1996年韩国浦项光阳钢厂引进了一条在线带钢生产（ISP）紧凑式工艺，这条生产线配备两流浇注，年产能180万t。自那时起，浦项对生产工艺进行改进，每流产能翻番，特别是，拉坯速度从大约5m/min提高到8.0m/min，并且开发出许多新技术，以克服高速浇注过程中常见的问题，如结晶器液面波动、漏钢预报、产品缺陷、结晶器铜板损坏、结晶器振动器磨损、扇形段导辊过热等。
最近，（每流）年产能达到170万t，记录的最高拉坯速度是8.0m/min。在生产低碳钢时月平均拉速是6.3m/min。本项目的最终目标是建立起每流年产能180万t及最高8.0m/min拉坯速度下的稳定生产条件。
1 连铸机配置
这条生产线上连铸机的配置和应用的技术简单归纳如下：钢包双回转台系统（钢包最重130t）；中间包为T型（最重60t），具备液压位置控制的塞棒；结晶器为40mm漏斗型，应用螺旋宽度调节、可调线圈EMBr、漏钢预报系统技术；结晶器振动分对称/非对称正弦，液压位置控制；二冷单位水流量3.2l/kg，低压广角喷嘴气雾冷却，动态喷射控制和边部冷却控制；扇形段动态辊缝控制，液芯压下最大20mm。连铸机采用了漏斗型结晶器、电磁制动（EMBr）、钢水动态熔池控制、动态液芯压下和其他一些新技术。使用的新技术中一些技术已经在全球许多连铸机上也得到应用，但是在如此高的拉速下工业化生产时，需要寻找新的最佳条件。此外，大量的机械和控制优化对确定最终的生产条件而言也是不可避免的。
2 铸机上关键技术
2.1双包回转系统
当生产率极高时，在快速换包过程中，中间包内的钢水重量急剧降低。若使用传统钢包回转台，则在生产率5.5t/min情况下，在换包过程中，27t钢水大约需要浇注5min，因此，为了保证连浇，必须降低拉坯速度，这可能引起产品质量严重恶化。为了避免产生这一问题以及在中间包重量恒定的情况下实现连浇，安装了两个相同的回转台。
在双流浇注操作时，这套双回转台系统具有额外优势。此时，中间包内的钢水液面和温度变化极小。采用双回转台系统时，中间包重量波动范围2-3t，而使用单回转台系统时，中间包重量波动达到10-20t。另外，使用双回转台系统，中间包内钢水温度波动不是太大，这是因为钢水由钢包连续不断地供给中间包。尤为显著地是，塞棒附近的钢水温度波动维持在±5℃范围内。
2.2钢水控流系统
使用一个带液压执行机构的塞棒来控制钢水流量，它的控制范围在2.2-6.6t/min之间。由于生产结果与基于给定的中间包压力头、塞棒和浸入式水口（SEN）结构而预测的生产率结果相当吻合，可以认为，在拉坯速度为8m/min的最高生产率下也可以实现稳定控制。
2.3结晶器保护渣
众所周知，结晶器润滑受到结晶器保护渣熔化和渗入特性的显著影响，它是高速连铸过程中最重要的技术之一。
随着浇注速度增加，结晶器保护渣消耗率存在降低趋势，并容易发生凝固坯壳黏结。对于高速浇注操作，结晶器保护渣应具有高熔化速率、高耐热性和低黏度。新开发的结晶器保护渣的软化温度为1070℃，熔化温度为1095℃，流动温度为1127℃。结晶器保护渣的碱度是1.3，这高于传统浇注用保护渣。1300℃时黏度为0.7泊，低于常用的结晶器保护渣黏度。转折温度为1183℃，高于传统保护渣的1000-1150℃。
在拉坯速度7.6m/min时保护渣消耗率降低至0.05kg/m2，而在传统薄板坯连铸的拉坯速度4.3m/min时保护渣消耗率为1.0kg/m2。尽管保护渣消耗率远低于预期值，但在浇注过程中没有发生黏结漏钢现象。高速浇注时保护渣消耗率最低，这可由结晶器保护渣膜如下的行为来解释：在结晶器弯月面下的保护渣膜厚度约0.9mm，在结晶器出口处，渣膜厚度0.6mm；弯月面附近渣膜大部分为液态层，因此结晶器壁和凝固坯壳之间的摩擦非常低。不过，随着凝固坯壳向结晶器出口处移动，在保护渣膜内形成更多的晶体结构。因为结晶器出口处渣膜约有10%厚度层为液态，下淌的液态层厚度估计不超过0.06mm。显然，保护渣膜内薄的液态层顺着板坯表面流淌这一现象保证了极低保护渣消耗率（低至0.05kg/m2）下的成功高速连铸。
