高拉速連鑄過程傳輸行為特征及關(guān)鍵技術(shù)探析
朱苗勇
(東北大學(xué)冶金學(xué)院， 遼寧 沈陽 110819)
摘要：高拉速連鑄是實現(xiàn)直軋、鑄軋的前提保障，是實現(xiàn)鋼鐵生產(chǎn)流程高效化、綠色化的具體體現(xiàn)，是發(fā)展新一代高效連鑄的主題。高拉速連鑄面臨最大挑戰(zhàn)是漏鋼與裂紋頻發(fā)，凝固坯殼均勻生長控制應(yīng)是其實現(xiàn)的核心內(nèi)涵，重點在于結(jié)晶器技術(shù)集成，包括結(jié)晶器流動控制、保護渣類型、結(jié)晶器潤滑、結(jié)晶器內(nèi)腔結(jié)構(gòu)、結(jié)晶器冷卻結(jié)構(gòu)與制度等，關(guān)鍵在于結(jié)晶器液位的穩(wěn)定控制。闡述了高拉速連鑄過程傳輸行為特征及其實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。
關(guān)鍵詞：高拉速連鑄；高效傳熱結(jié)晶器；結(jié)晶器流動控制；結(jié)晶器液面控制；傳輸行為
文獻標志碼：A 文章編號：0449-749X（2021）07-0001-12
A study of transport phenomena and key technologies for high-speed continuous casting of steel
ZHU Miao-yong
(School of Metallurgy， Northeastern University， Shenyang 110819， Liaoning， China)
Abstract：High-speed continuous casting was the premise to make direct rolling or continuous casting and rolling come true, the embody for realizing high-efficiency and green steelmaking production line, and the theme for developing new generation of high-efficiency continuous casting technology. Presently, the most challenge for high-speed continuous casting was the occurrence of breakout and cracks with high frequency. Therefore, to make it come true, the core was the control of homogenous growth of solidifying shell during casting, the most importance was the technology integration of continuous casting mold including flow control, flux type, lubrication, inner shape and cooling system, the key was the steady control of liquid steel level in mold. The transport phenomena in mold with highspeed casting and the related key technologies were presented and discussed.
Key words： high-speed continuous casting; continuous casting mold with high-efficiency heat transfer; mold flow control; mold level control; transport phenomena
