周長可調(diào)式多邊形結(jié)晶器和銅板的研發(fā)與設(shè)計

趙家亮

（西峽龍成特種材料有限公司，河南 南陽 473000）

結(jié)晶器是鋼坯連續(xù)鑄造生產(chǎn)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(xiàn)跑鋼的現(xiàn)象［1-2］。結(jié)晶器也是鋼水由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的第一步，它的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)和性能參數(shù)對鑄坯質(zhì)量和連鑄機能否正常運行都起著決定性的作用。傳統(tǒng)的結(jié)晶器使用的是固定不可調(diào)的鑄鋼錠模，由于其結(jié)構(gòu)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(tài)組織不可避免地存在嚴(yán)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(diào)，造成錠模不能充分利用，閑置率高，而多種規(guī)格的錠模無疑又加大了鋼錠模的投入，大幅增加了生產(chǎn)成本，不利于節(jié)約能源，提高設(shè)備利用率，一度成為鋼鐵行業(yè)發(fā)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(jié)晶器的關(guān)鍵性組成部件，它的性能也決定了結(jié)晶器的使用壽命。另外，在結(jié)晶器的外面還加有冷卻水套。這種結(jié)構(gòu)就使得在連鑄過程中，結(jié)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(yīng)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(jié)晶器壽命和降低生產(chǎn)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(xué)鍍、電鑄、復(fù)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(jié)晶器銅板在渣線部位出現(xiàn)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(jié)合強度低，易掉塊，縮短了結(jié)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(yè)率。鍍層材質(zhì)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(jié)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(jié)晶器銅板的壽命，使結(jié)晶器銅板修復(fù)次數(shù)增加，打亂了連鑄機正常生產(chǎn)的運轉(zhuǎn)規(guī)律等。本文初次設(shè)計了周長可調(diào)式多邊形結(jié)晶器，可以適應(yīng)更多規(guī)格的澆鑄要求，在一套結(jié)晶器設(shè)備上就能夠生產(chǎn)出多種規(guī)格的鑄錠；本文也對結(jié)晶器銅板表面處理方法進(jìn)行了改進(jìn)，更能滿足連鑄的高速化、大型化和在線調(diào)寬、流動控制等技術(shù)的發(fā)展。

1 周長可調(diào)式結(jié)晶器

直徑可調(diào)、周長可以變化的多邊形結(jié)晶器由錠模底板和設(shè)置在錠模底板上的結(jié)晶器本體構(gòu)成。圖1給出了該可調(diào)式多邊形結(jié)晶器的俯視圖，圖2 給出了該可調(diào)式多邊形結(jié)晶器的A-A向的剖視圖。該可調(diào)式多邊形結(jié)晶器的結(jié)構(gòu)如下所述：錠模底板內(nèi)設(shè)置有與模腔連通的澆注通道；結(jié)晶器本體由多塊活動連接的改變結(jié)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(diào)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(jié)晶器本體的上部設(shè)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(gòu)，所述連接機構(gòu)包括設(shè)置在冷卻銅板單元本體一側(cè)的子連機構(gòu)和另一側(cè)的母連機構(gòu)，子連機構(gòu)包括冷卻銅板單元本體內(nèi)側(cè)的凸起支撐面和外側(cè)的卡箍輔助鎖緊滑桿，該滑桿設(shè)置在冷卻銅板單元子連機構(gòu)外側(cè)的螺柱上，母連機構(gòu)包括設(shè)置在冷卻銅板單元本體內(nèi)側(cè)的凹陷貼合面和外側(cè)的卡箍輔助鎖緊滑槽，該滑槽設(shè)置在冷卻銅板單元母連機構(gòu)外側(cè)的環(huán)形槽。子連機構(gòu)內(nèi)的凸起支撐面和母連機構(gòu)的凹陷貼合面相配合，子連機構(gòu)內(nèi)的卡箍輔助鎖緊滑桿和母連機構(gòu)的卡箍輔助鎖緊滑槽相配合。

連鑄結(jié)晶器直徑由固定變?yōu)榭烧{(diào)主要通過以下步驟的配合來完成，連接機構(gòu)內(nèi)的子連機構(gòu)上的卡箍輔助鎖緊滑桿和母連機構(gòu)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(yuǎn)離澆注的任意兩個相鄰的冷卻銅板單元的連接機構(gòu)），調(diào)節(jié)相鄰冷卻銅板單元夾角的目的，從而可以在結(jié)晶器冷卻銅板單元原有數(shù)量的基礎(chǔ)上，適當(dāng)增設(shè)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(gòu)，形成四周封閉的結(jié)晶器模板，同時也實現(xiàn)了結(jié)晶器直徑的調(diào)節(jié)過程。例如：等寬的十邊形冷卻銅板單元結(jié)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(gòu)與其他不同的四塊冷卻銅板單元互換，并通過調(diào)整松動后的冷卻銅板單元之間的夾角，新增理想數(shù)量的冷卻銅板單元，這里選擇增設(shè)三塊相同的冷卻銅板單元，之后進(jìn)一步調(diào)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(gòu)，這就使原來的正十邊形結(jié)晶器變成了正十三邊形的結(jié)晶器，周長也相應(yīng)地增加。

