本文基于浦项钢铁公司板坯连铸的生产经验，探讨了根据不同连铸机类型所设置的拉坯速度范围，简要介绍了连铸工艺以及相关的关键技术。浦项钢铁公司的双辊薄带连铸工艺PoStrip®，拉坯速度可达100m/min，通过快速凝固和无粉末浇铸，可生产超薄高附加值产品。
1. 前言
在近50年的时间里，为了提高生产效率、产量和能效，同时节约生产成本，数量众多的板坯连铸机已经广泛安装于全世界的工厂。本研究根据拉坯速度和板坯厚度，将板坯连铸工艺分为五种类型，如图1所示。
20世纪60年代，厚度200-300mm的板坯连铸机取代了当时广为采用的铸锭工艺，由此正式开启了连铸时代，而且时至今日，板坯生产的主要部分就是用于热轧薄带的轧制。为了确保能源和造船行业专用厚板的内部质量，引进了拉坯速度为0.2-0.6m/min，板坯厚度为400-600mm的浇铸工艺。为了生产厚度超过600mm的超厚板，开发了半连铸技术用于替代铸锭工艺，其拉坯速度为0.05-0.2m/min，相较铸锭工艺，产量和生产效率都有了较大提高。
为了降低能耗，作为一种补充概念，近终形浇铸的板坯厚度为50-100mm。随着高速浇铸技术的发展，薄板坯连铸连轧工艺（TSCR）得到了商业应用。近年来，TSCR技术已经发展成为一种无头轧制工艺，其拉坯速度高达8m/min，主要用于生产超薄高强带钢。作为另一个极端的案例，薄带连铸工艺可在最高拉坯速度为30-100m/min的情况下，用钢水直接生产厚度不足5mm的薄带，利用这一超快凝固特征技术可生产特定钢种的产品。为了提高生产能力和产量，自20世纪60年代起，连铸工艺取代了铸锭工艺，并发展成为各种类型，以满足钢铁市场对产品质量多样化的需求。
图2显示的是，板坯连铸机在单位浇铸流数以及单位板坯宽度上的生产能力。从生产效率的角度来看，厚度为200-300mm、拉坯速度为1.0-2.0m/min的传统板坯连铸机生产能力最高，而生产其他厚度板坯的连铸机则略逊一筹。值得关注的是，浦项钢铁公司的薄板坯连铸和无头轧制工艺CEM®的生产能力可达4.5t/min，远高于传统板坯连铸工艺。
通过前期攻克各种技术难关，浦项钢铁公司已经引进或开发了上述全部类型的连铸机，用以生产先进高强钢（AHSS）、超厚板、高级电工钢、高附加值不锈钢、超薄热轧带钢等World Premium®系列钢材产品。
2. 传统200-300mm厚板坯连铸：
拉坯速度为0.6-3m/min
连铸机的发展必须考虑到板坯的质量、生产效率和可维护性。自20世纪70年代起，由于生产能力强，厚度为200-300mm的传统板坯连铸工艺，就成为最常用的板坯连铸工艺之一，可生产热轧和冷轧带钢、钢板、电工钢、汽车板和不锈钢等大多数商用钢材产品。
连铸最早起源于立式设备，在板坯清洁度和表面裂纹方面具有一定优势。为了提高生产效率，同时降低维护成本，早前广泛采用的是全弯曲弧形设备，为了提高板坯质量，立式液态弯曲连铸机最终取代了全弯曲弧形设备。伴随20世纪80年代经济的快速发展，为了提高产品质量、提高工艺生产效率，又开发了一些基础技术，主要包括：
（1）洁净钢连铸技术；
（2）板坯裂纹控制技术；
（3）板坯内部质量控制技术（如图３）；
（4）提高传统板坯连铸机生产效率的技术。
3. 400-600mm厚板坯连铸：
拉坯速度为0.2-0.6m/min
压力容器或海洋结构用钢等需要厚度为80-230mm，同时兼具高强度和低温高韧性的厚板产品。为了达到这一应用要求，板坯厚度已经超过了350mm。通常，为了防止板坯内部出现内部裂纹或非金属夹杂物带，安装立式或立弯式连铸机，例如新日铁住金公司的Jumbo连铸机以及德国迪林根钢铁公司的5号连铸机。
浦项钢铁公司于2011年在浦项钢铁公司钢厂建立了400mm的板坯连铸机，还特别设计了一种新型的立式固态矫直连铸机（VSU），设备高度和建造成本以及维护成本都有所降低。为了在立式连铸机的生产基础上，尽可能减少夹杂物带和内部裂纹，引进了长度为3.2m的垂直截面，在矫直之前就完成了凝固，如图4（a）所示。在这一布局上，连铸机长度缩减至23.9m，因此拉坯速度最大为0.42m/min，由于拉坯速度低，在这台设备上所开发的技术，可以显著改善板坯内部质量或角部裂纹，而非提高生产效率，如图4（b）所示。