連鑄和氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼是20世紀鋼鐵行業(yè)具有劃時代意義的兩大革命性技術(shù)，特別是連鑄，經(jīng)過70年的發(fā)展，已成為現(xiàn)代鋼鐵制造流程的中心環(huán)節(jié)，2020年中國連鑄坯產(chǎn)量首次突破10億t。超低排放是鋼鐵行業(yè)綠色發(fā)展的一個新起點，以高拉速為主題內(nèi)涵的高效連鑄是實現(xiàn)直軋、鑄軋的前提保障，是實現(xiàn)鋼鐵生產(chǎn)流程高效、綠色的具體體現(xiàn)。中國在20世紀90年代初提出了“高速連鑄”，1995年提出“高效連鑄”，考慮爐機匹配、高作業(yè)率、無缺陷坯，同時低成本。但應(yīng)該看到，當時中國連鑄的整體水平與日本、韓國等國家相比還存在差距，特別是在高拉速方面。20世紀70-80年代，日本鋼鐵企業(yè)率先實現(xiàn)了常規(guī)板坯的高拉速連鑄。例如，日本新日鐵大分廠4號板坯連鑄機生產(chǎn)1 900 mm×280 mm斷面低碳、超低碳和中碳鋼的拉速均達到1.5 m/min；名古屋廠2號板坯連鑄機生產(chǎn)1 300 mm×245 mm斷面低碳和超低碳鋼的拉速達到2.0 m/min，且最高可達到2.5 m/min。日本鋼管公司福山廠5和6號板坯連鑄機生產(chǎn)(700~1 650)mm×220 mm、(675~2 100)mm×(220~300)mm斷面低碳和超低碳的拉速均達到2.5 m/min、中碳鋼拉速達到2.0 m/min，且最高可達到3.0 m/min。神戶制鐵、住友金屬與川崎制鐵生產(chǎn)(700~1 900)mm×(220~280)mm斷面低碳和超低鋼的拉速達到2.0~2.5 m/min，中碳鋼拉速也達到2.0 m/min。韓國浦項光陽廠2號和3號連鑄機經(jīng)改造后，于2007年成功實現(xiàn)1 600 mm×250 mm斷面低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼板坯以2.7 m/min拉速、超低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼板坯以2.5 m/min拉速、中碳鋼以1.8 m/min拉速順利連鑄，另外薄板坯拉速達到了7.6 m/min。然而，目前中國大板坯的實際工作拉速基本都在1.8 m/min以下，只有首鋼曹妃甸板坯鑄機最高拉速達到2.5 m/min，薄板坯連鑄的拉速也大都在5 m/min左右。
隨著拉速的提升，結(jié)晶器內(nèi)流動與傳熱、凝固坯殼的厚度和應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)、糊狀區(qū)內(nèi)的流動和凝固進程等不可避免地發(fā)生很大變化。在這些因素的綜合作用下，高拉速連鑄面臨漏鋼、裂紋、卷渣、夾雜物、疏松偏析等諸多問題，且因鋼種凝固特性不同產(chǎn)生很大差異。目前，關(guān)于板坯高拉速的研究主要集中在低碳鋼和中碳亞包晶鋼，因受包晶相變的影響，中碳亞包晶鋼的拉速提升面臨更大的挑戰(zhàn)。此外，隨著碳和合金元素含量的增加，鋼的導(dǎo)熱能力下降，凝固區(qū)域增大，如提升拉速，無論是生產(chǎn)安全性，還是鑄坯內(nèi)部質(zhì)量均面臨更大的問題，因此目前高拉速生產(chǎn)并不適用于中高碳合金鋼。
高拉速連鑄的首要前提是安全順行，因此結(jié)晶器下口坯殼的安全厚度是限制連鑄拉速提高的最主要因素。拉速提高，鋼液在結(jié)晶器內(nèi)凝固時間縮短，凝固坯殼減薄。研究表明：拉速提高10%，出結(jié)晶器的坯殼厚度減少約5%。這也導(dǎo)致影響凝固傳熱的不利因素更加顯現(xiàn)。隨著拉速的提升，熱通量增加，保護渣的消耗量降低，凝固坯殼與結(jié)晶器銅壁間的潤滑變得越來越差，高溫凝固坯殼承受各種應(yīng)力應(yīng)變的能力變得越來越弱，漏鋼和裂紋成為最大挑戰(zhàn)。因此，如何保證高拉速條件下結(jié)晶器內(nèi)凝固坯殼的均勻性與安全性以及鑄坯質(zhì)量，是實現(xiàn)高速連鑄必須要面對和解決的技術(shù)難題。本文從分析高拉速連鑄過程傳輸行為特征入手，闡述結(jié)晶器流動控制、高效傳熱結(jié)晶器、鑄坯鼓肚與結(jié)晶器液面控制等關(guān)鍵技術(shù)，為高拉速連鑄技術(shù)開發(fā)和生產(chǎn)提供指導(dǎo)。
