高速連鑄結(jié)晶器內(nèi)凝固傳熱行為及其均勻性控制

朱苗勇，蔡兆鎮(zhèn)

東北大學(xué)冶金學(xué)院，沈陽(yáng) 110819

鋼鐵行業(yè)綠色發(fā)展的一個(gè)新起點(diǎn)是超低排放，以高拉速為主題的高效連鑄是實(shí)現(xiàn)連鑄連軋的前提，體現(xiàn)了鋼鐵生產(chǎn)流程的高效、綠色化發(fā)展方向[1].與冷裝軋制工藝相比，直軋工藝的能耗可降低80%、生產(chǎn)周期可縮短97%.當(dāng)前我國(guó)連鑄整體水平與國(guó)際先進(jìn)水平相比還存在差距，特別是在高速連鑄方面[2].日本JEF福山廠5號(hào)和6號(hào)板坯連鑄機(jī)生產(chǎn)的低碳和超低碳鋼拉速均達(dá)到2.5 m·min-1，最高拉速可達(dá)到3.0 m·min-1[3]；韓國(guó)浦項(xiàng)光陽(yáng)廠2號(hào)和3號(hào)板坯連鑄機(jī)低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼拉速為2.7 m·min-1、超低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼拉速為2.5 m·min-1[4].然而，目前我國(guó)板坯的工作拉速大都在1.4～1.6 m·min-1，只有首鋼曹妃甸板坯連鑄機(jī)穩(wěn)定拉速為2.05 m·min-1、最高達(dá)到2.5 m·min-1[2,5].包晶鋼屬于中碳鋼系列，其成分范圍包括高強(qiáng)低合金鋼以及先進(jìn)高強(qiáng)鋼等，但由于此類鋼凝固過(guò)程發(fā)生包晶反應(yīng)（L+δ→γ），伴隨包晶相變（δ→γ）而引發(fā)最大的坯殼線收縮，促使結(jié)晶器與凝固坯殼之間最大氣隙的形成、非均勻凝固加劇[6]，從而使連鑄過(guò)程中熱通量下降、凝固坯殼局部的熱點(diǎn)和減薄，導(dǎo)致鑄坯表面凹陷、裂紋和漏鋼[7].包晶鋼已成為難度最大的連鑄鋼種之一，目前，日本企業(yè)中碳鋼的最高拉速為2.0 m·min-1[3]，韓國(guó)企業(yè)的最高拉速為1.8 m·min-1[4]，而我國(guó)包晶鋼的拉速基本在1.2～1.4 m·min-1之間.為適應(yīng)行業(yè)綠色低碳發(fā)展要求和增強(qiáng)自身競(jìng)爭(zhēng)力，當(dāng)前企業(yè)普遍關(guān)注和正在著力發(fā)展高拉速連鑄技術(shù).隨著拉速的提升，連鑄過(guò)程面臨卷渣、夾渣、裂紋、偏析、漏鋼等諸多問(wèn)題，其中裂紋和漏鋼頻發(fā)，嚴(yán)重影響順行，成為最大挑戰(zhàn)[1,5,8-9].因此，如何解決高拉速條件下連鑄結(jié)晶器內(nèi)凝固坯殼的均勻性問(wèn)題，是實(shí)現(xiàn)高速連鑄的關(guān)鍵.本文以鑄坯斷面226 mm×1289 mm的某高強(qiáng)船板鋼（主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）：C 0.15%、Si 0.25%、Mn 1.50%、P 0.015%、S 0.008%；澆鑄溫度為1541 ℃）為對(duì)象，闡述分析了高拉速條件下包晶鋼板坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)的凝固傳熱行為特征，闡明了實(shí)現(xiàn)凝固坯殼均勻生長(zhǎng)的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)、保護(hù)渣、振動(dòng)和液面控制等結(jié)晶器高效傳熱技術(shù).

