連鑄大斷面矩形坯管式結晶器關鍵技術及應用

牟桂梅

（秦皇島首鋼長白機械有限責任公司，河北秦皇島 066311）

近年來，隨著國內大斷面尺寸鋼材需求的增長，大斷面連鑄機不斷增加，連鑄坯斷面規格不斷增大，同時對大斷面連鑄坯質量的要求也在逐步提高。結晶器是連鑄機的關鍵部件，鋼液注入結晶器經強制冷卻形成一定厚度的凝固坯殼。目前國內大斷面矩形坯連鑄生產中大量使用管式結晶器，相比組合式結晶器具有冷卻均勻、設備結構簡單和質量輕的特點。連鑄大斷面矩形坯管式結晶器主要澆鑄優質鋼和合金鋼，如軸承鋼、彈簧鋼、重軌鋼、硬線鋼、合金結構鋼等鋼種。

大斷面矩形坯是指寬邊大于250 mm，長邊小于450 mm 的連鑄坯，如規格為280 mm×380 mm；或長邊大于250 mm 且長寬邊之比大于2 的連鑄坯，如150 mm×380 mm，目前矩形坯管式結晶器最大斷面達到180 mm×570 mm。由于大斷面矩形坯尺寸較大，管式結晶器銅管壁厚相對較薄，銅管壁面易于產生變形，降低使用壽命；提高連鑄機拉坯速度，鑄坯容易產生鼓肚變形、裂紋、漏鋼等連鑄坯缺陷。解決辦法是對大斷面矩形坯結晶器特性參數、冷卻參數、足輥結構關鍵技術優化設計，在連鑄生產中取得較好的使用效果，有效提高連鑄機拉坯速度、鑄坯質量和連鑄生產效率。

1 優化結晶器特性參數

大斷面矩形坯結晶器銅管不同于普通方坯結晶器銅管，優化結晶器特性參數關鍵是優化設計銅管材質、壁厚、圓角半徑、倒錐度和銅管支撐形式，以提高銅管傳熱效率。

1.1 銅管材質

采用含銀量0.1%的銀銅，銀銅導熱性好，再結晶溫度高，抗熱疲勞強度高，耐磨性好，使用壽命長。銀銅再結晶溫度約在300 ℃，能提高銅管的軟化溫度，由于銀銅經冷加工后具有較高的強度和剛度，使銅管不易變形，提高了使用壽命。

1.2 銅管壁厚

管式結晶器銅管壁厚直接影響結晶器傳熱，根據澆鑄結晶器鑄坯斷面規格、銅管受力變形及結晶器傳熱情況綜合考慮。如壁厚較薄，銅管在結晶器水壓和熱應力共同作用下會產生較大變形；如壁厚較厚，結晶器傳熱使銅管熱面溫度超過軟化溫度，引起銅管與坯殼粘結或導致銅管變形。應合理選擇銅管壁厚，壁厚足夠可保證銅管使用過程中的剛度，同時利于水縫尺寸均勻性，大斷面矩形坯管式結晶器銅管壁厚選擇18～25 mm。

1.3 銅管圓角半徑

結晶器銅管內腔圓角半徑的尺寸對鑄坯質量有較大影響，若內圓角半徑大，角部坯殼薄且易出現縱裂；若內圓角半徑小，易在偏離角部出現內裂。目前國內大斷面矩形坯管式結晶器內圓角半徑一般選擇8～12 mm。

1.4 銅管倒錐度

為使澆鑄時凝固坯殼與銅管內壁良好接觸，減小氣隙,要求設計合理的銅管倒錐度及內腔形狀，倒錐度與鑄坯斷面尺寸、拉速及澆注鋼種的含碳量有關，目前國內大斷面矩形坯銅管內腔形狀通常為拋物線、多錐度等，使鑄坯在結晶器內形成最佳的坯殼厚度。優化銅管倒錐度，能使氣隙熱阻顯著下降，提高結晶器冷卻效果，提高拉速時可有效防止和減少縱向裂紋，減少漏鋼事故，有利于提高鑄坯質量。

1.5 銅管支撐形式

大斷面矩形坯結晶器銅管結構簡單，易于制造和維護，但價格較高，為降低生產成本，要求一次性使用壽命長，由于銅管管壁相對較薄，使用過程中銅管上下兩端管壁容易向內凸起變形，直接影響銅管使用壽命。采取措施是設計內止口結晶器，即在銅管上下兩端口部設計內止口結構，通過銅管與密封法蘭的止口配合，實現銅管上下兩端定位，有效支撐銅管內腔口部，達到減小銅管變形量，如圖1中Ⅰ、Ⅱ放大視圖所示。

圖1 大斷面矩形坯管式結晶器總成裝配

內止口結晶器定位精度高，對中性好，能有效解決結晶器銅管上下兩端口部變形問題,保證結晶器銅管內腔倒錐度曲線不變，減緩銅管倒錐度的磨損，提高結晶器銅管的壽命,同時銅管內止口結構裝配精度高，有效保證水縫的整體均勻性，使銅管全長均勻傳熱，熱交換效率高,有效保證高拉速,增加過鋼量。