4. 超厚板坯半连铸：
拉坯速度为0.05-0.2m/min，板坯厚度超过700mm
尽管连铸工艺是一项很好的技术，但仍有一些问题有待解决。比如，如何在维持一定压下率的情况下，为超厚板浇铸一个特大截面的板坯，而并非采用铸锭工艺。众所周知，板坯厚度范围超过600mm时，通常只能采用铸锭工艺，而非传统的连铸工艺。因此，浦项钢铁公司于2007年开发了大型钢锭连铸机（LICC）。
LICC工艺采用了半连铸型连铸机，可分为三个子工序：（a）拉坯；（b）凝固；（c）精整。连铸流的厚度为700mm，并由结晶器电磁搅拌系统、振动器、拉坯机、推进机和翻坯机等组成。
鉴于LICC已经发展成为一种半连铸型技术，其连铸流的产量低于多炉连铸，因此仍需改进。主要的关键技术如图5所示，研究发现等轴晶区的显微组织结构有所扩大，这表明，在含C量为0.4%的合金钢中，其结构组织是由细小的球状晶体组成。在较低的拉坯速度和搅拌速度下，LICC内的钢水内部质量与类似的横断钢锭（6t）相当。但是，在半连铸型铸机中，连铸流上部区域的缩颈管会直接影响产量。如图6所示，将连铸流上部的缩颈管减至最少，就是一项核心技术。为了实现从连铸流底部到顶部的定向凝固，采用了一种冷却控制技术。LICC连铸工艺金属收得率可达90%左右，而铸锭工艺仅为70%。
正因为具备这些优点，LICC生产的钢种质量与铸锭机相当甚至更优，而且生产效率更高。由此可见，LICC工艺是一项非常有前景的技术，特别是在针对有特殊用途的钢种拉坯方面，可以快速响应工业发展的灵活趋势。
5. 50-100mm薄板坯连铸：
拉坯速度为3-8m/min
采用近终型连铸概念之后，最先开发了立式薄板坯连铸机，拉坯速度范围为3-5m/min，板坯厚度为50mm。普通薄板坯连铸连轧（TSCR）工艺的两台薄板坯连铸机连接至一条热轧产线，如图7所示。
为具有无头轧制功能（TSER）的TSCR工艺也开发出拉坯速度高于5m/min的薄板坯连铸机，主要用于生产超薄和高强热轧板卷产品。在2000年底之前，浦项钢铁公司成功开发了VLB型高速薄板坯连铸机，其冶金长度约为20m，拉坯速度最大为8m/min，浇铸厚度为81mm的厚板坯，将紧凑式无头连铸轧机CEM®的产量提高了两倍，由此作为一种无头轧制模式与单张轧制模式随时切换的TSCR工艺。
TSER工艺必须在一条连铸产线和一条轧制产线之间进行直接连接配置。作为无头轧制工艺配置，需要在连铸产线和轧制产线之间维持流量平衡。在全无头轧制过程中，轧制速度取决于拉坯速度，这意味着当拉坯速度不够高时，材料温度过低，如果精轧机进口温度（FDT）不够，热轧带钢就会出现混合的晶粒结构，这就是一种缺陷。为了阐明结晶器液面波动的机理，浦项钢铁公司在不同类型的连铸机上开展过各类试验，最终实现了结晶器液面稳定，相关的三大关键性要素如图8所示。
1）浸入式水口（SEN）的尾流现象：如图8（a）所示，频率约为0.1Hz的周期性波动时，在大产量浇铸过程中，在结晶器弯月面上观察到了一种尾流现象。带有浦项钢铁公司电磁制动（EMBr）液芯形状的SEN优化设计是一项重要的技术。如图9所示，弯月面液面波形可控制在5mm以内。
2）连铸流上凝固坯壳的非稳定鼓肚：如图8（b）所示，频率范围内的结晶器液面波动是由凝固坯壳的非稳定鼓肚所产生的。非稳定鼓肚与连铸流的凝固坯壳动态特性有关。为了将非稳定鼓肚降至最低，在CEM®连铸机设计上，运用了一些VLB型轧制几何设计原则。在连铸流上部区域采用强冷却，生成厚凝固坯，但在较低区域采用软冷却，使得板坯具有较高温度。
3）弯月面的表面波：如图8（c）所示，表面波是由外部干扰所产生的。频率范围为0.8-1.2Hz，在拉坯速度较高时，部分与非稳定鼓肚的频率范围重叠。为了检测干扰源，并采取适当对策，开发出结晶器液面主动控制系统（MLAC）。
