高拉速连铸过程传输行为特征及关键技术探析
朱苗勇
(东北大学冶金学院， 辽宁 沈阳 110819)
摘要：高拉速连铸是实现直轧、铸轧的前提保障，是实现钢铁生产流程高效化、绿色化的具体体现，是发展新一代高效连铸的主题。高拉速连铸面临最大挑战是漏钢与裂纹频发，凝固坯壳均匀生长控制应是其实现的核心内涵，重点在于结晶器技术集成，包括结晶器流动控制、保护渣类型、结晶器润滑、结晶器内腔结构、结晶器冷却结构与制度等，关键在于结晶器液位的稳定控制。阐述了高拉速连铸过程传输行为特征及其实现的关键技术。
关键词：高拉速连铸；高效传热结晶器；结晶器流动控制；结晶器液面控制；传输行为
文献标志码：A 文章编号：0449-749X（2021）07-0001-12
A study of transport phenomena and key technologies for high-speed continuous casting of steel
ZHU Miao-yong
(School of Metallurgy， Northeastern University， Shenyang 110819， Liaoning， China)
Abstract：High-speed continuous casting was the premise to make direct rolling or continuous casting and rolling come true, the embody for realizing high-efficiency and green steelmaking production line, and the theme for developing new generation of high-efficiency continuous casting technology. Presently, the most challenge for high-speed continuous casting was the occurrence of breakout and cracks with high frequency. Therefore, to make it come true, the core was the control of homogenous growth of solidifying shell during casting, the most importance was the technology integration of continuous casting mold including flow control, flux type, lubrication, inner shape and cooling system, the key was the steady control of liquid steel level in mold. The transport phenomena in mold with highspeed casting and the related key technologies were presented and discussed.
Key words： high-speed continuous casting; continuous casting mold with high-efficiency heat transfer; mold flow control; mold level control; transport phenomena
