《工程科学学报》：高速连铸结晶器内凝固传热行为及其均匀性控制.pdf_大学文库

《工程科学学报》录用稿，htps:/doi.org/10.13374/i,issn2095-9389.2021.12.01.002©北京科技大学2020 高速连铸结晶器内凝固传热行为及其均匀性控制摘要高速连铸是发展新一代高效连铸的主题，对钢铁制造流程的高效与绿色化发展具有重要意义。目前我国板坯的实际工作拉速基本在1.8mmin以下，包晶钢拉速大都1.2~1.4mmin'。拉速提升，影响结晶器内凝固传热的不利因素更加凸显，不仅通过结晶器的热通量增加，而且保护渣的消耗量降低，使结晶器铜壁与凝固坯壳之间的润滑变差、摩擦力上升，坯壳厚度变薄而更加不均匀，承受各种应力应变的能力下降，从而频发漏钢和裂纹，严重影响生产顺行，解决高拉速条件下结晶器内坯壳凝固的均匀性问题成为实现高速连铸的关键。本文从分析高拉速包晶钢板坯连铸结晶器内凝固传热行为特征入手，首先阐明拉速对结晶器内的界面热阻、凝固坯壳的温度与应力分布的影响规律，研究发现拉速超过1.6mmn时，界面热阻明显增加，拉速由1.4mmin提升至1.6mmin和1.8mmin时，出结晶器坯壳厚度相应减少约10%，其厚度变得越来越不安全：在此基础上，阐述了结晶器的内腔结构、保护渣、振动与液面接制等控制结晶器内坯壳凝固均匀性相关技术。首要应考虑优化结晶器内腔结构使其能更好迎合凝固坯亮华研制适合包晶钢凝固特点的连铸保护渣至关重要，控制铸坯鼓肚是保障高拉速液面稳定的关键词高速连铸：均匀凝固：高效传热结晶器分类号 Heat transfer behavior and homogenous solidification control for high-speed continuous casting slab mold ABSTRACT High-speed continuous casting is the theme for developing new generation of high-efficiency continuous casting technology and the most important to develop high- efficiency and green steelmaking production line.Presently,the actual casting speed for slab in China is no more than 1.8 m-minand it is in the range of 1.2-1.4 m-min for continuous casting of peritectic steel.With increasing casting speed,the negative factors affecting the solidification in continuous casting mold show more obvious,and the lubrication between mold copper plate and solidifying shell becomes worse and the fiction force increases due to the increase of heat flux and decrease of mold flux consumption, therefore the thickness of solidifying shell becomes thin and nonuniform,and its capability for resisting the all kinds of stress and strain during casting decreases,thus the occurrence of breakout and cracks with high frequency has a great influence on the production.To ensure homogenous growth,the technical issue of high-speed casting and the key for making it come true.should be solved.In this paper,the behavior of heat transfer and solidification in slab mold with high-speed casting for peritectic steel was analyzed.The effect of casting speed on the interfacial heat transfer resistance and the distribution of temperature and stress for solidifying shell in mold was investigated and it showed that the interfacial heat resistance increased obviously as the casting speed was over 1.6 m'min. Thickness of solidified shell at the exit of mold was reduced by about 10%,which became more unsafe,as the casting speed increased from 1.4 m.min to 1.6 mmin and 1.8 m.min respectively.The relative technologies such as the shape,flux,oscillation and surface fluctuation for mold with homogenous solidification were presented and discussed.For the uniformity control of peritectic steel solidification in high-speed continuous casting mold, the optimization of mold inner cavity fitting for the growth of solidifying shell should be considered firstly,and the design of mold flux adjusting to the solidification characteristics of peritectic steel is of importance,moreover,the control of strand bulging is the key for the stabilization of mold surface. KEY WRODS high-speed continuous casting;homogenous solidification;continuous casting mold with high-efficiency heat transfer