辊距的设计原则包括以下内容：相同辊距的每个截面不宜过长。每个截面的辊距与相邻截面不同，辊距尽可能小。
采用10个辊距的组合测试了两年的时间，而且通过长期的浇铸试验，已经实现了在较高拉坯速度（主要是6.5m/min，90mm）下生产。
6. 2-5mm薄带连铸：
拉坯速度为30-100m/min
薄带连铸是一种直接从钢水生产薄带的创新工艺。该工艺不包括复杂的热轧工艺，而且与传统铸轧工艺相比，有诸多优点。该工艺可以灵活生产特殊钢种，而传统的连铸和热轧工艺则难以实现。
2006年浦项钢铁公司厂在经过中试之后，正式建立了商业工厂，图10显示的就是PoStrip®设备的布局。钢水经过水冷双辊后，直接浇铸成薄带。铸带的标称厚度为2.0-5.0mm，随后由在线轧机（IRM）以30%-45%的压下率连续热轧。热轧薄带最终厚度为1.2-3.4mm，拉坯速度为30-100m/min，主要取决于浇铸厚度。值得一提的是，为了获得理想的表面粗糙度，生产更薄的钢带，PoStrip®的两个IRM机架可进行独特的连轧，在改进了连铸稳定性之后，可在每炉最多7个钢包的正常条件下操作。
浦项钢铁公司利用薄带连铸工艺的特点，开发了特殊的不锈钢钢种，如：高碳（≥0.4wt%）马氏体不锈钢，含有的部分粗大初生碳化物由于快速凝固，在锋利刀片上剥落。由于可以避免粗大碳化物析出，产品具有良好的硬度和抗腐蚀性能，可用于刀片、手术刀以及厨房刀具等。
PossSD（POSCO Super Ductile Duplex）是一种高氮（≥0.2wt%）双相不锈钢。采用传统连铸工艺生产PossSD是非常困难的，这是因为在从凝固坯壳脱氮的过程中形成了孔洞，与之相反，薄带连铸工艺则可通过快速凝固生产PossSD，而且脱氮时间可更短。PossSD产品的耐腐蚀性与304不锈钢相当，延伸率约为40%，具有较高成形性。而且，由于具有铁素体相，PossSD材质的炊具可具有感应加热的功能。另外，较高的屈服强度（≈450MPa）为轻量化应用，提供了绝佳的解决方案，例如液晶显示器的结构框架。
快速凝固也有夹杂物的特征。由于冷却速率高，使得夹杂物生长的时间更短，因此，与传统工艺相比，薄带连铸产品的夹杂物更细。除了尺寸更细小，夹杂物的熔点也更低，而且在成形过程中可以轻易变形，这是非常有益于超薄钢带产品的生产。正因为这些优点，PoStrip®304i材质的注射针头显示出了较高的延性，并获得了客户的品质认证。
超薄热轧钢带（1.2-2.0t）很难采用传统热轧工艺生产，但可采用薄带连铸工艺生产，采用超薄热轧钢带可以减少冷轧和退火热处理的轧辊孔型设计，由此可降低生产成本。而且，沿着宽度方向，PoStrip®产品的钢带凸度更低，这有助于提高产品产量。因此，采用PoStrip®工艺生产的薄带非常适用于精细化产品。
7.结论
本文中，根据拉坯速度和板坯厚度，板坯连铸工艺可分为五类。基于浦项钢铁公司在不同连铸机上的操作经验，对每类工艺的技术情况进行了分析。
由于生产效率高，同时进行了质量改进，传统的板坯连铸工艺得到了广泛应用。拉坯速度为0.4m/min的厚板坯连铸工艺一直用于生产厚板坯，可改进产品内部质量，满足厚板产品的需求。拉坯速度为0.05-0.2m/min的超厚板坯半连铸工艺开发的最终产品，厚度可达233mm。市场对高强薄规格热轧产品的需求，加快了浦项钢铁公司薄板坯连铸和无头轧制工艺CEM®的发展。与现有的薄板坯连铸工艺相比，一种新型的薄板坯连铸机产量可翻番，还可以在无头轧制模式下，生产超薄低碳钢、HSLA、AHSS、高硅钢的薄带产品。浦项钢铁公司的双辊薄带连铸工艺PoStrip®，拉坯速度最高为100m/min，通过快速凝固和无粉末浇铸，可生产超薄高附加值产品。
近年来，浦项钢铁公司紧跟钢铁市场发展趋势，采用不同的连铸工艺，构建了完善的钢铁产品生产体系，与此同时，自主开发的新连铸技术，可以生产出高质量的新产品。
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