連鑄結(jié)晶器銅板長壽化研究現(xiàn)狀

摘" 要：結(jié)晶器銅板是連鑄機中的核心部件，其性能與壽命是影響連鑄生產(chǎn)效率和鑄坯質(zhì)量的關鍵。初步分析結(jié)晶器銅板的失效形式及機理，并圍繞結(jié)晶器銅板本體強化、銅板結(jié)構(gòu)及連鑄工藝優(yōu)化、銅板表面涂層強化3個方面綜述連鑄結(jié)晶器銅板長壽化研究現(xiàn)狀。

關鍵詞：結(jié)晶器銅板；熱噴涂；激光熔覆；連鑄機；連鑄工藝

中圖分類號：TF345""""" 文獻標志碼：A""""""""" 文章編號：2095-2945（2025）04-0148-04

Abstract： Mold copper plate is the core component of continuous casting machine， and its performance and life are the key factors affecting continuous casting production efficiency and billet quality. The failure forms and mechanisms of mold copper plates were preliminarily analyzed， and the research status of longevity of continuous casting mold copper plates was summarized in three aspects： strengthening the mold copper plate body， optimizing the structure and continuous casting process， and strengthening the surface coating of the copper plate.

Keywords： continuous casting; mold copper plate; thermal spraying; laser cladding; longevity

連鑄在鋼鐵生產(chǎn)過程中起到承上啟下的作用，作為關鍵工序，具有中心地位，結(jié)晶器的核心地位決定著連鑄生產(chǎn)的穩(wěn)定順行和產(chǎn)品的質(zhì)量，而且已成為決定高端鋼鐵產(chǎn)品開發(fā)生產(chǎn)的重要因素[1]。而結(jié)晶器正是連鑄機中的核心部件，充當著高效傳熱器、鋼液凝固成型器、鋼液凈化器和鑄坯質(zhì)量控制器的重要角色。

1" 連鑄結(jié)晶器銅板

結(jié)晶器銅板作為連鑄結(jié)晶器的核心部件，更是充當了連鑄過程的關鍵角色。結(jié)晶器在連鑄過程中的示意圖如圖1所示。連鑄過程結(jié)晶器銅板一直承受著鋼水靜壓力、與坯殼間的摩擦力、鋼水熱量的劇烈傳遞等因素的影響，始終處于機械應力和熱應力綜合作用下，工作條件極為復雜且惡劣。這就對結(jié)晶器的設計和性能提出了很高的要求，結(jié)晶器設計必須在材質(zhì)、結(jié)構(gòu)特別是傳熱等方面滿足連鑄生產(chǎn)工藝極其高的使用性能要求。結(jié)晶器在生產(chǎn)過程中能否保證高效均勻的冷卻，以及在機械應力、熱應力及高溫磨損腐蝕等因素綜合作用下不致產(chǎn)生變形和過早表面失效，是保證鑄坯質(zhì)量、降低漏鋼率和提高結(jié)晶器銅板使用壽命的基礎[3]。

2" 結(jié)晶器銅板失效形式及機理

為改善并延長結(jié)晶器的使用壽命，弄清楚其失效形式及失效機理是前提。國內(nèi)外的學者很早就開始了對連鑄結(jié)晶器失效機制的探索和研究[4]。根據(jù)國內(nèi)外相關機構(gòu)對連鑄結(jié)晶器失效形式的報道，結(jié)合各鋼鐵企業(yè)在板坯連鑄結(jié)晶器銅板應用中的經(jīng)驗積累，連鑄結(jié)晶器失效形式主要表現(xiàn)為以下幾種（圖2[5]）。

