結(jié)晶器銅板防熱裂技術(shù)措施

周 寧

（濟(jì)南鋼鐵股份有限公司 第三煉鋼廠，山東 濟(jì)南250101）

結(jié)晶器銅板防熱裂技術(shù)措施

周 寧

（濟(jì)南鋼鐵股份有限公司 第三煉鋼廠，山東 濟(jì)南250101）

隨著板坯連鑄機(jī)產(chǎn)能不斷提高，濟(jì)鋼第三煉鋼廠結(jié)晶器銅板所承受的熱負(fù)荷不斷增加，熱裂問(wèn)題日益嚴(yán)重，裂紋深度大多在6～8 mm。通過(guò)將結(jié)晶器銅板鍍層厚度采用階梯分布形式，優(yōu)化銅板母材導(dǎo)熱性能，銅板彎月面加開(kāi)X型冷卻水槽，浸入式水口改用4孔水口，裂紋深度均控制在2 mm以下，銅板單次過(guò)鋼量由2.2萬(wàn)t提高到6萬(wàn)t。

連鑄機(jī)；結(jié)晶器銅板；熱裂；鍍層；冷卻水槽

1 前言

熱裂問(wèn)題是影響高拉速連鑄機(jī)結(jié)晶器銅板使用壽命的主要原因之一。隨著濟(jì)鋼第三煉鋼廠2#、3#中薄板坯連鑄機(jī)產(chǎn)能不斷提高，拉速不斷提升，結(jié)晶器銅板所承受的熱負(fù)荷不斷增加，銅板熱裂問(wèn)題日益嚴(yán)重。拉速提高到2.8 m/min后，銅板平均裂紋深度6～8 mm，個(gè)別銅板裂紋深度超過(guò)10 mm，銅板平均單次過(guò)鋼量不足2.2萬(wàn)t，成為影響連鑄生產(chǎn)安全性、穩(wěn)定性的主要問(wèn)題，并造成生產(chǎn)成本增加。通過(guò)分析銅板熱裂紋產(chǎn)生的原因，從設(shè)備、工藝等角度制定了一系列針對(duì)性措施，實(shí)施后效果顯著，銅板裂紋平均深度控制在2 mm以下，銅板平均單次過(guò)鋼量提高到6萬(wàn)t以上。

2 銅板熱裂紋產(chǎn)生的原因

2.1 結(jié)晶器銅板熱裂情況

濟(jì)鋼第三煉鋼廠的2臺(tái)中薄板坯連鑄機(jī)設(shè)計(jì)形式為一機(jī)一流，鑄坯澆鑄斷面為135 mm×（950～1 550 mm，連鑄機(jī)半徑為5 m，最大拉速3 m/min。結(jié)晶器設(shè)計(jì)型式為組合式平直結(jié)晶器，銅板背部設(shè)有冷卻水槽，寬邊銅板尺寸為1 930 mm×1200 mm，厚度最大為40 mm，再加工后最小可用厚度為25 mm。銅板材質(zhì)為Cu-Cr-Zr（鉻鋯銅），表面鍍Ni-Co（鎳鈷）。在投產(chǎn)初期，連鑄機(jī)拉速較低，銅板損壞形式主要為機(jī)械磨損。隨著2臺(tái)連鑄機(jī)生產(chǎn)的低碳鋼品種種類、數(shù)量的增多，平均拉速由1.8 m/min逐漸提高到2.8 m/min，并且隨著中間包快換等技術(shù)的掌握與應(yīng)用，結(jié)晶器作業(yè)率大幅度提高，結(jié)晶器銅板的熱負(fù)荷大大增加，銅板陸續(xù)出現(xiàn)熱裂現(xiàn)象，尤其以寬邊銅板彎月面部位熱裂最為嚴(yán)重。銅板熱裂問(wèn)題隨著高拉速（＞2.6 m/min）、小斷面（斷面寬度＜1 240 mm）的低碳鋼鋼種生產(chǎn)量的提高而日益加劇，裂紋深度大多在6～8 mm，個(gè)別銅板裂紋深度超過(guò)10 mm，單次過(guò)鋼量不足2.2萬(wàn)t。由于銅板可刨削量?jī)H為15 mm，造成大量銅板在短期內(nèi)報(bào)廢，增加了生產(chǎn)成本，同時(shí)也形成安全隱患。

