隨著連鑄技術(shù)的發(fā)展，高效連鑄成為連鑄技術(shù)完善和發(fā)展的主要方向之一。首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司（以下簡稱首鋼京唐）3號(hào)板坯連鑄機(jī)是一臺(tái)新建的以高拉速、高質(zhì)量、高作業(yè)率和鑄坯熱送熱裝為特征的高效板坯連鑄機(jī)。該連鑄機(jī)定位在生產(chǎn)高技術(shù)含量、高附加值的冷軋產(chǎn)品，如冷軋用深沖帶鋼、低碳結(jié)構(gòu)鋼、汽車用鋼等。但該鑄機(jī)投產(chǎn)以后，高拉速的特點(diǎn)一直沒有發(fā)揮出來。為了提高生產(chǎn)效率、縮短澆鑄周期，從2012年起首鋼京唐開展高拉速技術(shù)攻關(guān)，通過對(duì)鑄機(jī)生產(chǎn)工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，鑄機(jī)最高拉速從1.6m/min提高到2.3m/min，取得了良好的效果。
正視高拉速的新難點(diǎn)
隨著連鑄機(jī)拉速的提高，結(jié)晶器內(nèi)凝固鋼水發(fā)生較大變化，因此高拉速連鑄帶來許多新的特點(diǎn)和難點(diǎn)：
一是隨著拉速的提高，通過結(jié)晶器的熱流增大，結(jié)晶器內(nèi)原有的平衡被打破，出口處坯殼變薄。凝固坯殼與結(jié)晶器壁間的摩擦大增大，容易造成鼓肚和漏鋼。
二是隨著拉速提高，單位時(shí)間內(nèi)通鋼量增加，水口處鋼液流速加快，結(jié)晶器內(nèi)鋼液面波動(dòng)加劇，容易造成卷渣。同時(shí)鋼液流對(duì)窄面凝固坯殼的沖擊速度加大，容易造成窄面縱向裂紋。
三是隨著拉速的提高，保護(hù)渣耗量降低，流入結(jié)晶器與坯殼間的液渣形成的渣膜難以滿足結(jié)晶器的潤滑要求。同時(shí)，因形成的渣膜不均勻，造成傳熱不良，影響坯殼均勻生長，使鑄坯產(chǎn)生裂紋缺陷并容易造成漏鋼事故。
四是結(jié)晶器內(nèi)初生坯殼所受的冷凝收縮力和彎曲應(yīng)力加大。鋼水接觸結(jié)晶器后生成凝固坯殼，該坯殼由于冷卻收縮、相變收縮而承受收縮應(yīng)力。當(dāng)初生坯殼冷凝不均勻或收縮受阻時(shí)，坯殼的應(yīng)力集中處將被拉開而產(chǎn)生縱裂紋缺陷。此外，結(jié)晶器內(nèi)鋼液的初生坯殼因冷凝收縮離開結(jié)晶器壁后，鋼液對(duì)其施加靜壓力，將坯殼擠向結(jié)晶器壁。但是，由于鑄坯長邊坯殼的兩端被短邊坯殼牽制，板坯中部坯殼向結(jié)晶器壁凸進(jìn)，長邊坯殼由此經(jīng)受彎曲應(yīng)力。彎曲應(yīng)力的大小與鑄坯寬度的平方成正比，可見鑄坯越寬，坯殼所受的彎曲應(yīng)力越大，越容易產(chǎn)生縱裂紋。
優(yōu)化工藝突破高拉速難題
由于高拉速連鑄的上述特點(diǎn)，從常規(guī)拉速到高拉速連鑄常常遇到兩大難題———黏結(jié)性漏鋼和鑄坯表面質(zhì)量差。為了保證高拉速連鑄的順利進(jìn)行，同時(shí)生產(chǎn)高質(zhì)量鑄坯，首鋼京唐對(duì)現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝進(jìn)行優(yōu)化，以滿足高拉速生產(chǎn)的需要。
結(jié)晶器冷卻參數(shù)優(yōu)化。為了保證出結(jié)晶器下口坯殼有足夠的厚度，同時(shí)保證高熱流密度狀態(tài)下銅板內(nèi)水不發(fā)生局部沸騰現(xiàn)象，要求彎月面處冷卻水流速大于9m/s，因此對(duì)高拉速條件下結(jié)晶器冷卻水量進(jìn)行調(diào)整，將寬面冷卻水量從4600L/min提高到4900L/min，將窄面水流量從490L/min提高到580L/min，相應(yīng)水流速都達(dá)到9m/s以上，實(shí)現(xiàn)理想狀態(tài)。
電磁制動(dòng)投入。在高拉速連鑄過程中，鋼液由結(jié)晶器浸入式水口高速流出，流向結(jié)晶器窄邊，與結(jié)晶器窄邊碰撞，形成上升流和下降流。上升流上升至結(jié)晶器液面改變方向，流向水口方向，在浸入式水口、結(jié)晶器液面、水口出口流束區(qū)域形成小范圍流速較高的上回流。下降流向下逐漸形成大范圍的下回流。上回流流速及上回流分配比決定結(jié)晶器液面波動(dòng)、卷渣、結(jié)晶器液面保護(hù)渣熔化等，下回流決定夾雜物上浮去除率與凝固捕集以及流束對(duì)鑄坯表面質(zhì)量的影響。
