钢连铸工艺全解析：流程、设备与关键控制要点
钢连铸工艺概述
钢连铸（CC）是将液态钢凝固为半成品（方坯、矩形坯、梁坯、圆坯、板坯）供后续轧机轧制的工艺。连铸机基本操作：通过结晶器操作、喷淋冷却区、矫直机操作等工序，将给定成分液钢转化为所需形状尺寸的铸坯。成功连铸需理解各工序在不同条件下的工艺行为。连铸工艺主要包含以下部分：
- 位于结晶器上方的中间包，接收钢包液钢并按调节速率供给结晶器
- 一次冷却区：水冷铜结晶器，液钢从中包注入，生成足够强度的凝固外壳，保持铸坯形状进入二冷区
- 二次冷却区及包围段：位于结晶器下方，铸坯（仍多为液态）经水或水气混合雾喷淋进一步凝固
- 铸坯解弯矫直段：直链垂直连铸机无此段
- 切割段：割炬或机械剪将凝固铸坯切割成定尺
- 出铸坯辊道通往冷却床或产品转运区
连铸过程中，液钢从钢包经中间包流入结晶器。通常各容器（钢包、中间包、结晶器）液面覆盖渣层，容器间用陶瓷管保护，防止液钢接触空气。
连铸启动与稳态运行
启动时，引锭杆（连接外部机械拉拔系统）插入结晶器封闭底部。钢包液钢运至铸机平台，控制流速注入中间包。液钢经中间包底部水口注入结晶器。液面达到预定位置，启动引锭杆拉拔。液钢在水冷铜管内壁凝固成壳。下部传动辊连续拉拔引锭杆，拉速预设匹配所需铸速或中间包流入速率。引锭杆头连同凝固铸坯到达拉拔机构特定位置，机械分离引锭杆并移除。凝固铸坯继续通过拉拔系统至切割设备，速度（铸速）匹配流入液钢，理想状态下稳态运行。
始于水冷结晶器的凝固随铸坯在连铸机中推进而连续进行。凝固始于结晶器液面液面形成与壁接触的壳。液面至铸坯完全凝固点的距离称冶金长度。完全凝固点应自然出现在切割点前，许多连铸机在矫直机前。铸造条件确保离开结晶器的凝固壳强度足以承受结晶器内液钢铁静压。为防止壳粘结结晶器壁，结晶器垂直振动。引入保护渣（油或熔剂）形成流体渣层，最小化壳铜摩擦。
出结晶器后，凝固壳作为容器支撑剩余液钢。二冷区由系列水雾/气雾喷淋进一步散热，流量精确控制以获最佳冷却速率并维持表温直到液芯凝固。支撑辊装置包围铸坯防横向移动，防止铁静压导致热凝固壳鼓胀。铸坯冷却包围系统设计同结晶器一样，旨在防止铸坯内外缺陷、确保产品质量。
二冷包围区后，某些机型设弯曲段，所有机型均有矫直段。矫直后按定尺用割炬或剪切。热定尺经出铸辊道送冷却床或分组直接后续轧制。
液态钢要求
温度控制
温度控制对连铸至关重要。连铸液钢通常需高出钢温度。高出钢温补偿运输至连铸机的热损失。浇铸温度需维持在严格范围内：过高易漏钢，过低易致中包水口早期凝固堵塞。浇铸温度也影响铸坯结晶组织。低过热度且全程均匀通常获得最佳组织。通用做法：向钢包液钢吹少量氩气搅拌以达均匀温度。
充分脱氧
连铸液钢须充分脱氧（杀钢），防止铸坯表面或近表面形成气孔/针孔，后续轧制中形成裂纹。按钢级和用途两种脱氧方式：
- 硅脱氧+少量铝，用于粗晶钢
- 铝脱氧，用于细晶钢
硅杀钢比铝杀钢易浇铸，因避免了中包水口氧化铝沉积堵塞。
中间包应用
液钢先从钢包入中间包，再经各流水口分配至结晶器。中间包本质为底部带水口的长方箱体。作用：
- 稳定进入结晶器液流，实现恒定铸速
- 连续浇铸多炉次
- 换包时不中断结晶器液流
- 必要时混合两炉不同钢级生产混合钢级
- 防止夹杂和渣进入中间包进而进入结晶器
