连铸结晶器内凝固坯壳粘结行为研究现状
DOI:10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20170120
2017, Vol. 29, No. 8, p603-609
连铸结晶器内凝固坯壳粘结行为研究现状
何飞，张玲颖，谢西安，钱海涛，周俐
(安徽工业大学冶金工程学院， 安徽 马鞍山 243002)
摘要：预防和监控结晶器内凝固坯壳与铜板的粘结对保证连铸生产顺行、生产高质量铸坯和优化连铸工艺都具有重要意义，粘结是制约高拉速连铸和宽厚板连铸技术发展的关键因素之一。在回顾前人对结晶器内凝固坯壳粘结行为研究的基础上，全面概述了其形成、传播和修复机制，并对结晶器内坯壳粘结行为的检测和判定方法研究现状进行了介绍，同时指出了进一步研究结晶器内坯壳粘结行为的方向。
关键词：连铸； 结晶器； 粘结性漏钢； 凝固坯壳； 预测方法
引言
连铸结晶器内，由于钢液与水冷铜板的传热，钢液凝固成一定厚度和足够强度的坯壳，然后在结晶器振动和保护渣润滑作用下，坯壳能连续安全地被拉出结晶器。结晶器内同时存在着复杂的流动、传热、传质、凝固、润滑和摩擦、热变形等动态行为，对连铸坯的表面质量具有决定性的影响。往往由于结晶器液面波动过大或保护渣流入不均匀等导致凝固坯壳与结晶器铜板之间润滑变差，使坯壳产生粘结现象。尤其是在高拉速板坯连铸和薄板坯连铸，以及宽厚板连铸过程中，结晶器内引发了更加复杂的流动、传热、摩擦和润滑等非平衡问题，使初生坯壳冷却和凝固以及保护渣流入的稳定性和均匀性显著下降，凝固坯壳与结晶器铜板之间的粘结现象大大增加［1-2］。粘结会造成铸坯的重接，使其表面留下杂乱的粘痕，降低铸坯表面质量。
如果结晶器内坯壳发生粘结后，没有及时采取消除和修复措施，那么在结晶器振动和拉坯作用下，坯壳会不断地被撕裂和重新凝固，导致撕裂口连续向下移动，当到达结晶器出口时就出现了漏钢。将这种由粘结引发的漏钢称为粘结性漏钢，它是连铸过程中主要漏钢形式，发生频率最高，一般占各类漏钢事件的70%左右［3］。一次粘结性漏钢会导致连铸机停产，影响连铸过程连续性和整个炼钢的生产计划，且损坏连铸机的设备，减少金属的收得率，影响连铸机的作业率和产量，造成巨大的经济损失，是连铸过程中灾难性的事故。避免结晶器内坯壳粘结和粘结性漏钢对保证连铸生产顺行和生产高质量铸坯具有十分重要的意义。
结晶器内坯壳粘结和粘结性漏钢问题的解决方法主要有2种：第1种方法是通过改善诱发粘结的浇铸工艺因素，从源头上主动预防粘结的发生；第2种方法是开发有效的坯壳和结晶器铜板粘结的检测和判定方法，尽早地识别粘结行为并采取有效控制措施避免漏钢。针对复杂的结晶器冶金过程，不仅浇铸钢种范围宽，而且要经常浇铸裂纹敏感性钢种，浇铸难度大，尤其是在高拉速连铸下，很难持续保证浇铸工艺因素间的协调匹配，改善浇铸工艺因素尚不能完全避免坯壳的粘结。但是如果能科学地认识和把握浇铸工艺因素对粘结形成的影响规律，正确改善浇铸工艺因素是可以有效减少坯壳粘结的发生率。
尽管结晶器内坯壳粘结很难完全避免，但是如果发生了粘结，通过有效的粘结检测和判定方法，并联合合理控制措施是完全可以避免粘结传播导致漏钢。目前国内外先进的板坯或薄板坯连铸机上，均安装结晶器专家系统，集成了粘结的检测和判定方法，为预防漏钢发挥了重要作用，将粘结性漏钢次数控制在1次/年以下，但较多的误报警也成为了国内很多连铸机共同的难题［4-6］。一次误报警会导致铸机突然降速或停车，严重影响铸坯质量和铸机高效化生产，且加剧了铸机设备损耗，有时甚至会因快速降速导致滞坯使连铸过程中断。目前很多粘结判定方法不仅存在误报警次数多的问题，而且还存在判定报警时间较迟的问题，往往是由于连铸现场环境恶劣等因素造成热电偶较大波动或故障，在此种情况下，识别粘结的算法未能及时报警，就会增加漏钢的危险。