1 高拉速結(jié)晶器流動特征及其控制
1.1 結(jié)晶器流動特征
高拉速條件下，從浸入式水口側(cè)孔吐出的流股高速沖擊結(jié)晶器窄面，造成凝固坯殼重熔減薄，向上反轉(zhuǎn)流股使鋼液面波動加劇，會造成鋼液吸氣及卷渣，向下流股將夾雜和氣泡帶入液相穴深處(圖1)。
拉速對結(jié)晶器內(nèi)液面行為的影響如圖2所示。通過物理模擬發(fā)現(xiàn)，拉速每提高0.20 m/min，彎月面附近液面速度提高約0.01 m/s、波動約增加0.05 mm(圖2(a)、(b))，液面漩渦頻率相應(yīng)提高1～2 min-1(圖2(c))。當拉速提升至2.0 m/min時，漩渦出現(xiàn)頻率高達12 min-1；浸入式水口深度由117提升至100 mm，液面速度的增幅達17%，彎月面的波動增幅可達29%(圖2(b)拉速1.8 m/min)?？梢?，拉速增加，結(jié)晶器液面無論是流速還是平靜度均向不利方向發(fā)展，實施流動控制十分必要。
保護渣黏度對結(jié)晶器內(nèi)鋼渣界面速度的影響如圖3所示。由圖3可以看出,高黏度時最大界面速度和彎月面速度由0.203 m/s(a點)和0.152 m/s(c點)分別降至低黏度的0.143 m/s(b點)和0.112 m/s(d點)。因此，高黏度保護渣應(yīng)是防止結(jié)晶器卷渣發(fā)生的有效手段，但還需綜合考慮其潤滑傳熱的重要作用。
1.2 結(jié)晶器電磁控流
電磁技術(shù)已成為結(jié)晶器控流的重要手段，如雙邊行波磁場的M-EMS、局部區(qū)域磁場的EMBr、全幅一段磁場的LMF、全幅二段磁場的FC-Mold、電磁水平加速器的EMLA、電磁水平穩(wěn)定器的EMLS等。結(jié)晶器電磁控流的首要目的是其液面的穩(wěn)定，同時兼顧彎月面附近的流速以改善其傳熱。拉速為1.8 m/min時不同流控條件下板坯結(jié)晶器(FC-Mold)中心對稱面上的流場分布如圖4所示，自由液面下20 mm處沿結(jié)晶器寬度方向中心線上的速率分布如圖5所示。施加電磁制動后，鋼液流速整體減小，尤其是液面和彎月面處速度變得平緩，但在電磁制動和吹氬雙重作用下，結(jié)晶器液面卻出現(xiàn)了波浪形流動狀態(tài)，最大速度出現(xiàn)在水口附近的漩流區(qū)，由僅電磁制動時的0.02增至0.12 m/s。電磁制動和吹氬作用下不同拉速時自由液面下20 mm處沿結(jié)晶器寬度方向中心線的水平速度分布如圖6所示。由圖可以看出，拉速由1.5 增至2.4 m/min時，液面的最大水平漩流速度則由0.14 減至0.03 m/s，由此可見，電磁制動只有在較高拉速時才發(fā)揮出其積極作用。日本新日鐵的研究表明，結(jié)晶器內(nèi)的單循環(huán)流動會導(dǎo)致產(chǎn)品諸多缺陷，而均衡發(fā)展的雙循環(huán)流股則是改善板坯和薄板卷質(zhì)量的關(guān)鍵。目前計算流體力學(xué)(CFD)得到了迅速發(fā)展，可利用CFD知識和電磁學(xué)理論建立計算模型，根據(jù)鑄坯尺寸、拉速、水口參數(shù)和氬氣量進行實時調(diào)整和合理調(diào)控，將不穩(wěn)定和單循環(huán)鋼流轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定、優(yōu)化的雙循環(huán)流，以保證自由液面的穩(wěn)定和防止卷渣的發(fā)生。
從現(xiàn)場控制角度出發(fā)，最好能有一個綜合反映高速連鑄結(jié)晶器流動特征的指數(shù)。日本NKK的Teshima T等提出了反映結(jié)晶器液面波動的指數(shù)F，見式(1)。
