提高结晶器寿命的探索与实践

提高结晶器寿命的探索与实践 ·1·

提高结晶器寿命的探索与实践

王建忠

（河北钢铁集团宣钢公司技术中心，宣化 075100）

摘 要 针对宣钢炼钢厂6#连铸机结晶器铜管出现的铸坯脱方、扭曲甚至漏钢的严重问题。通过采取行之有效的办法提高了铜管的使用寿命, 增加过钢量, 满足生产节奏的要求, 达到降低铜耗, 节约成本的目的。

关键词 结晶器铜管寿命 锥度 铜耗 过钢量

Improve the Life of the Mold Explore and Practice

Wang Jianzhong

(Steelmaking Plant, Xuanhua iron and Steel Group Co., Ltd., Xuanhua, 075100)

Abstract Serious problem of slab deformation，distortion, even breakout with copper mold in No 6 continuous caster at xuanhua steel. In order to improve the life of mold Brass, increase Over steel output, meet the requirements of the production rhythm, reduce the copper losses, and save costs ,we take the relevant effective measures.

Key words the life of mold brass, taper, copper loss, over steel output

1 前言

宣化钢铁集团有限责任公司炼钢厂6#连铸机为十二机十二流方矩坯连铸机，承担着炼钢厂1/3的产量任务， 6＃连铸机共浇注三个断面，分别是150×150、165×165、200×285，浇注钢种有低合金钢、普碳钢、低碳低硅钢及其他品种钢。其中165×165断面的又占2/3的产量，平均每月浇注165×165断面在20天左右，主要浇注钢种有HRB335、400系列、HPB235、Q235、XG08D2等。

2008年开始生产165×165断面，165×165结晶器铜管在使用时间达10000min，平均过钢量为4459吨时(平均拉速2.1m/min)，即出现坯子脱方、扭曲甚至漏钢现象。结晶器平均更换周期为一周，这样导致结晶器铜管使用寿命极低，铜耗和备件费用都大大的增加，同时也相应的增加了检修时间，影响了正常的生产节奏。

因此，必须采取行之有效的办法来提高165×165铜管的使用寿命，增加过钢量，保证生产节奏，降低铜耗，节约成本。

2 钢液在结晶器内的凝固原理

钢液在结晶器内的凝固是一个热量释放和传递过程，也是把液体钢转变为固体钢的加工过程。在连铸机内，液体钢水转变为固体钢坯传输的热量包括过热、潜热和显热。(1) 过热：由进入结晶器时钢水的温度冷却至钢的液相线温度放出的热量；(2) 潜热：钢水从液相线温度冷却到固相线温度放出的热量；(3) 显热：凝固的高温铸坯冷却至送出连铸机时所放出的热量。钢水在水冷结晶器中形成厚度足够且均匀的坯壳，以保 王建忠, 男, 高级工程师, 河北钢铁集团宣钢公司

, ghxuangang.com.cn

·2· 第九届中国钢铁年会论文集

证铸坯出结晶器不拉漏。

钢液浇到结晶器中，在钢水表面张力的作用下，钢水与铜壁接触形成一个半径很小的弯月面， 弯月面半径r可表示为：

r=5.43×10−2σm/ρ

式中 σm——钢水表面张力，N/m；

ρ——钢水密度，kg/m3。

在半径为r的弯月面根部附近，冷却速度很快（100℃/s），初生坯壳很快形成。随着冷却不断进行，坯壳逐步加厚。已凝固的坯壳开始收缩，企图离开结晶器的内壁，但这时坯壳尚薄，在钢水的静压力作用下仍紧贴于内壁。由于冷却不断地进行，坯壳进一步加厚，刚度增大，到其强度、刚度能承受钢水静压力时，坯壳开始脱离结晶器内壁，铜壁与坯壳之间形成气隙。随着坯壳下降，形成气隙区的坯壳在热流作用下温度回升，强度和刚度减小，钢水静压力使坯壳变形，形成皱纹或凹陷。同时，由于存在气隙，传热减慢，凝固速度减小，坯壳减薄，局部组织粗化，此处裂纹敏感性较大。上述过程反复进行，直到坯壳出结晶器。 3 影响结晶器铜管寿命的主要问题

3.1 结晶器铜管的主要技术参数

3.1.1 铜管的上下口尺寸及结晶器的锥度

结晶器铜管的断面必须随铸坯断面不断收缩而变化，铜管锥度大小必须合适。锥度过大会造成结晶器对坯壳的挤压，拉矫机拉坯困难，增加坯壳与铜管内壁的摩擦，加剧铜管内壁的磨损，铸坯表面增铜，严重时会出现拉断、拉漏等事故。在铜管弯月面以下，由于角部冷却强度大于面部，因此角部最先离开结晶器内壁，而产生气隙，在该区域气隙的作用下会形成热点，致使同一横截面上的温度梯度不同，在收缩应力的作用下，造成坯壳裂纹。锥度过小，气隙增大，导出的有效热流少，坯壳减薄，容易发生漏钢事故；另外，锥度过小会使角部转动加剧，易诱发角部裂纹和纵向凹陷。锥度应按钢种和拉速来选择，结晶器断面尺寸的减小量应不大于铸坯的线收缩量。收缩量Δl可根据从弯月面到结晶器出口坯壳温度变化ΔT和坯壳收缩系数β来确定，即Δl =ΔT·β。