高速连铸结晶器内凝固传热行为及其均匀性控制摘要高速连铸是发展新一代高效连铸的主题，对钢铁制造流程的高效与绿色化发展具有重要意义。目前我国板坯的实际工作拉速基本在 1.8 m·min-1以下，包晶钢拉速大都 1.2~1.4 m·min-1。拉速提升，影响结晶器内凝固传热的不利因素更加凸显，不仅通过结晶器的热通量增加，而且保护渣的消耗量降低，使结晶器铜壁与凝固坯壳之间的润滑变差、摩擦力上升，坯壳厚度变薄而更加不均匀，承受各种应力应变的能力下降，从而频发漏钢和裂纹，严重影响生产顺行，解决高拉速条件下结晶器内坯壳凝固的均匀性问题成为实现高速连铸的关键。本文从分析高拉速包晶钢板坯连铸结晶器内凝固传热行为特征入手，首先阐明拉速对结晶器内的界面热阻、凝固坯壳的温度与应力分布的影响规律，研究发现拉速超过 1.6 m·min-1时，界面热阻明显增加，拉速由 1.4 m·min-1提升至 1.6 m·min-1和 1.8m·min-1时，出结晶器坯壳厚度相应减少约 10%，其厚度变得越来越不安全；在此基础上，阐述了结晶器的内腔结构、保护渣、振动与液面控制等控制结晶器内坯壳凝固均匀性相关技术。首要应考虑优化结晶器内腔结构使其能更好迎合凝固坯壳的生长，研制适合包晶钢凝固特点的连铸保护渣至关重要，控制铸坯鼓肚是保障高拉速液面稳定的关键。关键词高速连铸；均匀凝固；高效传热结晶器分类号 Heat transfer behavior and homogenous solidification control for high-speed continuous casting slab mold ABSTRACT High-speed continuous casting is the theme for developing new generation of high-efficiency continuous casting technology and the most important to develop highefficiency and green steelmaking production line. Presently, the actual casting speed for slab in China is no more than 1.8 m·min-1 and it is in the range of 1.2~1.4 m·min-1 for continuous casting of peritectic steel. With increasing casting speed, the negative factors affecting the solidification in continuous casting mold show more obvious, and the lubrication between mold copper plate and solidifying shell becomes worse and the fiction force increases due to the increase of heat flux and decrease of mold flux consumption, therefore the thickness of solidifying shell becomes thin and nonuniform, and its capability for resisting the all kinds of stress and strain during casting decreases, thus the occurrence of breakout and cracks with high frequency has a great influence on the production. To ensure homogenous growth, the technical issue of high-speed casting and the key for making it come true, should be solved. In this paper, the behavior of heat transfer and solidification in slab mold with high-speed casting for peritectic steel was analyzed. The effect of casting speed on the interfacial heat transfer resistance and the distribution of temperature and stress for solidifying shell in mold was investigated and it showed that the interfacial heat resistance increased obviously as the casting speed was over 1.6 m·min-1 . Thickness of solidified shell at the exit of mold was reduced by about 10%, which became more unsafe, as the casting speed increased from 1.4 m·min-1 to 1.6 m·min-1 and 1.8 m·min-1 respectively. The relative technologies such as the shape, flux, oscillation and surface fluctuation for mold with homogenous solidification were presented and discussed. For the uniformity control of peritectic steel solidification in high-speed continuous casting mold, the optimization of mold inner cavity fitting for the growth of solidifying shell should be considered firstly, and the design of mold flux adjusting to the solidification characteristics of peritectic steel is of importance, moreover, the control of strand bulging is the key for the stabilization of mold surface. KEY WRODS high-speed continuous casting; homogenous solidification; continuous casting mold with high-efficiency heat transfer 《工程科学学报》录用稿，https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.12.01.002 ©北京科技大学 2020 录用稿件，非最终出版稿

钢铁行业绿色发展的一个新起点是超低排放，以高拉速为主题的高效连铸是实现连铸连轧的前提，体现了钢铁生产流程的高效、绿色化发展方向叫。与冷装轧制工艺相比，直轧工艺的能耗可降低80%、生产周期可缩短97%。当前我国连铸整体水平与国际先进水平相比还存在差距，特别是在高速连铸方面。日本EF福山厂5和6号板坯连铸机生产的低碳和超低碳钢拉速均达到2.5mmin',最高拉速可达到3.0mmin1l:韩国浦项光阳厂2和3号板坯连铸机低碳铝镇静钢拉速为2.7m~min、超低碳铝镇静钢拉速为2.5m~minl。然而，目前我国板坯的工作拉速大都在1.4~1.6mmin1,只有首钢曹妃甸板坯连铸机稳定拉速为 2.05mmin、最高达到2.5mmin2,。包晶钢属于中碳钢系列，其成分范围包括高强低合金钢以及先进高强钢等，但由于此类钢凝固过程发生包品反应(L+6·Y)伴随包晶相变 (δ一Y)而引发最大的坯壳线收缩和结晶器与凝固坯壳之间最大的气隙形成、非均匀凝固加剧6，从而使连铸过程中热通量下降、凝固坯壳局部的热点和减薄，导致铸坯表面凹陷、裂纹和漏钢口。包晶钢已成为难度最大的连铸钢种之一，目前，日本企碳纲的最高拉速为2.0mmin),韩国企业的最高拉速为1.8mmin,而我国包晶钢的拉速基本在 1.2~l4mmin。为适应行业绿色低碳发展要求和增强自身竞争丸肖企业普遍关注和正在着力发展高拉速连铸技术。随着拉速的提升，连铸过程面临卷渣夹渣、裂纹、偏析、漏钢等诸多问题，其中裂纹和漏钢频发，严重影响顺行，成为最大挑战。因此，高拉速条件下如何解决尤其是包晶钢连铸结晶器内凝固坯壳的均匀性问题，是实现高速连铸的关键。本文以铸坯断面226mm×1289mm的某高强船板钢（主要化学成分C0.15%、Si0.25%、Mn 1.50%、P0.015%、S0.008%:浇铸温度1541C) 为对象阐述分析高拉速条件下包晶钢板坯连铸结晶器内的凝固传热行为特征，以及实现凝固坯壳均匀生长的内腔结构、保护渣、振动和液面控制等结晶器高效传热技术。 1高速连铸结晶器凝因传热特物已有的研究及实践均表明，拉速提升各种还型和钢种的连铸结晶器内热通量均增加，只是增加的程度不同而异⑧，叨。Kanazawa等研究表明图，中碳钢的拉速要明显低于低碳钢，其临界热通量为2MWm2,而低碳钢的则为3MWm2。究其原因就是包晶钢在凝固过程发生包晶反应和6→Y相变的殊性所决定，其中相变体积收缩可达2.5%~3.0%m。图1是碳含量0.15%的包晶钢在不同拉速下结晶器窄面中心热通量沿高度方向的分布，可以看出，拉速提高，热通量增加但由天在结晶器内钢液的凝固时间和保护渣的消耗量降低，坯壳与结晶器铜壁间的润滑变得越来越差，导致出结晶器坯壳厚度减薄。如图2所示，拉速由 1.4mmin提升全1.6mmin和1.8mmin时，可以发现出结晶器坯壳厚度相应减少约 10%,其厚度变得越来越不安全，承受各种应力应变的能力变得越来越弱，而且不稳定的鼓肚加剧并引发结晶器液面的大幅波动，不仅导致液面卷渣，而且严重影响保护渣渣道内的润滑和，固均匀性，发生漏钢、裂纹等风险几率不断加大。因此，揭示掌握包晶钢连铸时拉速对结晶器内坯壳凝固传热和应力的影响规律，对于高速连铸工艺技术的开发具有重要意义