式中：QL為鋼液體積拉速，m3/s；Ve為鋼液主流股的沖擊速度，m/s；ρst為鋼液密度，kg/m3；D為沖擊點到自由液面的距離，m；θ為鋼液主流股的沖擊角度，（°）。
通過實驗室試驗和現(xiàn)場結(jié)果分析認為最佳的F值為1.7~3.0。通過數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，在電磁制動和吹氬共同作用下，F(xiàn)值與拉速、吹氬量、電磁線圈電流強度之間均呈現(xiàn)線性遞增關(guān)系，F(xiàn)值可以有效反映出彎月面附近的鋼/渣界面波動情況，控制F值合理變化范圍對于避免結(jié)晶器內(nèi)鋼/渣界面的劇烈波動和卷渣的發(fā)生更具實際意義。高拉速結(jié)晶器內(nèi)以鋼/渣界面平靜度為主要目標的流動控制可以轉(zhuǎn)化為對F值的控制，通過對結(jié)晶器整個液面波動的實時監(jiān)控可實現(xiàn)F值的在線控制。
2 高拉速高效傳熱結(jié)晶器
隨著拉速提高，盡管結(jié)晶器內(nèi)熱通量增加(圖7)，但鋼液的凝固時間和保護渣的消耗量降低，導(dǎo)致出結(jié)晶器坯殼厚度減薄(圖8)、不均勻性增大，發(fā)生漏鋼、裂紋等風(fēng)險不斷加大。因此，要實現(xiàn)高速連鑄，結(jié)晶器內(nèi)凝固坯殼的均勻性和安全性問題必須要予以解決，其根本就是要解決高拉速條件下結(jié)晶器的高效傳熱問題。
連鑄機最大拉速Vmax與結(jié)晶器下口坯殼安全厚度δme、凝固系數(shù)Km以及結(jié)晶器有效長度Lm之間的關(guān)系見式(2)。
由式(2)可知，要突破拉速的限制，一是δme能否得到進一步降低，一是增大Km。
2.1 出結(jié)晶器安全厚度
目前，對結(jié)晶器出口坯殼安全厚度δme的定量還基本停留在傳統(tǒng)經(jīng)驗或常識上，即小斷面的方圓坯不小于8 mm，大斷面的板坯、方圓坯不小于15 mm，而Ito Y等最新研究表明，高拉速板坯出結(jié)晶器的坯殼厚度可以在10~15 mm范圍。因此，針對不同斷面、鋼種準確定量δme很有實際意義。最近，QIAN Hai-tao等研究了黏結(jié)漏鋼修復(fù)機理，通過對出結(jié)晶器坯殼的受力分析，提出了確定坯殼安全厚度的表達式，見式(3)。
式中：φ為澆鑄鋼種過熱度、拉坯力的影響系數(shù),取值范圍為1~1.3；σs為坯殼的屈服強度，Pa；n為安全系數(shù)，取為2.5；ρsh為坯殼密度，kg/m3；lA與lB為結(jié)晶器鋼液面分別至其出口和第一對足輥中心的距離，m；x2為結(jié)晶器出口至足輥間達到最大彎曲力矩的位置，由式(4)確定。
很顯然，δme大小主要是由所澆鑄鋼種此時的抗拉強度所決定，如能提高其強度，那么δme就可以得到相應(yīng)的降低，而鋼的屈服強度是隨溫度升高而降低的，因此，為了實現(xiàn)更高拉速，降低澆鑄鋼種凝固坯殼出結(jié)晶器時的溫度應(yīng)是有效途徑之一。為此，可以從兩方面著手，一是提高結(jié)晶器的傳熱效率，尤其是角部的傳熱，解決坯殼不均勻生長的問題；一是對出結(jié)晶器的坯殼實施快冷。
漏鋼和裂紋的發(fā)生往往起源于坯殼的最薄弱處，如能較好地控制結(jié)晶器內(nèi)坯殼的均勻生長，那么所謂的安全厚度就可以得到有效降低，拉速的提升也就有了一個前提保證。控制結(jié)晶器內(nèi)坯殼均勻生長的關(guān)鍵在于結(jié)晶器內(nèi)坯殼與銅板間的均勻傳熱，這主要取決于其間界面熱阻，涉及保護渣的狀態(tài)及厚度分布、坯殼凝固收縮所引起的坯殼-保護渣間氣隙分布、結(jié)晶器冷卻結(jié)構(gòu)與冷卻制度等。保護渣性能及其行為對界面?zhèn)鳠岬挠绊懯秋@而易見的，但從坯殼生長的均勻性角度，首要考慮的應(yīng)該是結(jié)晶器銅板內(nèi)壁面形狀結(jié)構(gòu)。奧鋼聯(lián)、康卡斯特、達利涅等將結(jié)晶器內(nèi)壁面形狀加工成拋物線、鉆石等類型，其目的就是為了減少氣隙，改善傳熱，促進坯殼的均勻生長，減少表面熱裂紋。因此，要實現(xiàn)高速連鑄，結(jié)晶器內(nèi)腔結(jié)構(gòu)合理設(shè)計尤為重要，這是保證結(jié)晶器高效傳熱的基礎(chǔ)。
