周长可调式多边形结晶器和铜板的研发与设计

赵家亮

（西峡龙成特种材料有限公司，河南 南阳 473000）

结晶器是钢坯连续铸造生产过程中的重要部件，它承接着从中间罐注入的钢水，并使钢水凝固成坚固的坯壳，可以有效地避免铸锭带在向二次冷却带移动时出现跑钢的现象［1-2］。结晶器也是钢水由液态转变为固态的第一步，它的结构、材质和性能参数对铸坯质量和连铸机能否正常运行都起着决定性的作用。传统的结晶器使用的是固定不可调的铸钢锭模，由于其结构的局限性，一方面造成冷却速度小、钢锭凝固周期长等客观原因，致使铸态组织不可避免地存在严重的偏析、疏松和伴生的夹杂物聚集等缺陷，同时因其钢锭模尺寸不可调，造成锭模不能充分利用，闲置率高，而多种规格的锭模无疑又加大了钢锭模的投入，大幅增加了生产成本，不利于节约能源，提高设备利用率，一度成为钢铁行业发展过程中的瓶颈，许多公司针对该问题都做了大量的工作，但是到目前为止效果并不理想。

铜板是结晶器的关键性组成部件，它的性能也决定了结晶器的使用寿命。另外，在结晶器的外面还加有冷却水套。这种结构就使得在连铸过程中，结晶器铜板的工作表面要与高温钢液（1 530～1 570℃）相接触，而背面却与30～40℃的冷却水接触，这就使铜板两面存在很大的温度梯度和热应力，在拉坯引锭过程中坯壳与铜板之间会存在很大的摩擦力。因此，为了获得合格的铸坯、延长结晶器寿命和降低生产成本，铜板的选材和表面处理是很重要的。常见的铜板表面改性一般采用电镀、化学镀、电铸、复合铸、热喷涂和高温自蔓延等方法，但是铜板电镀单一层容易造成结晶器铜板在渣线部位出现龟裂、剥落，铜板下部不耐磨等缺陷；常用的热喷涂方法使喷涂的结合强度低，易掉块，缩短了结晶器铜板的使用寿命，性能价格比较低，铜板的更换频率较高，降低了连铸机的作业率。镀层材质通常选用：铬、镍、镍铬合金、镍铁合金、钴镍合金等，这些材料在高拉速连铸结晶器的使用过程中，磨损大，受热易疲劳，并容易造成铜板非计划下线，影响结晶器铜板的寿命，使结晶器铜板修复次数增加，打乱了连铸机正常生产的运转规律等。本文初次设计了周长可调式多边形结晶器，可以适应更多规格的浇铸要求，在一套结晶器设备上就能够生产出多种规格的铸锭；本文也对结晶器铜板表面处理方法进行了改进，更能满足连铸的高速化、大型化和在线调宽、流动控制等技术的发展。

1 周长可调式结晶器

直径可调、周长可以变化的多边形结晶器由锭模底板和设置在锭模底板上的结晶器本体构成。图1给出了该可调式多边形结晶器的俯视图，图2 给出了该可调式多边形结晶器的A-A向的剖视图。该可调式多边形结晶器的结构如下所述：锭模底板内设置有与模腔连通的浇注通道；结晶器本体由多块活动连接的改变结晶器周长的专用冷却铜板单元组成，这些冷却铜板单元中至少有一块的长度是可调的，而且多块活动连接的冷却铜板单元之中的一块或多块是可以更换的，并在结晶器本体的上部设置有保温帽，冷却铜板单元包括冷却铜板单元本体和连接机构，所述连接机构包括设置在冷却铜板单元本体一侧的子连机构和另一侧的母连机构，子连机构包括冷却铜板单元本体内侧的凸起支撑面和外侧的卡箍辅助锁紧滑杆，该滑杆设置在冷却铜板单元子连机构外侧的螺柱上，母连机构包括设置在冷却铜板单元本体内侧的凹陷贴合面和外侧的卡箍辅助锁紧滑槽，该滑槽设置在冷却铜板单元母连机构外侧的环形槽。子连机构内的凸起支撑面和母连机构的凹陷贴合面相配合，子连机构内的卡箍辅助锁紧滑杆和母连机构的卡箍辅助锁紧滑槽相配合。

