隨著連鑄技術的發(fā)展，高效連鑄成為連鑄技術完善和發(fā)展的主要方向之一。首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責任公司（以下簡稱首鋼京唐）3號板坯連鑄機是一臺新建的以高拉速、高質量、高作業(yè)率和鑄坯熱送熱裝為特征的高效板坯連鑄機。該連鑄機定位在生產高技術含量、高附加值的冷軋產品，如冷軋用深沖帶鋼、低碳結構鋼、汽車用鋼等。但該鑄機投產以后，高拉速的特點一直沒有發(fā)揮出來。為了提高生產效率、縮短澆鑄周期，從2012年起首鋼京唐開展高拉速技術攻關，通過對鑄機生產工藝條件進行優(yōu)化，鑄機最高拉速從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
隨著連鑄機拉速的提高，結晶器內凝固鋼水發(fā)生較大變化，因此高拉速連鑄帶來許多新的特點和難點：
一是隨著拉速的提高，通過結晶器的熱流增大，結晶器內原有的平衡被打破，出口處坯殼變薄。凝固坯殼與結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，單位時間內通鋼量增加，水口處鋼液流速加快，結晶器內鋼液面波動加劇，容易造成卷渣。同時鋼液流對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，保護渣耗量降低，流入結晶器與坯殼間的液渣形成的渣膜難以滿足結晶器的潤滑要求。同時，因形成的渣膜不均勻，造成傳熱不良，影響坯殼均勻生長，使鑄坯產生裂紋缺陷并容易造成漏鋼事故。
四是結晶器內初生坯殼所受的冷凝收縮力和彎曲應力加大。鋼水接觸結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力。當初生坯殼冷凝不均勻或收縮受阻時，坯殼的應力集中處將被拉開而產生縱裂紋缺陷。此外，結晶器內鋼液的初生坯殼因冷凝收縮離開結晶器壁后，鋼液對其施加靜壓力，將坯殼擠向結晶器壁。但是，由于鑄坯長邊坯殼的兩端被短邊坯殼牽制，板坯中部坯殼向結晶器壁凸進，長邊坯殼由此經受彎曲應力。彎曲應力的大小與鑄坯寬度的平方成正比，可見鑄坯越寬，坯殼所受的彎曲應力越大，越容易產生縱裂紋。
優(yōu)化工藝突破高拉速難題
由于高拉速連鑄的上述特點，從常規(guī)拉速到高拉速連鑄常常遇到兩大難題———黏結性漏鋼和鑄坯表面質量差。為了保證高拉速連鑄的順利進行，同時生產高質量鑄坯，首鋼京唐對現(xiàn)有的生產工藝進行優(yōu)化，以滿足高拉速生產的需要。
結晶器冷卻參數(shù)優(yōu)化。為了保證出結晶器下口坯殼有足夠的厚度，同時保證高熱流密度狀態(tài)下銅板內水不發(fā)生局部沸騰現(xiàn)象，要求彎月面處冷卻水流速大于9m/s，因此對高拉速條件下結晶器冷卻水量進行調整，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，相應水流速都達到9m/s以上，實現(xiàn)理想狀態(tài)。
電磁制動投入。在高拉速連鑄過程中，鋼液由結晶器浸入式水口高速流出，流向結晶器窄邊，與結晶器窄邊碰撞，形成上升流和下降流。上升流上升至結晶器液面改變方向，流向水口方向，在浸入式水口、結晶器液面、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晶器液面波動、卷渣、結晶器液面保護渣熔化等，下回流決定夾雜物上浮去除率與凝固捕集以及流束對鑄坯表面質量的影響。
為了有效控制結晶器內鋼水的流動，減少結晶器液面波動，該公司在高拉速時采用帶電磁制動結晶器。該結晶器可以產生兩個獨立的靜磁場，下部磁場依靠高強度電流運行，使沖擊流股速度最小化，并促使彎月面的夾雜上浮，從而達到提高產品內部質量的目的。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。上部磁場可以達到彎月面的最佳流速，從而實現(xiàn)減少結晶器液位波動和卷渣，均勻熔化結晶器彎月面保護渣，改善凝固坯殼和結晶器之間的潤滑效果。
浸入式水口參數(shù)優(yōu)化。浸入式水口側孔尺寸、傾角和插入深度直接影響結晶器內鋼流分布，從而影響結晶器液面的穩(wěn)定和初生坯殼的均勻性，因此應綜合考慮水口側孔尺寸、傾角與插入深度等參數(shù)。水口側孔尺寸如果過大，鋼水不能滿流流出，在水口周圍形成紊流。水口插入太深，由于從水口兩個側孔出來的鋼液帶到鋼液上的熱量不足，保護渣不能均勻熔化，影響初生坯殼的均勻性，同時更多的高溫鋼水浸入結晶器下部，影響了凝固坯殼的生長，使結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。
為了適應高拉速的需要，首鋼京唐根據現(xiàn)場的工況，對不同類型水口進行了水模模擬。結果表明，在高拉速條件下，凹型水口可以很好地降低表面流速，進而減小剪切卷渣帶來的表面質量問題。通過綜合對比，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，結晶器液面平穩(wěn)，保護渣熔化均勻。
保護渣性能優(yōu)化。當提高拉速后，鋼水在結晶器內停留時間縮短，流入坯殼和結晶器壁的保護渣量減少，保護渣的穩(wěn)定性和均勻性下降。因此，高拉速用保護渣有以下幾個要求：
一是適宜的渣耗量。有研究指出，保護渣消耗量過大或過小均會引起鑄坯缺陷的發(fā)生。隨著拉速的提高，保護渣耗量減小，摩擦力增大，鑄坯容易產生缺陷。一般認為，常規(guī)拉速下保護渣的消耗量應在0.3kg/m2以上，高拉速連鑄時應在0.2kg/m2以上。因此，要求保護渣在高拉速或拉速變化較大時仍能維持足夠的消耗量，否則容易造成黏結漏鋼或鑄坯縱裂等表明缺陷。
二是良好的潤滑性。結晶器壁與坯殼間的渣膜厚度適宜且分布均勻，以降低結晶器摩擦力并促使其傳熱，從而防止裂紋的產生。保護渣應具有較低的軟化、凝固和結晶溫度，以保證結晶器的潤滑和傳熱。
三是較強的物性穩(wěn)定能力。保護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穩(wěn)定。
四是適宜的析晶能力，以滿足減小結晶器與鑄坯間的摩擦力及特殊鋼種控制熱流的要求。
為了適應高拉速生產的需要，該公司對現(xiàn)場用保護渣性能進行優(yōu)化，從生產實踐看，改進后保護渣在高拉速時耗量在0.25kg/m2以上，且生產過程中無黏結報警發(fā)生，滿足了高拉速生產的需要。
經過工藝優(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，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，說明在高拉速條件下，當前的生產工藝條件能很好地保證板卷質量，高拉速技術取得實質性突破。