坯壳粘结行为识别出来发出报警后，一般通过降拉速控制措施来消除粘结和修复撕裂口。而如果粘结报警时间较迟，采取怎样的降拉速控制措施才能避免漏钢，如何提高修复率，又是一个非常重要的问题。在国内的部分板坯连铸机上往往还会出现发出了粘结报警并采取了降拉速措施，但仍发生漏钢事故的现象［7］。这种现象的出现除了与较迟的粘结报警时间有关外，与报警后采取的不当降拉速控制措施也有很大关系，这些问题均是由于对粘结的传播和修复机制不清楚所致。
因此，针对以上问题，深入研究结晶器内凝固坯壳粘结的形成、传播和修复机制及防控方法，改善浇铸工艺，解决粘结和粘结性漏钢问题，就尤为重要而迫切。本文对前人在粘结行为方面所做的工作包括粘结性漏钢的形成和修复机制、粘结的检测和判定方法等方面进行了综合阐述。
1 结晶器内坯壳粘结的形成、传播和修复机制
1.1 粘结性漏钢的形成机制
粘结性漏钢是连铸过程的重大恶性事故，自20世纪90年代以来，国内外从凝固坯壳粘结的形成和传播行为及其影响因素等方面对粘结性漏钢的形成机制进行了大量的研究［8-15］，如图1所示，主要研究结论为：(1)在粘结的形成机理方面，其内因是由于弯月面初始凝固坯壳与结晶器铜板润滑不良，使坯壳所受摩擦力超过其屈服强度而引起撕裂，而导致坯壳润滑不良的各种因素都是其外因，如保护渣、结晶器振动、液面波动、拉速、过热度等［16-21］。(2)在粘结的传播机理方面，由于粘结的传播，在粘结处坯壳形成V型撕裂线和波痕，且坯壳厚度从弯月面向下逐渐减小，不同于正常生长坯壳，因此通过研究粘结传播速度和撕裂线角度等研究粘结传播行为。
目前国内外对粘结性漏钢形成机制理论的研究较为完善，然而定量表述和分析方面仍有不足：(1)未定量将粘结产生的内因和外因结合来分析粘结形成机理，以至于对很多浇铸工艺因素与粘结形成之间的定量关系尚不明确，所以通过对粘结形成机理的定量分析以研究不同粘结产生的根本原因，进而对症下药改善诱发粘结的浇铸工艺因素具有重要的现实意义；(2)粘结传播行为的定量表征方法，仍需结合数据统计分析和粘结坯壳特征测量实验等其他手段进行比较验证，构建粘结传播模型，以深入研究不同粘结过程粘结点速度和位置变化曲线，以及定量分析V型撕裂线的动态扩展过程和特征变化。
1.2 粘结性漏钢的修复机制
对于粘结性漏钢的修复机制，目前国内研究较少，而国外有一些学者进行了细致的研究。Tsuneoka等［22］针对板坯连铸过程，当发现坯壳粘结，立即通过降拉速来使粘结撕裂口凝固愈合，由此根据粘结处坯壳的受力特点，提出裂口修复的机理，得出了防止粘结性漏钢的控制变量，即最小拉速和负滑脱时间。然而，只考虑了坯壳裂口处的修复条件，未考虑到裂口处愈合新形成坯壳的厚度到结晶器出口能否抵挡内部钢水静压力。Itoyama等［23］明确提出了坯壳粘结修复和防止漏钢的3个条件：(1)粘结坯壳脱离铜板；(2)脱离的坯壳与正常坯壳一起下拉；(3)到结晶器出口，粘结撕裂处愈合形成足够厚度的坯壳能抵挡住钢水的静压力。对于条件(1)和(2)只进行了定性分析，重点根据条件(3)推导了防止漏钢的最小拉速，但在推导过程中，未给出结晶器出口能抵挡住钢水静压力防止漏钢的坯壳厚度确定方法，而且，将拉速作为粘结点向下的移动速度并不合理，因为实际粘结点向下的移动速度小于拉速。Blazek等［8］通过实验观察了粘结修复现象，发现粘结除了通过降拉速措施修复外，有时钢液面的上涨也能使粘结坯壳脱离结晶器铜板实现修复。然而，并没有定量分析粘结的修复机制。