连铸结晶器直径由固定变为可调主要通过以下步骤的配合来完成，连接机构内的子连机构上的卡箍辅助锁紧滑杆和母连机构上的卡箍辅助锁紧滑槽相配合，通过松开或者锁紧连接件（通常选择打开远离浇注的任意两个相邻的冷却铜板单元的连接机构），调节相邻冷却铜板单元夹角的目的，从而可以在结晶器冷却铜板单元原有数量的基础上，适当增设一块或多块相同的冷却铜板单元或者减少一块或多块冷却铜板单元，并通过安装冷却铜板单元上的连接机构，形成四周封闭的结晶器模板，同时也实现了结晶器直径的调节过程。例如：等宽的十边形冷却铜板单元结晶器，可以通过打开任意四块冷却铜板单元之间的连接机构与其他不同的四块冷却铜板单元互换，并通过调整松动后的冷却铜板单元之间的夹角，新增理想数量的冷却铜板单元，这里选择增设三块相同的冷却铜板单元，之后进一步调整冷却铜板单元之间的角度，使它们更接近于正十三边形，然后锁紧相邻冷却铜板单元之间的连接机构，这就使原来的正十边形结晶器变成了正十三边形的结晶器，周长也相应地增加。

该结构的结晶器可以适应更多规格的浇铸要求，一套结晶器设备能够生产多种规格的铸锭，而且此设备改变了传统圆形水冷模铸结晶器的凝固机理，明显提高了钢锭浇注质量，并且可以实现多组冷却器的任意组合，浇注钢锭直径实现了可调性，从而实现了圆形铸锭设备既能提高钢锭浇注质量，又降低了设备的投入成本，提高作业效率；同时，该结晶器结构简单、紧凑、易于制造，拆装方便、调整容易，冷却水路能自行接通、可以实现快速更换，自重小，可以有效减小结晶器振动时的惯性力和振动装置的驱动功率，使结晶器振动平稳。

2 铜板表面处理

铜板是结晶器的最关键部件，在连铸过程中铜板既承受着高温钢水的静压力又承担着坯壳相对运动产生的机械应力和热应力的综合作用，其工作的条件相当恶劣，导致铜板容易产生热裂纹、气蚀以及大的温度梯度引起的变形等。所以，应用于结晶器内的铜板要求具有以下性能：①具有良好的导热性，以使钢水快速冷凝成一定厚度的坯壳。②具有良好的耐磨性，以延长结晶器的寿命，减少维修工作量和更换结晶器的时间，提高连铸机的作业率。③具有足够的刚度，特别在激冷激热、温度梯度大的情况下有小的变形，否则铜板会产生大的变形，并在铜板表面或冷却水槽的底部产生龟裂，严重者导致冷却水与钢液接触，引发事故。

2.1 镀层材料的选择

图1 可调式多边形结晶器的俯视图

图2 可调式多边形结晶器A-A向的剖视图

本文采用CuZr 合金（包含0.12%～0.18%质量的金属锆，0.03%～0.05%质量的脱氧剂金属镁，99.77%～99.85%质量的金属铜）作为结晶器铜板的母材，其热处理态布氏硬度达到90～110HB，抗拉强度达到280～310MPa，延伸率达到18%～25%，导电率可达到53～54。这些优良的特性使连铸机结晶器铜板导热性好、耐磨性好、强度高。但是，裸铜板在长期恶劣条件下存在一定的问题。因此，一般对结晶器的表面进行改性，避免结晶器铜板上产生星状裂纹，防止铜渗入到铸坯之中导致铸坯表面的铜含量增加，还要防止不锈钢、高碳钢、高合金钢的裂纹敏感性，以及增强铜板表面润滑性防止粘钢等问题，进一步提高铜板硬度、耐磨度等性能。