2.4漏钢预报系统（BOPS）
根据浦项的生产数据统计，在连铸厚板坯时，漏钢率通常在0.004%左右，而在薄板坯连铸时，则漏钢率高达0.4%。当拉坯速度为8.0m/min时，在弯月面处新形成的凝固坯壳仅需约8s就移动至结晶器出口处。因此，关键是尽可能快地监测到黏结漏钢，从而防止在结晶器出口处的凝固坯壳破漏。
希望在弯月面附近发生黏钢时能够快速被监测到，结晶器铜板的温度测定是一个好办法。因此，在结晶器每一宽面铜板外三层布置热电偶，在每一窄面铜板上布置三个热电偶。利用相近热电偶温度相对变化来监测黏结漏钢。目前采用两种不同的监测算法，每一算法都针对结晶器铜板上每一独立的区段进行优化。
当BOPS监测到开始发生黏结时，拉坯速度在1s内立即减慢到0.5m/min，接着当发现警报解除后就立即加速到正常拉速。
这类BOPS已经过多年的应用和升级换代，目前，所有的黏结漏钢都得到极佳的监测和预警，另外，这类BOPS具备在黏结线移动半途中就能快速发出预警，所以在大多数情况下，降低拉速使黏结漏钢现象几乎减半。
2.5结晶器
开发的40mm漏斗型结晶器，其沿周向的弧形经过优化，并得到实际应用。在结晶器形状设计的前期阶段，认为结晶器壁与浸入式水口外表面之间的缝隙最为关键。除非该间隙足够宽，否则将经常产生涡流，并且由于结晶器保护渣的渗入不稳定，板坯表面可能很容易出现纵向表面裂纹。漏斗形状可以补偿凝固坯壳的收缩量，由于这种漏斗效应，在浇注低碳钢时，很少发生纵向表面裂纹和由于开裂导致漏钢。
2.6高速浇注时结晶器调宽
为了满足用户对各种宽度产品的要求，需要在高速浇注的情况下能够改变铸坯宽度，然而，在调整宽度的过程中，在结晶器四角处弯月面渣圈可能破裂，并且可能会发生不均匀凝固。特别是，浇注速度越高，凝固坯壳越薄，在漏斗型结晶器内形成弧形坯壳，因此，在结晶器宽度调整过程中，凝固坯壳向下鼓肚而形成凹陷。由于存在上面提到的诸多风险，在许多情况下通常避免调整宽度。
在本项目中，利用新日铁可变宽度结晶器（NS-VWM）宽度调整技术，实现高速浇注下稳定、安全的宽度调整操作。这项技术的优势在于使结晶器壁和凝固坯壳之间的气隙最小。
在本项目中，对窄面调整轨迹及调整速度进行优化，在日常作业中经常进行铸坯调宽。
2.7电磁制动
众所周知，弯月面处的表面流动速度通常为0.1-0.3m/s。如果流速过快，则钢水表面波形高度增加过度，改变了液态保护渣层的厚度。
如果流速过慢，则通过结晶器保护渣层的导热降低，并且结晶器保护渣应缓慢熔化，在弯月面处被凝结。为了避免出现这些问题，浸入式水口出口区的面积维持最大化，并且电磁制动器线圈方向经过优化，从而有效地减缓射流速度而不带来任何负面作用。
对电磁场内的流体流动进行了数值模拟分析，目的是设计EMBr的线圈方向。当使用EMBr时，可以实现在拉速8.0m/min下稳定浇注，并且在弯月面处的钢水表面流速约为3.0m/min。
结晶器内弯月面波形可通过观测板坯表面的振痕进行估计，也通过指板（nail board）直接测量。如果不采用EMBr，则波形高度超过15mm，当采用EMBr时，波形高度不到4mm。
2.8结晶器振动
结晶器振动实现结晶器壁和凝固坯壳之间结晶器保护渣的渗入及传热控制。必须要维持合适的负滑脱时间率（NSR）和负滑脱时间（NST），以保证结晶器保护渣充分渗入。结晶器振动器设计振动频率约500次/min，振幅约10mm。