连铸和氧气转炉炼钢是20世纪钢铁行业具有划时代意义的两大革命性技术，特别是连铸，经过70年的发展，已成为现代钢铁制造流程的中心环节，2020年中国连铸坯产量首次突破10亿t。超低排放是钢铁行业绿色发展的一个新起点，以高拉速为主题内涵的高效连铸是实现直轧、铸轧的前提保障，是实现钢铁生产流程高效、绿色的具体体现。中国在20世纪90年代初提出了“高速连铸”，1995年提出“高效连铸”，考虑炉机匹配、高作业率、无缺陷坯，同时低成本。但应该看到，当时中国连铸的整体水平与日本、韩国等国家相比还存在差距，特别是在高拉速方面。20世纪70-80年代，日本钢铁企业率先实现了常规板坯的高拉速连铸。例如，日本新日铁大分厂4号板坯连铸机生产1 900 mm×280 mm断面低碳、超低碳和中碳钢的拉速均达到1.5 m/min；名古屋厂2号板坯连铸机生产1 300 mm×245 mm断面低碳和超低碳钢的拉速达到2.0 m/min，且最高可达到2.5 m/min。日本钢管公司福山厂5和6号板坯连铸机生产(700~1 650)mm×220 mm、(675~2 100)mm×(220~300)mm断面低碳和超低碳的拉速均达到2.5 m/min、中碳钢拉速达到2.0 m/min，且最高可达到3.0 m/min。神户制铁、住友金属与川崎制铁生产(700~1 900)mm×(220~280)mm断面低碳和超低钢的拉速达到2.0~2.5 m/min，中碳钢拉速也达到2.0 m/min。韩国浦项光阳厂2号和3号连铸机经改造后，于2007年成功实现1 600 mm×250 mm断面低碳铝镇静钢板坯以2.7 m/min拉速、超低碳铝镇静钢板坯以2.5 m/min拉速、中碳钢以1.8 m/min拉速顺利连铸，另外薄板坯拉速达到了7.6 m/min。然而，目前中国大板坯的实际工作拉速基本都在1.8 m/min以下，只有首钢曹妃甸板坯铸机最高拉速达到2.5 m/min，薄板坯连铸的拉速也大都在5 m/min左右。
随着拉速的提升，结晶器内流动与传热、凝固坯壳的厚度和应力-应变状态、糊状区内的流动和凝固进程等不可避免地发生很大变化。在这些因素的综合作用下，高拉速连铸面临漏钢、裂纹、卷渣、夹杂物、疏松偏析等诸多问题，且因钢种凝固特性不同产生很大差异。目前，关于板坯高拉速的研究主要集中在低碳钢和中碳亚包晶钢，因受包晶相变的影响，中碳亚包晶钢的拉速提升面临更大的挑战。此外，随着碳和合金元素含量的增加，钢的导热能力下降，凝固区域增大，如提升拉速，无论是生产安全性，还是铸坯内部质量均面临更大的问题，因此目前高拉速生产并不适用于中高碳合金钢。
高拉速连铸的首要前提是安全顺行，因此结晶器下口坯壳的安全厚度是限制连铸拉速提高的最主要因素。拉速提高，钢液在结晶器内凝固时间缩短，凝固坯壳减薄。研究表明：拉速提高10%，出结晶器的坯壳厚度减少约5%。这也导致影响凝固传热的不利因素更加显现。随着拉速的提升，热通量增加，保护渣的消耗量降低，凝固坯壳与结晶器铜壁间的润滑变得越来越差，高温凝固坯壳承受各种应力应变的能力变得越来越弱，漏钢和裂纹成为最大挑战。因此，如何保证高拉速条件下结晶器内凝固坯壳的均匀性与安全性以及铸坯质量，是实现高速连铸必须要面对和解决的技术难题。本文从分析高拉速连铸过程传输行为特征入手，阐述结晶器流动控制、高效传热结晶器、铸坯鼓肚与结晶器液面控制等关键技术，为高拉速连铸技术开发和生产提供指导。
1 高拉速结晶器流动特征及其控制
1.1 结晶器流动特征
高拉速条件下，从浸入式水口侧孔吐出的流股高速冲击结晶器窄面，造成凝固坯壳重熔减薄，向上反转流股使钢液面波动加剧，会造成钢液吸气及卷渣，向下流股将夹杂和气泡带入液相穴深处(图1)。