結(jié)晶器內(nèi)腔形狀結(jié)構(gòu)設(shè)計出發(fā)點是保證澆鑄過程結(jié)晶器銅板內(nèi)壁能高度迎合凝固坯殼收縮與生長特點，這需要首先解決結(jié)晶器內(nèi)這一極其復(fù)雜凝固傳熱的定量描述問題。作者建立了考慮溶質(zhì)微觀偏析、保護渣與氣隙動態(tài)分布和坯殼高溫蠕變行為的坯殼-結(jié)晶器系統(tǒng)熱力耦合有限元模型，定量描述并揭示了包晶鋼凝固過程中凝固坯殼與結(jié)晶器銅壁間保護渣膜、氣隙的動態(tài)分布行為規(guī)律，并以此研制出高效傳熱新型曲面結(jié)晶器(圖9)，結(jié)晶器內(nèi)腔結(jié)構(gòu)特點為“上部快補償、中下部緩補償、角部多補償”，高度迎合了凝固坯殼生長和收縮。與傳統(tǒng)平板結(jié)晶器相比，可以發(fā)現(xiàn)新型曲面結(jié)晶器內(nèi)氣隙和渣層分布發(fā)生了顯著的改變，角部的氣隙以及保護渣膜堆積現(xiàn)象基本消除(圖10)，結(jié)晶器中下部冷卻速率由傳統(tǒng)的3.5增至10 ℃/s以上，出結(jié)晶器的坯殼溫度得到了明顯降低(圖11)，結(jié)晶器角部區(qū)域的坯殼生長更加均勻(圖12)。
2.2 結(jié)晶器凝固系數(shù)
由式(2)可以看出，提高拉速除考慮出結(jié)晶器坯殼的安全厚度外，提高結(jié)晶器凝固系數(shù)Km也應(yīng)該是重要途徑。式(5)是基于金屬凝固傳熱的平方根定律導(dǎo)出的，結(jié)晶器凝固系數(shù)其實就是平均凝固系數(shù)m，可表達為
式中:λ為坯殼導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；tm為凝固溫度，℃；tsf為凝固坯殼表面溫度，℃；Lf為凝固潛熱，J/kg。通常板坯、大方坯和小方坯的m取值分別為17～22、22～28、20～26 mm/min1/2。如果認為與結(jié)晶器銅壁接觸的凝固坯殼溫度保持不變，則凝固系數(shù)Km可由式(6)確定。
式中：α為擴散系數(shù)，m2/s；cp為比熱容， J/(kg·K)；tis為界面溫度。
如取α=0.624×10-5 m2/s、cp=670 J/(kg·K)、Lf=2.71×105 J/kg、tm=1 530 ℃、tis=1 000 ℃，則可得Km≈25 mm/min1/2，對板坯而言這屬一個極限值。很顯然，Km值大小最直接的影響因素是凝固坯殼表面溫度tsf或界面溫度tis，tsf或tis越低，Km值就越大，而這主要取決于結(jié)晶器銅壁與坯殼之間的界面?zhèn)鳠?，受結(jié)晶器冷卻水、結(jié)晶器斷面形狀與表面狀態(tài)、保護渣性能等因素的影響，實質(zhì)還是結(jié)晶器的高效傳熱問題。為此，對于高速連鑄而言，除了上述結(jié)晶器內(nèi)腔形狀結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計制造外，很重要的一項工作就是要充分利用和發(fā)揮好保護渣的潤滑與傳熱作用。
拉速提高，凝固坯殼與結(jié)晶器銅壁間的潤滑情況變得越來越不理想，保護渣膜結(jié)構(gòu)及厚度直接關(guān)系到其間的潤滑狀態(tài)及傳熱，對坯殼生長產(chǎn)生了極其重要的影響。因此，應(yīng)促使結(jié)晶器鋼液面的液態(tài)保護渣能均勻流入結(jié)晶器銅壁與坯殼的間隙中(渣道)以獲得良好的傳熱和坯殼表面溫度的下降。大量的研究與實踐表明，保護渣黏度對鑄坯縱裂紋影響最大，過高黏度的保護渣很難流入鋼液彎月面與結(jié)晶器銅壁之間的間隙，從而使縱裂紋增加。