2.2 結(jié)晶器銅板熱裂紋產(chǎn)生原因

連鑄生產(chǎn)過(guò)程中，結(jié)晶器銅板表面與背面存在著很大的溫度梯度，即存在較大的熱應(yīng)力，鉻鋯銅合金銅板是多晶體金屬，在熱應(yīng)力及外力的作用下，銅板高溫區(qū)的晶粒發(fā)生了沿晶界的滑動(dòng)，造成晶粒破碎并沿力的方向被拉長(zhǎng)，晶界附近的空位成長(zhǎng)為空穴并連成一體，最終形成了裂紋［1］。

相關(guān)研究成果表明，薄板坯連鑄機(jī)結(jié)晶器銅板在寬度方向上的溫度與熱流密度的分布具有相似的規(guī)律性，距離彎月面越近，熱流的密度和溫度的波動(dòng)越大，越容易造成銅板被侵蝕［2］。用Fluent數(shù)學(xué)模擬軟件模擬澆鑄過(guò)程中結(jié)晶器內(nèi)鋼水的流動(dòng)狀況和流場(chǎng)分布可知，在水口傾角、孔徑不變的情況下，澆鑄速度越高，斷面越小，銅板彎月面處鋼水翻騰越劇烈，對(duì)銅板的沖刷越嚴(yán)重，銅板承受的熱負(fù)荷越大。

濟(jì)鋼第三煉鋼廠中薄板坯連鑄機(jī)結(jié)晶器銅板熱裂現(xiàn)象是伴隨著拉速提高而出現(xiàn)的，且裂紋部位均集中在寬邊銅板的彎月面處，其余部位未出現(xiàn)裂紋，斷面越小，拉速越高，銅板裂紋情況越嚴(yán)重，如生產(chǎn)拉速為2.8 m/min，斷面135 mm×1 050 mm鋼種的銅板彎月面處裂紋較長(zhǎng)較寬；生產(chǎn)拉速為2.5～2.6 m/min，斷面為135 mm×1 280 mm鋼種的銅板彎月面處裂紋較細(xì)；生產(chǎn)拉速為2.1～2.3 m/min，斷面為135 mm×1 550 mm鋼種的銅板彎月面處基本不會(huì)產(chǎn)生熱裂紋。從銅板背面水槽顏色看，生產(chǎn)過(guò)拉速高、斷面小的鋼種的銅板彎月面處背面水槽顏色為深藍(lán)色，有明顯的過(guò)燒現(xiàn)象。結(jié)合薄板坯連鑄機(jī)熱流密度分析計(jì)算等理論與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用情況，可以判定，連鑄機(jī)提高拉速后，鋼水溫度高，結(jié)晶器銅板熱負(fù)荷增大，銅板彎月面處受到過(guò)高熱應(yīng)力反復(fù)作用，是出現(xiàn)大量熱裂紋的主要原因。

3 防止銅板熱裂的措施

3.1 鍍層形式的改造

由于Ni-Co鍍層的導(dǎo)熱系數(shù)［68.9 W/（m·K）］要遠(yuǎn)低于鉻鋯銅的導(dǎo)熱系數(shù)［350 W/（m·K）］，鍍層較厚會(huì)影響散熱效果，導(dǎo)致銅板局部溫度過(guò)高。原設(shè)計(jì)銅板鍍層厚度為0.5～1.5 mm，線性分布，銅板彎月面處鍍層厚度超過(guò)0.5 mm。為改善該處的導(dǎo)熱情況，鍍層采用階梯分布形式。沿銅板高度方向從上到下，0～150 mm區(qū)域無(wú)鍍層，150～400 mm區(qū)域鍍層厚度為0.2～0.3 mm，400～700 mm區(qū)域鍍層厚度為0.8～0.9 mm，700～1200 mm區(qū)域鍍層厚度為1.4～1.5 mm。該結(jié)構(gòu)形式的鍍層大大增強(qiáng)了銅板彎月面處的導(dǎo)熱性。

3.2 優(yōu)化銅板母材導(dǎo)熱性能

1）在真空熔煉時(shí)對(duì)母材成分進(jìn)行調(diào)整。在冶煉時(shí)加入適量的稀土元素，提高母材的晶粒細(xì)化程度，從而提高銅板母材的熱導(dǎo)率，熱導(dǎo)率由350 W/（m·K）提高到365～370 W/（m·K）；其次是在真空冶煉澆鑄時(shí)調(diào)整銅液的澆鑄溫度，提高銅板的質(zhì)量，并對(duì)澆鑄的銅錠熱收縮要求進(jìn)一步提高；在熱鍛時(shí)，保持銅錠的爐內(nèi)外加熱溫度穩(wěn)定，進(jìn)一步細(xì)化工藝控制參數(shù)來(lái)確保母材質(zhì)量的穩(wěn)定。