拉速对结晶器内液面行为的影响如图2所示。通过物理模拟发现，拉速每提高0.20 m/min，弯月面附近液面速度提高约0.01 m/s、波动约增加0.05 mm(图2(a)、(b))，液面漩涡频率相应提高1～2 min-1(图2(c))。当拉速提升至2.0 m/min时，漩涡出现频率高达12 min-1；浸入式水口深度由117提升至100 mm，液面速度的增幅达17%，弯月面的波动增幅可达29%(图2(b)拉速1.8 m/min)。可见，拉速增加，结晶器液面无论是流速还是平静度均向不利方向发展，实施流动控制十分必要。
保护渣黏度对结晶器内钢渣界面速度的影响如图3所示。由图3可以看出,高黏度时最大界面速度和弯月面速度由0.203 m/s(a点)和0.152 m/s(c点)分别降至低黏度的0.143 m/s(b点)和0.112 m/s(d点)。因此，高黏度保护渣应是防止结晶器卷渣发生的有效手段，但还需综合考虑其润滑传热的重要作用。
1.2 结晶器电磁控流
电磁技术已成为结晶器控流的重要手段，如双边行波磁场的M-EMS、局部区域磁场的EMBr、全幅一段磁场的LMF、全幅二段磁场的FC-Mold、电磁水平加速器的EMLA、电磁水平稳定器的EMLS等。结晶器电磁控流的首要目的是其液面的稳定，同时兼顾弯月面附近的流速以改善其传热。拉速为1.8 m/min时不同流控条件下板坯结晶器(FC-Mold)中心对称面上的流场分布如图4所示，自由液面下20 mm处沿结晶器宽度方向中心线上的速率分布如图5所示。施加电磁制动后，钢液流速整体减小，尤其是液面和弯月面处速度变得平缓，但在电磁制动和吹氩双重作用下，结晶器液面却出现了波浪形流动状态，最大速度出现在水口附近的漩流区，由仅电磁制动时的0.02增至0.12 m/s。电磁制动和吹氩作用下不同拉速时自由液面下20 mm处沿结晶器宽度方向中心线的水平速度分布如图6所示。由图可以看出，拉速由1.5 增至2.4 m/min时，液面的最大水平漩流速度则由0.14 减至0.03 m/s，由此可见，电磁制动只有在较高拉速时才发挥出其积极作用。日本新日铁的研究表明，结晶器内的单循环流动会导致产品诸多缺陷，而均衡发展的双循环流股则是改善板坯和薄板卷质量的关键。目前计算流体力学(CFD)得到了迅速发展，可利用CFD知识和电磁学理论建立计算模型，根据铸坯尺寸、拉速、水口参数和氩气量进行实时调整和合理调控，将不稳定和单循环钢流转变为稳定、优化的双循环流，以保证自由液面的稳定和防止卷渣的发生。
从现场控制角度出发，最好能有一个综合反映高速连铸结晶器流动特征的指数。日本NKK的Teshima T等提出了反映结晶器液面波动的指数F，见式(1)。
式中：QL为钢液体积拉速，m3/s；Ve为钢液主流股的冲击速度，m/s；ρst为钢液密度，kg/m3；D为冲击点到自由液面的距离，m；θ为钢液主流股的冲击角度，（°）。
通过实验室试验和现场结果分析认为最佳的F值为1.7~3.0。通过数值模拟研究发现，在电磁制动和吹氩共同作用下，F值与拉速、吹氩量、电磁线圈电流强度之间均呈现线性递增关系，F值可以有效反映出弯月面附近的钢/渣界面波动情况，控制F值合理变化范围对于避免结晶器内钢/渣界面的剧烈波动和卷渣的发生更具实际意义。高拉速结晶器内以钢/渣界面平静度为主要目标的流动控制可以转化为对F值的控制，通过对结晶器整个液面波动的实时监控可实现F值的在线控制。
2 高拉速高效传热结晶器
随着拉速提高，尽管结晶器内热通量增加(图7)，但钢液的凝固时间和保护渣的消耗量降低，导致出结晶器坯壳厚度减薄(图8)、不均匀性增大，发生漏钢、裂纹等风险不断加大。因此，要实现高速连铸，结晶器内凝固坯壳的均匀性和安全性问题必须要予以解决，其根本就是要解决高拉速条件下结晶器的高效传热问题。
