连铸方坯生产全工艺专业指南

连铸是将液态钢连续凝固成金属铸条的工艺。按截面尺寸分为板坯、方坯、矩形坯。方坯截面为正方形，边长通常≤150mm，是轻型材/棒材/线材轧机原料，也用于部分锻件。1950年代为提高炼钢生产率发明连铸。此前仅有铸锭法，虽有优势但难满足产能需求。连铸现为所有钢企首选工艺，替代铸锭法。经大量实证数学研究持续改进。连铸方坯是钢铁业采用的连铸类型之一，可连续同时生产方坯，要求严格控制工艺参数产出合格连续方坯。工艺步骤：炼钢炉铁水注包→二次精炼调成分温→中间包(结晶器)→结晶器铜管间接冷却启动凝固(重点研究区)→二冷水喷雾继续凝固。

发展历程与现状

1960年代小钢厂模式(电炉+连铸+精益组织)推动方坯产量激增。方坯厂虽利润高但优质连铸产品滞后。1980年代调查显示方坯结晶器设计操作未标准化，各厂各异。Brimacombe等1970年代末借数学模型/实测探明结晶器设计/参数/铸坯质量关联，推动标准化设计参数，大幅提质。1994年新调查显示方坯厂已成功供汽车业特殊棒材质量(SBQ)方坯满足严苛要求。此后设备商重审铸速，催生高产新技术，共同特征：加长结晶器。现有广泛机型：弯曲半径不等、单流至八流、铸速达6m/min。图1单流6m半径方坯机，图2两台八流机。

全工艺流程详解

钢包

液态钢经钢包从炼钢车间送至方坯连铸机。转运过程可控洁净度、成分、温度。若未利用机会，送至机组钢水脏污、过热/过冷，优质方坯铸造难度大增。转运中主要问题：从空气、炉渣、包衬吸氧。必须最小化各环节吸氧。出钢末期防炉渣溢入包。包液面覆盖合成渣：(1) 防空气吸氧；(2) 吸附非金属夹杂；(3) 最小化散热。部分钢包顶部加盖。铸造时包配耐火管防浇注入中间包吸氧。包→中间包流量用滑动水口控制。部分配称重传感器连续称包重。

惰性氩气冲洗均匀钢温。温控对铸态组织、防包/中间包结骨/漏钢至关重要。氩气流量时长需控制：排气带钢接触空气除非特殊措施。

中间包

中间包多角色：分配器分流多流；恒定较低静压头利于控制注入结晶器流量(开机时先注满中间包至稳态液位再注结晶器)；夹杂上浮净化铸坯；反应器加钙等控制夹杂形态。因上述功能，中间包形状尺寸主要由流控需求决定。因热重、截面、流数、间距、浇注速厂际差异，不存在唯一最优设计。但优秀设计关键特征：

• 最大化夹杂上浮：需大容积，但其他因素限制。如连浇不同成分热号不间断，需最小化中间包混合钢量(废级、损收得率)。
• 各流钢液停留时间一致保质量。
• 最小化短路流，尽量活塞流。
• 流型使钢靠近液面夹杂上浮被渣吸收(浮力单独作用在中间包停留时间内迁移距离有限)。
• 最小化死区(有效减少停留时间)。
• 隔离来包流湍流(尤明流浇注时)。湍流影响中间包流粗糙度、结晶器熔池卷气。
• 深度>500mm防喷嘴井涡流吸渣入熔池。

最优设计需水模/数学模型大量验证确定形状、尺寸、内部挡渣堰/堰位置尺寸。防再氧化：覆盖吸渣渣防空气吸氧；结晶器耐火管/惰性气体保护流(小截面方坯结晶器腔小装不下耐火管用气体保护)；低质方坯可明流浇注不防再氧化。中间包衬耐火材料须惰性。钢中脱氧剂Ca/Al等不得与衬氧化物反应。部分配预热驱除衬挥发分(可能带氢)、利于温控。