钢铁行业绿色发展的一个新起点是超低排放，以高拉速为主题的高效连铸是实现连铸连轧的前提，体现了钢铁生产流程的高效、绿色化发展方向[1]。与冷装轧制工艺相比，直轧工艺的能耗可降低 80%、生产周期可缩短 97%。当前我国连铸整体水平与国际先进水平相比还存在差距，特别是在高速连铸方面[2]。日本 JEF 福山厂 5 和 6 号板坯连铸机生产的低碳和超低碳钢拉速均达到 2.5 m·min-1，最高拉速可达到 3.0 m·min-1 [3]；韩国浦项光阳厂 2 和 3 号板坯连铸机低碳铝镇静钢拉速为 2.7 m·min-1、超低碳铝镇静钢拉速为 2.5 m·min-1 [4]。然而，目前我国板坯的工作拉速大都在 1.4 ~1.6 m·min-1，只有首钢曹妃甸板坯连铸机稳定拉速为 2.05 m·min-1、最高达到 2.5 m·min-1 [2,5]。包晶钢属于中碳钢系列，其成分范围包括高强低合金钢以及先进高强钢等，但由于此类钢凝固过程发生包晶反应（L+δ→γ）伴随包晶相变（δ→γ）而引发最大的坯壳线收缩和结晶器与凝固坯壳之间最大的气隙形成、非均匀凝固加剧[6]，从而使连铸过程中热通量下降、凝固坯壳局部的热点和减薄，导致铸坯表面凹陷、裂纹和漏钢[7]。包晶钢已成为难度最大的连铸钢种之一，目前，日本企业中碳钢的最高拉速为 2.0 m·min-1 [3]，韩国企业的最高拉速为 1.8 m·min-1 [4]，而我国包晶钢的拉速基本在 1.2~1.4 m·min-1。为适应行业绿色低碳发展要求和增强自身竞争力，当前企业普遍关注和正在着力发展高拉速连铸技术。随着拉速的提升，连铸过程面临卷渣、夹渣、裂纹、偏析、漏钢等诸多问题，其中裂纹和漏钢频发，严重影响顺行，成为最大挑战。因此，高拉速条件下如何解决尤其是包晶钢连铸结晶器内凝固坯壳的均匀性问题，是实现高速连铸的关键。本文以铸坯断面 226mm×1289mm 的某高强船板钢（主要化学成分：C 0.15%、Si 0.25%、Mn 1.50%、P 0.015%、S 0.008%；浇铸温度 1541℃）为对象，阐述分析高拉速条件下包晶钢板坯连铸结晶器内的凝固传热行为特征，以及实现凝固坯壳均匀生长的内腔结构、保护渣、振动和液面控制等结晶器高效传热技术。 1 高速连铸结晶器凝固传热特征已有的研究及实践均表明，拉速提升各种坯型和钢种的连铸结晶器内热通量均增加，只是增加的程度不同而异[8,9]。Kanazawa 等研究表明[8]，中碳钢的拉速要明显低于低碳钢，其临界热通量为 2 MW·m-2，而低碳钢的则为 3 MW·m-2。究其原因就是包晶钢在凝固过程发生包晶反应和 δ→γ 相变的特殊性所决定，其中相变体积收缩可达 2.5%~3.0%[7]。图 1 是碳含量 0.15%的包晶钢在不同拉速下结晶器窄面中心热通量沿高度方向的分布，可以看出，拉速提高，热通量增加，但由于在结晶器内钢液的凝固时间和保护渣的消耗量降低，坯壳与结晶器铜壁间的润滑变得越来越差，导致出结晶器坯壳厚度减薄。如图 2 所示，拉速由 1.4 m·min-1 提升至 1.6 m·min-1 和 1.8m·min-1 时，可以发现出结晶器坯壳厚度相应减少约 10%，其厚度变得越来越不安全，承受各种应力应变的能力变得越来越弱，而且不稳定的鼓肚加剧并引发结晶器液面的大幅波动，不仅导致液面卷渣，而且严重影响保护渣渣道内的润滑和凝固均匀性，发生漏钢、裂纹等风险几率不断加大。因此，揭示掌握包晶钢连铸时拉速对结晶器内坯壳凝固传热和应力的影响规律，对于高速连铸工艺技术的开发具有重要意义。录用稿件，非最终出版稿

