周長可調式多邊形結晶器和銅板的研發與設計

趙家亮

（西峽龍成特種材料有限公司，河南 南陽 473000）

結晶器是鋼坯連續鑄造生產過程中的重要部件，它承接著從中間罐注入的鋼水，并使鋼水凝固成堅固的坯殼，可以有效地避免鑄錠帶在向二次冷卻帶移動時出現跑鋼的現象［1-2］。結晶器也是鋼水由液態轉變為固態的第一步，它的結構、材質和性能參數對鑄坯質量和連鑄機能否正常運行都起著決定性的作用。傳統的結晶器使用的是固定不可調的鑄鋼錠模，由于其結構的局限性，一方面造成冷卻速度小、鋼錠凝固周期長等客觀原因，致使鑄態組織不可避免地存在嚴重的偏析、疏松和伴生的夾雜物聚集等缺陷，同時因其鋼錠模尺寸不可調，造成錠模不能充分利用，閑置率高，而多種規格的錠模無疑又加大了鋼錠模的投入，大幅增加了生產成本，不利于節約能源，提高設備利用率，一度成為鋼鐵行業發展過程中的瓶頸，許多公司針對該問題都做了大量的工作，但是到目前為止效果并不理想。

銅板是結晶器的關鍵性組成部件，它的性能也決定了結晶器的使用壽命。另外，在結晶器的外面還加有冷卻水套。這種結構就使得在連鑄過程中，結晶器銅板的工作表面要與高溫鋼液（1 530～1 570℃）相接觸，而背面卻與30～40℃的冷卻水接觸，這就使銅板兩面存在很大的溫度梯度和熱應力，在拉坯引錠過程中坯殼與銅板之間會存在很大的摩擦力。因此，為了獲得合格的鑄坯、延長結晶器壽命和降低生產成本，銅板的選材和表面處理是很重要的。常見的銅板表面改性一般采用電鍍、化學鍍、電鑄、復合鑄、熱噴涂和高溫自蔓延等方法，但是銅板電鍍單一層容易造成結晶器銅板在渣線部位出現龜裂、剝落，銅板下部不耐磨等缺陷；常用的熱噴涂方法使噴涂的結合強度低，易掉塊，縮短了結晶器銅板的使用壽命，性能價格比較低，銅板的更換頻率較高，降低了連鑄機的作業率。鍍層材質通常選用：鉻、鎳、鎳鉻合金、鎳鐵合金、鈷鎳合金等，這些材料在高拉速連鑄結晶器的使用過程中，磨損大，受熱易疲勞，并容易造成銅板非計劃下線，影響結晶器銅板的壽命，使結晶器銅板修復次數增加，打亂了連鑄機正常生產的運轉規律等。本文初次設計了周長可調式多邊形結晶器，可以適應更多規格的澆鑄要求，在一套結晶器設備上就能夠生產出多種規格的鑄錠；本文也對結晶器銅板表面處理方法進行了改進，更能滿足連鑄的高速化、大型化和在線調寬、流動控制等技術的發展。

1 周長可調式結晶器

直徑可調、周長可以變化的多邊形結晶器由錠模底板和設置在錠模底板上的結晶器本體構成。圖1給出了該可調式多邊形結晶器的俯視圖，圖2 給出了該可調式多邊形結晶器的A-A向的剖視圖。該可調式多邊形結晶器的結構如下所述：錠模底板內設置有與模腔連通的澆注通道；結晶器本體由多塊活動連接的改變結晶器周長的專用冷卻銅板單元組成，這些冷卻銅板單元中至少有一塊的長度是可調的，而且多塊活動連接的冷卻銅板單元之中的一塊或多塊是可以更換的，并在結晶器本體的上部設置有保溫帽，冷卻銅板單元包括冷卻銅板單元本體和連接機構，所述連接機構包括設置在冷卻銅板單元本體一側的子連機構和另一側的母連機構，子連機構包括冷卻銅板單元本體內側的凸起支撐面和外側的卡箍輔助鎖緊滑桿，該滑桿設置在冷卻銅板單元子連機構外側的螺柱上，母連機構包括設置在冷卻銅板單元本體內側的凹陷貼合面和外側的卡箍輔助鎖緊滑槽，該滑槽設置在冷卻銅板單元母連機構外側的環形槽。子連機構內的凸起支撐面和母連機構的凹陷貼合面相配合，子連機構內的卡箍輔助鎖緊滑桿和母連機構的卡箍輔助鎖緊滑槽相配合。