為了有效控制結(jié)晶器內(nèi)鋼水的流動(dòng)，減少結(jié)晶器液面波動(dòng)，該公司在高拉速時(shí)采用帶電磁制動(dòng)結(jié)晶器。該結(jié)晶器可以產(chǎn)生兩個(gè)獨(dú)立的靜磁場，下部磁場依靠高強(qiáng)度電流運(yùn)行，使沖擊流股速度最小化，并促使彎月面的夾雜上浮，從而達(dá)到提高產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量的目的。由于下部磁場始終處于被激活狀態(tài)，因此無論澆鑄速度高或低，均可以在澆鑄過程中有效減小沖擊流深度。上部磁場可以達(dá)到彎月面的最佳流速，從而實(shí)現(xiàn)減少結(jié)晶器液位波動(dòng)和卷渣，均勻熔化結(jié)晶器彎月面保護(hù)渣，改善凝固坯殼和結(jié)晶器之間的潤滑效果。
浸入式水口參數(shù)優(yōu)化。浸入式水口側(cè)孔尺寸、傾角和插入深度直接影響結(jié)晶器內(nèi)鋼流分布，從而影響結(jié)晶器液面的穩(wěn)定和初生坯殼的均勻性，因此應(yīng)綜合考慮水口側(cè)孔尺寸、傾角與插入深度等參數(shù)。水口側(cè)孔尺寸如果過大，鋼水不能滿流流出，在水口周圍形成紊流。水口插入太深，由于從水口兩個(gè)側(cè)孔出來的鋼液帶到鋼液上的熱量不足，保護(hù)渣不能均勻熔化，影響初生坯殼的均勻性，同時(shí)更多的高溫鋼水浸入結(jié)晶器下部，影響了凝固坯殼的生長，使結(jié)晶器下口的初生坯殼減薄，不利于高拉速澆鑄。水口插入太淺，鋼流可以將液渣裹入凝固前沿。
為了適應(yīng)高拉速的需要，首鋼京唐根據(jù)現(xiàn)場的工況，對(duì)不同類型水口進(jìn)行了水模模擬。結(jié)果表明，在高拉速條件下，凹型水口可以很好地降低表面流速，進(jìn)而減小剪切卷渣帶來的表面質(zhì)量問題。通過綜合對(duì)比，他們選用出口傾角為15°~40°的凹型水口。從現(xiàn)場使用效果來看，在高拉速使用過程中，結(jié)晶器液面平穩(wěn)，保護(hù)渣熔化均勻。
保護(hù)渣性能優(yōu)化。當(dāng)提高拉速后，鋼水在結(jié)晶器內(nèi)停留時(shí)間縮短，流入坯殼和結(jié)晶器壁的保護(hù)渣量減少，保護(hù)渣的穩(wěn)定性和均勻性下降。因此，高拉速用保護(hù)渣有以下幾個(gè)要求：
一是適宜的渣耗量。有研究指出，保護(hù)渣消耗量過大或過小均會(huì)引起鑄坯缺陷的發(fā)生。隨著拉速的提高，保護(hù)渣耗量減小，摩擦力增大，鑄坯容易產(chǎn)生缺陷。一般認(rèn)為，常規(guī)拉速下保護(hù)渣的消耗量應(yīng)在0.3kg/m2以上，高拉速連鑄時(shí)應(yīng)在0.2kg/m2以上。因此，要求保護(hù)渣在高拉速或拉速變化較大時(shí)仍能維持足夠的消耗量，否則容易造成黏結(jié)漏鋼或鑄坯縱裂等表明缺陷。
二是良好的潤滑性。結(jié)晶器壁與坯殼間的渣膜厚度適宜且分布均勻，以降低結(jié)晶器摩擦力并促使其傳熱，從而防止裂紋的產(chǎn)生。保護(hù)渣應(yīng)具有較低的軟化、凝固和結(jié)晶溫度，以保證結(jié)晶器的潤滑和傳熱。
三是較強(qiáng)的物性穩(wěn)定能力。保護(hù)渣必須具有良好的溶解、吸收夾雜物的能力，并且在吸收夾雜物后其物理性能保持相對(duì)穩(wěn)定。
四是適宜的析晶能力，以滿足減小結(jié)晶器與鑄坯間的摩擦力及特殊鋼種控制熱流的要求。
為了適應(yīng)高拉速生產(chǎn)的需要，該公司對(duì)現(xiàn)場用保護(hù)渣性能進(jìn)行優(yōu)化，從生產(chǎn)實(shí)踐看，改進(jìn)后保護(hù)渣在高拉速時(shí)耗量在0.25kg/m2以上，且生產(chǎn)過程中無黏結(jié)報(bào)警發(fā)生，滿足了高拉速生產(chǎn)的需要。
經(jīng)過工藝優(yōu)化后，在2.3m/min高拉速條件下，鑄坯中心偏析程度很輕，都在C類1.0以下；鑄坯氧化物夾雜在0.5以下，基本無裂紋和氣泡存在。同時(shí)，隨著拉速提高，冷軋板卷大于50um夾雜物數(shù)量密度呈不斷下降趨勢(shì)，說明在高拉速條件下，當(dāng)前的生產(chǎn)工藝條件能很好地保證板卷質(zhì)量，高拉速技術(shù)取得實(shí)質(zhì)性突破。