該結(jié)構(gòu)的結(jié)晶器可以適應(yīng)更多規(guī)格的澆鑄要求，一套結(jié)晶器設(shè)備能夠生產(chǎn)多種規(guī)格的鑄錠，而且此設(shè)備改變了傳統(tǒng)圓形水冷模鑄結(jié)晶器的凝固機理，明顯提高了鋼錠澆注質(zhì)量，并且可以實現(xiàn)多組冷卻器的任意組合，澆注鋼錠直徑實現(xiàn)了可調(diào)性，從而實現(xiàn)了圓形鑄錠設(shè)備既能提高鋼錠澆注質(zhì)量，又降低了設(shè)備的投入成本，提高作業(yè)效率；同時，該結(jié)晶器結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、易于制造，拆裝方便、調(diào)整容易，冷卻水路能自行接通、可以實現(xiàn)快速更換，自重小，可以有效減小結(jié)晶器振動時的慣性力和振動裝置的驅(qū)動功率，使結(jié)晶器振動平穩(wěn)。

2 銅板表面處理

銅板是結(jié)晶器的最關(guān)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(dān)著坯殼相對運動產(chǎn)生的機械應(yīng)力和熱應(yīng)力的綜合作用，其工作的條件相當(dāng)惡劣，導(dǎo)致銅板容易產(chǎn)生熱裂紋、氣蝕以及大的溫度梯度引起的變形等。所以，應(yīng)用于結(jié)晶器內(nèi)的銅板要求具有以下性能：①具有良好的導(dǎo)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(jié)晶器的壽命，減少維修工作量和更換結(jié)晶器的時間，提高連鑄機的作業(yè)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(chǎn)生大的變形，并在銅板表面或冷卻水槽的底部產(chǎn)生龜裂，嚴(yán)重者導(dǎo)致冷卻水與鋼液接觸，引發(fā)事故。

2.1 鍍層材料的選擇

圖1 可調(diào)式多邊形結(jié)晶器的俯視圖

圖2 可調(diào)式多邊形結(jié)晶器A-A向的剖視圖

本文采用CuZr 合金（包含0.12%～0.18%質(zhì)量的金屬鋯，0.03%～0.05%質(zhì)量的脫氧劑金屬鎂，99.77%～99.85%質(zhì)量的金屬銅）作為結(jié)晶器銅板的母材，其熱處理態(tài)布氏硬度達(dá)到90～110HB，抗拉強度達(dá)到280～310MPa，延伸率達(dá)到18%～25%，導(dǎo)電率可達(dá)到53～54。這些優(yōu)良的特性使連鑄機結(jié)晶器銅板導(dǎo)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(jié)晶器的表面進(jìn)行改性，避免結(jié)晶器銅板上產(chǎn)生星狀裂紋，防止銅滲入到鑄坯之中導(dǎo)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(jìn)一步提高銅板硬度、耐磨度等性能。

常規(guī)的鍍膜材料有Cr、Ni、Ni-Fe、Ni-Co、Co-Ni，在高拉速連鑄結(jié)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(jié)晶器銅板修復(fù)次數(shù)增加，壽命縮短等問題。顯然這些常規(guī)的鍍層已不能滿足鋼鐵企業(yè)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(shù)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(yōu)異的紅硬性、耐磨性和熱疲勞性，對于提高結(jié)晶器的使用壽命具有重要的應(yīng)用價值。

2.2 鍍膜方法的優(yōu)化

結(jié)晶器銅板鍍層質(zhì)量的好壞主要通過它的強度、硬度、耐磨性、導(dǎo)熱性和熱力性進(jìn)行衡量，可見除了鍍層材料的選擇，其鍍膜技術(shù)水平的高低也是相當(dāng)重要的。針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本文對結(jié)晶器銅板鍍膜方法進(jìn)行了優(yōu)化，以滿足目前鋼鐵行業(yè)的發(fā)展需求。

2.2.1 電鍍法

采用自制特殊的電解槽將結(jié)晶器銅板上下鍍層一次電鍍成型，通過在電解槽內(nèi)增設(shè)隔離膜，將電解槽隔離成兩個區(qū)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(jié)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(jié)晶器的實際工作情況相符合，解決了現(xiàn)有技術(shù)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(yīng)力大導(dǎo)致的龜裂和剝落現(xiàn)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(yè)率和板坯質(zhì)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(jié)晶器銅板的步驟如下：首先采用常規(guī)清理工序?qū)B鑄結(jié)晶器銅板的表面進(jìn)行清潔和噴砂處理，以增加噴涂層與基材的結(jié)合力；再在結(jié)晶器銅板的四周邊安裝與銅板工作面成90～180°的護(hù)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(jié)約噴涂的原料，同時可以提高銅板的質(zhì)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(shè)備中，按照常規(guī)工序?qū)Y(jié)晶器銅板的表面進(jìn)行噴涂；再將噴涂有鎳基合金的結(jié)晶器銅板置于800～950℃下保溫0.5～3 h，進(jìn)行熔融擴(kuò)散真空熱處理，并在氮氣、氬氣或氦氣的氣氛下進(jìn)行冷卻過程，有利于噴涂層與母材產(chǎn)生互溶擴(kuò)散層，改變現(xiàn)有技術(shù)中的機械黏結(jié)為互滲互溶的冶金黏結(jié)，使噴涂層內(nèi)的機械黏結(jié)轉(zhuǎn)變?yōu)橐苯鹦Ч档土丝紫堵适箖?nèi)部結(jié)構(gòu)更致密，提高了噴涂層的結(jié)合強度，確保了噴涂層的噴涂質(zhì)量；冷卻后的結(jié)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(jié)約噴涂原料，噴涂層的結(jié)合能力強，使最終得到的結(jié)晶器銅板更耐磨。

3 結(jié)論

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

［1］沙明紅，鄭賢淑.連續(xù)鑄鋼過程中結(jié)晶器的傳熱研究［J］.鋼鐵研究學(xué)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.