连铸机最大拉速Vmax与结晶器下口坯壳安全厚度δme、凝固系数Km以及结晶器有效长度Lm之间的关系见式(2)。
由式(2)可知，要突破拉速的限制，一是δme能否得到进一步降低，一是增大Km。
2.1 出结晶器安全厚度
目前，对结晶器出口坯壳安全厚度δme的定量还基本停留在传统经验或常识上，即小断面的方圆坯不小于8 mm，大断面的板坯、方圆坯不小于15 mm，而Ito Y等最新研究表明，高拉速板坯出结晶器的坯壳厚度可以在10~15 mm范围。因此，针对不同断面、钢种准确定量δme很有实际意义。最近，QIAN Hai-tao等研究了黏结漏钢修复机理，通过对出结晶器坯壳的受力分析，提出了确定坯壳安全厚度的表达式，见式(3)。
式中：φ为浇铸钢种过热度、拉坯力的影响系数,取值范围为1~1.3；σs为坯壳的屈服强度，Pa；n为安全系数，取为2.5；ρsh为坯壳密度，kg/m3；lA与lB为结晶器钢液面分别至其出口和第一对足辊中心的距离，m；x2为结晶器出口至足辊间达到最大弯曲力矩的位置，由式(4)确定。
很显然，δme大小主要是由所浇铸钢种此时的抗拉强度所决定，如能提高其强度，那么δme就可以得到相应的降低，而钢的屈服强度是随温度升高而降低的，因此，为了实现更高拉速，降低浇铸钢种凝固坯壳出结晶器时的温度应是有效途径之一。为此，可以从两方面着手，一是提高结晶器的传热效率，尤其是角部的传热，解决坯壳不均匀生长的问题；一是对出结晶器的坯壳实施快冷。
漏钢和裂纹的发生往往起源于坯壳的最薄弱处，如能较好地控制结晶器内坯壳的均匀生长，那么所谓的安全厚度就可以得到有效降低，拉速的提升也就有了一个前提保证。控制结晶器内坯壳均匀生长的关键在于结晶器内坯壳与铜板间的均匀传热，这主要取决于其间界面热阻，涉及保护渣的状态及厚度分布、坯壳凝固收缩所引起的坯壳-保护渣间气隙分布、结晶器冷却结构与冷却制度等。保护渣性能及其行为对界面传热的影响是显而易见的，但从坯壳生长的均匀性角度，首要考虑的应该是结晶器铜板内壁面形状结构。奥钢联、康卡斯特、达利涅等将结晶器内壁面形状加工成抛物线、钻石等类型，其目的就是为了减少气隙，改善传热，促进坯壳的均匀生长，减少表面热裂纹。因此，要实现高速连铸，结晶器内腔结构合理设计尤为重要，这是保证结晶器高效传热的基础。
结晶器内腔形状结构设计出发点是保证浇铸过程结晶器铜板内壁能高度迎合凝固坯壳收缩与生长特点，这需要首先解决结晶器内这一极其复杂凝固传热的定量描述问题。作者建立了考虑溶质微观偏析、保护渣与气隙动态分布和坯壳高温蠕变行为的坯壳-结晶器系统热力耦合有限元模型，定量描述并揭示了包晶钢凝固过程中凝固坯壳与结晶器铜壁间保护渣膜、气隙的动态分布行为规律，并以此研制出高效传热新型曲面结晶器(图9)，结晶器内腔结构特点为“上部快补偿、中下部缓补偿、角部多补偿”，高度迎合了凝固坯壳生长和收缩。与传统平板结晶器相比，可以发现新型曲面结晶器内气隙和渣层分布发生了显著的改变，角部的气隙以及保护渣膜堆积现象基本消除(图10)，结晶器中下部冷却速率由传统的3.5增至10 ℃/s以上，出结晶器的坯壳温度得到了明显降低(图11)，结晶器角部区域的坯壳生长更加均匀(图12)。
2.2 结晶器凝固系数
由式(2)可以看出，提高拉速除考虑出结晶器坯壳的安全厚度外，提高结晶器凝固系数Km也应该是重要途径。式(5)是基于金属凝固传热的平方根定律导出的，结晶器凝固系数其实就是平均凝固系数m，可表达为
式中:λ为坯壳导热系数，W/(m·℃)；tm为凝固温度，℃；tsf为凝固坯壳表面温度，℃；Lf为凝固潜热，J/kg。通常板坯、大方坯和小方坯的m取值分别为17～22、22～28、20～26 mm/min1/2。如果认为与结晶器铜壁接触的凝固坯壳温度保持不变，则凝固系数Km可由式(6)确定。