連鑄結晶器直徑由固定變為可調主要通過以下步驟的配合來完成，連接機構內的子連機構上的卡箍輔助鎖緊滑桿和母連機構上的卡箍輔助鎖緊滑槽相配合，通過松開或者鎖緊連接件（通常選擇打開遠離澆注的任意兩個相鄰的冷卻銅板單元的連接機構），調節相鄰冷卻銅板單元夾角的目的，從而可以在結晶器冷卻銅板單元原有數量的基礎上，適當增設一塊或多塊相同的冷卻銅板單元或者減少一塊或多塊冷卻銅板單元，并通過安裝冷卻銅板單元上的連接機構，形成四周封閉的結晶器模板，同時也實現了結晶器直徑的調節過程。例如：等寬的十邊形冷卻銅板單元結晶器，可以通過打開任意四塊冷卻銅板單元之間的連接機構與其他不同的四塊冷卻銅板單元互換，并通過調整松動后的冷卻銅板單元之間的夾角，新增理想數量的冷卻銅板單元，這里選擇增設三塊相同的冷卻銅板單元，之后進一步調整冷卻銅板單元之間的角度，使它們更接近于正十三邊形，然后鎖緊相鄰冷卻銅板單元之間的連接機構，這就使原來的正十邊形結晶器變成了正十三邊形的結晶器，周長也相應地增加。

該結構的結晶器可以適應更多規格的澆鑄要求，一套結晶器設備能夠生產多種規格的鑄錠，而且此設備改變了傳統圓形水冷模鑄結晶器的凝固機理，明顯提高了鋼錠澆注質量，并且可以實現多組冷卻器的任意組合，澆注鋼錠直徑實現了可調性，從而實現了圓形鑄錠設備既能提高鋼錠澆注質量，又降低了設備的投入成本，提高作業效率；同時，該結晶器結構簡單、緊湊、易于制造，拆裝方便、調整容易，冷卻水路能自行接通、可以實現快速更換，自重小，可以有效減小結晶器振動時的慣性力和振動裝置的驅動功率，使結晶器振動平穩。

2 銅板表面處理

銅板是結晶器的最關鍵部件，在連鑄過程中銅板既承受著高溫鋼水的靜壓力又承擔著坯殼相對運動產生的機械應力和熱應力的綜合作用，其工作的條件相當惡劣，導致銅板容易產生熱裂紋、氣蝕以及大的溫度梯度引起的變形等。所以，應用于結晶器內的銅板要求具有以下性能：①具有良好的導熱性，以使鋼水快速冷凝成一定厚度的坯殼。②具有良好的耐磨性，以延長結晶器的壽命，減少維修工作量和更換結晶器的時間，提高連鑄機的作業率。③具有足夠的剛度，特別在激冷激熱、溫度梯度大的情況下有小的變形，否則銅板會產生大的變形，并在銅板表面或冷卻水槽的底部產生龜裂，嚴重者導致冷卻水與鋼液接觸，引發事故。

2.1 鍍層材料的選擇

圖1 可調式多邊形結晶器的俯視圖

圖2 可調式多邊形結晶器A-A向的剖視圖

本文采用CuZr 合金（包含0.12%～0.18%質量的金屬鋯，0.03%～0.05%質量的脫氧劑金屬鎂，99.77%～99.85%質量的金屬銅）作為結晶器銅板的母材，其熱處理態布氏硬度達到90～110HB，抗拉強度達到280～310MPa，延伸率達到18%～25%，導電率可達到53～54。這些優良的特性使連鑄機結晶器銅板導熱性好、耐磨性好、強度高。但是，裸銅板在長期惡劣條件下存在一定的問題。因此，一般對結晶器的表面進行改性，避免結晶器銅板上產生星狀裂紋，防止銅滲入到鑄坯之中導致鑄坯表面的銅含量增加，還要防止不銹鋼、高碳鋼、高合金鋼的裂紋敏感性，以及增強銅板表面潤滑性防止粘鋼等問題，進一步提高銅板硬度、耐磨度等性能。

