随着连铸技术的发展，高效连铸成为连铸技术完善和发展的主要方向之一。首钢京唐钢铁联合有限责任公司（以下简称首钢京唐）3号板坯连铸机是一台新建的以高拉速、高质量、高作业率和铸坯热送热装为特征的高效板坯连铸机。该连铸机定位在生产高技术含量、高附加值的冷轧产品，如冷轧用深冲带钢、低碳结构钢、汽车用钢等。但该铸机投产以后，高拉速的特点一直没有发挥出来。为了提高生产效率、缩短浇铸周期，从2012年起首钢京唐开展高拉速技术攻关，通过对铸机生产工艺条件进行优化，铸机最高拉速从1.6m/min提高到2.3m/min，取得了良好的效果。
正视高拉速的新难点
随着连铸机拉速的提高，结晶器内凝固钢水发生较大变化，因此高拉速连铸带来许多新的特点和难点：
一是随着拉速的提高，通过结晶器的热流增大，结晶器内原有的平衡被打破，出口处坯壳变薄。凝固坯壳与结晶器壁间的摩擦大增大，容易造成鼓肚和漏钢。
二是随着拉速提高，单位时间内通钢量增加，水口处钢液流速加快，结晶器内钢液面波动加剧，容易造成卷渣。同时钢液流对窄面凝固坯壳的冲击速度加大，容易造成窄面纵向裂纹。
三是随着拉速的提高，保护渣耗量降低，流入结晶器与坯壳间的液渣形成的渣膜难以满足结晶器的润滑要求。同时，因形成的渣膜不均匀，造成传热不良，影响坯壳均匀生长，使铸坯产生裂纹缺陷并容易造成漏钢事故。
四是结晶器内初生坯壳所受的冷凝收缩力和弯曲应力加大。钢水接触结晶器后生成凝固坯壳，该坯壳由于冷却收缩、相变收缩而承受收缩应力。当初生坯壳冷凝不均匀或收缩受阻时，坯壳的应力集中处将被拉开而产生纵裂纹缺陷。此外，结晶器内钢液的初生坯壳因冷凝收缩离开结晶器壁后，钢液对其施加静压力，将坯壳挤向结晶器壁。但是，由于铸坯长边坯壳的两端被短边坯壳牵制，板坯中部坯壳向结晶器壁凸进，长边坯壳由此经受弯曲应力。弯曲应力的大小与铸坯宽度的平方成正比，可见铸坯越宽，坯壳所受的弯曲应力越大，越容易产生纵裂纹。
优化工艺突破高拉速难题
由于高拉速连铸的上述特点，从常规拉速到高拉速连铸常常遇到两大难题———黏结性漏钢和铸坯表面质量差。为了保证高拉速连铸的顺利进行，同时生产高质量铸坯，首钢京唐对现有的生产工艺进行优化，以满足高拉速生产的需要。
结晶器冷却参数优化。为了保证出结晶器下口坯壳有足够的厚度，同时保证高热流密度状态下铜板内水不发生局部沸腾现象，要求弯月面处冷却水流速大于9m/s，因此对高拉速条件下结晶器冷却水量进行调整，将宽面冷却水量从4600L/min提高到4900L/min，将窄面水流量从490L/min提高到580L/min，相应水流速都达到9m/s以上，实现理想状态。
电磁制动投入。在高拉速连铸过程中，钢液由结晶器浸入式水口高速流出，流向结晶器窄边，与结晶器窄边碰撞，形成上升流和下降流。上升流上升至结晶器液面改变方向，流向水口方向，在浸入式水口、结晶器液面、水口出口流束区域形成小范围流速较高的上回流。下降流向下逐渐形成大范围的下回流。上回流流速及上回流分配比决定结晶器液面波动、卷渣、结晶器液面保护渣熔化等，下回流决定夹杂物上浮去除率与凝固捕集以及流束对铸坯表面质量的影响。
为了有效控制结晶器内钢水的流动，减少结晶器液面波动，该公司在高拉速时采用带电磁制动结晶器。该结晶器可以产生两个独立的静磁场，下部磁场依靠高强度电流运行，使冲击流股速度最小化，并促使弯月面的夹杂上浮，从而达到提高产品内部质量的目的。由于下部磁场始终处于被激活状态，因此无论浇铸速度高或低，均可以在浇铸过程中有效减小冲击流深度。上部磁场可以达到弯月面的最佳流速，从而实现减少结晶器液位波动和卷渣，均匀熔化结晶器弯月面保护渣，改善凝固坯壳和结晶器之间的润滑效果。
浸入式水口参数优化。浸入式水口侧孔尺寸、倾角和插入深度直接影响结晶器内钢流分布，从而影响结晶器液面的稳定和初生坯壳的均匀性，因此应综合考虑水口侧孔尺寸、倾角与插入深度等参数。水口侧孔尺寸如果过大，钢水不能满流流出，在水口周围形成紊流。水口插入太深，由于从水口两个侧孔出来的钢液带到钢液上的热量不足，保护渣不能均匀熔化，影响初生坯壳的均匀性，同时更多的高温钢水浸入结晶器下部，影响了凝固坯壳的生长，使结晶器下口的初生坯壳减薄，不利于高拉速浇铸。水口插入太浅，钢流可以将液渣裹入凝固前沿。
为了适应高拉速的需要，首钢京唐根据现场的工况，对不同类型水口进行了水模模拟。结果表明，在高拉速条件下，凹型水口可以很好地降低表面流速，进而减小剪切卷渣带来的表面质量问题。通过综合对比，他们选用出口倾角为15°~40°的凹型水口。从现场使用效果来看，在高拉速使用过程中，结晶器液面平稳，保护渣熔化均匀。
保护渣性能优化。当提高拉速后，钢水在结晶器内停留时间缩短，流入坯壳和结晶器壁的保护渣量减少，保护渣的稳定性和均匀性下降。因此，高拉速用保护渣有以下几个要求：
一是适宜的渣耗量。有研究指出，保护渣消耗量过大或过小均会引起铸坯缺陷的发生。随着拉速的提高，保护渣耗量减小，摩擦力增大，铸坯容易产生缺陷。一般认为，常规拉速下保护渣的消耗量应在0.3kg/m2以上，高拉速连铸时应在0.2kg/m2以上。因此，要求保护渣在高拉速或拉速变化较大时仍能维持足够的消耗量，否则容易造成黏结漏钢或铸坯纵裂等表明缺陷。
二是良好的润滑性。结晶器壁与坯壳间的渣膜厚度适宜且分布均匀，以降低结晶器摩擦力并促使其传热，从而防止裂纹的产生。保护渣应具有较低的软化、凝固和结晶温度，以保证结晶器的润滑和传热。
三是较强的物性稳定能力。保护渣必须具有良好的溶解、吸收夹杂物的能力，并且在吸收夹杂物后其物理性能保持相对稳定。
四是适宜的析晶能力，以满足减小结晶器与铸坯间的摩擦力及特殊钢种控制热流的要求。
为了适应高拉速生产的需要，该公司对现场用保护渣性能进行优化，从生产实践看，改进后保护渣在高拉速时耗量在0.25kg/m2以上，且生产过程中无黏结报警发生，满足了高拉速生产的需要。
经过工艺优化后，在2.3m/min高拉速条件下，铸坯中心偏析程度很轻，都在C类1.0以下；铸坯氧化物夹杂在0.5以下，基本无裂纹和气泡存在。同时，随着拉速提高，冷轧板卷大于50um夹杂物数量密度呈不断下降趋势，说明在高拉速条件下，当前的生产工艺条件能很好地保证板卷质量，高拉速技术取得实质性突破。
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