本文基于浦項鋼鐵公司板坯連鑄的生產(chǎn)經(jīng)驗，探討了根據(jù)不同連鑄機類型所設置的拉坯速度范圍，簡要介紹了連鑄工藝以及相關的關鍵技術。浦項鋼鐵公司的雙輥薄帶連鑄工藝PoStrip?，拉坯速度可達100m/min，通過快速凝固和無粉末澆鑄，可生產(chǎn)超薄高附加值產(chǎn)品。
1. 前言
在近50年的時間里，為了提高生產(chǎn)效率、產(chǎn)量和能效，同時節(jié)約生產(chǎn)成本，數(shù)量眾多的板坯連鑄機已經(jīng)廣泛安裝于全世界的工廠。本研究根據(jù)拉坯速度和板坯厚度，將板坯連鑄工藝分為五種類型，如圖1所示。
20世紀60年代，厚度200-300mm的板坯連鑄機取代了當時廣為采用的鑄錠工藝，由此正式開啟了連鑄時代，而且時至今日，板坯生產(chǎn)的主要部分就是用于熱軋薄帶的軋制。為了確保能源和造船行業(yè)專用厚板的內部質量，引進了拉坯速度為0.2-0.6m/min，板坯厚度為400-600mm的澆鑄工藝。為了生產(chǎn)厚度超過600mm的超厚板，開發(fā)了半連鑄技術用于替代鑄錠工藝，其拉坯速度為0.05-0.2m/min，相較鑄錠工藝，產(chǎn)量和生產(chǎn)效率都有了較大提高。
為了降低能耗，作為一種補充概念，近終形澆鑄的板坯厚度為50-100mm。隨著高速澆鑄技術的發(fā)展，薄板坯連鑄連軋工藝（TSCR）得到了商業(yè)應用。近年來，TSCR技術已經(jīng)發(fā)展成為一種無頭軋制工藝，其拉坯速度高達8m/min，主要用于生產(chǎn)超薄高強帶鋼。作為另一個極端的案例，薄帶連鑄工藝可在最高拉坯速度為30-100m/min的情況下，用鋼水直接生產(chǎn)厚度不足5mm的薄帶，利用這一超快凝固特征技術可生產(chǎn)特定鋼種的產(chǎn)品。為了提高生產(chǎn)能力和產(chǎn)量，自20世紀60年代起，連鑄工藝取代了鑄錠工藝，并發(fā)展成為各種類型，以滿足鋼鐵市場對產(chǎn)品質量多樣化的需求。
圖2顯示的是，板坯連鑄機在單位澆鑄流數(shù)以及單位板坯寬度上的生產(chǎn)能力。從生產(chǎn)效率的角度來看，厚度為200-300mm、拉坯速度為1.0-2.0m/min的傳統(tǒng)板坯連鑄機生產(chǎn)能力最高，而生產(chǎn)其他厚度板坯的連鑄機則略遜一籌。值得關注的是，浦項鋼鐵公司的薄板坯連鑄和無頭軋制工藝CEM?的生產(chǎn)能力可達4.5t/min，遠高于傳統(tǒng)板坯連鑄工藝。
通過前期攻克各種技術難關，浦項鋼鐵公司已經(jīng)引進或開發(fā)了上述全部類型的連鑄機，用以生產(chǎn)先進高強鋼（AHSS）、超厚板、高級電工鋼、高附加值不銹鋼、超薄熱軋帶鋼等World Premium?系列鋼材產(chǎn)品。
2. 傳統(tǒng)200-300mm厚板坯連鑄：
拉坯速度為0.6-3m/min
連鑄機的發(fā)展必須考慮到板坯的質量、生產(chǎn)效率和可維護性。自20世紀70年代起，由于生產(chǎn)能力強，厚度為200-300mm的傳統(tǒng)板坯連鑄工藝，就成為最常用的板坯連鑄工藝之一，可生產(chǎn)熱軋和冷軋帶鋼、鋼板、電工鋼、汽車板和不銹鋼等大多數(shù)商用鋼材產(chǎn)品。