提高保護渣堿度可降低黏度，但會使渣凝固溫度和結(jié)晶溫度提高而影響潤滑，為此，采用加質(zhì)量分數(shù)為2%~5%的Li2O或以MgO和BaO取代渣中部分CaO。為降低成本，國內(nèi)也正研發(fā)不含Li2O的保護渣。液渣黏度過大或過小都會造成坯殼表面渣膜的厚薄不均勻，致使?jié)櫥瑐鳠岵涣?。為此，保護渣應(yīng)保持合適的黏度值，視澆鑄的鋼種、斷面、拉速、鑄溫而定，Ogibayashi S等認為當黏度與拉速的乘積(η·Vc)控制在0.10～0.40 （Pa·s·m）/min時，保護渣渣膜厚度的變化和熱流波動最小。不同拉速條件下使用兩種保護渣時的Km值如圖13所示?？梢钥闯霰Ｗo渣的性能確實對結(jié)晶器內(nèi)Km值和凝固均勻性產(chǎn)生了很大的影響。因此，要實現(xiàn)高拉速連鑄，凝固系數(shù)Km的改變不可或缺，研制符合高拉速要求連鑄保護渣刻不容緩。
2.3 結(jié)晶器潤滑
凝固坯殼與銅板之間潤滑是保障連鑄順行和鑄坯質(zhì)量的關(guān)鍵，也是實現(xiàn)高速連鑄的關(guān)鍵。潤滑越好，凝固坯殼與結(jié)晶器銅壁間摩擦就越小，否則將引發(fā)裂紋和黏結(jié)漏鋼等嚴重問題。凝固坯殼與結(jié)晶器銅壁間的液體摩擦力FI，可用式(7)表示。
式中：Vc為拉速，m/min；Vm為結(jié)晶器運動速度，m/min；dI為坯殼與結(jié)晶器銅壁間液渣渣膜厚度,mm，可由式(8)確定。
式中:tn為保護渣熔化溫度，℃；A為結(jié)晶器振動振幅，mm；zf為結(jié)晶器振動周期，s；τp為結(jié)晶器振動正滑動時間，s。
很顯然，摩擦力是隨著拉速和保護渣黏度的增加以及液渣膜厚度的減少而增大，這與保護渣的消耗直接相關(guān)。由圖14和圖15可以看出，拉速提高，保護渣消耗減少，這樣渣膜厚度變薄，結(jié)晶器的潤滑就變差。高拉速情況下，傳統(tǒng)板坯渣耗量一般不低于0.30 kg/m2(圖14)，而薄板坯6 m/min拉速的渣消耗在0.10 kg/m2左右(圖15)。
保護渣消耗量與其性能、澆鑄工藝、結(jié)晶器振動、結(jié)晶器的斷面均有較大關(guān)系。保護渣的黏度和熔化溫度升高，消耗量下降；拉速增加、過熱度下降，保護渣的消耗量下降；正滑脫時間增加，保護渣的消耗量增加，非正弦振動的消耗量大于正弦振動。研究者提出了形式各異的計算保護渣消耗量Qs的經(jīng)驗式(kg/m2)，代表性的有Kwon O D等和Tsutsumi K等。
式中:f為頻率，min-1；η為1 300 ℃時保護渣黏度，Pa·s；k與β為常數(shù)。
可見，結(jié)晶器振動成為改善結(jié)晶器潤滑狀態(tài)非常有效手段。非正弦振動的特點體現(xiàn)在：上振平緩，顯著降低坯殼表面拉應(yīng)力；正滑脫時間增加，增加了保護渣耗量；合適的負滑脫時間，易于降低振痕深度；一定的負滑脫量，利于連鑄坯脫膜和愈合撕裂坯殼。自從1984年日本NKK的福山廠首次采用了非正弦振動以來，此技術(shù)已經(jīng)成為高拉速連鑄機不可或缺的工藝技術(shù)。目前圍繞非正弦振動波形涉及負滑脫時間、正滑脫時間、負滑脫量、正滑脫相對速度差、非正弦振動因子等，以及振動過程潤滑和摩擦行為及渣道壓力等微觀界面行為展開研究，以期進一步改善結(jié)晶器銅板與坯殼表面接觸狀態(tài)，適應(yīng)高拉速連鑄發(fā)展要求。
3 高拉速結(jié)晶器液面控制
3.1 結(jié)晶器液面波動成因
連鑄過程中，結(jié)晶器液位的變化不僅影響鋼渣卷混，最為重要的是對保護渣的潤滑與傳熱行為產(chǎn)生極其重要的影響，從而直接影響凝固坯殼生長的均勻性和連鑄生產(chǎn)的順行?？梢姡獙崿F(xiàn)高速連鑄，結(jié)晶器液位穩(wěn)定性控制至關(guān)重要。
