鋼鐵是我們生活中用處最多、用量最大的金屬產(chǎn)品，它兼具強(qiáng)度高與可塑性好的優(yōu)點(diǎn)，是我們生活中必不可少的生產(chǎn)材料。金屬鑄造指的是將金屬由液態(tài)澆鑄、凝固成一定形狀固態(tài)產(chǎn)品的技術(shù)。傳統(tǒng)的金屬鑄造使用的是模鑄技術(shù)，也就是將高溫液態(tài)金屬澆注進(jìn)具有一定形狀的模具里面凝固成形。但是，為了提高產(chǎn)量、適應(yīng)社會(huì)發(fā)展，20世紀(jì)以來(lái)，尤其是近幾十年，連鑄技術(shù)已經(jīng)逐漸開始替代模鑄技術(shù)成為金屬制品的主流初級(jí)成形生產(chǎn)方式。

鋼鐵產(chǎn)品的連鑄產(chǎn)量占總產(chǎn)量的百分比稱之為連鑄比。1979年世界連鑄比為25.5%，而2021年世界連鑄比已經(jīng)達(dá)到了96.9%。中國(guó)的連鑄比也由1979年的4.4%增加到了現(xiàn)在的99%以上[1-2]。由于模鑄技術(shù)可以生產(chǎn)特大型鑄件，且適合單件小批量生產(chǎn)，所以少數(shù)不需要量產(chǎn)的特殊鋼或特大型鑄件仍然常用這一傳統(tǒng)技術(shù)生產(chǎn)。生產(chǎn)效率與成材率均極具優(yōu)勢(shì)的連鑄技術(shù)儼然已經(jīng)是批量生產(chǎn)鋼鐵產(chǎn)品最重要的手段。

1. 模鑄技術(shù)的發(fā)展

地球上的金屬元素含量多、種類豐富。不同于天然石塊和人工制造的混凝土、陶瓷等材料，金屬不僅具有強(qiáng)度高與耐腐蝕的優(yōu)點(diǎn)，還具有良好的可塑性。高溫下金屬的流動(dòng)與變形能力可大大提高，從而可以加工成人們需要的各種形狀制品與結(jié)構(gòu)材料。此外，金屬材料可循環(huán)利用，回收重新熔化與冶煉以后還可以重復(fù)使用。這些金屬的固有屬性為人類長(zhǎng)期廣泛使用金屬材料奠定了基礎(chǔ)。

因?yàn)榻饘巽~相對(duì)不活潑，且自然界中存在著自然銅，所以金屬熔鑄技術(shù)是在銅器出現(xiàn)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。考古學(xué)家在土耳其的卡螢泰佩（Cayonu Tepesi）遺址發(fā)現(xiàn)了距今約10000年的銅制權(quán)杖飾品，這可能是人類最先使用的自然銅制品；在隨后的2000年中，銅制品的使用傳到了周邊地區(qū)，并且有人使用陶土坩堝對(duì)銅制品進(jìn)行熔煉，這被稱為真正意義上金屬冶煉與鑄造技術(shù)的開端[3]。距今約6000年前，土耳其地區(qū)的銅冶煉技術(shù)已經(jīng)得到了長(zhǎng)足發(fā)展，并且開始向周圍地區(qū)傳播。我國(guó)最早在距今6500~6700年前出現(xiàn)了銅制品，在大約5000年前出現(xiàn)了青銅鑄造而成的刀具與兵器。

中國(guó)開始使用鑄造技術(shù)制造金屬制品的時(shí)間雖然略晚于中東兩河流域，但是由于中國(guó)古人對(duì)青銅制品的廣泛應(yīng)用，如祭祀器具、容器、樂(lè)器與兵器等，創(chuàng)造出了許多獨(dú)特的鑄造工藝和制作精湛的鑄件產(chǎn)品。早在商周時(shí)期，中國(guó)古人就可以利用不同的模具（石范、陶范、金屬范、失蠟法和砂型鑄造等）以及不同的方法（單面范、雙合范、多合范、多器一范和疊鑄等）鑄造青銅器，這些鑄造方法甚至一直沿用至今，并且適用于各種金屬。圖1展示了誕生于商后期泥范法鑄造的司母戊鼎[4]與明朝《天工開物》記載的鑄鼎鑄造圖[5]，這足以代表中國(guó)古代金屬鑄造的精巧技藝。