β值：对于δ-Fe，β＝16.5×10/℃；对于γ-Fe，β＝22.0×10/℃。若锥度过大，拉坯阻力大，产生拉裂，拉坯困难，结晶器下口严重磨损。 方坯抛物线型锥度弯月面以下350 mm 内一般为（1.1%～1.3%）/m，下部锥度一般为（0.6%～0.8%）/m。对于不同的钢种，包晶钢和亚包晶钢及中高碳钢所用的铜管锥度比低碳钢种要大一些。

结晶器倒锥度可由下式表示：

∇= (I1-I2)/I1 ×Hm×100%

式中 ∇——结晶器倒锥度，%/m；

l1——结晶器上口尺寸，mm；

l2——结晶器下口尺寸，mm；

Hm——结晶器长度，m。

通过一段时间的跟踪使用，确定了165铜管的上下口尺寸及锥度标准: 上口 尺寸/mm 下口 尺寸/mm -6-6

167.8 结晶器倒锥度 1.21% 铜壁厚度 27

3.1.2 结晶器长度

结晶器内钢导出热量传给铜壁，上半部占50%以上。当气隙形成后，结晶器下部导出热量减少。为提

提高结晶器寿命的探索与实践 ·3· 高下部导出热量 ，将结晶器的长度设计为1000mm，这样可以提高拉速、增加坯壳厚度，适应高速连铸的要求。

3.1.3

结晶器铜板厚度对结晶器寿命和铸坯表面质量都有重要影响。特别是在弯月面处的铜板厚度影响该处铜板热面温度，因而对渣圈厚度、振痕深度、结晶器热流都有影响。铜管铜壁作为结晶器传热的导体，其厚度对传热效果有直接的影响，铜壁太厚，既影响传热又增加制造费用;铜壁太薄，又会使冷却水局部沸腾，铜管外壁结垢，降低冷却效果，使坯壳变薄，易造成铸坯脱方甚至漏钢，根据经验，结晶器铜管壁厚以(25±2)mm最为合适。

3.1.4 铜管的内表面

铜管的内表面必须平整光滑，不能有凹凸变形，内壁不平整，易造成铸坯坯壳四个面冷却的不均匀性，使铸坯产生脱方扭曲缺陷，因此，必须对每支铜管进行测量，即使用锥度仪在铜管弧面由左至右测量三次，三次测量的曲线重合，说明此支铜管内壁平整，没有凹凸变形。

3.1.5 结晶器的镀层

一般结晶器热面使用温度为200～300℃，特殊情况时，最高处可达500℃。这就要求结晶器材质导热性好，抗热疲劳，强度高，高温下膨胀小，不易变形。纯铜导热性好，但弹性极限低，易产生永久变形，所以多采用强度高的铜合金，如Cu-Cr、Cu-Ag合金等。这些合金高温下抗磨损能力强，使结晶器壁寿命比纯铜高几倍。

采用 Ag(0.1%)-Cu作结晶器铜板的主要好处是可以将再结晶温度提高到300℃以上。采用含0.8%Cr、0.2%Zr、99%Cu的铜板，平均硬度大于100HB，可在热面温度比Ag-Cu合金高40℃的条件下使用。

为提高结晶器内壁耐磨性，通常采用合金镀层。如果镀层导热系数低和镀层厚度大，结晶器热面温度将会提高。所以，镀层的特性对渣圈厚度、振痕深度和结晶器导热都有影响。

实践表明，镀铬层的耐飞溅性好，耐磨性好，但耐剥离性差。镀镍层的耐剥离性好，但导热性差。应用效果较好的是耐磨和耐热兼备Cr-Ni合金,镀层厚度0.08~0.1mm。

3.2 调整结晶器水缝,达到最好的冷却效果

结晶器铜板温度靠冷却水调节，铜板温度过高，铜开始再结晶使硬度和强度降低，所以结晶器铜壁温度是影响结晶器变形的主要因素。从防止结晶器变形讲，要求结晶器具有一定的冷却强度和合适的进出水温度、冷却均匀。

若结晶器传热速率太高，铜板冷面温度超过水的沸点，处于核态沸腾的冷却状态，这是结晶器弯月面的传热状况。然而，保持高的传热效率，必须保持合适的水流速。水流速低于此值不能把蒸气泡冷凝带走，在铜板冷面形成蒸气屏障，传热系数大大降低，会使弯月面区的铜板温度迅速升高而产生“过热”。因此，为保证结晶器传热效率，必须保持一定的冷却水流速，这样还能降低铜壁纵向温差产生的热应力，因此保持结晶器冷却强度对结晶器传热是非常重要的。