中间包浇铸前预热，减少初期热损失避免金属凝固，特别是关键水口区。浇铸全程用中包盖减少辐射热损失。
液态钢保护浇注
明流浇注时，液钢直接经空气从钢包流向中间包或中间包流向结晶器。无保护液流吸收空气中氧（及氮）形成有害夹杂，带入结晶器或上浮液面。液面夹杂后被凝固壳捕获，导致表面缺陷或结晶器下部漏钢。此外，液流夹带空气也在结晶器和中间包中与液钢反应。
为避免上述问题，连铸通常采用保护浇注。重点保护中间包-结晶器间液流（问题最严重）。钢包-中间包保护也广泛应用，特别是铝杀钢防止氧化铝夹杂至关重要。两大基本保护类型及其变体组合：
- 气体保护：氮气或氩气作保护气
- 陶瓷管保护：铝杀钢常用。钢包-中间包、中间包-结晶器均用。管一端连接钢包（或中间包），另端浸入中间包或结晶器液钢中。材质通常熔融石英或氧化铝石墨。
陶瓷管机械设计关键，特别是浸入液钢的出口端。直通式和多孔式（如底部封闭、近底部两侧开口的分叉管）。多孔式避免浇注流深入结晶器，改变流场，使浇注流夹杂上浮液面随保护渣排出，而非夹在凝固壳内。
液态钢流动控制
支配连铸工艺和铸坯质量的重要现象：
液钢经浸入式水口（SEN）孔口进入结晶器，通常为分叉式。高速产生雷诺数>100,000的全湍流行为。通常向水口吹氩防堵塞，产生气泡提供浮力显著影响水口和结晶器流场。气泡捕获夹杂可能被困在凝固壳内，导致严重表面缺陷。离嘴液流横穿结晶器冲击窄面凝固壳。液流带过热，冲蚀局部薄壳区域，极端情况导致漏钢（液钢冲破壳）。
通常液流冲击窄面分流：上行至自由液面、下行向铸坯内部。每个射流上下形成回流区。随氩吹入率增加或施加电磁力（制动或搅拌），流型剧烈改变。流型随时间波动导致缺陷，瞬态行为重要。
结晶器顶部自由液面液流对铸坯质量极重要。界面水平速度诱导流动控制液渣层热传递。液渣覆盖不足导致初始凝固不均和多种表面缺陷。水平面速度过大，剪切流和涡流可能卷入液渣入钢。此现象高度依赖界面表面张力（成分相关）及可能存在的气泡（聚集界面甚至起泡）。渣球随钢流循环，后在下部凝固壳中被困形成内部固体夹杂。
液钢含固体夹杂（如氧化铝），形状尺寸各异，在流场中运动碰撞形成大簇并可能吸附气泡。它们或循环上浮至顶面渣层，或被困凝固壳形成最终铸坯脆性内部缺陷。
保护渣加在顶面为液钢提供热化学绝缘。氧化物基渣烧结熔化成顶层液渣浮在钢自由界面。渣熔化速率及熔融渣流动吸收钢中有害氧化铝能力取决于成分，受时间依赖热力学控制。部分液渣在冷结晶器壁再凝固形成固体渣边，阻碍液面处传热。其他渣随钢壳下行运动进入壳铜间隙，促进均匀传热防粘连。
结晶器周期性振动防止凝固壳粘连壁，促进渣均匀渗入间隙。振动影响液面波动相关缺陷，在壳表面形成周期性凹陷（振动痕），影响传热并成裂纹源。
结晶器与传热
结晶器系统主要功能：容纳并启动液钢凝固，实现：
- 铸品形状（整体配置和壳厚）
- 温度分布
- 内部和表面质量：铸态组织、化学均匀性、无裂纹、气孔、非金属夹杂
结晶器最重要特性之一是传热能力。结晶器基本为箱体，内衬铜合金作为液钢接触界面。内衬与支撑结构间有小水道供冷却水吸收凝固液钢热量。结晶器润滑改善上部传热。结晶器锥度也影响该表面传热，因其抵抗壳铜间气隙形成，增强传热。
除传热能力，高温强度、抗磨损和抗变形也极重要。内衬材质通常高纯冷轧铜，含少量银提高高温强度。工作面常镀铬或镍提供更硬工作面，避免铜沾污铸坯表面。
二次冷却、铸坯包围与拉拔