1.2 Wide face corner Narrow face corner 0.5 V=1.4m'min' 1.0 V=1.6mmin 0.4 V=1.8m'min! 0.8 0.3 0.2 0.4 0.1 0.0 0.0 0 100 200 300400500 600 700 800 Distance from meniscus/mm 图3不同拉速下包晶钢板坯结晶器内坯壳角部区域气隙沿结晶器高度方向分布 Fig.3 The distribution of air gap at corner region along the slab mold length for tic steel under different casting speed 0.9 Corner Off-corner(30mm) Off-corner(30mm (a) V=1.4m'min! 1.4 (b) V=1.4m'min V=1.6m'min V=1.6m.min 0.7 V=1.8mmin' 3 =18m'min ● 06 1.0 0.8 04 03 0.1 100200300400500600 700800 100200300400500600 700800 0 Distance from meniscus/mm Distance from meniscus/mm 图4不同拉速下结晶器内坯壳角部区域保护渣沿高度方向的分布 Fig.4 Distribution of mold flux at shell corner along mold length under different casting speed (a)wide face,(b)narrow face 同时，保护渣对润滑传热具有重要作用，其合理分布对连铸顺行至关重要。图4为结晶器内坯壳宽面和窄角部及偏离角区域（距离角部30mm处）保护渣沿结晶器高度方向的分布情况。由图4a)可以看出，拉速由1.4mmin'提升至1.6mmin时对宽面角部保护渣厚度分布影响则较冰，仅增加了0.022mm,而当拉速由1.6mmin提升至1.8mmin时，该处渣层停度增加了近5倍，达到0.102mm。究其原因，高拉速时坯壳宽面角部区域的表面温度较高可较长时间高于保护渣凝固温度，从而使流动性好的液渣得以不断填充：对于窄面，如图4(b)所示，与宽面有很大的不同，角部和偏离角区域的保护渣随拉速的增加出现一定幅度下降，这与坯壳温度整体提升、收缩量减小、保护渣填充减小有关。因此，对于传统平板型结构结晶器而言，包晶钢连铸时结晶器内气隙和保护渣的分布并不合理，虽然拉速对结晶器内气隙形成的不利影响不显著，但拉速超过1.6mmi'时，保护渣的分布确有很大的改变，界面热阻明显增加。因此，要突破更高拉速的包晶钢连铸首先应考虑结晶器内腔结构的优化使其能更好迎合凝固坯壳的生长，其次需要研制适合包晶钢凝固特点的连铸保护渣，从而实现高拉速条件下包晶钢凝固坯壳在结晶器内的均匀生长

0 100 200 300 400 500 600 700 800 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 Thickness of wide face corner/m m Distance from meniscus/mm Wide face corner V=1.4m·min-1 V=1.6m·min-1 V=1.8m·min-1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Narrow face corner Thickness of narrow face corner/m m 图 3 不同拉速下包晶钢板坯结晶器内坯壳角部区域气隙沿结晶器高度方向的分布 Fig. 3 The distribution of air gap at corner region along the slab mold length for peritectic steel under different casting speed 0 100 200 300 400 500 600 700 800 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Thickness of mold flux/m m Distance from meniscus/mm Corner Off-corner(30mm) V=1.4m·min-1 V=1.6m·min-1 V=1.8m·min-1 0 100 200 300 400 500 600 700 800 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 Thickness of mold flux/m m Distance from meniscus/mm Corner Off-corner(30mm) V=1.4m·min-1 V=1.6m·min-1 V=1.8m·min-1 图 4 不同拉速下结晶器内坯壳角部区域保护渣沿高度方向的分布 Fig. 4 Distribution of mold flux at shell corner along mold length under different casting speed (a) wide face, (b) narrow face 同时，保护渣对润滑与传热具有重要作用，其合理分布对连铸顺行至关重要。图 4 为结晶器内坯壳宽面和窄面角部及偏离角区域（距离角部 30 mm 处）保护渣沿结晶器高度方向的分布情况。由图 4(a)可以看出，拉速由 1.4 m·min-1提升至 1.6 m·min-1时对宽面角部保护渣厚度分布影响则较小，仅增加了 0.022 mm，而当拉速由 1.6 m·min-1提升至 1.8 m·min-1时，该处渣层厚度增加了近 5 倍，达到 0.102 mm。究其原因，高拉速时坯壳宽面角部区域的表面温度较高，可较长时间高于保护渣凝固温度，从而使流动性好的液渣得以不断填充；对于窄面，如图 4(b)所示，与宽面有很大的不同，角部和偏离角区域的保护渣随拉速的增加出现一定幅度下降，这与坯壳温度整体提升、收缩量减小、保护渣填充减小有关。因此，对于传统平板型结构结晶器而言，包晶钢连铸时结晶器内气隙和保护渣的分布并不合理，虽然拉速对结晶器内气隙形成的不利影响不显著，但拉速超过 1.6 m·min-1时，保护渣的分布确有很大的改变，界面热阻明显增加。因此，要突破更高拉速的包晶钢连铸首先应考虑结晶器内腔结构的优化使其能更好迎合凝固坯壳的生长，其次需要研制适合包晶钢凝固特点的连铸保护渣，从而实现高拉速条件下包晶钢凝固坯壳在结晶器内的均匀生长。 (a) (b) 录用稿件，非最终出版稿