1 高速連鑄結(jié)晶器凝固傳熱特征

已有的研究及實(shí)踐均表明，拉速提升可使各種坯型和鋼種的連鑄結(jié)晶器內(nèi)熱通量均增加，只是增加的程度不同而已[10-11].Kanazawa 等研究表明[10]，中碳鋼的拉速要明顯低于低碳鋼，其臨界熱通量為2 MW·m-2，而低碳鋼的臨界熱通量則為3 MW·m-2.究其原因就是包晶鋼在凝固過(guò)程發(fā)生包晶反應(yīng)和δ→γ相變的特殊性所決定，其中相變體積收縮率可達(dá)2.5%～3.0%[9].圖1是碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%的包晶鋼在不同拉速下結(jié)晶器窄面中心熱通量沿高度方向的分布，可以看出，拉速（vc）提高，熱通量增加，但由于在結(jié)晶器內(nèi)鋼液的凝固時(shí)間和保護(hù)渣的消耗量降低，坯殼與結(jié)晶器銅壁間的潤(rùn)滑變得越來(lái)越差，導(dǎo)致出結(jié)晶器坯殼厚度減薄.如圖2所示，拉速由1.4 m·min-1提升至1.6 m·min-1和1.8 m·min-1時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)出結(jié)晶器坯殼厚度相應(yīng)減少約8.7%和11.0%，承受各種應(yīng)力應(yīng)變的能力變得越來(lái)越弱，而且不穩(wěn)定的鼓肚加劇并引發(fā)結(jié)晶器液面的大幅波動(dòng)，不僅導(dǎo)致液面卷渣，而且嚴(yán)重影響保護(hù)渣渣道內(nèi)的潤(rùn)滑性和凝固均勻性，發(fā)生漏鋼、裂紋等風(fēng)險(xiǎn)幾率不斷加大.因此，揭示掌握包晶鋼連鑄時(shí)拉速對(duì)結(jié)晶器內(nèi)坯殼凝固傳熱和應(yīng)力的影響規(guī)律，對(duì)于高速連鑄工藝技術(shù)的開(kāi)發(fā)具有重要意義.

圖1 不同拉速包晶鋼板坯結(jié)晶器窄面中心線上的熱流密度分布Fig.1 Heat flux distribution at narrow face centerline of slab mold for peritectic steel under different casting speeds

圖2 拉速對(duì)出結(jié)晶器坯殼厚度的影響Fig.2 Effect of casting speed on the thickness of solidified shell at the mold exit

1.1 拉速對(duì)結(jié)晶器界面熱阻的影響

結(jié)晶器內(nèi)傳熱主要是鑄流對(duì)坯殼的對(duì)流換熱、坯殼內(nèi)的導(dǎo)熱、坯殼與結(jié)晶器壁的傳熱、結(jié)晶器銅壁內(nèi)的導(dǎo)熱以及結(jié)晶器壁與冷卻水之間的換熱，其中坯殼與銅壁間的氣隙行為對(duì)整體傳熱具有決定性影響.圖3為不同拉速條件下板坯結(jié)晶器角部區(qū)域氣隙沿高度方向的分布.可以看出，拉速對(duì)角部氣隙分布影響較為顯著，拉速升高，坯殼在結(jié)晶器內(nèi)的凝固時(shí)間和收縮量均減少，氣隙厚度整體減??；因在結(jié)晶器同一高度位置凝固坯殼厚度減薄且溫度整體提升，導(dǎo)致保護(hù)渣完全凝固的位置下移，從而使氣隙初始形成的位置也隨之下移.結(jié)晶器寬面角部氣隙的變化主要集中在彎月面下方150 mm至結(jié)晶器出口，而窄面角部則主要集中在180～480 mm的結(jié)晶器中上部.拉速由1.4 m·min-1分別提升至 1.6 m·min-1和1.8 m·min-1時(shí)，窄面最大氣隙厚度下降，分別由0.281 mm降至0.178 mm和0.161 mm，而在結(jié)晶器下部，因其錐度的補(bǔ)償作用其氣隙厚度很小，變化并不明顯.