结晶器仅上下往复运动是所需的，但是，如果结晶器振动过快，则出现其他有害的振动运动，例如出现左右或前后运动。这些有害振动增加了振动器导向元件的磨损，并可能导致钢水流动和凝固出现不稳定行为，引起漏钢。由于这一原因，建立了在线振动监测系统，利用三个方向加速计测定有害振动是否超过控制极限。如果这些值超过控制极限，则应再次更换和调整磨损坏的导向元件，从而维持稳定的操作条件。
2.9结晶器液面控制
结晶器液面稳定是高速连铸的前提条件。对结晶器液面波动产生最大的干扰因素是板坯表面的非稳定鼓肚和钢水流动导致在弯月面处产生液面波。减少这两个因素的影响所使用的技术看来是高速浇注获得成功的关键。
随着拉速增加，由于非稳定鼓肚和液面波产生的两个频率相互重叠。产生问题的频率范围约0.7-0.8Hz，由于传统的塞棒执行机构响应相对慢，难以有效控制。因此，采用两个基本的策略以实现结晶器液面稳定：一是使超过重叠频率范围的干扰幅度最低，二是通过低频范围内的主动控制，使结晶器液面周期性波动最低。
对前一种情况，精心设计工艺过程，通过对浸入式水口和EMBr优化，降低液面波效应。对后一种情况，开发出具有补偿算法的智能化结晶器液面控制器，以应对各种干扰。结晶器液面控制示意图见图1。
首先，将干扰分成周期性部分和非周期性部分，并针对每一部分开发出补偿器，模糊逻辑控制是主要控制手段。前馈控制由非线性补偿添加，以降低诸如拉速、中间包重量波动和结晶器宽度等非周期性紊乱。在周期性液面波干扰的情况下，控制器利用波形过滤器过滤掉不稳定的结晶器液面信号，从而使之不再产生次生波动。
对非稳定鼓肚，开发出抗鼓肚逻辑控制，最大程度降低非稳定鼓肚效应，此时，它是根据预测的干扰频率和幅度，通过调整塞棒开口度，主动消除周期性结晶器液面波动。此外，也开发出浸入式水口不结瘤、黏结监测和紧急状况减速等的逻辑控制。
使用上述控制器，在一个浇次中，结晶器液面波动稳定地控制在3mm以内。
2.10结晶器内传热
结晶器内传热与拉速、结晶器保护渣、结晶器表面镀层、结晶器铜板几何形状、结晶器材料性能、结晶器窄面锥度等因素有关。随着凝壳和结晶器保护渣膜厚度变薄，由于热阻下降，热流存在上升趋势。
热流比率（HR），即结晶器窄面热流与宽面热流之比，认为在理想情况下它是一致的，但是随着板坯变薄，则HR趋于降低。对厚板坯而言HR大约是0.95，薄板坯为0.85。
利用HR可以分析凝固坯壳是否具有足够强度以及结晶器锥度是否合适。如果HR相对低，必须要提高结晶器锥度，相反，如果HR相当高，则必须减少结晶器锥度，以维持凝固坯壳尤其是角部的强度。
2.11二冷系统
本项目中，二冷设计的基本思路是通过冷却凝固外壳，从而使得铸流上半段具有足够强度，降低非稳定鼓肚，同时保留铸坯热量，使后续工序中加热所需能量最小。
为了充分发挥强冷效果，在导辊之间的板坯表面附近安装了撞击角大的先进喷嘴。此时，冷却效果可以提高30%，冷却均匀性也提高了50%，因此非稳定鼓肚现象降低，没有发现引起纵向表面裂纹相关的任何问题。
板坯角部采用一个独立控制的二冷系统，目的是获得合适的板坯角部温度。图2给出铸机出口处板坯角部温度，这说明采用边部控制技术可以获得任何期望的温度曲线。当板坯角部采用弱冷，板坯边角温度可提高90℃，这是由于拉速足以维持这样高的温度。当角部采用强冷时，板坯边角温度下降。
2.12扇形段和导辊
板坯高速通过各扇形段；采用多点弯曲/桥直的设计思路，使弯曲/桥直应变最小。
导辊之间的冷却间隙维持足够大，以实现有效的二冷。辊径反映了辊距和辊刚度之间的最佳配合。
在接近注流出口，降低喷水速率，以获得高温的板坯。高效的导辊冷却设计是根本。导辊采用这种高效冷却系统，认为可节省板坯再加热能量，并延长导辊的使用寿命。
信息来源：《世界金属导报》
