一、研究的背景与问题

随着炼钢冶炼工序朝着大型化、快节奏发展，伴随而来的是连铸工序匹配能力不足：一方面国内正在建设一批950～1450mm的热连轧机组，每条产线年生产能力约250～350万吨，而传统板坯连铸最多2流配置，其年产能约200万吨，即使按2.1m/min拉速生产，也无法满足“炼钢-连铸-轧钢”单线匹配；另一方面，中等板带轧机的坯料规格多、批量小，而板坯连铸在线热态调宽最大300mm，且铸坯厚度无法在线调整，导致中板铸机需频繁停机更换断面；因此，连铸方案的选择成为了当前该领域的一个难题：如何以较省的投资和运行费用来最大化的满足生产需求？连铸产能提升的方式通常有两种思路：

1、通过提高生产拉速来增加单台连铸机的生产能力。但对于常规板坯连铸机而言，拉速过高，易导致设备磨损加剧、铸坯内外部质量恶化、漏钢风险加大等，国内钢企鲜有尝试。如果采用高拉速（≥2.5m/min）板坯连铸机，则需大幅增加扇形段数量、配置结晶器电磁制动装置等控流技术，核心工艺和装备掌握在外商手中，设备投资增加、运行成本也较高。

2、借鉴行业通用技术，通过创新设计来增加流数，突破常规板坯传动装置形式的桎梏，可有效解决炉机匹配和生产效率最大化的问题，但受制于现有板坯连铸机工艺布局及设备结构，并不能简单的叠加一个（或两个）铸流，主要原因在于：液压振动单元无法稳固支撑、中间包太长容易变形、保证中间铸流浸入式水口操作空间、二冷室内无法布置扇形段传动装置、中间铸流抽蒸汽效果无法保证等，如何有效解决上述难题还未见诸于文献或专利中，国内外暂无更优的解决方案。

二、解决问题的思路与技术方案

 图1 技术方案示意图

为了实现大型冶炼车间高效化生产中等宽度板坯的目的，满足后续轧机的、小批量、多规格坯料的定制化生产需求，针对高通钢量（7.5t/min）时中间包液面下降快、流场均匀性差、钢水温度分布不均等难题，通过创新设计来增加流数，开发出一套具有自主知识产权的三流直弧形板坯连铸技术意义深远，其总体思路如图1所示。

1、国际首创出一套完整的三机三流直弧型板坯连铸机生产线

（1）创新辊列设计，打破传统扇形段传动装置布置桎梏：开发出SMELT辊列辅助设计工具，采用VBS脚本语言作为后处理自动绘制出辊列几何形状，并对铸机总角度、坯壳内凝固界面处的总变形率、鼓肚量、辊子强度、辊子变形量、上辊抽出间隙以及拉坯阻力等进行核算并修正辊列（见图2）。扇形1~3段紧随垂直区，倾角较大，第2流两扇形4段才开始带驱动装置（见图3），采用较长的柔性引锭杆，保证开浇时至少3对驱动辊压下。

图2 三流板坯连铸机应变与鼓肚量分布

图3 三流板坯连铸机辊列优化

（2）创新提出三流板坯连铸机内外弧布置的结晶器振动形式：如图4、5、6所示。采用整体式的箱型梁支撑将第1~3流振动装置的所有载荷传导至最外侧的混凝土墙上，节约了二冷室内铸流空间。同时，振动单元远离了铸坯窄面的高温辐射，使用寿命长、故障率低。即使在生产期间仍可便捷地对每个振动单元进行在线检查、维护。

图4 常规板坯左右侧液压振动装置

图5 三流板坯内外弧液压振动装置

图6 三流板坯内外弧液压振动装置布置图

如图7所示：新型振动装置的四阶振动频率8.7420 Hz（524次/分钟），当活动框架下降3~6 mm时，其最大Von_Misis应力为96.4 MPa远低于材料的许用应力。