2.1" 涂層局部剝落

連鑄結(jié)晶器銅板在使用過程中出現(xiàn)表面涂層剝落是屬于最嚴重的質(zhì)量事故之一。涂層剝落極有可能引發(fā)連鑄漏鋼事故，嚴重影響生產(chǎn)順行甚至可能造成重大安全事故。因此涂層與銅板基體具有優(yōu)異的結(jié)合力是結(jié)晶器銅板涂層制備最基本和最重要的要求。呂春雷等[6]將結(jié)晶器鍍層剝落原因分為2類，一類是由于電鍍層與銅基體間的非冶金結(jié)合方式，一旦電鍍作業(yè)不規(guī)范如電鍍前處理不到位會導致鍍層結(jié)合力較差，銅板應用初期，在較高的熱應力作用下就會產(chǎn)生鍍層起殼剝落；另一類是由于鍍層裂紋蔓延擴展后導致的局部涂層剝落。裂紋的產(chǎn)生有多種原因，或由銅板基材材質(zhì)缺陷引起；或由鍍層材質(zhì)或厚度設計不當引起；或由現(xiàn)場連鑄工藝實施不當造成鍍層局部性能下降引發(fā)開裂。

2.2" 涂層熱裂紋

銅板工作面涂層熱裂紋是結(jié)晶器銅板最常見的表面失效形式。在連鑄生產(chǎn)過程中，結(jié)晶器銅板工作面與1 500 ℃以上的液態(tài)鋼水直接接觸，而背面則用30 ℃左右的軟水強制冷卻，銅板兩側(cè)存在很大的溫度梯度，即存在較大的熱應力。在熱應力以及其他外力的作用下，銅板高溫區(qū)的晶粒發(fā)生了沿晶界的滑移，造成晶粒被破碎并沿力的方向被拉長，最終形成裂紋[7]。

2.3" 涂層磨損

在連鑄過程中，由于拉坯運動和結(jié)晶器振動，結(jié)晶器銅板和鑄坯及保護渣之間會產(chǎn)生相對摩擦。在摩擦力的作用下銅板鍍層會逐漸消耗直至母材裸露，造成銅板向鑄坯晶界滲銅從而產(chǎn)生星裂；同時窄邊銅板的實際倒錐度會減小，使坯殼與銅板之間產(chǎn)生間隙，影響坯殼的生成，薄弱的坯殼出結(jié)晶器后在鋼水靜壓力和機械應力的作用下，易產(chǎn)生角部縱裂，嚴重時會引發(fā)漏鋼事故[8]。對寬邊銅板主要表現(xiàn)在下口和與窄邊相接觸的部位，對窄邊銅板則表現(xiàn)為下口兩側(cè)角部的嚴重磨損。

2.4" 涂層腐蝕

結(jié)晶器工作過程中，結(jié)晶器壁與鑄坯間存在一層渣膜，起到潤滑和均勻傳熱的作用。以堿金屬的氟化物為主的保護渣隨鑄坯下行，在結(jié)晶器銅板下口鑄坯因凝固收縮在某些區(qū)域會與結(jié)晶器壁脫離形成一定的氣隙，來自二冷區(qū)的水蒸氣進入氣隙和保護渣作用將產(chǎn)生含氟電解液，并形成以銅板鍍層為陽極，鑄坯為陰極的腐蝕原電池，使得銅板表面發(fā)生電化學腐蝕[6]。結(jié)晶器銅板尤其是寬邊銅板在下部發(fā)生腐蝕是常見的失效形式。

2.5" 銅板變形

結(jié)晶器在連鑄過程中承受了巨大的熱負荷，導致結(jié)晶器銅板產(chǎn)生彈性、塑性變形及高溫蠕變。而使用過程中的變形會造成結(jié)晶器內(nèi)壁與初凝坯殼接觸狀態(tài)發(fā)生變化，進而影響到連鑄鋼坯的冶金效果，甚至引起鑄坯鼓肚變形而無法順利拉坯導致漏鋼事故的發(fā)生。銅板兩側(cè)存在很高的溫度梯度及彎月面處因急冷急熱的反復熱應力引起局部疲勞屈服和高溫蠕變，盡管在連鑄生產(chǎn)過程中結(jié)晶器銅板受到緊固螺栓約束和冷卻水的冷卻，這種熱變形量相對較小，但仍是影響澆鑄過程中傳熱、潤滑、摩擦和坯殼凝固等行為的關鍵因素，甚至還是連鑄工藝中錐度設計的重要依據(jù)。結(jié)晶器銅板下線后往往無法恢復到原始尺寸形成宏觀變形，具體表現(xiàn)為寬邊銅板的扇形變形和窄邊銅板在彎月面處的寬度收縮變形等[9]，因此連鑄工藝對銅板本體的強度和剛性提出了較高的要求。