圖3 不同拉速下包晶鋼板坯結(jié)晶器內(nèi)坯殼角部區(qū)域氣隙沿結(jié)晶器高度方向的分布Fig.3 Distribution of air gap at corner region along the slab mold length for peritectic steel under different casting speed

同時(shí)，保護(hù)渣對(duì)潤(rùn)滑與傳熱具有重要作用，其合理分布對(duì)連鑄順行至關(guān)重要.圖4為結(jié)晶器內(nèi)坯殼寬面和窄面角部及偏離角區(qū)域（距離角部30 mm處）保護(hù)渣沿結(jié)晶器高度方向的分布情況.由圖4(a)可以看出，拉速由 1.4 m·min-1提升至1.6 m·min-1時(shí)對(duì)寬面角部保護(hù)渣厚度分布影響則較小，僅增加了0.022 mm，而當(dāng)拉速由1.6 m·min-1提升至1.8 m·min-1時(shí)，該處渣層厚度增加了0.102 mm.究其原因，高拉速時(shí)坯殼寬面角部區(qū)域的表面溫度較高，可較長(zhǎng)時(shí)間高于保護(hù)渣凝固溫度，從而使流動(dòng)性好的液渣得以不斷填充；對(duì)于窄面，如圖4(b)所示，與寬面有很大的不同，角部和偏離角區(qū)域的保護(hù)渣厚度隨拉速的增加出現(xiàn)一定幅度下降，這與坯殼溫度整體提升、收縮量減小、保護(hù)渣填充減小有關(guān).

圖4 不同拉速下結(jié)晶器內(nèi)坯殼角部區(qū)域保護(hù)渣沿高度方向的分布.（a）寬面；（b）窄面Fig.4 Distribution of mold flux at shell corner along mold length under different casting speeds: (a) wide face; (b) narrow face

因此，對(duì)于傳統(tǒng)平板型結(jié)構(gòu)結(jié)晶器而言，包晶鋼連鑄時(shí)結(jié)晶器內(nèi)氣隙和保護(hù)渣的分布并不合理，雖然拉速對(duì)結(jié)晶器內(nèi)氣隙形成的不利影響不顯著，但拉速超過(guò)1.6 m·min-1時(shí)，保護(hù)渣的分布卻有很大的改變，界面熱阻明顯增加.因此，要突破更高拉速的包晶鋼連鑄，首先應(yīng)考慮結(jié)晶器內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的優(yōu)化使其能更好地迎合凝固坯殼的生長(zhǎng)，其次需要研制適合包晶鋼凝固特點(diǎn)的連鑄保護(hù)渣，從而實(shí)現(xiàn)高拉速條件下包晶鋼凝固坯殼在結(jié)晶器內(nèi)的均勻生長(zhǎng).

1.2 拉速對(duì)鑄坯表面溫度的影響

圖5為不同拉速下板坯結(jié)晶器內(nèi)凝固坯殼表面溫度沿結(jié)晶器高度方向的分布情況.拉速提高，表面溫度總體趨于升高.拉速由1.4 m·min-1升至1.6 m·min-1，再升至 1.8 m·min-1，出結(jié)晶器的坯殼寬面中心表面溫度分別增加了34.9 ℃與28.1 ℃，而偏離角的表面溫度在彎月面下0～400 mm高度范圍內(nèi)變化較顯著，但在結(jié)晶器出口附近區(qū)域影響不顯著（見(jiàn)圖5(a)）；對(duì)坯殼窄面中心表面溫度的影響與寬面中心的基本相同，而偏離角在結(jié)晶器中下部（400～800 mm）幾乎不受影響（見(jiàn)圖5(b)）.究其原因，在結(jié)晶器寬面中下部（如圖6所示）角部氣隙生長(zhǎng)速度快且持續(xù)，并在結(jié)晶器出口上方280 mm處出現(xiàn)加速生長(zhǎng)，結(jié)晶器出口處的厚度達(dá)到最大，為0.8 mm，使限制結(jié)晶器傳熱的主要因素由拉速轉(zhuǎn)變?yōu)槠溟g所形成的氣隙，而其他區(qū)域拉速影響則較為顯著，從而引發(fā)拉速提高，鑄坯角部區(qū)域與其他部位如中間區(qū)域的溫差加大，增加了凝固的不均勻性.而對(duì)于坯殼窄面偏離角區(qū)域，其表面溫度對(duì)拉速的變化則不敏感，原因是在其下行過(guò)程中該區(qū)域始終有較厚的保護(hù)渣層填充（見(jiàn)圖4(b)），從而緩沖了因拉速升高所引起的界面熱流變化.