1.2拉速对，坯表面温度的影响图5为不同拉速下板坯结晶器内凝固坯壳表面温度沿结晶器高度方向的分布情况。拉速提高，表面温度总体趋于升高。拉速由1.4mmin升至1.6mmin,再升至1.8mmin,出结晶器的坯壳宽面中心表面温度分别增加了34.9℃与28.1℃，而偏离角的表面温度在弯月面下0~400mm高度范围内变化较显著，但在结晶器出口附近区域影响不显著（见图 5()):对坯壳窄面中心表面温度的影响与宽面中心的基本相同，而偏离角在结晶器中下部(400mm~800mm)几乎不受影响（见6(b)。究其原因，在结晶器宽面中下部（如图6 所示)角部气隙生长速度快且持续，并在结晶器出口上方280mm处出现加速生长，最大厚度出现于结晶器出口为0.8mm,使限制结晶器传热的主要因素由拉速转变为其间所形成的气隙，而其他区域拉速影响则较为显著，从而引发拉速提高，铸坯角部区域与其他部位如中间区域的温差加大，增加了凝固的不均匀性。而对于坯壳窄面偏离角区域，其表面温度对拉速的变化则不敏感，原因是在其下行过程中该区域始终有较厚保护渣会填充（见图 4(b)),从而缓冲了因拉速升高所引起的界面热流变化。 1600a 1600 Centerline Off-corner(30mm) (b) ff-comer(30mm) V=1.4m-min 1500 V=1.6m-min 500 V=1.8m-min 21400 91400 30 1200 1100 1000 100 22ta30efron0cn50shso 700 Distanc from 100 200300400500600700800 Distance from meniscus/mm 图5不同拉速下结晶器内坯壳的表面温度沿高度方向的分布 Fig.5 Distribution of shell surface temperature along the mold length under different casting speed (a)wide face,(b)narrow face 录用稿 04 02 0.1 .n 图6拉速为1.4 m'min!结晶器宽面的气隙分布 Fig.6 The distribution of air gap at the wide face of mold with casting speed of 1.4 m-min 13拉速对铸还应力分布的影响材料第一强度理论表明第一主应力可较好地反映其受拉伸或挤压作用时的破坏程度，图7为不同拉速下结晶器出口处坯壳的第一主应力分布。由于1.4、1.6和1.8mmin3个不

1.2 拉速对铸坯表面温度的影响图 5 为不同拉速下板坯结晶器内凝固坯壳表面温度沿结晶器高度方向的分布情况。拉速提高，表面温度总体趋于升高。拉速由 1.4 m·min-1升至 1.6 m·min-1，再升至 1.8 m·min-1，出结晶器的坯壳宽面中心表面温度分别增加了 34.9 ℃与 28.1 ℃，而偏离角的表面温度在弯月面下 0~400 mm 高度范围内变化较显著，但在结晶器出口附近区域影响不显著（见图 5(a)）；对坯壳窄面中心表面温度的影响与宽面中心的基本相同，而偏离角在结晶器中下部（400 mm~800 mm）几乎不受影响（见 6(b)）。究其原因，在结晶器宽面中下部（如图 6 所示）角部气隙生长速度快且持续，并在结晶器出口上方 280 mm 处出现加速生长，最大厚度出现于结晶器出口为 0.8 mm，使限制结晶器传热的主要因素由拉速转变为其间所形成的气隙，而其他区域拉速影响则较为显著，从而引发拉速提高，铸坯角部区域与其他部位如中间区域的温差加大，增加了凝固的不均匀性。而对于坯壳窄面偏离角区域，其表面温度对拉速的变化则不敏感，原因是在其下行过程中该区域始终有较厚保护渣层填充（见图 4(b)），从而缓冲了因拉速升高所引起的界面热流变化。 0 100 200 300 400 500 600 700 800 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 Temperature/℃ Distance from meniscus/mm Centerline Off-corner(30mm) V=1.4m·min-1 V=1.6m·min-1 V=1.8m·min-1 0 100 200 300 400 500 600 700 800 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 Temperature/℃ Distance from meniscus/mm Centerline Off-corner(30mm) V=1.4m·min-1 V=1.6m·min-1 V=1.8m·min-1 图 5 不同拉速下结晶器内坯壳的表面温度沿高度方向的分布 Fig.5 Distribution of shell surface temperature along the mold length under different casting speed (a) wide face, (b) narrow face 图 6 拉速为 1.4 m·min-1结晶器宽面的气隙分布 Fig.6 The distribution of air gap at the wide face of mold with casting speed of 1.4 m·min-1 1.3 拉速对铸坯应力分布的影响材料第一强度理论表明第一主应力可较好地反映其受拉伸或挤压作用时的破坏程度，图 7 为不同拉速下结晶器出口处坯壳的第一主应力分布。由于 1.4 、1.6 和 1.8 m·min-1 3 个不 (a) (b) 录用稿件，非最终出版稿

同拉速的结晶器采用了相同的锥度，因此从图中可以看出，拉速越高，坯壳在相同高度处的整体收缩量越小，这样其与结晶器铜板间的作用力就越大。拉速较低时，坯壳窄面因受沿宽面中心方向收缩的影响最大，坯壳表层较大应力主要出现在坯壳宽面，而当高拉速时坯壳窄面受结晶器铜板的挤压作用开始显现，其较大表层应力区向坯壳窄面转移。所以，结晶器窄面的合理设计显得尤为重要。 120 120 39 7 039 390 (a) s90 (b) S60 60 555 585 615 645 79 585 649 Width direction/mm 120 23 (MPa) 138.1 c 非终 218 1055 89.1 728 56.5 40.2 23.9 75 8 25.1 25 55y 585 615 645 Width direction/mm 图拉速对在结晶器出口处凝固坯壳应力分布的影响 Fig The effect of casting speed on the shell stress distribution at mold exit (a)1.4 m-min (b)1.6 m'mim (c)1.8 m.min 2高效传热连铸结最器 2.1结晶器内腔结构包晶钢餐固过程中因包晶相变引发了最大的线收缩，通过对包晶钢连铸过程结晶器内凝固传热分析，可以发现结晶器宽面角部气隙变化集中在弯月面下方150mm至结晶器出口，而窄面角部则集中在180~480mm结晶器中上部，拉速超过1.6m/min时结晶器宽面角部保护渣的厚度呈数倍增加，很显然传统平板型内腔结构结晶器已不能满足高拉速条件下包晶钢凝固坯壳均匀生长的要求。连铸过程漏钢和裂纹往往起源于凝固坯壳的最薄处，控制好凝固坯壳在结晶器内的均匀生长，尤其是包晶钢这类钢种，成为拉速提升的关键和前提保证。影响结晶器内坯壳均匀生长最为重要的因素是凝固坯壳与结晶器铜板间的传热，结晶器保护渣状态及分布、凝固坯壳与结晶器铜板间的气隙分布、结晶器的内腔与冷却结构及冷却制度等均会对结晶器传热产生影响，从而影响凝固坯壳生长的均匀性。虽然保护渣对结