图7 三流板坯内外弧液压振动装置结构模态与静力分析结果

（1）创新提出三流板坯连铸机中间流扇形段传动L形结构：如图8所示。扇形段上下辊的驱动装置分别位于中间流的两侧，驱动电机与减速机输入轴在竖直方向直联。中间流左右两侧的传动装置可以互换，减少现场备品的数量，降低维护成本。

图8 三流板坯连铸机扇形段传动装置布置形式

2、形成了高通钢量下三流板坯质量一致性控制体系，通过改善中间包内钢液流动状态，促进了夹杂物上浮，控制各流水口间温差≤2℃，单中间包平均寿命24小时，铸机年有效作业率达到88%。

（1）创新提出三流板坯连铸机整体T型中间包结构形式：图9所示，解决了钢包长水口落点与中间流出口重合以及三角型中间包容量大所带来的费用增加等问题。

图9 三流板坯T型中间包形式

（2）创新开发出半门型结构高稳定性重载中间罐车：如图10所示，其承载能力可达200t系国内最大。车架最大应力153 MPa位于高低腿梁与轨道端梁结合面与车轮之间（见图11），低于车架材料Q355的许用应力165 MPa。车架的最大综合位移发生在横梁与高轨结合处为10.58 mm（见图12），对中间包沿内外弧方向倾斜的影响非常有限，中间包车U型提升梁的最大应力与位移应变能较良好的满足设计使用要求。

图10 新型结构中间罐车

图11 中间罐车车架强度校核

图12 中间罐车受力位移校核

表1  中间罐车主要承载部件ANSYS强度校核

（3）创新开发出大容量下热态稳定超长T型中间包结构：图13所示，耐火材料起到良好的隔热效果，浇注800分钟后中间罐内最高温度仅239.6 ℃，位于中间罐冲击区侧面拐角靠近耐火材料位置。如图14所示，浇铸状态下中间包的承载耳轴设于内外弧侧，其内最大应力351 MPa。在中间包冲击区底部中心部位设置支撑梁，大大降低超长T型中间包的变形，最大变形6 mm，垂直于铸流方向最大延展7.8 mm（见图15），远低于普通整体T型中间包的下扰变形量，不影响各流水口对中操作，如表2所示。

图13 中间包温度场分布

图14 中间包应力场分布

图15 中间包Z向位移分布

表2  中间包主要承载部件ANSYS强度校核

（4）开发出高通钢量中间包流动一致性控制技术：如图16-21所示，采用大型商业软件FLUENT仿真分析与水力学物理模拟相结合的办法，通过优化控流装置来改善钢水的流动特性，死区比例降低7.8%，延长钢水在中间包内的停留时间达~12min，可促进钢水中大颗粒夹杂物上浮分离，有利于中间包内钢液的充分混匀，各流水口间钢水温差由2.4℃降为0.8℃（见表3），这与实际工程应用连续测温结果相符，保证了中间包出口钢水温度的一致性。

图16 中间包物理模拟装置

图17 中间包示踪剂实验

图18 中间包流场数学模拟

图19 中间包温度场数学模拟

图20 中间包RTD曲线

图21 不同尺寸夹杂物去除率

表3 三流板坯中间包各流水口间温差（数值模拟）

2.3 开发出连铸过程控制数智系统-WisCC，建立了“数据交互+数据治理+数据分析+质量控制”一体化解决方案，实现连铸全流程数据平台与软硬件统一、工艺模型标准化，如图22所示。采用C++多线程技术实现了对多流铸坯温度场在线实时计算，解决了三维计算时边界条件的处理问题和角部冷却、水斑尺寸、水流密度分布不均匀等因素，采用转换温度和热焓方法处理凝固传热问题，利用队列数据结构跟踪“坯块”，辅以MPI并行计算来满足三流不同断面板坯实时高精度三维温度场计算：一个时钟周期3s内，花费的CPU时间＜0.8秒，铸坯表面温度波动<±25℃，如图23、24所示：