2 優化結晶器冷卻參數

大斷面矩形坯結晶器采用水縫管式結構,通過結晶器銅管和導流水套之間形成的縫隙作為冷卻水通道,用以帶走鋼液凝固時釋放的熱量并冷卻結晶器銅管。優化結晶器冷卻參數關鍵是優化設計水縫寬度、水縫定位結構、結晶器冷卻水，保證結晶器銅管具有高冷卻強度且冷卻均勻,提高結晶器冷卻效率。

2.1 水縫寬度

優化水縫寬度，利于降低結晶器銅管熱面溫度及減少銅管變形。目前大斷面矩形坯管式結晶器采用窄水縫，水縫寬度為4±0.2mm，窄水縫可提高冷卻水流速，水縫均勻有利于銅管冷卻強度一致性，使鑄坯均勻凝固。

2.2 水縫定位結構

優化設計水縫定位結構，利于控制導流水套內腔形狀及尺寸精度。目前大斷面矩形坯管式結晶器普遍采用焊接式導流水套，水套長寬尺寸大使管壁易于變形，同時水套焊接處使管壁鼓肚變形，均使冷卻水流速局部降低，導致相應部位銅管表面溫度顯著提高，影響鑄坯質量。

解決辦法是在水套管壁外側設計環形加強筋，加強水套管壁強度，保證水套內腔尺寸精度，同時在銅管寬面部位設計銅管固定螺栓結構，螺栓一端與銅管端聯接，另一端與水套端固定，銅管和水套之間的調整螺釘使水縫寬度可調，實現加強銅管寬面強度，減小銅管變形，水縫尺寸均勻。銅管固定螺栓結構如圖1中B-B、Ⅲ放大視圖所示。

2.3 結晶器冷卻水

水縫式結晶器采用閉路循環冷卻方式,鋼液在結晶器內形成凝固坯殼時所放出的熱量主要是由冷卻水帶走,結晶器冷卻水流速、壓力、流量及水質直接影響冷卻強度,要嚴格控制控制結晶器水壓、水流量、水質和水溫差,確保有足夠的冷卻強度。

（1）水流速。冷卻水流速對結晶器冷卻效果影響很大，連鑄生產中要求水流速達到10～12m/s，流速大使冷卻強度增強。

（2）水壓力。結晶器進水壓力一般為0.8～1.0 MPa，優化冷卻水壓力，可提高水流速，降低結晶器銅管熱面溫度，減少銅管熱變形，冷卻水壓力不足會導致冷卻水局部沸騰，造成冷卻不均。

（3）水流量。結晶器水流量大小取決于斷面、鋼種和拉速,當水流速確定后，水流量主要與水縫面積有關，選擇最佳的結晶器冷卻水量，使銅管上下的溫度分布均勻，溫差控制在2～6℃，保證澆注過程中的穩定性，保證鑄坯質量。增大結晶器冷卻水流量可相應提高冷卻強度，結晶器內耗水量過大，鑄坯會產生裂紋，過小又易造成鼓肚或漏鋼。結晶器水流量應根據鋼種、拉速調整。

（4）水質。結晶器冷卻水質要求：軟水PH=7～8，硬度小于1°Dh。避免銅管冷面有沉淀物和水垢，影響結晶器冷卻效果，以減少結晶器永久變形，提高銅管使用壽命。

2.4 結晶器進出水冷卻結構

大斷面矩形坯結晶器斷面較大，特別是長寬邊之比大于2的結晶器，要求結晶器冷卻水在銅管各面的進水水流速相同并且水流分布穩定，采用結晶器兩路進水、兩路出水方式，進出水口布置在銅管寬面方向，采用大容積進水腔，保證結晶器銅管冷卻強度足夠且冷卻均勻，使鑄坯坯殼厚度足夠且均勻，有效提高鑄坯質量。

3 優化結晶器足輥結構

大斷面矩形坯尺寸較大，在鋼液靜壓力作用下，結晶器下部出口鑄坯容易產生鼓肚變形，采取措施是在結晶器下部出口四周設計密排足輥和噴水冷卻結構，達到支撐和冷卻鑄坯。結晶器足輥設計2～3排，足輥直徑不小于100mm，輥間距設計合理，輥縫不超過80mm，并且足輥設計可調，調整范圍±5 mm，以消除足輥裝置加工及裝配誤差，保證結晶器對弧精度。通過鑄坯有效支撐和冷卻，提高鑄坯強度，有效避免鑄坯鼓肚和漏鋼，提高連鑄坯質量。

4 結論

連鑄生產實踐證明：通過對大斷面矩形坯管式結晶器特性參數、冷卻參數、足輥結構關鍵技術優化設計，有效避免鑄坯鼓肚和漏鋼，提高連鑄坯質量，同時有效提高連鑄機拉坯速度和連鑄生產效率，使用效果顯著。

[1]干勇.現代連續鑄鋼實用手冊[M].北京：冶金工業出版社，2010：203-208.

[2]編輯委員會.煉鋼-連鑄新技術800 問[M].北京：冶金工業出版社，2004：216-217.

[3]史宸興.實用連鑄冶金技術[M].北京：冶金工業出版社，2005:331-335.

[4]蔡開科.連鑄結晶器[M].北京：冶金工業出版社，2008：191-195.