常規的鍍膜材料有Cr、Ni、Ni-Fe、Ni-Co、Co-Ni，在高拉速連鑄結晶器的試用過程中，這些鍍膜材料存在著磨損大，受熱易疲勞，造成銅板非計劃下線，結晶器銅板修復次數增加，壽命縮短等問題。顯然這些常規的鍍層已不能滿足鋼鐵企業的需求。本文選擇的是鎳基合金（如Ni-P合金）作為鍍層材料，該鍍層材料的膨脹系數與銅基材料較接近，使鍍層不易脫落，而且在工作溫度下Ni-P合金鍍層具有優異的紅硬性、耐磨性和熱疲勞性，對于提高結晶器的使用壽命具有重要的應用價值。

2.2 鍍膜方法的優化

結晶器銅板鍍層質量的好壞主要通過它的強度、硬度、耐磨性、導熱性和熱力性進行衡量，可見除了鍍層材料的選擇，其鍍膜技術水平的高低也是相當重要的。針對現有技術的不足，本文對結晶器銅板鍍膜方法進行了優化，以滿足目前鋼鐵行業的發展需求。

2.2.1 電鍍法

采用自制特殊的電解槽將結晶器銅板上下鍍層一次電鍍成型，通過在電解槽內增設隔離膜，將電解槽隔離成兩個區域，從而使得銅板的上下兩部分可以同時電鍍不同的鍍層，即：銅板上表面為耐高溫鍍層，下表面為抗磨鍍層；且該操作程序簡單，上下兩部分之間的過渡層可以很好地銜接，不存在明顯的結合線，有效保證了整個鍍層的一體化。這樣制備的銅板很好地與連鑄結晶器的實際工作情況相符合，解決了現有技術中銅板上全部電鍍單一鍍膜材料存在的問題，避免了銅板上部因為熱應力大導致的龜裂和剝落現象，同時也避免了銅板下部鍍層不耐磨的情況，有利于延長銅板的使用壽命，降低了維修費用和工作量，提高連鑄機的作業率和板坯質量，保障了連鑄機的長期正常運作。

2.2.2 熱噴涂法

采用超音速噴涂連鑄結晶器銅板的步驟如下：首先采用常規清理工序對連鑄結晶器銅板的表面進行清潔和噴砂處理，以增加噴涂層與基材的結合力；再在結晶器銅板的四周邊安裝與銅板工作面成90～180°的護板，一是用來阻擋銅板邊緣噴涂鎳基合金的飛濺，二是用來延伸銅板邊緣的寬度，避免銅板邊緣噴涂層的厚度低于中間噴涂層的厚度，盡量使噴涂層的厚度均勻，這樣有利于節約噴涂的原料，同時可以提高銅板的質量；之后將鎳基合金粉（如：NiCrBSi合金粉）噴涂料裝入超音速火焰噴涂設備中，按照常規工序對結晶器銅板的表面進行噴涂；再將噴涂有鎳基合金的結晶器銅板置于800～950℃下保溫0.5～3 h，進行熔融擴散真空熱處理，并在氮氣、氬氣或氦氣的氣氛下進行冷卻過程，有利于噴涂層與母材產生互溶擴散層，改變現有技術中的機械黏結為互滲互溶的冶金黏結，使噴涂層內的機械黏結轉變為冶金效果，降低了孔隙率使內部結構更致密，提高了噴涂層的結合強度，確保了噴涂層的噴涂質量；冷卻后的結晶器銅板還要置于400～500℃下時效處理1～3 h。該噴涂方法工藝簡單，易于操作，而且噴涂層厚度均勻，節約噴涂原料，噴涂層的結合能力強，使最終得到的結晶器銅板更耐磨。

3 結論

本文首次研發制備了周長可調式圓形結晶器，可以通過增加或減少冷卻銅板單元的數量和改變相鄰冷卻銅板單元夾角，來實現結晶器直徑的調節。該設計解決了由鋼錠模尺寸不可調，造成錠模不能充分利用、閑置率高等問題，有利于降低生產成本，節約能源，提高設備利用率。本文還討論了結晶器的重要部件銅板的選材和表面改性工藝的優化，解決了銅板單一鍍膜的缺陷和傳統熱噴涂技術中噴涂層易脫落的難題。通過對結晶器和銅板的設計與改性，降低了工業生產成本，延長設備使用壽命，滿足連鑄機的高速化、大型化和在線調寬、流動控制等技術的需求。

［1］沙明紅，鄭賢淑.連續鑄鋼過程中結晶器的傳熱研究［J］.鋼鐵研究學報，2007，19（3）：17-21.

［2］Samarasekera I V，Brimacombe J K.Thermal Field in Continuous Casting Mould［J］.Canadian Metallurgical Quarterly，1979,18（1）：251-266.