2）采用銀銅材質(zhì)的銅板。銀銅銅板Ag含量約為0.09%，熱導(dǎo)率為377 W/（m·K），高于鉻鋯銅的350 W/（m·K），導(dǎo)熱性能良好。銀銅銅板硬度（90～105 HB）低于鉻鋯銅（125 HB），實(shí)踐表明，該硬度滿足中薄板坯連鑄生產(chǎn)的實(shí)際需要。

3.3 銅板冷卻水槽的改造

生產(chǎn)時(shí)，鋼水液面距銅板的上口約80 mm，銅板該部位背面由于存在加工倒角，冷卻水槽較淺，并且彎月面背面上下兩排螺紋孔之間部位無(wú)冷卻水槽，冷卻效果差，該部位銅板有明顯過(guò)燒現(xiàn)象。通過(guò)將銅板上部水槽的圓弧半徑由原來(lái)的125 mm改為60 mm，增加彎月面部位銅板水槽深度，并在銅板彎月面部位上下兩排螺紋孔之間加開(kāi)X型冷卻水槽，以提高冷卻效果。

3.4 結(jié)晶器內(nèi)鋼水流場(chǎng)的改善

因?yàn)榈吞间撓盗械囊合嗑€溫度在1 530℃，比中碳鋼系列1 520℃的液相線溫度偏高10℃，而且小斷面時(shí)浸入式水口的鋼流出口速度偏快，結(jié)晶器彎月面處鋼液面高低差大，因此小斷面下的寬面銅板彎月面部位要承受更大的熱負(fù)荷。改變浸入式水口的設(shè)計(jì)，在生產(chǎn)小斷面SPHC2低碳鋼系列時(shí)不再使用3孔水口，而改用4孔水口。4孔水口的優(yōu)點(diǎn)是液位波動(dòng)較小，可有效減緩水口流出的鋼水對(duì)寬面銅板兩端（靠近窄面銅板150～200 mm部位）渣線部位的沖刷，降低銅板的熱負(fù)荷。另外，4孔水口的流場(chǎng)更加合理，可以將適當(dāng)比例的高溫鋼水輸送到水口周?chē)娜鄢匾好娓浇龠M(jìn)該區(qū)域保護(hù)渣的融化和流入，為銅板與坯殼的保護(hù)渣渣膜均勻性創(chuàng)造更好條件，穩(wěn)定了結(jié)晶器內(nèi)部的熱力場(chǎng)分布，也有利于降低銅板熱負(fù)荷。

4 結(jié)語(yǔ)

采取一系列防止熱裂的措施后，銅板裂紋情況得到了明顯改善。從銅板背面水槽的顏色看，水槽部位顏色基本接近銅板母材原色，充分說(shuō)明銅板冷卻效果有所提高。銅板壽命顯著提高，單次過(guò)鋼量由不足2.2萬(wàn)t提高到6萬(wàn)t。裂紋深度顯著降低，無(wú)論是改良型鉻鋯銅材質(zhì)還是銀銅材質(zhì)銅板，裂紋深度均控制在2 mm以下。

［1］ 王隆壽.結(jié)晶器銅板熱裂紋原因及對(duì)策［J］.寶鋼技術(shù)，1995（1）：20-27.

［2］ 張慧，陶紅標(biāo)，劉愛(ài)強(qiáng)，等.薄板坯連鑄結(jié)晶器銅板溫度及熱流密度分布［J］.鋼鐵，2005，40（7）：25-27.

Technical Measures for Preventing Thermal Cracking of Mould Copper Plates

ZHOU Ning
（The No.3 Steelmaking Plant of Jinan Iron and Steel Co.,Ltd.,Jinan 250101,China）

The heat load borne by mould copper plate for thin slab continuous casting in No.3 Steelmaking Plant of Jinan Steel increased with the productivity increase.Then thermal crack was increasingly serious and the crack depth was 6 mm to 8 mm mostly.Through some technological measures,such as forming steps distribution of the copper plate coating,optimizing thermal conductivity of the copper plate of slab bold,adding some X-type cooling flumes in copper plate meniscus and using four-hole SEN,the crack depth was controlled under 2 mm and total amount of casting steel per time improved to 60 thousand tons from 22 thousand tons.

slab caster;mould copper plate;thermal crack;coating;cooling flume

TF341.6

B

1004-4620（2010）04-0018-02

2009-11-16

周寧，男，1977年生，2001年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程專業(yè)?，F(xiàn)為濟(jì)鋼第三煉鋼廠機(jī)動(dòng)科工程師，從事連鑄機(jī)機(jī)械技術(shù)工作。