圖5 不同拉速下結(jié)晶器內(nèi)坯殼的表面溫度沿高度方向的分布.（a）寬面；（b）窄面Fig.5 Distribution of shell surface temperature along the mold length under different casting speeds: (a) wide face; (b) narrow face

圖6 拉速為1.4 m·min-1的結(jié)晶器寬面的氣隙分布Fig.6 Distribution of air gap at the wide face of mold with casting speed of 1.4 m·min-1

1.3 拉速對(duì)鑄坯應(yīng)力分布的影響

材料第一強(qiáng)度理論表明第一主應(yīng)力可較好地反映其受拉伸或擠壓作用時(shí)的破壞程度，圖7為不同拉速下結(jié)晶器出口處坯殼的第一主應(yīng)力分布.由于1.4、1.6和1.8 m·min-13個(gè)不同拉速的結(jié)晶器采用了相同的錐度，因此從圖7中可以看出，拉速越高，坯殼在相同高度處的整體收縮量越小，這樣其與結(jié)晶器銅板間的作用力就越大.拉速較低時(shí)，坯殼窄面因受沿寬面中心方向收縮的影響最大，坯殼表層較大應(yīng)力主要出現(xiàn)在坯殼寬面，而在高拉速時(shí)，坯殼窄面受結(jié)晶器銅板的擠壓作用開(kāi)始顯現(xiàn)，其較大表層應(yīng)力區(qū)向坯殼窄面轉(zhuǎn)移.所以，結(jié)晶器窄面的合理設(shè)計(jì)顯得尤為重要.

圖7 拉速對(duì)在結(jié)晶器出口處凝固坯殼應(yīng)力分布的影響.（a）1.4 m·min-1；（b）1.6 m·min-1；（c）1.8 m·min-1Fig.7 Effect of casting speed on the shell stress distribution at mold exit: (a) 1.4 m·min-1; (b) 1.6 m·min-1; (c) 1.8 m·min-1

2 高效傳熱連鑄結(jié)晶器

2.1 結(jié)晶器內(nèi)腔結(jié)構(gòu)

包晶鋼凝固過(guò)程中因包晶相變引發(fā)了最大的線收縮，通過(guò)對(duì)包晶鋼連鑄過(guò)程結(jié)晶器內(nèi)凝固傳熱分析，可以發(fā)現(xiàn)結(jié)晶器寬面角部氣隙變化集中在彎月面下方150 mm至結(jié)晶器出口，而窄面角部則集中在180～480 mm結(jié)晶器中上部，拉速超過(guò)1.6 m·min-1時(shí)結(jié)晶器寬面角部保護(hù)渣的厚度呈數(shù)倍增加，很顯然傳統(tǒng)平板型內(nèi)腔結(jié)構(gòu)結(jié)晶器已不能滿足高拉速條件下包晶鋼凝固坯殼均勻生長(zhǎng)的要求.連鑄過(guò)程漏鋼和裂紋往往起源于凝固坯殼的最薄處，控制好凝固坯殼在結(jié)晶器內(nèi)的均勻生長(zhǎng)，尤其是對(duì)于包晶鋼這類鋼種，成為拉速提升的關(guān)鍵和前提保證.