晶器内的界面传热具有显著影响，但从控制凝固坯壳生长均匀性角度，首先应考虑结晶器内腔形状结构的合理性。目前在高速连铸方面，日本和韩国的企业在引领，特别是低碳钢和超低碳钢方面，但从报道和交流中大都是结晶器流动控制、保护渣和夹杂物控制等方面内容，几乎没有结晶器内腔结构方面的信息。已有的奥钢联、康卡斯特、达利涅等国际顶级连铸装备设计制造公司发明了抛物线、钻石等类型结晶器，其出发点为并不是为了高速连铸，而且这些结晶器在实际使用中也并不尽人意。究其原因，钢在结晶器内实际凝固过程中坯壳的热收缩量在拉坯方向并非呈线性变化，其生长也并不服从平方根定律，特别在角部区域传热不均匀、坯壳薄的问题并没有得到根本性的解决，包晶钢的凝固更是如此。因此，要做到结晶器内腔形状合理设计，对包晶钢连铸而言，从理论上准确描述其在结晶器内凝固生长的热/力学行为尤为重要。本文作者考虑了溶质微观偏析、保护渣与气隙分布和凝固坯壳高温蠕变行为，建立了凝固坯壳与结晶器系统的热力耦合有限元模型山，！以此来进行适合包晶钢连铸的板坯结晶器内腔结构设计。图8为窄面坯壳角部凝固热收缩沿结晶器高度方向的分布。凝固初期沿空面中心方向的热收缩量较小，而后随着坯壳下行，收缩量增加迅速且高于线性锥度的补偿量，导致在此区域保护渣的快速填充和气隙的扩展，从而严重影响此区域传热的均匀性。为此，依据凝固坯壳在结晶器内的热收缩特性，设计出结晶器窄面的曲面型结构（如图9所示）。 Ideal taper 6 Shell shrinkage at comer Conventional linear tap ation R2=0.99706 a-1.71981+0.2057 b0.34558±0.05241 c0.47186 ±0.01924 100 200300 400500600 700800 Distance from meniscus/mm 窄面坯壳凝固热收缩沿结晶器高度方向的分布录用图8 Fig.8 age for solidifying shell of narrow face along the mold length 图9曲面型结晶器窄面结构示意图 Fig.9 Schematic diagram of convex-shape structure of mold narrow face 图10比较了两种类型结晶器的气隙的分布情况，可以看出曲面结晶器内气隙分布更有利于改善传热，而且效果显著，结晶器出口处的坯壳厚度增加、角部区域坯壳的生长更加

晶器内的界面传热具有显著影响，但从控制凝固坯壳生长均匀性角度，首先应考虑结晶器内腔形状结构的合理性。目前在高速连铸方面，日本和韩国的企业在引领，特别是低碳钢和超低碳钢方面，但从报道和交流中大都是结晶器流动控制、保护渣和夹杂物控制等方面内容，几乎没有结晶器内腔结构方面的信息。已有的奥钢联、康卡斯特、达利涅等国际顶级连铸装备设计制造公司发明了抛物线、钻石等类型结晶器，其出发点为并不是为了高速连铸，而且这些结晶器在实际使用中也并不尽人意。究其原因，钢在结晶器内实际凝固过程中坯壳的热收缩量在拉坯方向并非呈线性变化，其生长也并不服从平方根定律，特别在角部区域传热不均匀、坯壳薄的问题并没有得到根本性的解决，包晶钢的凝固更是如此。因此，要做到结晶器内腔形状合理设计，对包晶钢连铸而言，从理论上准确描述其在结晶器内凝固生长的热/力学行为尤为重要。本文作者考虑了溶质微观偏析、保护渣与气隙分布和凝固坯壳高温蠕变行为，建立了凝固坯壳与结晶器系统的热力耦合有限元模型[10,11]，以此来进行适合包晶钢连铸的板坯结晶器内腔结构设计。图 8 为窄面坯壳角部凝固热收缩沿结晶器高度方向的分布。凝固初期沿窄面中心方向的热收缩量较小，而后随着坯壳下行，收缩量增加迅速且高于线性锥度的补偿量，导致在此区域保护渣的快速填充和气隙的扩展，从而严重影响此区域传热的均匀性。为此，依据凝固坯壳在结晶器内的热收缩特性，设计出结晶器窄面的曲面型结构（如图 9 所示）。 0 100 200 300 400 500 600 700 800 0 1 2 3 4 5 6 7 Ideal taper Shell shrinkage at corner Conventional linear taper Offest distance/m m Distance from meniscus/mm Equation y=a+b*x^c Weighting:y No weighting Chi^2/Dof=0.00814 R^2=0.99706 a -1.71981 ±0.2057 b 0.34558 ±0.05241 c 0.47186 ±0.01924 图 8 窄面坯壳凝固热收缩沿结晶器高度方向的分布 Fig.8 Distribution of shrinkage for solidifying shell of narrow face along the mold length 1 mm 图 9 曲面型结晶器窄面结构示意图 Fig. 9 Schematic diagram of convex-shape structure of mold narrow face 图 10 比较了两种类型结晶器的气隙的分布情况，可以看出曲面结晶器内气隙分布更有利于改善传热，而且效果显著，结晶器出口处的坯壳厚度增加、角部区域坯壳的生长更加录用稿件，非最终出版稿