式中：α为扩散系数，m2/s；cp为比热容， J/(kg·K)；tis为界面温度。
如取α=0.624×10-5 m2/s、cp=670 J/(kg·K)、Lf=2.71×105 J/kg、tm=1 530 ℃、tis=1 000 ℃，则可得Km≈25 mm/min1/2，对板坯而言这属一个极限值。很显然，Km值大小最直接的影响因素是凝固坯壳表面温度tsf或界面温度tis，tsf或tis越低，Km值就越大，而这主要取决于结晶器铜壁与坯壳之间的界面传热，受结晶器冷却水、结晶器断面形状与表面状态、保护渣性能等因素的影响，实质还是结晶器的高效传热问题。为此，对于高速连铸而言，除了上述结晶器内腔形状结构的合理设计制造外，很重要的一项工作就是要充分利用和发挥好保护渣的润滑与传热作用。
拉速提高，凝固坯壳与结晶器铜壁间的润滑情况变得越来越不理想，保护渣膜结构及厚度直接关系到其间的润滑状态及传热，对坯壳生长产生了极其重要的影响。因此，应促使结晶器钢液面的液态保护渣能均匀流入结晶器铜壁与坯壳的间隙中(渣道)以获得良好的传热和坯壳表面温度的下降。大量的研究与实践表明，保护渣黏度对铸坯纵裂纹影响最大，过高黏度的保护渣很难流入钢液弯月面与结晶器铜壁之间的间隙，从而使纵裂纹增加。提高保护渣碱度可降低黏度，但会使渣凝固温度和结晶温度提高而影响润滑，为此，采用加质量分数为2%~5%的Li2O或以MgO和BaO取代渣中部分CaO。为降低成本，国内也正研发不含Li2O的保护渣。液渣黏度过大或过小都会造成坯壳表面渣膜的厚薄不均匀，致使润滑传热不良。为此，保护渣应保持合适的黏度值，视浇铸的钢种、断面、拉速、铸温而定，Ogibayashi S等认为当黏度与拉速的乘积(η·Vc)控制在0.10～0.40 （Pa·s·m）/min时，保护渣渣膜厚度的变化和热流波动最小。不同拉速条件下使用两种保护渣时的Km值如图13所示。可以看出保护渣的性能确实对结晶器内Km值和凝固均匀性产生了很大的影响。因此，要实现高拉速连铸，凝固系数Km的改变不可或缺，研制符合高拉速要求连铸保护渣刻不容缓。
2.3 结晶器润滑
凝固坯壳与铜板之间润滑是保障连铸顺行和铸坯质量的关键，也是实现高速连铸的关键。润滑越好，凝固坯壳与结晶器铜壁间摩擦就越小，否则将引发裂纹和黏结漏钢等严重问题。凝固坯壳与结晶器铜壁间的液体摩擦力FI，可用式(7)表示。
式中：Vc为拉速，m/min；Vm为结晶器运动速度，m/min；dI为坯壳与结晶器铜壁间液渣渣膜厚度,mm，可由式(8)确定。
式中:tn为保护渣熔化温度，℃；A为结晶器振动振幅，mm；zf为结晶器振动周期，s；τp为结晶器振动正滑动时间，s。
很显然，摩擦力是随着拉速和保护渣黏度的增加以及液渣膜厚度的减少而增大，这与保护渣的消耗直接相关。由图14和图15可以看出，拉速提高，保护渣消耗减少，这样渣膜厚度变薄，结晶器的润滑就变差。高拉速情况下，传统板坯渣耗量一般不低于0.30 kg/m2(图14)，而薄板坯6 m/min拉速的渣消耗在0.10 kg/m2左右(图15)。
保护渣消耗量与其性能、浇铸工艺、结晶器振动、结晶器的断面均有较大关系。保护渣的黏度和熔化温度升高，消耗量下降；拉速增加、过热度下降，保护渣的消耗量下降；正滑脱时间增加，保护渣的消耗量增加，非正弦振动的消耗量大于正弦振动。研究者提出了形式各异的计算保护渣消耗量Qs的经验式(kg/m2)，代表性的有Kwon O D等和Tsutsumi K等。
式中:f为频率，min-1；η为1 300 ℃时保护渣黏度，Pa·s；k与β为常数。