Moon等［24］针对薄板坯连铸过程，根据Tsuneoka的方法，分析了坯壳撕裂和修复的机理，得出了粘结撕裂口的修复条件，并在此基础上进一步弥补了Tsuneoka的不足，结合裂口的修复条件和裂口处新形成坯壳厚度的要求，定量推导了粘结性漏钢的修复条件，包括降拉速斜率、最小拉速和保持时间，以及升拉速斜率。然而，粘结传播行为在研究粘结修复机制时没有量化考虑，而且结晶器出口防止漏钢的最小坯壳厚度用正常生长坯壳厚度代替并不合理，而其与结晶器出口坯壳受力情况有很大关系，有待深入研究。国内的何飞等［25］针对板坯连铸过程，也进行了与Moon类似的研究，如图2所示，并且在推导粘结修复条件时充分考虑了粘结点的传播行为。
通过以上研究进展可知，国外对粘结性漏钢修复机制的研究取得了一定的成果，但也存在一些不足。国内在这方面研究欠缺，而在国内的很多板坯连铸机上，粘结报警后的实际控制措施都是采用降拉速模式，虽可避免大部分漏钢，但有时也存在粘结报警降速后仍漏钢或直接过分停机等问题。因此，提出动态粘结报警控制策略，从而避免实际操作过程中对粘结采取不当的降拉速控制策略而增加漏钢危险，降低生产效率和增加设备损耗等经济损失。
2 结晶器内坯壳粘结行为的检测和判定方法
早在1954年，Savage等［26］发现粘结性漏钢与结晶器铜板局部热流的升高存在密切的关系，但直到20世纪70年代以后，粘结性漏钢的检测方法才得以实现，先后出现了热流检测法［27］、热电偶测温法［22］、摩擦力检测法［28-30］等。目前以热电偶测温法为主，已被广泛应用到实际生产中，其基本原理是通过在结晶器铜板上埋设一定数量热电偶，检测铜板不同部位温度变化，利用这种铜板温度变化信息实时监控结晶器内局部传热状况和识别坯壳破裂位置及其移动信息。而结晶器热流和摩擦力检测法是通过在线检测结晶器整体的热流和摩擦力的变化来识别漏钢征兆，由于其无法反映结晶器内局部传热等异常信息，所以导致其预报准确性不高。近年来，光纤测温法［31-32］被应用到结晶器热监控和粘结检测上，光纤传感器相比热电偶，不仅具有测量准确度高，测温范围宽，而且具有抗电磁干扰能力强、抗腐蚀、传输距离远、使用寿命长、工作稳定等特点，更重要的是占用空间小，在结晶器铜板上的检测点几乎不受限制，甚至高达几千个，其缺点是目前的成本较高。
在粘结行为的判定方法研究方面，国内外主要是通过结晶器铜板热电偶或光纤传感器实测温度，利用逻辑判断［33-35］和智能算法［36-40］来识别粘结传播行为，为解决粘结性漏钢问题起到了十分重要的作用。但这些识别算法的研究也存在一些问题，主要有：(1)只关注粘结的预报性能，忽略了粘结报警响应时间的重要性。报警响应时间直接关系到粘结修复的成功率，较迟的报警时间会增加漏钢的风险，在协调改善预报性能的同时，应尽可能缩短报警响应时间，为后续避免漏钢进行拉速控制创造有利条件。(2)算法鲁棒性和自适应性等方面的研究欠缺。针对复杂的浇铸过程，存在热电偶故障、传热和坯壳生长不均匀、热电偶波动过大、非稳态浇铸、浇铸裂纹敏感性钢种、浇铸钢种范围宽且时常变化、结晶器铜板厚度变化等一系列影响算法性能的问题，尤其会增加误报警。提高鲁棒性和自适应性的研究正好可减轻这些问题对算法性能的影响，也会提高算法的可移植性。(3)热电偶布置的研究欠缺，在目前的各类逻辑判断或智能算法中，有采用单排、两排、三排和多排的热电偶布置，对应算法设计就有很大不同，导致算法性能存在很大差异，有必要进行比较和深入研究。(4)有部分研究仍以热电偶温度变化曲线为基础进行算法设计和计算，这将影响粘结报警响应时间乃至影响整个算法性能。因为粘结时热电偶温度变化速率曲线波峰要比温度变化曲线波峰提前形成，比如采用温度幅度检查来识别单个热电偶粘结温度波形的报警时间就要晚于温度变化速率偏差检查。