d=7.91 A382 (./6078Ps (2) 式中，A为结晶器振动振幅，mm:t为结晶器振动正滑动时间，s:为拉速，mmin: Tm为保护渣熔化温度，℃：t为结晶器振动周期，s。 0.52 Sinusoidal 0 Non-sinusoidal 0.44 pjow jo 0.40 0.36 0.28 1.21.41.61.8 2.02.2 2.4 Casting speed/m. 图12结晶器内保护渣的消耗马拉速的关系12]1 Fig12 The relation between the consumptionofmold fux and casting speed 由式(1)可见，拉速提高、保护渣黏度增狐液渣膜厚度减少，均将促使凝固坯壳与结晶器铜板间的摩擦力增大，这与保护渣的消耗有直接的关系。Zuzuki等给出了传统板坯保护渣消耗与拉速的关系，见图12四。可以看出，在2.2~2.5mmin高拉速条件下，结晶器内保护渣的渣耗量不低于0.30kgm2。保护渣消耗量除了拉速这一重要因素外，还与其本身性能、结晶器振动以及断面尺寸均有较大关系。由式(2)可以看出，正滑脱时间增加，即采用非正弦振动模式，保护渣液渣膜的厚度增加，高拉速时保护渣的消耗量也能得以维持图12也表明了这一点。此处紆拉速大于4.0mmin的方坯连铸，保护渣的消耗量通常低于0.10kgm2,而拉速为5.8.0mmin的薄板坯连铸的渣耗量也维持在0.10-0.05kgm 2的范围。大量的硬究与实浅表明，高拉速下保护渣的消耗量降低，坯壳与结晶器之间渣膜的均匀性下降入致使繽晶器内传热不均匀、摩擦阻力增大，从而导致铸坯纵裂纹缺陷和粘结漏钢几率增加。因此，要实现高速连铸，保护渣应具有较快的熔化速度、合适的熔化温度和黏度、稳定的熔渣结构。包晶钢初生凝固坯壳因包晶相变而产生较大的收缩，导致其厚度不均产生裂纹和漏钢的几率加大，高拉速下情况更是如此，更需要通过合适保护渣来控制其初始凝围传热。目前的做法是采用高碱度、低黏度保护渣来解决传热与润滑的协调控制问题，通过强化固态渣膜中枪晶石相析出，可以提高结晶器内传热的稳定性、降低弯月面区域热通量，起到抑制坯壳纵裂纹生成的作用。另一方面，增加保护渣中Li2O、MgO组分含量可降低黏度、提高熔化速率，从而保证润滑的充分性。添加LO等助熔剂会增加生产成本，为此首钢研制了不含LiO的高拉速保护渣，获得了良好的应用效果。Ogibayashi 等早期研究也表明，当黏度与拉速的乘积(e)为0.10~0.40)Pa's-m'min时，发现渣膜厚度变化和热流波动最小。因此，高速连铸时，保护渣消耗应予以充分重视，保持合适的黏度是保障保护渣消耗量及铸坯润滑与传热均匀性的重要举措

  0.3 0.12 p 0.6 0.9 0.08 c m f 7.91 60 l A t d v T t  (2) 式中，A 为结晶器振动振幅，mm；tp为结晶器振动正滑动时间，s；vc为拉速，m·min-1； Tm为保护渣熔化温度，℃； tf为结晶器振动周期，s。图 12 结晶器内保护渣的消耗与拉速的关系[12] Fig.12 The relation between the consumption of mold flux and casting speed[12] 由式（1）可见，拉速提高、保护渣黏度增加、液渣膜厚度减少，均将促使凝固坯壳与结晶器铜板间的摩擦力增大，这与保护渣的消耗有直接的关系。Zuzuki 等给出了传统板坯保护渣消耗与拉速的关系，见图 12[12]。可以看出，在 2.2~2.5 m·min-1高拉速条件下，结晶器内保护渣的渣耗量不低于 0.30 kg·m-2。保护渣消耗量除了拉速这一重要因素外，还与其本身性能、结晶器振动以及断面尺寸均有较大关系。由式（2）可以看出，正滑脱时间 tp增加，即采用非正弦振动模式，保护渣液渣膜的厚度增加，高拉速时保护渣的消耗量也能得以维持图 12 也表明了这一点。此外，对于拉速大于 4.0 m·min-1的方坯连铸，保护渣的消耗量通常低于 0.10 kg·m-2，而拉速为 5.0~8.0 m·min-1的薄板坯连铸的渣耗量也维持在 0.10~0.05 kg·m- 2的范围[14]。大量的研究与实践表明，高拉速下保护渣的消耗量降低，坯壳与结晶器之间渣膜的均匀性下降，致使结晶器内传热不均匀、摩擦阻力增大，从而导致铸坯纵裂纹缺陷和粘结漏钢几率增加。因此，要实现高速连铸，保护渣应具有较快的熔化速度、合适的熔化温度和黏度、稳定的熔渣结构。包晶钢初生凝固坯壳因包晶相变而产生较大的收缩，导致其厚度不均匀产生裂纹和漏钢的几率加大，高拉速下情况更是如此，更需要通过合适保护渣来控制其初始凝固传热。目前的做法是采用高碱度、低黏度保护渣来解决传热与润滑的协调控制问题，通过强化固态渣膜中枪晶石相析出，可以提高结晶器内传热的稳定性、降低弯月面区域热通量，起到抑制坯壳纵裂纹生成的作用[15]。另一方面，增加保护渣中 Li2O、MgO 组分含量可降低黏度、提高熔化速率，从而保证润滑的充分性[16]。添加 Li2O 等助熔剂会增加生产成本，为此首钢研制了不含 Li2O 的高拉速保护渣，获得了良好的应用效果。Ogibayashi 等[17]早期研究也表明，当黏度与拉速的乘积（η·vc）为(0.10～0.40) Pa·s·m·min-1时，发现渣膜厚度变化和热流波动最小。因此，高速连铸时，保护渣消耗应予以充分重视，保持合适的黏度是保障保护渣消耗量及铸坯润滑与传热均匀性的重要举措。录用稿件，非最终出版稿