影響結(jié)晶器內(nèi)坯殼均勻生長(zhǎng)最為重要的因素是凝固坯殼與結(jié)晶器銅板間的傳熱，結(jié)晶器保護(hù)渣狀態(tài)及分布、凝固坯殼與結(jié)晶器銅板間的氣隙分布、結(jié)晶器的內(nèi)腔與冷卻結(jié)構(gòu)及冷卻制度等均會(huì)對(duì)結(jié)晶器傳熱產(chǎn)生影響，從而影響凝固坯殼生長(zhǎng)的均勻性.雖然保護(hù)渣對(duì)結(jié)晶器內(nèi)的界面?zhèn)鳠峋哂酗@著影響，但從控制凝固坯殼生長(zhǎng)均勻性角度，首先應(yīng)考慮結(jié)晶器內(nèi)腔形狀結(jié)構(gòu)的合理性.目前在高速連鑄方面，日本和韓國(guó)的企業(yè)實(shí)施發(fā)展得最好，特別是低碳鋼和超低碳鋼方面，但其相關(guān)報(bào)道和交流中大都是結(jié)晶器流動(dòng)控制、保護(hù)渣和夾雜物控制等方面內(nèi)容，幾乎沒(méi)有結(jié)晶器內(nèi)腔結(jié)構(gòu)方面的信息.已有的奧鋼聯(lián)、康卡斯特、達(dá)利涅等國(guó)際頂級(jí)連鑄裝備設(shè)計(jì)制造公司發(fā)明了拋物線、鉆石等類型結(jié)晶器，其出發(fā)點(diǎn)并不是為了高速連鑄，而且這些結(jié)晶器在實(shí)際使用中也并不盡人意.究其原因，鋼在結(jié)晶器內(nèi)實(shí)際凝固過(guò)程中坯殼的熱收縮量在拉坯方向并非呈線性變化，其生長(zhǎng)也并不服從平方根定律，特別是在角部區(qū)域傳熱不均勻、坯殼薄的問(wèn)題沒(méi)有得到根本性的解決，包晶鋼的凝固更是如此.因此，要做到結(jié)晶器內(nèi)腔形狀的合理設(shè)計(jì)，對(duì)包晶鋼連鑄而言，從理論上準(zhǔn)確描述其在結(jié)晶器內(nèi)凝固生長(zhǎng)的熱/力學(xué)行為尤為重要.本文作者考慮了溶質(zhì)微觀偏析、保護(hù)渣與氣隙分布和凝固坯殼高溫蠕變行為，建立了凝固坯殼與結(jié)晶器系統(tǒng)的熱力耦合有限元模型[12-13]，以此來(lái)進(jìn)行適合包晶鋼連鑄的板坯結(jié)晶器內(nèi)腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).

圖8為窄面坯殼角部凝固熱收縮沿結(jié)晶器高度方向的分布.凝固初期沿窄面中心方向的熱收縮量較小，而后隨著坯殼下行，收縮量增加迅速且高于線性錐度的補(bǔ)償量，導(dǎo)致在此區(qū)域保護(hù)渣的快速填充和氣隙的擴(kuò)展，從而嚴(yán)重影響此區(qū)域傳熱的均勻性.為此，依據(jù)凝固坯殼在結(jié)晶器內(nèi)的熱收縮特性，設(shè)計(jì)出結(jié)晶器窄面的曲面型結(jié)構(gòu)（圖9）.

圖8 窄面坯殼凝固熱收縮沿結(jié)晶器高度方向的分布Fig.8 Distribution of shrinkage for solidifying shell of the narrow face along the mold length

圖9 曲面型結(jié)晶器窄面結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Schematic of a convex-shaped structure of the mold narrow face

圖10比較了兩種類型結(jié)晶器的氣隙分布情況，可以看出曲面結(jié)晶器內(nèi)氣隙分布更均勻，有利于改善傳熱，而且效果顯著，結(jié)晶器出口處的坯殼厚度增加、角部區(qū)域坯殼的生長(zhǎng)更加均勻（圖11）.