何飞等［3］在前人基础上研究了识别粘结传播行为的逻辑判断算法，采用多排热电偶布置，基于热电偶温度变化速率曲线，建立了耦合纵向和横向传播检测逻辑规则的面判断模型，在算法设计时考虑了粘结报警响应时间和预报性能的平衡性。经过测试该算法可及时准确地报出全部粘结，但其预报准确率只有78.26%，误报次数仍需进一步减少，且鲁棒性和自适应性研究、热电偶布置研究等方面欠缺考虑。
此外，也有部分学者采用结晶器热像图对粘结传播行为进行定性和定量的可视化分析和判断。Etienne等［41］通过热像图观察到粘结传播过程的V型撕裂线特征。何飞等［42］提出了一种在线热像图绘制的新方法，观察粘结传播过程也得到了同样的结果。刘宇等［43-45］基于结晶器铜板温度速率热像图，提出了一种基于计算机视觉的粘结性漏钢预报方法，采用计算机图像处理算法提取粘结时热像图上的异常区域特征，然后采用一定逻辑规则或智能算法进行漏钢识别判断。该研究工作在粘结传播行为的可视化判定方面取得了很大的进步，但缺乏大量实例验证实验和分析，且未考虑粘结报警响应时间等重要问题。结晶器热像图为实时监控掌握和深入研究结晶器内的冶金行为提供了一种重要的分析手段。通过热像图的动态变化特征对粘结等铸坯表面质量缺陷进行可视化分析和判定，为实现结晶器的“透明化”和“智能化”控制奠定了重要基础。
由上述研究进展可知，国内外对结晶器内坯壳粘结行为的检测和判定方法目前都是针对粘结传播行为的检测和判定，还未见粘结形成判定方法的公开研究报道。但有很多学者在连铸坯裂纹的产生判据和预测方面从裂纹产生的内在机理进行了深入研究［46-48］，其方法值得借鉴。
3 结语
(1) 从凝固坯壳的力学行为角度，构建粘结形成模型，并结合实测数据，综合分析不同粘结发生的具体原因，研究浇铸工艺因素与粘结产生之间的定量关系，为浇铸工艺因素的优化提供依据，也进一步完善坯壳粘结的形成机制研究。
(2) 粘结传播行为的准确量化应该结合热电偶温度等浇铸过程实测数据分析和粘结坯壳特征测量数据的对比验证。通过粘结传播行为的模型化，掌握不同粘结传播过程共性的动态特征，对及时准确识别粘结传播行为和避免漏钢的控制是至关重要的。
(3) 在坯壳粘结的修复过程中，拉速和结晶器振动参数对粘结修复行为具有至关重要的影响。应以粘结传播机制研究为基础，从粘结坯壳的受力情况和凝固规律出发，构建粘结修复模型，并结合粘结实例验证，分析粘结修复参数，得到消除粘结的结晶器振动参数，以及动态拉速控制策略。
(4) 光纤测温法可能会取代热电偶测温法成为新一代结晶器热检测方法。粘结传播行为的判定方法应该从算法鲁棒性和自适应性、以及结晶器铜板温度速率云图可视化分析等方面进一步完善，粘结报警不仅要在时间上及时，而且要在预报性能上准确，减少误报警。
(5) 基于粘结形成机制研究建立粘结产生判据和预测方法，实现粘结的源头预防；基于粘结传播机制等研究，进一步完善粘结传播行为的判定方法，实现粘结的过程监控；基于粘结修复机制研究，提出粘结报警后的控制策略。由此形成较完整的坯壳粘结防控方法体系，为结晶器冶金过程的科学调控提供理论基础和技术支撑。
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创刊：1981年，月刊
主编：干勇 院士
收录：中文核心
影响因子：0.763（中文核心，2015）
报道范围：
1. 冶金工艺与金属加工
冶金工业节能环保、冶金资源综合利用、炼铁、炼钢、连铸、铸造、凝固、锻压、轧制及后续热处理、冶金物理化学、钢铁冶金新工艺等。
2. 材料科学与技术
金属基材料，涵盖但不限于：先进钢铁材料、高品质特殊钢、高温合金、新一代金属间化合物、金属功能材料、粉末冶金材料、结构用钛合金、功能与结构复合型材料、非晶与高熵合金、金属纳米材料等的基础研究，腐蚀、焊接、摩擦磨损、疲劳断裂等性能研究。