由于銅、錫等青銅原料資源有限，而鋼鐵的硬度比銅的更大，其強(qiáng)度高、不易變形，且儲(chǔ)量豐富、更加廉價(jià)，因此古人仿照冶煉青銅器的方法找到了鑄鐵的方法[6]，鐵制產(chǎn)品逐漸在兵器、耕具等日常用品中廣泛使用[7]。早在春秋時(shí)期，中國(guó)就已經(jīng)出現(xiàn)了鑄造生鐵技術(shù)。因此，盡管后來(lái)的工業(yè)革命發(fā)生于西方，但實(shí)際上中國(guó)的鑄鐵技術(shù)比西方國(guó)家早了約1800年。生鐵冶煉技術(shù)是現(xiàn)代煉鋼技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，也被列為中國(guó)歷史上的二十四大發(fā)明之一[8]。

2. 連鑄技術(shù)的發(fā)展

隨著以蒸汽機(jī)與煉鋼技術(shù)為代表的工業(yè)革命時(shí)代的到來(lái)，人類文明進(jìn)程迅速發(fā)展。取代人力與畜力勞動(dòng)的機(jī)器的發(fā)展依托于鋼鐵材料的大量生產(chǎn)，因此近代冶金行業(yè)的迅速發(fā)展極大地推動(dòng)了工業(yè)革命的發(fā)展進(jìn)程，鋼鐵也成為近代冶金需求最大、產(chǎn)量最多的金屬。其中，得益于化學(xué)學(xué)科與蒸汽機(jī)技術(shù)的發(fā)展，18世紀(jì)的西方國(guó)家已經(jīng)發(fā)明出了高爐煉鐵、轉(zhuǎn)爐煉鋼、鋼錠模鑄和鋼鐵軋機(jī)等大型設(shè)備，以滿足社會(huì)上日益增長(zhǎng)的鋼鐵需求。鑒于模鑄生產(chǎn)模式的效率較低、鋼材制造流程長(zhǎng)，連續(xù)澆鑄的思想也開始出現(xiàn)。

亨利·貝塞麥（Henry·Bessemer）是英國(guó)偉大的工程師和發(fā)明家，曾任英國(guó)鋼鐵學(xué)會(huì)主席并且當(dāng)選英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)員，他從小就在父親的鑄造作坊里工作，對(duì)相關(guān)金屬知識(shí)與鑄造工藝十分熟悉。1834年，年僅21歲的貝塞麥就憑借改進(jìn)鑄造錢幣的專利而獲得了豐厚的獎(jiǎng)勵(lì)；1839年，26歲的貝塞麥因?yàn)楦倪M(jìn)了光學(xué)顯微鏡而成為了法國(guó)科學(xué)院院士；1856年，43歲的貝塞麥發(fā)明了高效煉鋼的貝塞麥煉鋼轉(zhuǎn)爐。他發(fā)明的貝塞麥轉(zhuǎn)爐通過(guò)底吹空氣的方法可以經(jīng)濟(jì)、有效地去除鐵水中的碳元素并生成強(qiáng)度更高的鋼[9]。這一發(fā)明大大推動(dòng)了人類工業(yè)從“鐵時(shí)代”到“鋼時(shí)代”的轉(zhuǎn)變，后來(lái)利用氧氣取代空氣的轉(zhuǎn)爐煉鋼至今仍然是冶煉鋼水的主要方法。貝塞麥等改進(jìn)的光學(xué)顯微鏡是人類認(rèn)識(shí)鋼鐵微觀組織的重要工具，這一工具進(jìn)一步提高了人類對(duì)于鋼鐵產(chǎn)品組織與性能的認(rèn)識(shí)，并有利于有的放矢地對(duì)鋼鐵性能加以調(diào)控。正是因?yàn)楹嗬?middot;貝塞麥對(duì)鋼鐵生產(chǎn)有著如此深入的理解，才促使他做了一個(gè)超前的設(shè)想，并在1858年英國(guó)鋼鐵協(xié)會(huì)倫敦會(huì)議上發(fā)表了《模鑄不如連鑄》的論文，成為了提出連鑄思想的第一人。圖2展示了冶金學(xué)家亨利·貝塞麥的肖像以及他在160多年前提出的史上第一個(gè)連鑄機(jī)專利。實(shí)際上，貝塞麥提出的連鑄機(jī)僅可以生產(chǎn)出連鑄薄帶，并且限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平，此類薄帶連鑄機(jī)在1999年才開始得以商業(yè)化，對(duì)輥薄帶連鑄機(jī)先后在德國(guó)和美國(guó)率先得以用于工業(yè)化生產(chǎn)。