圖10 新型曲面結(jié)晶器與傳統(tǒng)線性錐度結(jié)晶器角部區(qū)域氣隙沿其高度方向的分布.（a）寬面；（b）窄面Fig.10 Distribution of air gap at the corner region for new convex surface mold and conventional mold along the mold length: (a) wide face; (b) narrow face

圖11 新型曲面結(jié)晶器與傳統(tǒng)結(jié)晶器出口凝固坯殼生長(zhǎng)情況Fig.11 Comparison of solidified shell thickness at the exit between the new and conventional mold

2.2 連鑄保護(hù)渣

結(jié)晶器保護(hù)渣保障了凝固坯殼與銅板之間的有效潤(rùn)滑，但隨著拉速的提高，可以發(fā)現(xiàn)保護(hù)渣的消耗量降低（圖12）[14]，渣膜厚度變薄，凝固坯殼與結(jié)晶器銅壁間的潤(rùn)滑情況變得越來(lái)越不理想，引發(fā)裂紋和黏結(jié)漏鋼的風(fēng)險(xiǎn)不斷加大.凝固坯殼與結(jié)晶器銅板間的液體摩擦力可用式（1）表示：

圖12 結(jié)晶器內(nèi)保護(hù)渣的消耗與拉速的關(guān)系[14]Fig.12 Relation between the consumption of mold flux and casting speed[14]

其中：f為凝固坯殼與結(jié)晶器銅板間的液體摩擦力，Pa；vc為連鑄拉速，m·min-1；vm為結(jié)晶器振動(dòng)速度，m·min-1；η為保護(hù)渣黏度，Pa·s；dl為保護(hù)渣液渣膜厚度，mm，可由式（2）確定[15]：

其中：A為結(jié)晶器振動(dòng)振幅，mm；tp為結(jié)晶器振動(dòng)正滑動(dòng)時(shí)間，s；vc為拉速，m·min-1；Tm為保護(hù)渣熔化溫度，℃；tf為結(jié)晶器振動(dòng)周期，s.

由式（1）可見(jiàn)，拉速提高、保護(hù)渣黏度增加、液渣膜厚度減少，均將促使凝固坯殼與結(jié)晶器銅板間的摩擦力增大，這與保護(hù)渣的消耗有直接的關(guān)系.Suzuki等給出了傳統(tǒng)板坯保護(hù)渣消耗與拉速的關(guān)系，如圖12所示[14].可以看出，在2.2～2.5 m·min-1高拉速條件下，結(jié)晶器內(nèi)保護(hù)渣的渣耗量不低于0.30 kg·m-2.保護(hù)渣消耗量除了拉速這一重要因素外，還與其本身性能、結(jié)晶器振動(dòng)以及斷面尺寸有較大關(guān)系.由式（2）可以看出，正滑脫時(shí)間增加，即采用非正弦振動(dòng)模式，保護(hù)渣液渣膜的厚度增加，高拉速時(shí)保護(hù)渣的消耗量也能得以維持，圖12也表明了這一點(diǎn).此外，對(duì)于拉速大于4.0 m·min-1的方坯連鑄，保護(hù)渣的消耗量通常低于0.10 kg·m-2，而拉速為5.0～8.0 m·min-1的薄板坯連鑄的渣耗量也維持在0.10～0.05 kg·m-2的范圍[16].大量的研究與實(shí)踐表明，高拉速下保護(hù)渣的消耗量降低，坯殼與結(jié)晶器之間渣膜的均勻性下降，致使結(jié)晶器內(nèi)傳熱不均勻、摩擦阻力增大，從而導(dǎo)致鑄坯縱裂紋缺陷和黏結(jié)漏鋼幾率增加.因此，要實(shí)現(xiàn)高速連鑄，保護(hù)渣應(yīng)具有較快的熔化速度、合適的熔化溫度和黏度、穩(wěn)定的熔渣結(jié)構(gòu).包晶鋼初生凝固坯殼因包晶相變而產(chǎn)生較大的收縮，導(dǎo)致其厚度不均勻產(chǎn)生裂紋和漏鋼的幾率加大，高拉速下情況更是如此，更需要通過(guò)合適保護(hù)渣來(lái)控制其初始凝固傳熱.目前的做法是采用高堿度、低黏度保護(hù)渣來(lái)解決傳熱與潤(rùn)滑的協(xié)調(diào)控制問(wèn)題，通過(guò)強(qiáng)化固態(tài)渣膜中槍晶石相析出，可以提高結(jié)晶器內(nèi)傳熱的穩(wěn)定性、降低彎月面區(qū)域熱通量，起到抑制坯殼縱裂紋生成的作用[17].另一方面，增加保護(hù)渣中Li2O、MgO組分含量可降低黏度、提高熔化速率，從而保證潤(rùn)滑的充分性[18].由于添加Li2O等助熔劑會(huì)增加生產(chǎn)成本，為此首鋼研制了不含Li2O的高拉速保護(hù)渣，獲得了良好的應(yīng)用效果.Ogibayashi等[19]早期研究也表明，當(dāng)黏度與拉速的乘積（η·vc）為(0.10～0.40) Pa·s·m·min-1時(shí)，渣膜厚度變化和熱流波動(dòng)最小.