结晶器冷却水流速的增高可明显地降低结晶器温度，但热流仍保持不变。其原因是结晶器冷面（水冷侧）传热的提高被铸坯−结晶器交界面处坯壳收缩的提高所抵消。

初始165方结晶器的水缝宽度是5mm,结晶器流量是130m3/h,此时,水缝水流速按下面公式计算根据Q=SV得出：

V=Q/S

式中 Q——结晶器水流量，130m3/h，换算后是0.036 m3/s；

S——水缝面积，m2，铜管外壁宽度197mm，水缝5mm，此时S=5×(197+5) ×4=4040mm2=0.00404 m2;

·4· 第九届中国钢铁年会论文集

V——水缝水流速，m/s。

水缝宽度5mm时，流速V=0.036/0.00404=8.9m/s。

现今连铸生产要求水缝水流速必须达到9~12 m/s，才能满足冷却要求，因此，必须对水缝进行调整，将水缝由5mm调整为4mm，此时S=4×(197+4) ×4=0.0032 m2，水缝水流速为V=0.036/0.0032=11.3 m/s，水缝调整为4mm时，冷却效果较好。

装配结晶器时，必须使用塞尺调节水缝，保证四个面的水缝宽度均为4mm，确保铸坯坯壳四个面冷却的均匀性。

对结晶器冷却水质有一定要求。结晶器热流往往比高压锅炉大一个数量级，这样大的热流通过铜板传给冷却水，铜板冷面温度很可能超过100℃而使水产生沸腾，水垢沉积形成绝热层，热阻增加，热流下降，因此结晶器必须使用软水。要求水中各成分含量：总盐不大于400mg/L、硫酸盐不大于150mg/L、氯化物不大于50mg/L、硅酸盐不大于40mg/L、悬浮质点小于50mg/L、质点尺寸不大于0.2mm、碳酸盐硬度不大于1～2DH、水的pH值为7～8。

3.3 根据不同钢种收缩量的不同，优化使用结晶器

钢液在结晶器中的收缩，实际上可以认为是凝成坯壳的那部分钢液的收缩。其收缩包括液态收缩、凝固收缩及坯壳固态收缩。由于坯壳较薄，且温度很高，一般平均在1400℃以上，因此坯壳由于温降产生的固态收缩量很小，计算时可以忽略。液态收缩即浇铸温度降至液相线的收缩，从铁−碳系平衡相图便知，其收缩量随着含碳量与浇铸温度的提高而增加。由于连铸钢液过热度较小，一般约为15～30℃(合金钢过热度一般比普碳钢过热度低一些)，因此钢液液态收缩量较小。实际上对收缩起主导作用的是凝固收缩。所谓凝固收缩即从液相线温度起至固相线凝固终了时的体积收缩。凝固收缩大小主要取决于钢的化学成分，其中碳的影响很大 。不同的钢种由于化学成分不同，其遇冷收缩量的大小也不同，普碳及低碳低硅钢收缩量较大，低合金钢收缩量较小，根据这个特点，浇注普碳及低碳低硅钢时，使用磨损轻微，锥度较好的前期结晶器，浇注低合金钢时，使用失去一些锥度的后期结晶器，在不发生质量生产事故的前提下，最大程度延长165方结晶器的使用寿命。

4 结论

(1) 通过改进结晶器的镀层，保证了结晶器使用时不会变形。

(2) 为消除或减少气隙的影响，结晶器内腔应按钢种的不同收缩特性和结晶器铜板的热变形程度，设计成一定的倒锥度。

(3) 通过优化生产工艺，前期生产普碳及低碳低硅钢,中后期生产低合金钢，大大提高了结晶器的使用寿命。

(4) 通过以上一系列措施，结晶器的寿命由原来的10000min提高到现在的22000min，不仅保证了生产节奏，同时节约了成本。

参 考 文 献

[1] 朱立光，王硕明, 等. 现代连铸工艺与实践[M]. 河北科学技术出版社, 2002.

[2] 卢盛意. 连铸坯质量[M]. 北京:冶金工业出版社.

[3] 宁伟, 肖强, 孙兴德. 连铸坯表面纵向凹陷、裂纹形成原因及对策[J]. 莱钢科技, 2003, 4.

[4] 史衰兴, 余志祥，叶枫. 实用连铸冶金技术[M]. 北京: 冶金工业出版社, 1998.

[5] 侯峰岩, 谭兴海, 等. 连铸结晶器表面电镀技术的应用进展[J]. 表面技术2007, 3.

[6] 蔡开科. 连铸结晶器[M]. 北京: 冶金工业出版社, 2008, 10.