结晶器铜板防热裂技术措施

周 宁

（济南钢铁股份有限公司 第三炼钢厂，山东 济南250101）

结晶器铜板防热裂技术措施

周 宁

（济南钢铁股份有限公司 第三炼钢厂，山东 济南250101）

随着板坯连铸机产能不断提高，济钢第三炼钢厂结晶器铜板所承受的热负荷不断增加，热裂问题日益严重，裂纹深度大多在6～8 mm。通过将结晶器铜板镀层厚度采用阶梯分布形式，优化铜板母材导热性能，铜板弯月面加开X型冷却水槽，浸入式水口改用4孔水口，裂纹深度均控制在2 mm以下，铜板单次过钢量由2.2万t提高到6万t。

连铸机；结晶器铜板；热裂；镀层；冷却水槽

1 前言

热裂问题是影响高拉速连铸机结晶器铜板使用寿命的主要原因之一。随着济钢第三炼钢厂2#、3#中薄板坯连铸机产能不断提高，拉速不断提升，结晶器铜板所承受的热负荷不断增加，铜板热裂问题日益严重。拉速提高到2.8 m/min后，铜板平均裂纹深度6～8 mm，个别铜板裂纹深度超过10 mm，铜板平均单次过钢量不足2.2万t，成为影响连铸生产安全性、稳定性的主要问题，并造成生产成本增加。通过分析铜板热裂纹产生的原因，从设备、工艺等角度制定了一系列针对性措施，实施后效果显著，铜板裂纹平均深度控制在2 mm以下，铜板平均单次过钢量提高到6万t以上。

2 铜板热裂纹产生的原因

2.1 结晶器铜板热裂情况

济钢第三炼钢厂的2台中薄板坯连铸机设计形式为一机一流，铸坯浇铸断面为135 mm×（950～1 550 mm，连铸机半径为5 m，最大拉速3 m/min。结晶器设计型式为组合式平直结晶器，铜板背部设有冷却水槽，宽边铜板尺寸为1 930 mm×1200 mm，厚度最大为40 mm，再加工后最小可用厚度为25 mm。铜板材质为Cu-Cr-Zr（铬锆铜），表面镀Ni-Co（镍钴）。在投产初期，连铸机拉速较低，铜板损坏形式主要为机械磨损。随着2台连铸机生产的低碳钢品种种类、数量的增多，平均拉速由1.8 m/min逐渐提高到2.8 m/min，并且随着中间包快换等技术的掌握与应用，结晶器作业率大幅度提高，结晶器铜板的热负荷大大增加，铜板陆续出现热裂现象，尤其以宽边铜板弯月面部位热裂最为严重。铜板热裂问题随着高拉速（＞2.6 m/min）、小断面（断面宽度＜1 240 mm）的低碳钢钢种生产量的提高而日益加剧，裂纹深度大多在6～8 mm，个别铜板裂纹深度超过10 mm，单次过钢量不足2.2万t。由于铜板可刨削量仅为15 mm，造成大量铜板在短期内报废，增加了生产成本，同时也形成安全隐患。

2.2 结晶器铜板热裂纹产生原因

连铸生产过程中，结晶器铜板表面与背面存在着很大的温度梯度，即存在较大的热应力，铬锆铜合金铜板是多晶体金属，在热应力及外力的作用下，铜板高温区的晶粒发生了沿晶界的滑动，造成晶粒破碎并沿力的方向被拉长，晶界附近的空位成长为空穴并连成一体，最终形成了裂纹［1］。

相关研究成果表明，薄板坯连铸机结晶器铜板在宽度方向上的温度与热流密度的分布具有相似的规律性，距离弯月面越近，热流的密度和温度的波动越大，越容易造成铜板被侵蚀［2］。用Fluent数学模拟软件模拟浇铸过程中结晶器内钢水的流动状况和流场分布可知，在水口倾角、孔径不变的情况下，浇铸速度越高，断面越小，铜板弯月面处钢水翻腾越剧烈，对铜板的冲刷越严重，铜板承受的热负荷越大。

济钢第三炼钢厂中薄板坯连铸机结晶器铜板热裂现象是伴随着拉速提高而出现的，且裂纹部位均集中在宽边铜板的弯月面处，其余部位未出现裂纹，断面越小，拉速越高，铜板裂纹情况越严重，如生产拉速为2.8 m/min，断面135 mm×1 050 mm钢种的铜板弯月面处裂纹较长较宽；生产拉速为2.5～2.6 m/min，断面为135 mm×1 280 mm钢种的铜板弯月面处裂纹较细；生产拉速为2.1～2.3 m/min，断面为135 mm×1 550 mm钢种的铜板弯月面处基本不会产生热裂纹。从铜板背面水槽颜色看，生产过拉速高、断面小的钢种的铜板弯月面处背面水槽颜色为深蓝色，有明显的过烧现象。结合薄板坯连铸机热流密度分析计算等理论与现场实际使用情况，可以判定，连铸机提高拉速后，钢水温度高，结晶器铜板热负荷增大，铜板弯月面处受到过高热应力反复作用，是出现大量热裂纹的主要原因。