因此，高速連鑄時(shí)，保護(hù)渣消耗應(yīng)予以充分重視，保持合適的黏度是保障保護(hù)渣消耗量及鑄坯潤(rùn)滑與傳熱均勻性的重要舉措.

2.3 結(jié)晶器液面與振動(dòng)

為了實(shí)現(xiàn)結(jié)晶器高效傳熱，除了保護(hù)渣的性能外，還需要做好以下兩方面的工作以確保高拉速下保護(hù)渣的消耗和凝固坯殼的均勻生長(zhǎng)：

一是結(jié)晶器液面穩(wěn)定控制.如圖13所示[20]，拉速提高，結(jié)晶器液面波動(dòng)加劇，影響的不僅僅是結(jié)晶器液面發(fā)生卷渣[21]，影響最大的應(yīng)是結(jié)晶器內(nèi)凝固傳熱.結(jié)晶器液面波動(dòng)嚴(yán)重影響了保護(hù)渣液渣層均勻流入凝固坯殼與結(jié)晶器銅板間的渣道，從而影響坯殼凝固傳熱及其均勻生長(zhǎng).結(jié)晶器液面波動(dòng)產(chǎn)生過(guò)程極其復(fù)雜，高拉速條件下情況更加復(fù)雜，低碳、超低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼的潔凈度控制難度加大，增加了注速的不穩(wěn)定性和水口發(fā)生堵塞偏流的頻率，而對(duì)于包晶鋼連鑄，因其凝固坯殼收縮大導(dǎo)致的不均勻性加劇了鑄坯鼓肚發(fā)生，國(guó)內(nèi)許多企業(yè)實(shí)踐表明，當(dāng)拉速超過(guò)1.4 m·min-1時(shí)結(jié)晶器液面波動(dòng)加劇而變得不易控制.因此要控制液位穩(wěn)定，最具有針對(duì)性的措施應(yīng)是對(duì)鑄坯的鼓肚實(shí)施有效控制.而鑄坯鼓肚的大小與鋼液靜壓力、夾輥間距、冷卻強(qiáng)度等因素密切相關(guān)，改變輥列布置以改變坯殼擠壓的周期性，加大二冷區(qū)冷卻強(qiáng)度以增加坯殼的高溫強(qiáng)度均可有效控制鑄坯的鼓肚[1,22-24].除了對(duì)鼓肚實(shí)施根本性控制外，結(jié)晶器液面穩(wěn)定控制還需要考慮液位波動(dòng)的瞬變形、非線性、多干擾等實(shí)際因素，智能化檢測(cè)與控制勢(shì)在必行.

圖13 板坯結(jié)晶器傳輸行為示意圖[20]Fig.13 Schematic of transport phenomena in slab continuous casting mold[20]