現(xiàn)代第一臺(tái)連鑄機(jī)雛形是1943年德國(guó)冶金學(xué)家，現(xiàn)代連鑄之父，瓊·漢斯（S.Junghans）提出來(lái)的[10]，所以當(dāng)代連鑄機(jī)的發(fā)展實(shí)際上僅僅不到80年。漢斯提出的連鑄機(jī)的構(gòu)成如圖3所示，其從結(jié)構(gòu)、功能上來(lái)看都與當(dāng)代連鑄機(jī)十分相似。

3. 連鑄機(jī)形狀與鑄坯過(guò)程的矯直

連鑄機(jī)在鋼鐵生產(chǎn)流程中承擔(dān)著承上啟下的重要作用，精煉獲得的鋼水要經(jīng)過(guò)連鑄機(jī)連續(xù)不斷地凝固成具有一定形狀的固態(tài)鑄坯（按斷面形狀分為方坯、圓坯、板坯以及異型坯等），冷卻凝固以后的鑄坯往往溫度較低，可塑性不足以“趁熱打鐵”，所以連鑄機(jī)生產(chǎn)出來(lái)的鋼坯往往需要按一定的尺度切割成段，以備后續(xù)在加熱爐中再加熱軋制成組織更致密、強(qiáng)度更高的各種鋼材。

由于鑄坯在連鑄機(jī)上的冷卻速度較慢，鋼液從剛進(jìn)入連鑄機(jī)到最終完全凝固需要有一段較長(zhǎng)的距離，稱之為液芯長(zhǎng)度或冶金長(zhǎng)度[11]。顯然，鑄坯斷面越大、拉坯速度越大，鑄坯的液芯長(zhǎng)度也越長(zhǎng)。如圖4所示，最開始的連鑄機(jī)被設(shè)計(jì)成垂直式的，但是隨著連鑄速度的增加或鑄坯斷面越來(lái)越大，即使噴淋強(qiáng)制冷卻鑄坯的液芯長(zhǎng)度也可能達(dá)到數(shù)十米，連鑄機(jī)的高度繼續(xù)增加是不太現(xiàn)實(shí)的。因此，連鑄機(jī)的高度是由高到低地在發(fā)展，也就是從立式連鑄機(jī)發(fā)展到立彎式連鑄機(jī)，再?gòu)牧澥竭B鑄機(jī)發(fā)展到弧形連鑄機(jī)。

如圖5所示，這是目前常用的大方坯弧形連鑄機(jī)，其鑄坯斷面可以達(dá)約30 dm2，因此它的液芯長(zhǎng)度可以達(dá)到約30 m以上。一方面，弧形連鑄機(jī)有利于將長(zhǎng)度由豎直方向改為水平方向延伸，減少車間廠房的高度；另一方面，它可以將鑄坯矯直的位置控制在溫度相對(duì)較高的區(qū)間。鑄坯矯直指的是通過(guò)拉矯機(jī)架上的夾持輥（圖5中黑白圓圈所示），將從連鑄機(jī)弧形段出來(lái)的鑄坯矯正成直條狀。圖5連鑄機(jī)中未凝固的鋼液和已凝固的鑄坯坯殼表面溫度仍然高達(dá)600 ~ 1000 ℃。連鑄過(guò)程鑄坯的表面溫度主要通過(guò)氣霧冷卻控制，還可以通過(guò)電磁攪拌（Electromagnetic Stirring，EMS）控制其內(nèi)部的鋼水流動(dòng)與凝固組織。

材料的硬度和塑性往往是一對(duì)矛盾的性質(zhì)；硬度越大的材料，其塑性越差，而塑性越好的材料，其硬度越低。比如說(shuō)，陶瓷的硬度非常大，我們常說(shuō)的“沒(méi)有金剛鉆別攬瓷器活”指的就是這一點(diǎn)；但是它的塑性非常差，家中常用的陶瓷餐具一摔就碎了。再比如說(shuō)，橡膠的塑性非常好，可以較大程度地變形，但是很容易就會(huì)被小刀劃破。其實(shí)，很多材料的硬度與塑性是和溫度相關(guān)的，比如常溫下的鋼硬度很高，很難變形；但是將其加熱到數(shù)百攝氏度以后，它的塑性變形能力就會(huì)大大提升，我們常說(shuō)的“趁熱打鐵”就是這個(gè)道理。當(dāng)然，專業(yè)上講應(yīng)該是“趁熱打鋼”，鐵是鐵，鋼是鋼，日常俗語(yǔ)中的鐵釘、鐵絲實(shí)際都是鋼釘，鋼絲，在此不再贅述。因此，弧形連鑄機(jī)不僅有利于減少生產(chǎn)時(shí)候的設(shè)備高度、提高連鑄生產(chǎn)效率，還有利于趁鋼在高溫狀態(tài)下、可塑性較好時(shí)對(duì)其進(jìn)行矯直處理。