中间包喷嘴堵塞(Al₂O₃固态夹杂)是重大问题。夹杂虽小于喷嘴径但边界层粘附累积架桥堵流。小方坯小喷嘴更严重。大截面大喷嘴常通氩防堆积。液态夹杂不堵喷嘴。故Al钢方坯无故障铸造需加适量Ca生成钙铝酸盐夹杂。

中间包喷嘴控流技术视截面而异。大截面用耐火管+塞棒/滑动水口，常用自动流控恒液面恒铸速。小截面明流浇注通常无中间包流控，靠选喷嘴径+维持特定静压头控流速，液面控制靠变铸速。液位维持：人工或称重传感器联动包上滑动水口。正常一热铸造~1小时，匹配供热节奏30-40min至2小时。

结晶器

结晶器是铸机"心脏"、主要传热装置。功能：(1) 排出钢水过热；(2) 生长足厚凝固壳；(3) 无漏钢容纳液池；(4) 支撑壳初期生长。主导传热，设计操作深度影响铸坯内表质量。无表面裂纹极重要，尤热送轧热轧时表面裂纹氧化形成氧化缝陷缺陷。

结晶器直弧可选：弯曲半径4-15m。弧形结晶器配弧形铸条降低机高、省土建投资。直结晶器利于夹杂分布均匀。弧形机内弧面凝固前沿优先捕获上浮夹杂形成带状偏析，直结晶器无此现象夹杂更均匀。关注度视入口钢洁净度、铸坯质量要求而定。直结晶器铸条通常渐变弯水平降机高。部分厂结晶器/结晶器下直立避免机械弯曲应力致裂。弧形机铸条矫直水平前切定尺。

无论直弧，结晶器基本设计相同。方坯用管式结晶器：铜管同心套钢护套，环形水隙通冷却水。铜管壁厚6-20mm，大截面用厚壁。铜管材质：含磷/银(含银)/铬锆铜合金常用。

铸造中结晶器润滑往复防钢粘铜致壳破裂。往复通常正弦波，频率振幅调整使下行瞬间结晶器速度>铸坯下拉速度，形成"负滑移"期。负滑移影响表面振动痕形成。润滑剂视截面而异。小截面(如100mm方坯)明流浇注用菜籽油/合成油，泵至顶部油板渗入铜管内壁。油热解接触液态钢精确润滑机制未完全明确。大截面浸入式喷嘴用铸造渣粉：加渣粉液面接触钢熔化吸入凝固壳-振动铜管间隙。渣粉成分(典型氧化物/碳/氟化钙)调熔化范围粘度。成分也决定导热率、间隙渣层厚度，影响结晶器传热率。

多种植物/合成/混合油可用。闪点是关键性质，但沸程相对最大热面温度更根本。125mm方坯典型给油率0.014-0.17(典型0.05)ml/min/mm周长。工业卫生/铸坯质量/成本考量，给油率越低越好。