一是結(jié)晶器非正弦振動(dòng).圖12已清楚表明了結(jié)晶器非正弦振動(dòng)在高速連鑄中所發(fā)揮的作用.圖14示出了結(jié)晶器彎月面附近壓力、熱流和固渣膜及液渣膜厚度隨結(jié)晶器振動(dòng)的變化規(guī)律（圖中tn為負(fù)滑脫時(shí)間）[25].從圖14中可以看出，這些變量的波動(dòng)均始于負(fù)滑脫段的起點(diǎn)，在下一個(gè)正滑脫段的起點(diǎn)達(dá)到峰值.負(fù)滑脫階段，在振動(dòng)結(jié)晶器和渣圈的作用下，液態(tài)保護(hù)渣加速流入凝固坯殼與結(jié)晶器銅板之間的縫隙，導(dǎo)致彎月面底部的壓力迅速增大而使彎月面表面發(fā)生凹陷，相應(yīng)位置的液渣膜隨之變厚，熱流升高.結(jié)晶器向下振動(dòng)接近相對(duì)高溫區(qū)，部分固渣膜發(fā)生熔化，液渣膜變厚，也導(dǎo)致熱流增大.當(dāng)結(jié)晶器向上振動(dòng)時(shí)，貼近固渣膜的液態(tài)保護(hù)渣則發(fā)生凝固，從而增加固渣膜厚度，導(dǎo)致熱流下降.在整個(gè)振動(dòng)周期中，液渣膜的厚度變化幅度要明顯高于固渣膜.目前針對(duì)高速連鑄，非正弦振動(dòng)的研究已從正滑脫時(shí)間、正滑脫相對(duì)速度差、負(fù)滑脫時(shí)間、負(fù)滑脫量等涉及波形參數(shù)的解析，轉(zhuǎn)向?qū)φ駝?dòng)過(guò)程的潤(rùn)滑、摩擦、渣道壓力等微觀界面行為，而且開(kāi)始將結(jié)晶器振動(dòng)與結(jié)晶器熔池流動(dòng)、坯殼凝固傳熱進(jìn)行統(tǒng)一考慮加入深入研究，以期提出適應(yīng)高拉速連鑄要求的結(jié)晶器振動(dòng)技術(shù).

圖14 鑄坯斷面為230 mm × 1650 mm、拉速為1.8 m·min-1時(shí)彎月面附近壓力、熱流和固渣膜及液渣膜厚度隨結(jié)晶器振動(dòng)的變化[25]Fig.14 Predicted pressure, heat flux, and thicknesses of liquid and solid slag layers at the meniscus through oscillation cycles for strand section size of 230 mm × 1650 mm and casting speed of 1.8 m·min-1[25]

3 結(jié)論與展望

連鑄過(guò)程拉速提升，結(jié)晶器內(nèi)的熱通量增加、保護(hù)渣消耗降低、坯殼凝固的不均勻性加大，發(fā)生裂紋和漏鋼的幾率大大增加，包晶鋼因其凝固行為的特殊性使拉速提升變得尤為困難，結(jié)晶器內(nèi)凝固坯殼的均勻生長(zhǎng)控制應(yīng)是實(shí)現(xiàn)高拉速連鑄的關(guān)鍵，為此，需要開(kāi)展好以下幾方面的工作：

（1）揭示掌握不同鋼種在結(jié)晶器內(nèi)凝固坯殼的熱與力學(xué)行為規(guī)律是控制其均勻生長(zhǎng)的基礎(chǔ)，進(jìn)一步深入開(kāi)展這方面的工作以研制高度迎合凝固坯殼均勻生長(zhǎng)的曲面結(jié)晶器，應(yīng)是高速連鑄技術(shù)重要的發(fā)展方向.

（2）連鑄保護(hù)渣在提高結(jié)晶器傳熱效率和控制凝固坯殼的均勻生長(zhǎng)方面具有不可替代的作用，要根據(jù)不同鋼種和拉速條件，重視專用連鑄保護(hù)渣的研制，并與結(jié)晶器振動(dòng)技術(shù)研發(fā)相結(jié)合，以解決高拉速時(shí)保護(hù)渣消耗下降而惡化潤(rùn)滑的難題.

（3）結(jié)晶器液位穩(wěn)定不僅可以避免鋼渣界面卷混，而且可以穩(wěn)定凝固坯殼與結(jié)晶器銅板之間的渣道，保障了保護(hù)渣的有效潤(rùn)滑和坯殼的均勻生長(zhǎng)，應(yīng)深入開(kāi)展高拉速條件引發(fā)結(jié)晶器液位波動(dòng)的機(jī)理規(guī)律及智能化控制技術(shù)研究.