結(jié)晶器液位波動產(chǎn)生過程極其復(fù)雜，應(yīng)該是一個諧振過程，涉及的影響因素很多，除了諸如不穩(wěn)定注速、水口偏流、結(jié)晶器紊流等因素外，很重要一個原因是鑄坯的鼓肚(圖16)，這一現(xiàn)象在包晶鋼連鑄時更加突出，直接限制了拉速的提升，目前國內(nèi)大都在1.2~1.3 m/min，新日鐵的最高拉速為1.7 m/min。包晶反應(yīng)發(fā)生時，結(jié)晶器內(nèi)初生坯殼在彎月面和角部區(qū)域收縮不規(guī)則，造成了不均勻生長，在二冷區(qū)鋼水靜壓力的作用發(fā)生了鼓肚，造成結(jié)晶器液面下降，鼓肚坯殼到達下一導(dǎo)輥時又被擠壓回去，液面又上升，如此反復(fù)就形成了結(jié)晶器液面波動。Gantner A等研究表明包晶相變坯殼生長不均勻?qū)е鹿亩撬l(fā)液面波動頻率在0.06~0.15 Hz，蘇志堅等認為結(jié)晶器內(nèi)液面異常波動主頻率約0.3 Hz，凝固收縮系數(shù)的變化導(dǎo)致了不同包晶鋼鼓肚頻率發(fā)生變化。熊爽等發(fā)現(xiàn)含鈮包晶鋼連鑄時結(jié)晶器液面波動最為劇烈。Yoon U S等的現(xiàn)場檢測研究發(fā)現(xiàn)拉速波動量增加，非穩(wěn)態(tài)鼓肚量增加、液面波動量增加，由鼓肚引起的干擾主頻率與拉速成線性關(guān)系。因此，連鑄過程結(jié)晶器液位波動的根源在于凝固坯殼在結(jié)晶器內(nèi)的不均勻生長所導(dǎo)致的鼓肚，這在高速連鑄時將會更加突出。要控制液位穩(wěn)定，首要任務(wù)是促使初凝坯殼的均勻生長，最具有針對性和體現(xiàn)效果的應(yīng)為鑄坯的鼓肚控制。
3.2 結(jié)晶器液位穩(wěn)定控制
鑄坯鼓肚量的大小與鋼液靜壓力、夾輥間距、冷卻強度等因素有密切關(guān)系。鼓肚量隨輥間距的4次方而增加，隨坯殼厚度的3次方而減小。板坯的鼓肚量可用式(11)來計算。
式中:δi，δi，s分別為第i輥處的鼓肚量和凝固坯殼厚度，cm；li為第i輥處鑄坯中心線上的輥距(或前后輥距之和的一半)，cm；pi為第i輥處的鋼液靜壓力，MPa；τi為鑄坯通過距離li所用的時間，min；E為等效彈性模量，MPa，可由式(12)確定。
式中:tI和tas分別為鋼的液相線溫度和凝固坯殼的平均溫度，℃。由式(11)和式(12)可見，可從設(shè)備與工藝著手來控制鑄坯鼓肚。
改變輥列布置來改變坯殼擠壓的周期性，減少了非穩(wěn)態(tài)鼓肚的產(chǎn)生。如二冷的前幾個段，同一扇形段內(nèi)輥距差別較大，或同一扇形段內(nèi)輥距相近、相鄰的輥距差別較大，則在任意時刻，一定長度內(nèi)鑄坯處于部分鼓起與部分壓下的非同步狀態(tài)，造成不同周期內(nèi)變化量的疊加相互抵消效應(yīng)，從而使結(jié)晶器液面保持基本穩(wěn)定。
加大二冷區(qū)冷卻強度，以降低坯殼的溫度(tas)、增加其厚度(δi，s)和高溫強度。針對微合鋼連鑄角橫裂紋控制，作者與國內(nèi)多家企業(yè)合作研發(fā)出了實現(xiàn)鑄坯角部超強冷(冷速大于15 ℃/s)的連鑄機足輥及垂直區(qū)二冷強噴淋結(jié)構(gòu)(圖17)，形成了連鑄二冷高溫區(qū)鑄坯角部“γ→α→γ循環(huán)相變”晶粒超細化控冷技術(shù)(圖18)，從而增強了凝固坯殼的塑性，提升了其抗裂紋的能力。這種思路同樣適應(yīng)于高速連鑄時鑄坯鼓肚的控制，是應(yīng)對非穩(wěn)態(tài)鼓肚十分有效的技術(shù)手段。在實際具體實施過程中，為了協(xié)調(diào)鑄坯寬面與窄面的傳熱，寬面足輥、寬面二區(qū)和三區(qū)的冷卻強度同時應(yīng)有較大幅度的增強，這樣有助于強化出結(jié)晶器的坯殼強度，減少彎曲段內(nèi)垂直區(qū)的坯殼抗變形鼓肚能力，而彎曲段彎曲點之后，適當減弱寬面四區(qū)的水量以滿足回溫要求。總體上彎曲段的水量增加30%~35%，有利于強化坯殼，減小輥間鼓肚，穩(wěn)定結(jié)晶器液面。