連鑄最早起源于立式設備，在板坯清潔度和表面裂紋方面具有一定優(yōu)勢。為了提高生產(chǎn)效率，同時降低維護成本，早前廣泛采用的是全彎曲弧形設備，為了提高板坯質量，立式液態(tài)彎曲連鑄機最終取代了全彎曲弧形設備。伴隨20世紀80年代經(jīng)濟的快速發(fā)展，為了提高產(chǎn)品質量、提高工藝生產(chǎn)效率，又開發(fā)了一些基礎技術，主要包括：
（1）潔凈鋼連鑄技術；
（2）板坯裂紋控制技術；
（3）板坯內部質量控制技術（如圖３）；
（4）提高傳統(tǒng)板坯連鑄機生產(chǎn)效率的技術。
3. 400-600mm厚板坯連鑄：
拉坯速度為0.2-0.6m/min
壓力容器或海洋結構用鋼等需要厚度為80-230mm，同時兼具高強度和低溫高韌性的厚板產(chǎn)品。為了達到這一應用要求，板坯厚度已經(jīng)超過了350mm。通常，為了防止板坯內部出現(xiàn)內部裂紋或非金屬夾雜物帶，安裝立式或立彎式連鑄機，例如新日鐵住金公司的Jumbo連鑄機以及德國迪林根鋼鐵公司的5號連鑄機。
浦項鋼鐵公司于2011年在浦項鋼鐵公司鋼廠建立了400mm的板坯連鑄機，還特別設計了一種新型的立式固態(tài)矯直連鑄機（VSU），設備高度和建造成本以及維護成本都有所降低。為了在立式連鑄機的生產(chǎn)基礎上，盡可能減少夾雜物帶和內部裂紋，引進了長度為3.2m的垂直截面，在矯直之前就完成了凝固，如圖4（a）所示。在這一布局上，連鑄機長度縮減至23.9m，因此拉坯速度最大為0.42m/min，由于拉坯速度低，在這臺設備上所開發(fā)的技術，可以顯著改善板坯內部質量或角部裂紋，而非提高生產(chǎn)效率，如圖4（b）所示。
4. 超厚板坯半連鑄：
拉坯速度為0.05-0.2m/min，板坯厚度超過700mm
盡管連鑄工藝是一項很好的技術，但仍有一些問題有待解決。比如，如何在維持一定壓下率的情況下，為超厚板澆鑄一個特大截面的板坯，而并非采用鑄錠工藝。眾所周知，板坯厚度范圍超過600mm時，通常只能采用鑄錠工藝，而非傳統(tǒng)的連鑄工藝。因此，浦項鋼鐵公司于2007年開發(fā)了大型鋼錠連鑄機（LICC）。
LICC工藝采用了半連鑄型連鑄機，可分為三個子工序：（a）拉坯；（b）凝固；（c）精整。連鑄流的厚度為700mm，并由結晶器電磁攪拌系統(tǒng)、振動器、拉坯機、推進機和翻坯機等組成。
鑒于LICC已經(jīng)發(fā)展成為一種半連鑄型技術，其連鑄流的產(chǎn)量低于多爐連鑄，因此仍需改進。主要的關鍵技術如圖5所示，研究發(fā)現(xiàn)等軸晶區(qū)的顯微組織結構有所擴大，這表明，在含C量為0.4%的合金鋼中，其結構組織是由細小的球狀晶體組成。在較低的拉坯速度和攪拌速度下，LICC內的鋼水內部質量與類似的橫斷鋼錠（6t）相當。但是，在半連鑄型鑄機中，連鑄流上部區(qū)域的縮頸管會直接影響產(chǎn)量。如圖6所示，將連鑄流上部的縮頸管減至最少，就是一項核心技術。為了實現(xiàn)從連鑄流底部到頂部的定向凝固，采用了一種冷卻控制技術。LICC連鑄工藝金屬收得率可達90%左右，而鑄錠工藝僅為70%。
正因為具備這些優(yōu)點，LICC生產(chǎn)的鋼種質量與鑄錠機相當甚至更優(yōu)，而且生產(chǎn)效率更高。由此可見，LICC工藝是一項非常有前景的技術，特別是在針對有特殊用途的鋼種拉坯方面，可以快速響應工業(yè)發(fā)展的靈活趨勢。
5. 50-100mm薄板坯連鑄：
拉坯速度為3-8m/min
采用近終型連鑄概念之后，最先開發(fā)了立式薄板坯連鑄機，拉坯速度范圍為3-5m/min，板坯厚度為50mm。普通薄板坯連鑄連軋（TSCR）工藝的兩臺薄板坯連鑄機連接至一條熱軋產(chǎn)線，如圖7所示。