图22 三流板坯连铸多控制模型综合管控系统-WisCC-MF

图23 三流板坯连铸机高精度在线三维温度场仿真计算模型

图24 铸坯表面温度波动：（a）旧模式；（b）该技术

三、主要创新性成果

1、针对三流板坯连铸装备空缺与设计难题，开发出200t重载中间罐车、内外弧双单元液压振动、L形立式扇形段传动等关键设备，国际首创出一套完整的三流直弧形板坯连铸机生产线，板坯尺寸达到220mm×1300mm，铸机年生产能力达350万吨，为同规格单台铸机产能国际之最，而需要的空间比两台双流铸机的传统配置方案减少~50%，投资节省~30%。

2、针对7.5t/min高通钢量中间包液面下降快、流场均匀性差、钢水温度分布不均等难题，开发出90t整体超长T型大容量中间包，系国内最大，中间包液位稳定控制±2t，各流出口温差≤2℃，保证了各流板坯质量一致性。

3、三流不同断面板坯浇铸过程中，实时计算数据量巨大（网格总数720万），开发出连铸过程控制数智系统-WisCC，实现连铸全流程数据平台与软硬件统一、工艺模型标准化。采用转换温度和热焓方法处理凝固传热问题，利用队列数据结构跟踪“坯块”，辅以MPI并行计算来满足三流不同断面板坯实时高精度三维温度场计算：一个时钟周期3s内，花费的CPU时间＜0.8秒，铸坯表面温度波动<±25℃。

四、应用情况与效果

1、2015年中冶南方连铸公司EPC建设了东海特钢三机三流板坯连铸机， 2016年1月正式生产以来，长期处于满负荷生产状态，浇注200 mm×1010 mm断面平均拉速可达1.65m/min，日产量超过9500t超设计能力15%，如图25所示。

2、2021年中冶南方连铸公司EPC建设了唐山港陆三机三流板坯连铸，断面180/200×（900~1300）mm，现场实绩如图26、27所示，本连铸机三流生产180×1025mm钢种为Q195L时，最高拉速达2.1 m/min，连铸机作业率达到88%以上，最大单机年产能达340万吨。

图25 东海特钢三流板坯连铸生产实绩

图26 WisCC系统应用

图27 现场生产大屏

3、2022年4月，赤峰中唐三流板坯连铸机一次性热负荷试车成功，断面200/220×(800~1260)mm，采用了当今主流的直弧型机型、配置超长T型中间包、重载（200t）中间包车、在线调宽结晶器、L形立式扇形段传动、涡流液面控制系统、全自动出坯等一系列先进智能连铸技术。2024年先后组织生产Q195、Q195L、Q235B、SPA-H、Q355B、SPHC等钢种，200×1020断面拉速达1.9m/min，铸坯内外部质量与常规单/双流板坯连铸水平相当。

4、2024年12月，中冶南方连铸公司总包建设的安丰钢铁三流板坯连铸机项目一次性热试成功：三流断面分别为200 mm×750 mm，200 mm×850 mm，200 mm×870 mm，钢种Q235B，最大拉速1.4 m/min，共浇钢二十炉，各项参数达到连铸生产的工艺要求。

国外目前无该类型板坯铸机，与国内常规板坯铸机技术参数进行对比，如表4所示。

表4  国内外直弧形板坯连铸机技术参数

该项目创新程度高、技术先进，投产后效益显著，现场稳定应用已达八年，2021年经中冶集团鉴定为“国际领先”水平，已授权发明专利10项、实用新型专利3项、软件著作权2项，发表期刊论文18篇，应用工程建设获全国冶金建设行业优秀工程设计一等奖。

该技术填补了市场空白，属于世界首创，实现了单台连铸机与大型冶炼炉快速冶炼周期相匹配，大幅降低钢铁企业的基建投资和后续生产消耗，先后在6家钢铁企业推广应用， 200×1020mm断面拉速达1.9m/min，日产量超11000t，180×1025mm断面拉速达2.1 m/min，实现了板坯连铸的高效化的生产。该技术逐渐形成一种具有竞争力的高效化连铸技术，为我国带钢产品结构转型升级以及“双碳”目标的实现贡献了积极力量。

信息来源：中冶南方连铸技术工程有限责任公司