4. 鑄坯矯直時(shí)的熱塑性

連鑄坯在鑄機(jī)中運(yùn)行到矯直段時(shí)，其表面溫度一般可以控制在650~1000 ℃之間。金屬材料的塑性和溫度總體呈正相關(guān)關(guān)系，即溫度越高、熱態(tài)塑性一般越好（當(dāng)然，溫度過(guò)高達(dá)到其熔點(diǎn)時(shí)便發(fā)生熔化了）。然而，這一法則只適合單相的鋼。實(shí)際鋼鐵往往是多相材料，以獲得更優(yōu)越的服役性能。在650~1000 ℃之間，大多鋼材的微觀組織會(huì)發(fā)生變化，產(chǎn)生所謂相變。一些高強(qiáng)度鋼，連鑄高溫冷卻過(guò)程中其基體上還會(huì)有一些第二相小粒子析出，這往往會(huì)導(dǎo)致鋼在650~1000 ℃之間的塑性并非是隨著溫度升高而變好，其中會(huì)存在一個(gè)塑性較差的區(qū)域（熱脆性區(qū)）。

在溫度大于750 ℃的高溫下，許多鋼的組織主要是由奧氏體相（Austenite，以英國(guó)物理冶金學(xué)家Roberts·Austen命名的一種晶體結(jié)構(gòu)）組成的，如圖6(a)所示，白色邊界包裹起來(lái)的就是奧氏體晶粒的截面。幾何上，奧氏體晶粒的形狀是十四面體，與水立方國(guó)家游泳中心的外薄膜形狀相似，其截面一般為六邊形，這種形狀和圖6(b)所示的蜂巢形狀類似。

對(duì)于諸如齒輪鋼等特殊鋼種，為了滿足其服役性能，其成分中往往必須含有一些用于形成第二相的元素。這些元素在高溫下會(huì)固溶在奧氏體中，但是隨著鑄坯溫度的降低，它們會(huì)形成微小的第二相粒子，沿著奧氏體的晶界析出，也就是沿著圖6(a)中的白色網(wǎng)狀位置處析出。鋼中的析出相與合金元素不同溫度下的溶解度有關(guān)，這就好比是一杯飽和的熱糖水，隨著水溫降低，糖的溶解度會(huì)降低，從而在糖水溶液中沉淀析出糖的顆粒。鋼水實(shí)際也是一種溶液，其凝固后的溶液稱之為固溶體，不同溫度下溶解度的差異便會(huì)發(fā)生不同程度的溶解與析出。

當(dāng)溫度低于950 ℃以后，一些微合金鋼中析出的第二相粒子數(shù)量足夠多，并且都沿著奧氏體晶界分布，這就會(huì)導(dǎo)致鋼的熱塑性變差，容易在矯直過(guò)程中產(chǎn)生圍繞著第二相粒子的小孔洞，繼而導(dǎo)致鑄坯表面開裂。

此外，鋼的溫度在750 ℃附近，也會(huì)沿著奧氏體邊界開始析出另一種組織，就是圖6(a)中的所謂網(wǎng)狀鐵素體。這也會(huì)導(dǎo)致鋼的塑性大大變差。

但是當(dāng)溫度在650~700 ℃之間時(shí)，奧氏體將分解為別的組織組成物，此時(shí)網(wǎng)狀的鐵素體膜會(huì)增厚，第二相粒子對(duì)鋼塑性的損傷得以減輕，鋼的塑性也會(huì)有所改善。

綜上可知，連鑄過(guò)程中，弧形鑄坯在進(jìn)入連鑄機(jī)矯直段的時(shí)候應(yīng)該控制在一個(gè)合適的表面溫度范圍，要根據(jù)實(shí)際鋼種的相變特點(diǎn)通過(guò)控制鑄坯表面溫度保證其具有較好的熱塑性，以避免發(fā)生矯直裂紋。可見，鋼的連鑄生產(chǎn)，既是凝固過(guò)程，也是塑性加工過(guò)程，溫度與組織相變的控制至關(guān)重要。

文章來(lái)源——金屬世界