3" 結(jié)晶器銅板本體強化

最初結(jié)晶器銅板使用的是純銅，隨后通過添加Ag以提高銅板的軟化溫度。隨著高效連鑄技術(shù)的快速發(fā)展，澆注速度也不斷提高，結(jié)晶器銅板的使用工況愈加惡劣，對結(jié)晶器銅板的強度提出了更高的要求。以CuCrZr為代表的析出硬化型銅合金開始代替純銅及CuAg作為結(jié)晶器銅板材料，與純銅及CuAg相比，其強度和硬度都明顯提高，且具有高溫下導熱率高、強度高、不易變形等優(yōu)點，軟化溫度可達到450 ℃。該材料目前已成為被應用最廣泛的結(jié)晶器材料[10]。

隨著國內(nèi)越來越多的連鑄機開始使用電磁攪拌和電磁制動等技術(shù)，為抑制結(jié)晶器銅板磁束密度的衰減，要求銅板具有低的電導率，這意味著銅板的溫度會上升，從而要求其必須具有更高的強度。國外一些公司開發(fā)了比CuCrZr強度更高的CuNiBe，用于熱負荷條件特別惡劣的結(jié)晶器如新型的薄帶連鑄結(jié)晶器，以改善銅板的熱變形。

4" 結(jié)晶器銅板表面涂層強化

在結(jié)晶器銅板工作面采用合適的表面處理技術(shù)制備一種或多種涂鍍層，在保證結(jié)晶器導熱性能受涂鍍層影響不大的情況下，所獲與銅基體結(jié)合牢固、耐磨耐蝕性強的各種涂鍍層，可有效改善銅板表面性能、延長結(jié)晶器銅板使用壽命，并提高連鑄坯質(zhì)量，最終達到澆鑄噸鋼成本下降的目的。目前鋼鐵企業(yè)中大量使用的結(jié)晶器銅板表面涂層主要為電鍍鍍層，其次有部分短邊銅板采用熱噴涂涂層，也有少數(shù)機組在進行激光熔覆銅板的可行性驗證。

4.1" 結(jié)晶器銅板電鍍技術(shù)

結(jié)晶器銅板表面電鍍處理技術(shù)從最初的單一金屬鍍層如硬鉻鍍層、純鎳鍍層逐步發(fā)展到二元合金鍍層如Ni-Fe合金鍍層、Ni-Co合金鍍層、Co-Ni合金鍍層等幾種主要鍍層，鍍層性能也逐步提高，圖3展示了結(jié)晶器電鍍技術(shù)的發(fā)展歷程[11]。

目前工業(yè)中大量采用成本較低的Ni-Fe或Ni-Co鍍層。相比之下Co-Ni鍍層具有更為優(yōu)越的性能。侯峰巖等[5]的研究表明，ω（Co）為80%的Co-Ni合金鍍層具有六方密排結(jié)構(gòu)，屬于Ni溶解在Co中的單相固溶體，與純鎳層相比具有更加細化的晶粒、較高的鍍層硬度和較低的摩擦系數(shù)。該鍍層具有良好的力學性能和高溫抗氧化性耐磨損性能，而且硬度不隨溫度升高而下降，適用于高拉速連鑄機組。目前寶鋼連鑄機組結(jié)晶器寬面銅板多采用Co-Ni合金鍍層。

此外，不少學者對新型高性能合金鍍層制備技術(shù)進行了大量前沿探索工作，包括多元合金鍍層如Ni-W-P、Ni-Co-W及Ni-Fe-W等，以及摻入第二相固體顆粒如Al2O3、B4C、ZrO2等的復合鍍層開發(fā)，但還僅停留在研究階段，暫未得到實際應用[12]。