結(jié)晶器液面穩(wěn)定控制，除了對鑄坯鼓肚實施根本性控制外，還需要考慮液位波動的瞬變性、非線性、多干擾性等實際情況，因此，要真正做到穩(wěn)定控制，很重要的一項工作是對其實施有效監(jiān)控。監(jiān)測結(jié)晶器液位方法主要有熱電偶法、同位素法、渦流法、工業(yè)電視攝影法、光波測量法和電磁法等。電磁法測量鋼水液位主要是利用電磁感應(yīng)原理，將發(fā)射線圈和接受線圈并排放在電磁盒中，安裝到結(jié)晶器銅板頂部，發(fā)射線圈產(chǎn)生高頻電磁場，并在銅板表面和靠近鋼水表面處感生出渦流，渦流的分布受鋼水液面高度的影響，接收線圈中渦流感生出的電勢隨鋼水液面高度的不同而發(fā)生變化，從而確定鋼水液面位置。這種方法與其他檢測裝置相比，在安裝方式和檢測性能等方面具有很多優(yōu)點，但檢測結(jié)果受結(jié)晶器銅板溫度及表面鍍層的影響。
近年來，模糊控制法在液面控制中得到了廣泛的應(yīng)用，歐洲許多鋼廠采用了模糊控制法，其控制效果良好，使結(jié)晶器鋼水液面的升高幅度減少了約40%，液位受干擾的時間縮短了約80%，機械設(shè)備的安全性得到了提高，因斷流而改鋼的情況減少了約80%。日本JEF應(yīng)用的專家系統(tǒng)，可根據(jù)各傳感器采集的數(shù)據(jù)，如澆注速度、結(jié)晶器鋼水液位、滑動水口的狀態(tài)、中間包鋼水質(zhì)量等對整個操作過程的狀態(tài)、原因以及各參數(shù)進行評判，并制定對策，及時發(fā)出調(diào)節(jié)指令，使PID控制參數(shù)達到最佳，雙流圓坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼液面的波動范圍僅為4~5 mm；在板坯連鑄機上使用了增益調(diào)度H∞控制系統(tǒng)，與采用常規(guī)PID控制系統(tǒng)相比，結(jié)晶器液面的波幅降低了30%以上。采用高頻抖動補償理論的算法，在控制信號中引入了高頻抖動信號，其振幅和周期能夠自動調(diào)整，從而使液位執(zhí)行機構(gòu)產(chǎn)生抖動，以克服和消除由液壓執(zhí)行機構(gòu)，如塞棒或滑動水口的磨擦和死區(qū)特性等引起的非平穩(wěn)非線性變化，從而使鋼水液位偏差控制在最小范圍，滿足工藝要求。
結(jié)晶器液位控制可以認為是整個連鑄過程控制的核心，但目前控制基本是聚焦在液面的如何高精度在線監(jiān)測和后續(xù)的快速響應(yīng)控制這兩大方面，屬于典型的“后知后覺”。最近，田立等發(fā)現(xiàn)結(jié)晶器液面波動與某個驅(qū)動輥力矩存在耦合關(guān)系，通過對拉矯輥力矩或電流曲線頻譜分析，獲得特征曲線與液位相位偏差，以此得出塞棒補償量，進行提前補償，減輕液位周期性波動。因此，要實現(xiàn)高速連鑄，結(jié)晶器液位的智能控制尤為關(guān)鍵，要做到“先知先覺”，這就需要將連鑄過程的鑄坯鼓肚、結(jié)晶器流場、包晶相變等冶金知識數(shù)據(jù)庫與鋼種成分、拉速、塞棒開口度、輥縫等工業(yè)大數(shù)據(jù)有機結(jié)合，通過AI智能預(yù)測、預(yù)判液面補償量并發(fā)指令實施控制，做到“先知先覺”，結(jié)晶器液位智能化控制框圖如圖19所示，從而真正實現(xiàn)結(jié)晶器液位的穩(wěn)定控制與拉速的突破。
4 結(jié)語
高拉速連鑄體現(xiàn)了鋼鐵制造流程高效、綠色化發(fā)展要求，是新一代高效連鑄技術(shù)發(fā)展的核心內(nèi)涵。限制連鑄拉速的主要因素是出結(jié)晶器凝固坯殼的安全厚度，實現(xiàn)高速連鑄的核心焦點是結(jié)晶器內(nèi)凝固坯殼的均勻生長控制，涉及結(jié)晶器流動、保護渣類型、潤滑、內(nèi)腔形狀、冷卻結(jié)構(gòu)與制度等內(nèi)容，關(guān)鍵是結(jié)晶器液面的穩(wěn)定控制，重點是通過輥列、二冷等工藝與裝備手段實施對鑄坯鼓肚的有效控制，并結(jié)合鑄坯鼓肚、結(jié)晶器流場、包晶相變等冶金知識數(shù)據(jù)庫與鋼種成分、拉速、塞棒開口度、輥縫等工業(yè)大數(shù)據(jù)，通過AI智能預(yù)測，實現(xiàn)穩(wěn)定液位“先知先覺”控制。