可见，结晶器振动成为改善结晶器润滑状态非常有效手段。非正弦振动的特点体现在：上振平缓，显著降低坯壳表面拉应力；正滑脱时间增加，增加了保护渣耗量；合适的负滑脱时间，易于降低振痕深度；一定的负滑脱量，利于连铸坯脱膜和愈合撕裂坯壳。自从1984年日本NKK的福山厂首次采用了非正弦振动以来，此技术已经成为高拉速连铸机不可或缺的工艺技术。目前围绕非正弦振动波形涉及负滑脱时间、正滑脱时间、负滑脱量、正滑脱相对速度差、非正弦振动因子等，以及振动过程润滑和摩擦行为及渣道压力等微观界面行为展开研究，以期进一步改善结晶器铜板与坯壳表面接触状态，适应高拉速连铸发展要求。
3 高拉速结晶器液面控制
3.1 结晶器液面波动成因
连铸过程中，结晶器液位的变化不仅影响钢渣卷混，最为重要的是对保护渣的润滑与传热行为产生极其重要的影响，从而直接影响凝固坯壳生长的均匀性和连铸生产的顺行。可见，要实现高速连铸，结晶器液位稳定性控制至关重要。
结晶器液位波动产生过程极其复杂，应该是一个谐振过程，涉及的影响因素很多，除了诸如不稳定注速、水口偏流、结晶器紊流等因素外，很重要一个原因是铸坯的鼓肚(图16)，这一现象在包晶钢连铸时更加突出，直接限制了拉速的提升，目前国内大都在1.2~1.3 m/min，新日铁的最高拉速为1.7 m/min。包晶反应发生时，结晶器内初生坯壳在弯月面和角部区域收缩不规则，造成了不均匀生长，在二冷区钢水静压力的作用发生了鼓肚，造成结晶器液面下降，鼓肚坯壳到达下一导辊时又被挤压回去，液面又上升，如此反复就形成了结晶器液面波动。Gantner A等研究表明包晶相变坯壳生长不均匀导致鼓肚所引发液面波动频率在0.06~0.15 Hz，苏志坚等认为结晶器内液面异常波动主频率约0.3 Hz，凝固收缩系数的变化导致了不同包晶钢鼓肚频率发生变化。熊爽等发现含铌包晶钢连铸时结晶器液面波动最为剧烈。Yoon U S等的现场检测研究发现拉速波动量增加，非稳态鼓肚量增加、液面波动量增加，由鼓肚引起的干扰主频率与拉速成线性关系。因此，连铸过程结晶器液位波动的根源在于凝固坯壳在结晶器内的不均匀生长所导致的鼓肚，这在高速连铸时将会更加突出。要控制液位稳定，首要任务是促使初凝坯壳的均匀生长，最具有针对性和体现效果的应为铸坯的鼓肚控制。
3.2 结晶器液位稳定控制
铸坯鼓肚量的大小与钢液静压力、夹辊间距、冷却强度等因素有密切关系。鼓肚量随辊间距的4次方而增加，随坯壳厚度的3次方而减小。板坯的鼓肚量可用式(11)来计算。
式中:δi，δi，s分别为第i辊处的鼓肚量和凝固坯壳厚度，cm；li为第i辊处铸坯中心线上的辊距(或前后辊距之和的一半)，cm；pi为第i辊处的钢液静压力，MPa；τi为铸坯通过距离li所用的时间，min；E为等效弹性模量，MPa，可由式(12)确定。
式中:tI和tas分别为钢的液相线温度和凝固坯壳的平均温度，℃。由式(11)和式(12)可见，可从设备与工艺着手来控制铸坯鼓肚。
改变辊列布置来改变坯壳挤压的周期性，减少了非稳态鼓肚的产生。如二冷的前几个段，同一扇形段内辊距差别较大，或同一扇形段内辊距相近、相邻的辊距差别较大，则在任意时刻，一定长度内铸坯处于部分鼓起与部分压下的非同步状态，造成不同周期内变化量的叠加相互抵消效应，从而使结晶器液面保持基本稳定。