结晶器关键技术要点：

• 传热热阻系列：铸坯表面热量经气隙/铜管壁/水界面传冷却水。气隙最大热阻占总热阻84%。传热模式主要取决气隙形成动力学。气隙是多变量复杂函数，纵向/横向尺寸变化致传热不均。虽大量研究，气隙形成机理仍理解不足。
• 温度分布规律：时均温度剖面各高度相似：液面下峰值后陡降。降温源于气隙增大/壳增厚/结晶器变形导致传热随高度下降。棱角温度显著低于面中心：气隙先在棱角形成(二维热流)再扩展面上。
• 热流峰值在液面随后因气隙增宽递减。钢中碳含量因δ-γ相变收缩影响结晶器传热。
• 管式结晶器结构简但易热变形(全长无支撑)。运行中非均匀传热致非均匀温度场→热力学变形。热力学行为关联多质量问题。部分变形永久化(差异热膨胀应力+物理约束+管几何)。影响负锥度/峰值鼓包位置因素：冷却水速、水质、液面、约束位置、壁厚、管支撑型式。
• 工艺变量显著影响传热：碳含量、锥度、浇注方式、润滑、铸速。
• 振动润滑是连铸基石。最小化壳-铜摩擦防粘结/撕裂/开裂。振动器简谐往复，典型行程10mm、频率2Hz。振动参数核心：行程、负滑移时间。负滑移时间=结晶器下行速度>铸坯拉速的时长。结晶器超前量=负滑移期结晶器超越壳位移。方坯推荐超前量3-4mm、负滑移0.12-0.15s。负滑移<0.1s、超前量<2-3mm易粘结(液面波动时)。超前量>5mm加深振动痕不均匀。
• 振动痕特征：周期性局部凹陷→局部增大钢/铜间隙→局部减传热。视深度致局部薄壳/漏钢/横向表面裂纹。振动痕间距与振动频率相关。
• 内锥度补偿壳收缩：无锥度-单锥度-双锥度。曾通用无锥度且翻管延寿。现证锥度强影响振动痕深度均匀性→影响偏方/偏角内裂。液面锥度大影响局部/整体传热→结晶器变形/油润滑/表面质量。基于实测轴向传热/壳收缩/结晶器变形轴向剖面计算：双锥度优于单锥度，低碳(<0.16%)锥度要求低于高碳。
• 壁厚建议：100-150mm方坯≥13mm，200mm方坯~20mm。>20mm油润滑时热面温度可能超油沸程(220-350℃)致粘结。内圆角3-4mm利于减纵裂。
• 液面高度(距铜管顶)优化100-150mm。浅液面使最大热膨胀区靠近压板(固定管)、压板阻力产生塑性应变永久变形。过深液面无谓缩短壳在结晶器停留时间。
• 高冷却水速≥10-11m/s：(1) 铜管水冷面足够冷抑制核沸腾；(2) 热面温度不超液面附近油沸程；(3) 铜温不超特定牌号软化特性(时温累积)防永久变形。
• 三类支撑：(1) 四面槽压板；(2) 顶部两面压板；(3) 顶底支撑。第二类配合浅液面致管周向支撑不均→偏方，不如首尾两类。
• 冷却水质至关重要：20μm沉积毁灭性影响管温。沉积相对铜引入巨大热阻。水质差直接后果永久变形。四面沉积严重度常不一：水道尺寸公差导致水速周向变化。根源：水套/铜管/外壳/装配件公差决定水道尺寸。

二次冷却

结晶器下移动铸条经水喷雾组冷却。目的：延续结晶器凝固传热，不产生足以致形变/表裂/内裂的张应力。喷嘴通常装垂直立管(每面中心)。方坯机常用全锥喷嘴(圆/方)，也用空心锥。结晶器下足辊处常用每面1-2喷嘴V型。喷水室长0.5-5m。常规压力雾化：水压通过孔/喷嘴破碎成雾滴。二冷设计主要基于质量考量，需掌握喷水传热影响因素。设计取决三方面：(1) 喷水冷却对铸坯缺陷生成影响；(2) 喷水传热量取决于水压/喷距/喷嘴型/铸坯表温/水通量；(3) 喷水分布随上述参数变化。

喷水相关缺陷：中部裂纹、菱形度、对角裂纹。喷水影响缺陷机制：

• 轴向喷水冷却剖面变化产生大张应变→中部裂纹源于喷水室后再热。
• 喷水强度影响壳局部温度分布→改变高温力学性能、壳抗液芯铁静压鼓包能力。
• 壳横向切片经喷水区温度历程影响AlN等相析出→降高温塑性。此时受大张应力(如矫直)致横裂。

喷水传热系数与喷水变量关系：喷嘴型/喷距/水压影响喷水通量(L/m²·s)为最关键变量；水温/表温直接影响传热。正常连铸表温1200-700℃下，表温对传热系数影响小，喷水通量影响最大。

铸坯经二冷进入切割区，液压剪/割炬切定尺。