2.3结晶器液面与振动为了实现结晶器高效传热，除了保护渣的性能外，还需要做好以下两方面的工作以确保高拉速下保护渣的消耗和凝固坯壳的均匀生长：是结晶器液面稳定控制。如图13所示剧，拉速提高，结晶器液面波动加剧，影响的不仅仅是结晶器液面发生卷渣，其实影响最大的应是结晶器内凝固传热。结晶器液面波动严重影响了保护渣液渣层均匀流入凝固坯壳与结晶器铜板间的渣道，从而影响坯壳凝固传热及其均匀生长。结晶器液面波动产生过程极其复杂，高拉速条件下情况更加复杂，低碳、超低碳铝镇静钢的洁净度控制难度加大，增加了注速的不稳定性和水口发生堵塞偏流的频率，而对于包晶钢连铸，因其凝固坯壳收缩大导致的不均匀性加剧了铸坯鼓肚发生，国内许多企业实践表明，当拉速超过1.4mmi时结晶器液面波动加剧而变得不易控制。因此要控制液位稳定，最具有针对性措施应是对铸坯的鼓肚实施有效控制。而铸绿最肚的大小与钢液静压力、夹辊间距、冷却强度等因素密切相关，改变辊列布置以改变洗挤的周期性，加大二冷区冷却强度以增加坯壳的高温强度均可有效控制铸坯的鼓肚除了对鼓肚实施根本性控制外，结晶器液面稳定控制还需要考虑液位波动的瞬变胗非线性、多干扰等实际因素，智能化检测与控制势在必行。 Flux Rim copper FlUx Pow mold Resolidified Flux argon Oscillation bubbles Mark Contact Resistar Molten Steel Pool AIr G Solidifying Steel Shell 录用稿 Inclusion particles and Support bubbles Roll Water -Ferrostatic Nozzle Spray -Pressure Bulging Ro Roll Contact 图13板坯结晶器传输行为示意图劉 Fig.13 Schematic diagram of transport phenomena in slab continuous casting molds 一是结晶器非正弦振动。图12己清楚表明了结晶器非正弦振动在高速连铸中所发挥的作用。图14示出了结晶器弯月面附近压力、热流和固、液渣膜厚度随结晶器振动的变化规律 (图中t为负滑脱时间)9。从图中可以看出，这些变量的波动均始于负滑脱段的起点，在下

2.3 结晶器液面与振动为了实现结晶器高效传热，除了保护渣的性能外，还需要做好以下两方面的工作以确保高拉速下保护渣的消耗和凝固坯壳的均匀生长：一是结晶器液面稳定控制。如图 13 所示[18]，拉速提高，结晶器液面波动加剧，影响的不仅仅是结晶器液面发生卷渣，其实影响最大的应是结晶器内凝固传热。结晶器液面波动严重影响了保护渣液渣层均匀流入凝固坯壳与结晶器铜板间的渣道，从而影响坯壳凝固传热及其均匀生长。结晶器液面波动产生过程极其复杂，高拉速条件下情况更加复杂，低碳、超低碳铝镇静钢的洁净度控制难度加大，增加了注速的不稳定性和水口发生堵塞偏流的频率，而对于包晶钢连铸，因其凝固坯壳收缩大导致的不均匀性加剧了铸坯鼓肚发生，国内许多企业实践表明，当拉速超过 1.4m·min-1时结晶器液面波动加剧而变得不易控制。因此要控制液位稳定，最具有针对性措施应是对铸坯的鼓肚实施有效控制。而铸坯鼓肚的大小与钢液静压力、夹辊间距、冷却强度等因素密切相关，改变辊列布置以改变坯壳挤压的周期性，加大二冷区冷却强度以增加坯壳的高温强度均可有效控制铸坯的鼓肚。除了对鼓肚实施根本性控制外，结晶器液面稳定控制还需要考虑液位波动的瞬变形、非线性、多干扰等实际因素，智能化检测与控制势在必行。图 13 板坯结晶器传输行为示意图[18] Fig.13 Schematic diagram of transport phenomena in slab continuous casting mold[18] 一是结晶器非正弦振动。图 12 已清楚表明了结晶器非正弦振动在高速连铸中所发挥的作用。图 14 示出了结晶器弯月面附近压力、热流和固、液渣膜厚度随结晶器振动的变化规律 (图中 tn为负滑脱时间) [19]。从图中可以看出，这些变量的波动均始于负滑脱段的起点，在下录用稿件，非最终出版稿