加大二冷区冷却强度，以降低坯壳的温度(tas)、增加其厚度(δi，s)和高温强度。针对微合钢连铸角横裂纹控制，作者与国内多家企业合作研发出了实现铸坯角部超强冷(冷速大于15 ℃/s)的连铸机足辊及垂直区二冷强喷淋结构(图17)，形成了连铸二冷高温区铸坯角部“γ→α→γ循环相变”晶粒超细化控冷技术(图18)，从而增强了凝固坯壳的塑性，提升了其抗裂纹的能力。这种思路同样适应于高速连铸时铸坯鼓肚的控制，是应对非稳态鼓肚十分有效的技术手段。在实际具体实施过程中，为了协调铸坯宽面与窄面的传热，宽面足辊、宽面二区和三区的冷却强度同时应有较大幅度的增强，这样有助于强化出结晶器的坯壳强度，减少弯曲段内垂直区的坯壳抗变形鼓肚能力，而弯曲段弯曲点之后，适当减弱宽面四区的水量以满足回温要求。总体上弯曲段的水量增加30%~35%，有利于强化坯壳，减小辊间鼓肚，稳定结晶器液面。
结晶器液面稳定控制，除了对铸坯鼓肚实施根本性控制外，还需要考虑液位波动的瞬变性、非线性、多干扰性等实际情况，因此，要真正做到稳定控制，很重要的一项工作是对其实施有效监控。监测结晶器液位方法主要有热电偶法、同位素法、涡流法、工业电视摄影法、光波测量法和电磁法等。电磁法测量钢水液位主要是利用电磁感应原理，将发射线圈和接受线圈并排放在电磁盒中，安装到结晶器铜板顶部，发射线圈产生高频电磁场，并在铜板表面和靠近钢水表面处感生出涡流，涡流的分布受钢水液面高度的影响，接收线圈中涡流感生出的电势随钢水液面高度的不同而发生变化，从而确定钢水液面位置。这种方法与其他检测装置相比，在安装方式和检测性能等方面具有很多优点，但检测结果受结晶器铜板温度及表面镀层的影响。
近年来，模糊控制法在液面控制中得到了广泛的应用，欧洲许多钢厂采用了模糊控制法，其控制效果良好，使结晶器钢水液面的升高幅度减少了约40%，液位受干扰的时间缩短了约80%，机械设备的安全性得到了提高，因断流而改钢的情况减少了约80%。日本JEF应用的专家系统，可根据各传感器采集的数据，如浇注速度、结晶器钢水液位、滑动水口的状态、中间包钢水质量等对整个操作过程的状态、原因以及各参数进行评判，并制定对策，及时发出调节指令，使PID控制参数达到最佳，双流圆坯连铸结晶器内钢液面的波动范围仅为4~5 mm；在板坯连铸机上使用了增益调度H∞控制系统，与采用常规PID控制系统相比，结晶器液面的波幅降低了30%以上。采用高频抖动补偿理论的算法，在控制信号中引入了高频抖动信号，其振幅和周期能够自动调整，从而使液位执行机构产生抖动，以克服和消除由液压执行机构，如塞棒或滑动水口的磨擦和死区特性等引起的非平稳非线性变化，从而使钢水液位偏差控制在最小范围，满足工艺要求。
结晶器液位控制可以认为是整个连铸过程控制的核心，但目前控制基本是聚焦在液面的如何高精度在线监测和后续的快速响应控制这两大方面，属于典型的“后知后觉”。最近，田立等发现结晶器液面波动与某个驱动辊力矩存在耦合关系，通过对拉矫辊力矩或电流曲线频谱分析，获得特征曲线与液位相位偏差，以此得出塞棒补偿量，进行提前补偿，减轻液位周期性波动。因此，要实现高速连铸，结晶器液位的智能控制尤为关键，要做到“先知先觉”，这就需要将连铸过程的铸坯鼓肚、结晶器流场、包晶相变等冶金知识数据库与钢种成分、拉速、塞棒开口度、辊缝等工业大数据有机结合，通过AI智能预测、预判液面补偿量并发指令实施控制，做到“先知先觉”，结晶器液位智能化控制框图如图19所示，从而真正实现结晶器液位的稳定控制与拉速的突破。
4 结语
高拉速连铸体现了钢铁制造流程高效、绿色化发展要求，是新一代高效连铸技术发展的核心内涵。限制连铸拉速的主要因素是出结晶器凝固坯壳的安全厚度，实现高速连铸的核心焦点是结晶器内凝固坯壳的均匀生长控制，涉及结晶器流动、保护渣类型、润滑、内腔形状、冷却结构与制度等内容，关键是结晶器液面的稳定控制，重点是通过辊列、二冷等工艺与装备手段实施对铸坯鼓肚的有效控制，并结合铸坯鼓肚、结晶器流场、包晶相变等冶金知识数据库与钢种成分、拉速、塞棒开口度、辊缝等工业大数据，通过AI智能预测，实现稳定液位“先知先觉”控制。
