，为优化多模式定制电磁场设计提供依据，避免电磁力作用导致卷渣吸气和凝固不均等问题的产生；并发明了一整套对合金凝固过程中夹杂物和气泡的新型电磁场控制装备和技术。所生产无氧铜中气体含量仅为世界最先进水平的一半，硬态电导率高达101%IACS，完全替代进口产品，应用于我国大科学装置并实现出口；显著有效改善宝钢高档汽车外板表面质量，钢质不良率降至0.13%，明显优于新日铁技术。

金属凝固过程热模拟技术属于物理模拟方法范畴，它以能够反映连铸坯、铸锭或铸件凝固过程与组织的最小单元（即“特征单元”）作为实验热模拟的关键要素，离线再现特征单元在实际生产条件下凝固的基本条件，形成了基于特征单元的以点见面的金属凝固过程热模拟原创技术。该技术成功地将生产条件下数吨重铸件、数十吨连铸坯以及数百吨铸锭的凝固过程“浓缩”到实验室，用数百克（铸件和连铸坯）和数十千克（大型铸锭）金属进行研究。基于特征单元热相似原理，开发出连铸坯、大铸锭、双辊薄带和热裂纹等一系列生产条件下金属凝固过程热模拟实验装置，为认识生产条件下金属凝固过程的基础科学问题提供了原创性实验手段。

钢的均质化问题已成为质量提升的技术瓶颈，控制凝固过程是实现均质化的最重要环节。细化金属凝固组织是实现凝固均质化的最有效手段，许多有色金属可以通过化学法（变质处理、添加形核剂等）获得理想的凝固组织，但是钢铁材料一直缺乏便捷有效的细晶技术。 PMO-EMS组合调控高均质化矩形坯连铸技术根据脉冲磁致振荡（PMO）和电磁搅拌（EMS）技术特点，创新性提出综合利用PMO促进形核并形成结晶雨和EMS的搅拌作用，将PMO形成的结晶雨均匀分布于铸坯心部，从而大幅提高铸坯均质化效果及其稳定性。PMO-EMS组合调控高均质化矩形坯连铸技术处理的220×260矩形坯均质化水平显著优于未处理铸坯，GCr15轴承钢、20CrMnTi齿轮钢和ZTM-S2高碳工具钢等轴晶率均明显增加，铸坯中心碳偏析指数不高于1.04。PMO-EMS组合调控高均质化矩形坯连铸技术可应用于矩形坯、方坯和圆坯连铸，特别适用于品种多、批量小，且对质量要求高的特殊钢连铸坯的生产。对连铸坯凝固组织及宏观偏析有显著且稳定的改善效果，优于末端电磁搅拌和轻压下技术。该技术推广应用将极大地提高钢铁产品品质和竞争力，具有巨大价值。