為具有無頭軋制功能（TSER）的TSCR工藝也開發(fā)出拉坯速度高于5m/min的薄板坯連鑄機，主要用于生產(chǎn)超薄和高強熱軋板卷產(chǎn)品。在2000年底之前，浦項鋼鐵公司成功開發(fā)了VLB型高速薄板坯連鑄機，其冶金長度約為20m，拉坯速度最大為8m/min，澆鑄厚度為81mm的厚板坯，將緊湊式無頭連鑄軋機CEM?的產(chǎn)量提高了兩倍，由此作為一種無頭軋制模式與單張軋制模式隨時切換的TSCR工藝。
TSER工藝必須在一條連鑄產(chǎn)線和一條軋制產(chǎn)線之間進行直接連接配置。作為無頭軋制工藝配置，需要在連鑄產(chǎn)線和軋制產(chǎn)線之間維持流量平衡。在全無頭軋制過程中，軋制速度取決于拉坯速度，這意味著當拉坯速度不夠高時，材料溫度過低，如果精軋機進口溫度（FDT）不夠，熱軋帶鋼就會出現(xiàn)混合的晶粒結構，這就是一種缺陷。為了闡明結晶器液面波動的機理，浦項鋼鐵公司在不同類型的連鑄機上開展過各類試驗，最終實現(xiàn)了結晶器液面穩(wěn)定，相關的三大關鍵性要素如圖8所示。
1）浸入式水口（SEN）的尾流現(xiàn)象：如圖8（a）所示，頻率約為0.1Hz的周期性波動時，在大產(chǎn)量澆鑄過程中，在結晶器彎月面上觀察到了一種尾流現(xiàn)象。帶有浦項鋼鐵公司電磁制動（EMBr）液芯形狀的SEN優(yōu)化設計是一項重要的技術。如圖9所示，彎月面液面波形可控制在5mm以內。
2）連鑄流上凝固坯殼的非穩(wěn)定鼓肚：如圖8（b）所示，頻率范圍內的結晶器液面波動是由凝固坯殼的非穩(wěn)定鼓肚所產(chǎn)生的。非穩(wěn)定鼓肚與連鑄流的凝固坯殼動態(tài)特性有關。為了將非穩(wěn)定鼓肚降至最低，在CEM?連鑄機設計上，運用了一些VLB型軋制幾何設計原則。在連鑄流上部區(qū)域采用強冷卻，生成厚凝固坯，但在較低區(qū)域采用軟冷卻，使得板坯具有較高溫度。
3）彎月面的表面波：如圖8（c）所示，表面波是由外部干擾所產(chǎn)生的。頻率范圍為0.8-1.2Hz，在拉坯速度較高時，部分與非穩(wěn)定鼓肚的頻率范圍重疊。為了檢測干擾源，并采取適當對策，開發(fā)出結晶器液面主動控制系統(tǒng)（MLAC）。
輥距的設計原則包括以下內容：相同輥距的每個截面不宜過長。每個截面的輥距與相鄰截面不同，輥距盡可能小。
采用10個輥距的組合測試了兩年的時間，而且通過長期的澆鑄試驗，已經(jīng)實現(xiàn)了在較高拉坯速度（主要是6.5m/min，90mm）下生產(chǎn)。
6. 2-5mm薄帶連鑄：
拉坯速度為30-100m/min
薄帶連鑄是一種直接從鋼水生產(chǎn)薄帶的創(chuàng)新工藝。該工藝不包括復雜的熱軋工藝，而且與傳統(tǒng)鑄軋工藝相比，有諸多優(yōu)點。該工藝可以靈活生產(chǎn)特殊鋼種，而傳統(tǒng)的連鑄和熱軋工藝則難以實現(xiàn)。
2006年浦項鋼鐵公司廠在經(jīng)過中試之后，正式建立了商業(yè)工廠，圖10顯示的就是PoStrip?設備的布局。鋼水經(jīng)過水冷雙輥后，直接澆鑄成薄帶。鑄帶的標稱厚度為2.0-5.0mm，隨后由在線軋機（IRM）以30%-45%的壓下率連續(xù)熱軋。熱軋薄帶最終厚度為1.2-3.4mm，拉坯速度為30-100m/min，主要取決于澆鑄厚度。值得一提的是，為了獲得理想的表面粗糙度，生產(chǎn)更薄的鋼帶，PoStrip?的兩個IRM機架可進行獨特的連軋，在改進了連鑄穩(wěn)定性之后，可在每爐最多7個鋼包的正常條件下操作。