现代连铸机中，二冷、包围、拉拔形成紧密集成互锁系统，含弯曲矫直。早期设计中，这部分组件功能和物理分离度较大。
二冷包围拉拔系统从结晶器底部延伸至铸坯完全凝固至切割作业。系统能生产形状正确、内外表面质量合格的铸坯。为此，离开结晶器的凝固铸坯经系列喷淋区冷却，由系列辊装置包围拉拔，直到切割机和水平出铸辊道。
二冷系统通常分多区控制铸坯推进过程中的冷却速率。系统通常含水喷淋或水气雾喷淋，通过包围辊间隙喷向铸坯表面。
二冷系统主要传热功能
- 在钢级、铸速等连铸约束下，提供实现完全凝固所需水量
- 调节结晶器下至切割作业的铸坯热工状况：表面温度、铸坯内温度梯度
- 辅助功能：包围辊冷却
必须控制铸坯温度水平和热梯度避免表面内部缺陷（形状不良、裂纹）。高温下钢壳强度性能对承受连铸施加的外部内部力起关键作用。主要力：液芯铁静压和拉拔牵引力。特别是临近固相线温度钢塑性低，壳易开裂。控制温度梯度因热应变可超强度致裂。过冷或过热（喷淋不当终止导致内部热量回传复热再辐射冷却）均产生过大热应变裂纹。延长变化喷淋冷却实现与辐射冷却平滑过渡可减轻影响。
因此二冷系统设计时须确定满足铸钢完整性质量的铸坯热工条件。如规定铸坯表面温度沿程分布，通常1200-700℃。据此用传热方程确定沿程冷却速率。计算重要参数：水喷淋对流传热系数、单位表面接触水量（水通量）。喷嘴型号数量、相对铸坯表面位置、水压选定以提供所需水通量和分布。每层通常用多喷嘴重叠布置。
沿铸坯建立系列冷却区，每区喷嘴配置和传热特性相同。沿铸坯长度所需冷却速率递减，后续区水通量递减。操作中调整水通量补偿铸速、表温、冷却水温、钢级变化。喷淋水系统通常循环使用。
铸坯包围与拉拔
铸坯由一系列挡辊横跨两相对面水平方向包围。边部辊可垂直铸造方向跨另一对面增强包围。机械包围拉拔设备是二冷系统组成部分。基本功能：
- 支撑导向铸坯从结晶器出口至切割作业
- 受控速度驱动铸坯通过连铸机
最终目标：最小化连铸过程机械应力应变。铸坯支撑涉及约束凝固形状（含液芯固体壳）。铁静压（液钢高度产生）致鼓胀，特别是结晶器下方上部壳薄处。鼓胀导致内部裂纹、表皮破裂、漏钢。通过合理辊距控制鼓胀：结晶器下方辊距极紧，随壳增厚下部逐渐增大。结晶器下方通常四面支撑，下部仅两宽面支撑。除铁静压和壳厚，辊距还基于表温和钢级。
除包围，按规定弧线从垂直导向水平的辊系列须足够强承受弯曲反力。弯曲时壳外弧受拉、内弧受压。应变函数为弧半径和钢级强度，可能临界。外弧过大应变致钢失效表面裂纹。为最小化表面缺陷同时保持最小有效弧半径，现采用三点弯曲（三弧，半径渐大）。
多辊矫直机通常安装在弯曲完成后。矫直机矫直铸坯完成垂直到水平过渡。矫直时铸坯解弯，反转水平面拉压力。
铸坯由传动辊通过连铸机不同部位（垂直、弧形、水平辊段）拉拔。多传动辊系统设计产生表面压力改善表面质量。目标：推铸坯通过连铸机，而非拉拔产生易致表面缺陷的拉应力。多组传动辊分布牵引力沿铸坯长度，减少拉应力有害影响。合理布置传动辊（在弯曲辊前设传动辊）施加抵消压力减少不利弯曲矫直应变。所有情况下，传动辊夹持压力不宜过大，过大压力变形铸坯断面。
矫直后铸坯经辊道至切割机定尺切割。两类切割机：氧燃料割炬、机械剪切。大断面（板坯、矩形坯）用割炬。小断面（方坯）用割炬或剪切。铸钢产品分组或直接送轧机或冷却床（以步进式为主）保持直线度。
制造工艺