3 防止铜板热裂的措施

3.1 镀层形式的改造

由于Ni-Co镀层的导热系数［68.9 W/（m·K）］要远低于铬锆铜的导热系数［350 W/（m·K）］，镀层较厚会影响散热效果，导致铜板局部温度过高。原设计铜板镀层厚度为0.5～1.5 mm，线性分布，铜板弯月面处镀层厚度超过0.5 mm。为改善该处的导热情况，镀层采用阶梯分布形式。沿铜板高度方向从上到下，0～150 mm区域无镀层，150～400 mm区域镀层厚度为0.2～0.3 mm，400～700 mm区域镀层厚度为0.8～0.9 mm，700～1200 mm区域镀层厚度为1.4～1.5 mm。该结构形式的镀层大大增强了铜板弯月面处的导热性。

3.2 优化铜板母材导热性能

1）在真空熔炼时对母材成分进行调整。在冶炼时加入适量的稀土元素，提高母材的晶粒细化程度，从而提高铜板母材的热导率，热导率由350 W/（m·K）提高到365～370 W/（m·K）；其次是在真空冶炼浇铸时调整铜液的浇铸温度，提高铜板的质量，并对浇铸的铜锭热收缩要求进一步提高；在热锻时，保持铜锭的炉内外加热温度稳定，进一步细化工艺控制参数来确保母材质量的稳定。

2）采用银铜材质的铜板。银铜铜板Ag含量约为0.09%，热导率为377 W/（m·K），高于铬锆铜的350 W/（m·K），导热性能良好。银铜铜板硬度（90～105 HB）低于铬锆铜（125 HB），实践表明，该硬度满足中薄板坯连铸生产的实际需要。

3.3 铜板冷却水槽的改造

生产时，钢水液面距铜板的上口约80 mm，铜板该部位背面由于存在加工倒角，冷却水槽较浅，并且弯月面背面上下两排螺纹孔之间部位无冷却水槽，冷却效果差，该部位铜板有明显过烧现象。通过将铜板上部水槽的圆弧半径由原来的125 mm改为60 mm，增加弯月面部位铜板水槽深度，并在铜板弯月面部位上下两排螺纹孔之间加开X型冷却水槽，以提高冷却效果。

3.4 结晶器内钢水流场的改善

因为低碳钢系列的液相线温度在1 530℃，比中碳钢系列1 520℃的液相线温度偏高10℃，而且小断面时浸入式水口的钢流出口速度偏快，结晶器弯月面处钢液面高低差大，因此小断面下的宽面铜板弯月面部位要承受更大的热负荷。改变浸入式水口的设计，在生产小断面SPHC2低碳钢系列时不再使用3孔水口，而改用4孔水口。4孔水口的优点是液位波动较小，可有效减缓水口流出的钢水对宽面铜板两端（靠近窄面铜板150～200 mm部位）渣线部位的冲刷，降低铜板的热负荷。另外，4孔水口的流场更加合理，可以将适当比例的高温钢水输送到水口周围的熔池液面附近，促进该区域保护渣的融化和流入，为铜板与坯壳的保护渣渣膜均匀性创造更好条件，稳定了结晶器内部的热力场分布，也有利于降低铜板热负荷。

4 结语

采取一系列防止热裂的措施后，铜板裂纹情况得到了明显改善。从铜板背面水槽的颜色看，水槽部位颜色基本接近铜板母材原色，充分说明铜板冷却效果有所提高。铜板寿命显著提高，单次过钢量由不足2.2万t提高到6万t。裂纹深度显著降低，无论是改良型铬锆铜材质还是银铜材质铜板，裂纹深度均控制在2 mm以下。

［1］ 王隆寿.结晶器铜板热裂纹原因及对策［J］.宝钢技术，1995（1）：20-27.

［2］ 张慧，陶红标，刘爱强，等.薄板坯连铸结晶器铜板温度及热流密度分布［J］.钢铁，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

周宁，男，1977年生，2001年毕业于哈尔滨工业大学机械电子工程专业。现为济钢第三炼钢厂机动科工程师，从事连铸机机械技术工作。