4.2" 結(jié)晶器銅板熱噴涂技術(shù)

有關熱噴涂技術(shù)對結(jié)晶器表面進行強化的研究在國外特別是日本開展了大量開發(fā)工作，并申報了一系列專利。久保田昭等[13]在結(jié)晶器銅板表面熱噴涂制備Ni-Cr合金涂層，其壽命達到原Ni鍍層結(jié)晶器的3～6倍，大大延長了結(jié)晶器短邊銅板的使用壽命。專利[14]在結(jié)晶器銅板表面先制備一層Ni鍍層，鍍層噴砂處理后再用高速火焰噴涂制備Ni基自熔合金耐磨工作層，從而提高了涂層與銅基體的結(jié)合力和產(chǎn)品的耐磨性。美國Nskashima等[15]申報專利在結(jié)晶器銅板表面采用高壓高速火焰噴涂技術(shù)先制備一層WC，后再噴涂一層鎳基自熔合金獲得了結(jié)合強度較好的涂層。

李益明等[16]采用HVOF熱噴涂工藝在CuCrZr短邊銅板上噴涂Ni基自熔性合金，經(jīng)熔融熱處理后使涂層與母材形成冶金擴散層，所獲涂層擁有良好的高溫硬度保持能力，耐磨性是Ni鍍層的6倍，并已大量應用于生產(chǎn)實際。寶鋼機械廠已解決在結(jié)晶器寬面銅板表面熱噴涂涂層制備、變形控制及后加工等技術(shù)難題，產(chǎn)品已成功應用，大大提升了結(jié)晶器銅板的使用壽命。

4.3" 結(jié)晶器銅板激光熔覆技術(shù)

近年來，通過激光熔覆技術(shù)制備功能涂層正成為表面處理方向的一大亮點。首先，為解決因銅合金的高熱導率和對激光的高反射率導致難以在其表面形成可靠冶金結(jié)合涂層的問題，Zhang等[17]通過對銅基體預熱300 ℃后再使用CO2激光器在3.2 kW的中等輸出功率下獲得了冶金結(jié)合的涂層，可見預熱可以提高激光的吸收率從而降低激光熔覆的使用功率，但溫度過高會導致銅合金基體強度的下降。

其次，雖然有不少研究在銅合金表面制備了鎳基[18]或鈷基[17]或金屬陶瓷涂層[19]等，但銅合金基體與涂層材料界面相容性及可靠性的問題還有待進一步研究。其中，大部分研究采用與Cu能無限固溶的Ni基合金作為涂層或以Ni基涂層作為過渡層構(gòu)建Cu-Ni-Co等梯度復合涂層，以降低涂層因基體與涂層理化性能差異過大易造成開裂的風險。盡管如此，因涂層材質(zhì)選用及熔覆工藝的不當仍可能造成界面及涂層存在裂紋或氣孔而失效。

總之，激光熔覆技術(shù)在銅合金表面涂層制備領域做了較多的前沿基礎研究，但總體仍處于實驗室制備及少數(shù)連鑄機組試驗驗證階段，暫還未進入大批量工業(yè)化制作及產(chǎn)業(yè)化應用階段。

5" 結(jié)束語

高速連鑄技術(shù)對結(jié)晶器銅板的性能提出了越來越高的要求，無論是固溶和時效強化，還是彌散強化或合金化等手段，通過結(jié)晶器銅板本體強度提升及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對銅板本身的硬度和強度的提高是有限的。在銅板工作面制備涂鍍層是延長其使用壽命的重要途徑和最有效的方法。但采用不同的涂鍍層工藝制備結(jié)晶器銅板表面強化層均需面臨因各自的工藝特性帶來的優(yōu)缺點，工程實際中任何單一工藝及相應涂層均無法同時滿足所有連鑄機組不同工況下的獨特需求。對于企業(yè)而言，針對不同連鑄機組工況條件如低中高不同拉速下，開發(fā)相應高性價比的系列定制化涂層及制備工藝仍是結(jié)晶器長壽化應用研發(fā)的重要發(fā)展方向。

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