浦項鋼鐵公司利用薄帶連鑄工藝的特點，開發(fā)了特殊的不銹鋼鋼種，如：高碳（≥0.4wt%）馬氏體不銹鋼，含有的部分粗大初生碳化物由于快速凝固，在鋒利刀片上剝落。由于可以避免粗大碳化物析出，產(chǎn)品具有良好的硬度和抗腐蝕性能，可用于刀片、手術刀以及廚房刀具等。
PossSD（POSCO Super Ductile Duplex）是一種高氮（≥0.2wt%）雙相不銹鋼。采用傳統(tǒng)連鑄工藝生產(chǎn)PossSD是非常困難的，這是因為在從凝固坯殼脫氮的過程中形成了孔洞，與之相反，薄帶連鑄工藝則可通過快速凝固生產(chǎn)PossSD，而且脫氮時間可更短。PossSD產(chǎn)品的耐腐蝕性與304不銹鋼相當，延伸率約為40%，具有較高成形性。而且，由于具有鐵素體相，PossSD材質的炊具可具有感應加熱的功能。另外，較高的屈服強度（≈450MPa）為輕量化應用，提供了絕佳的解決方案，例如液晶顯示器的結構框架。
快速凝固也有夾雜物的特征。由于冷卻速率高，使得夾雜物生長的時間更短，因此，與傳統(tǒng)工藝相比，薄帶連鑄產(chǎn)品的夾雜物更細。除了尺寸更細小，夾雜物的熔點也更低，而且在成形過程中可以輕易變形，這是非常有益于超薄鋼帶產(chǎn)品的生產(chǎn)。正因為這些優(yōu)點，PoStrip?304i材質的注射針頭顯示出了較高的延性，并獲得了客戶的品質認證。
超薄熱軋鋼帶（1.2-2.0t）很難采用傳統(tǒng)熱軋工藝生產(chǎn)，但可采用薄帶連鑄工藝生產(chǎn)，采用超薄熱軋鋼帶可以減少冷軋和退火熱處理的軋輥孔型設計，由此可降低生產(chǎn)成本。而且，沿著寬度方向，PoStrip?產(chǎn)品的鋼帶凸度更低，這有助于提高產(chǎn)品產(chǎn)量。因此，采用PoStrip?工藝生產(chǎn)的薄帶非常適用于精細化產(chǎn)品。
7.結論
本文中，根據(jù)拉坯速度和板坯厚度，板坯連鑄工藝可分為五類。基于浦項鋼鐵公司在不同連鑄機上的操作經(jīng)驗，對每類工藝的技術情況進行了分析。
由于生產(chǎn)效率高，同時進行了質量改進，傳統(tǒng)的板坯連鑄工藝得到了廣泛應用。拉坯速度為0.4m/min的厚板坯連鑄工藝一直用于生產(chǎn)厚板坯，可改進產(chǎn)品內部質量，滿足厚板產(chǎn)品的需求。拉坯速度為0.05-0.2m/min的超厚板坯半連鑄工藝開發(fā)的最終產(chǎn)品，厚度可達233mm。市場對高強薄規(guī)格熱軋產(chǎn)品的需求，加快了浦項鋼鐵公司薄板坯連鑄和無頭軋制工藝CEM?的發(fā)展。與現(xiàn)有的薄板坯連鑄工藝相比，一種新型的薄板坯連鑄機產(chǎn)量可翻番，還可以在無頭軋制模式下，生產(chǎn)超薄低碳鋼、HSLA、AHSS、高硅鋼的薄帶產(chǎn)品。浦項鋼鐵公司的雙輥薄帶連鑄工藝PoStrip?，拉坯速度最高為100m/min，通過快速凝固和無粉末澆鑄，可生產(chǎn)超薄高附加值產(chǎn)品。
近年來，浦項鋼鐵公司緊跟鋼鐵市場發(fā)展趨勢，采用不同的連鑄工藝，構建了完善的鋼鐵產(chǎn)品生產(chǎn)體系，與此同時，自主開發(fā)的新連鑄技術，可以生產(chǎn)出高質量的新產(chǎn)品。
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