常规的镀膜材料有Cr、Ni、Ni-Fe、Ni-Co、Co-Ni，在高拉速连铸结晶器的试用过程中，这些镀膜材料存在着磨损大，受热易疲劳，造成铜板非计划下线，结晶器铜板修复次数增加，寿命缩短等问题。显然这些常规的镀层已不能满足钢铁企业的需求。本文选择的是镍基合金（如Ni-P合金）作为镀层材料，该镀层材料的膨胀系数与铜基材料较接近，使镀层不易脱落，而且在工作温度下Ni-P合金镀层具有优异的红硬性、耐磨性和热疲劳性，对于提高结晶器的使用寿命具有重要的应用价值。

2.2 镀膜方法的优化

结晶器铜板镀层质量的好坏主要通过它的强度、硬度、耐磨性、导热性和热力性进行衡量，可见除了镀层材料的选择，其镀膜技术水平的高低也是相当重要的。针对现有技术的不足，本文对结晶器铜板镀膜方法进行了优化，以满足目前钢铁行业的发展需求。

2.2.1 电镀法

采用自制特殊的电解槽将结晶器铜板上下镀层一次电镀成型，通过在电解槽内增设隔离膜，将电解槽隔离成两个区域，从而使得铜板的上下两部分可以同时电镀不同的镀层，即：铜板上表面为耐高温镀层，下表面为抗磨镀层；且该操作程序简单，上下两部分之间的过渡层可以很好地衔接，不存在明显的结合线，有效保证了整个镀层的一体化。这样制备的铜板很好地与连铸结晶器的实际工作情况相符合，解决了现有技术中铜板上全部电镀单一镀膜材料存在的问题，避免了铜板上部因为热应力大导致的龟裂和剥落现象，同时也避免了铜板下部镀层不耐磨的情况，有利于延长铜板的使用寿命，降低了维修费用和工作量，提高连铸机的作业率和板坯质量，保障了连铸机的长期正常运作。

2.2.2 热喷涂法

采用超音速喷涂连铸结晶器铜板的步骤如下：首先采用常规清理工序对连铸结晶器铜板的表面进行清洁和喷砂处理，以增加喷涂层与基材的结合力；再在结晶器铜板的四周边安装与铜板工作面成90～180°的护板，一是用来阻挡铜板边缘喷涂镍基合金的飞溅，二是用来延伸铜板边缘的宽度，避免铜板边缘喷涂层的厚度低于中间喷涂层的厚度，尽量使喷涂层的厚度均匀，这样有利于节约喷涂的原料，同时可以提高铜板的质量；之后将镍基合金粉（如：NiCrBSi合金粉）喷涂料装入超音速火焰喷涂设备中，按照常规工序对结晶器铜板的表面进行喷涂；再将喷涂有镍基合金的结晶器铜板置于800～950℃下保温0.5～3 h，进行熔融扩散真空热处理，并在氮气、氩气或氦气的气氛下进行冷却过程，有利于喷涂层与母材产生互溶扩散层，改变现有技术中的机械黏结为互渗互溶的冶金黏结，使喷涂层内的机械黏结转变为冶金效果，降低了孔隙率使内部结构更致密，提高了喷涂层的结合强度，确保了喷涂层的喷涂质量；冷却后的结晶器铜板还要置于400～500℃下时效处理1～3 h。该喷涂方法工艺简单，易于操作，而且喷涂层厚度均匀，节约喷涂原料，喷涂层的结合能力强，使最终得到的结晶器铜板更耐磨。

3 结论

本文首次研发制备了周长可调式圆形结晶器，可以通过增加或减少冷却铜板单元的数量和改变相邻冷却铜板单元夹角，来实现结晶器直径的调节。该设计解决了由钢锭模尺寸不可调，造成锭模不能充分利用、闲置率高等问题，有利于降低生产成本，节约能源，提高设备利用率。本文还讨论了结晶器的重要部件铜板的选材和表面改性工艺的优化，解决了铜板单一镀膜的缺陷和传统热喷涂技术中喷涂层易脱落的难题。通过对结晶器和铜板的设计与改性，降低了工业生产成本，延长设备使用寿命，满足连铸机的高速化、大型化和在线调宽、流动控制等技术的需求。

［1］沙明红，郑贤淑.连续铸钢过程中结晶器的传热研究［J］.钢铁研究学报，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.