結晶器銅板防熱裂技術措施

周 寧

（濟南鋼鐵股份有限公司 第三煉鋼廠，山東 濟南250101）

結晶器銅板防熱裂技術措施

周 寧

（濟南鋼鐵股份有限公司 第三煉鋼廠，山東 濟南250101）

隨著板坯連鑄機產能不斷提高，濟鋼第三煉鋼廠結晶器銅板所承受的熱負荷不斷增加，熱裂問題日益嚴重，裂紋深度大多在6～8 mm。通過將結晶器銅板鍍層厚度采用階梯分布形式，優化銅板母材導熱性能，銅板彎月面加開X型冷卻水槽，浸入式水口改用4孔水口，裂紋深度均控制在2 mm以下，銅板單次過鋼量由2.2萬t提高到6萬t。

連鑄機；結晶器銅板；熱裂；鍍層；冷卻水槽

1 前言

熱裂問題是影響高拉速連鑄機結晶器銅板使用壽命的主要原因之一。隨著濟鋼第三煉鋼廠2#、3#中薄板坯連鑄機產能不斷提高，拉速不斷提升，結晶器銅板所承受的熱負荷不斷增加，銅板熱裂問題日益嚴重。拉速提高到2.8 m/min后，銅板平均裂紋深度6～8 mm，個別銅板裂紋深度超過10 mm，銅板平均單次過鋼量不足2.2萬t，成為影響連鑄生產安全性、穩定性的主要問題，并造成生產成本增加。通過分析銅板熱裂紋產生的原因，從設備、工藝等角度制定了一系列針對性措施，實施后效果顯著，銅板裂紋平均深度控制在2 mm以下，銅板平均單次過鋼量提高到6萬t以上。

2 銅板熱裂紋產生的原因

2.1 結晶器銅板熱裂情況

濟鋼第三煉鋼廠的2臺中薄板坯連鑄機設計形式為一機一流，鑄坯澆鑄斷面為135 mm×（950～1 550 mm，連鑄機半徑為5 m，最大拉速3 m/min。結晶器設計型式為組合式平直結晶器，銅板背部設有冷卻水槽，寬邊銅板尺寸為1 930 mm×1200 mm，厚度最大為40 mm，再加工后最小可用厚度為25 mm。銅板材質為Cu-Cr-Zr（鉻鋯銅），表面鍍Ni-Co（鎳鈷）。在投產初期，連鑄機拉速較低，銅板損壞形式主要為機械磨損。隨著2臺連鑄機生產的低碳鋼品種種類、數量的增多，平均拉速由1.8 m/min逐漸提高到2.8 m/min，并且隨著中間包快換等技術的掌握與應用，結晶器作業率大幅度提高，結晶器銅板的熱負荷大大增加，銅板陸續出現熱裂現象，尤其以寬邊銅板彎月面部位熱裂最為嚴重。銅板熱裂問題隨著高拉速（＞2.6 m/min）、小斷面（斷面寬度＜1 240 mm）的低碳鋼鋼種生產量的提高而日益加劇，裂紋深度大多在6～8 mm，個別銅板裂紋深度超過10 mm，單次過鋼量不足2.2萬t。由于銅板可刨削量僅為15 mm，造成大量銅板在短期內報廢，增加了生產成本，同時也形成安全隱患。

2.2 結晶器銅板熱裂紋產生原因

連鑄生產過程中，結晶器銅板表面與背面存在著很大的溫度梯度，即存在較大的熱應力，鉻鋯銅合金銅板是多晶體金屬，在熱應力及外力的作用下，銅板高溫區的晶粒發生了沿晶界的滑動，造成晶粒破碎并沿力的方向被拉長，晶界附近的空位成長為空穴并連成一體，最終形成了裂紋［1］。

相關研究成果表明，薄板坯連鑄機結晶器銅板在寬度方向上的溫度與熱流密度的分布具有相似的規律性，距離彎月面越近，熱流的密度和溫度的波動越大，越容易造成銅板被侵蝕［2］。用Fluent數學模擬軟件模擬澆鑄過程中結晶器內鋼水的流動狀況和流場分布可知，在水口傾角、孔徑不變的情況下，澆鑄速度越高，斷面越小，銅板彎月面處鋼水翻騰越劇烈，對銅板的沖刷越嚴重，銅板承受的熱負荷越大。

濟鋼第三煉鋼廠中薄板坯連鑄機結晶器銅板熱裂現象是伴隨著拉速提高而出現的，且裂紋部位均集中在寬邊銅板的彎月面處，其余部位未出現裂紋，斷面越小，拉速越高，銅板裂紋情況越嚴重，如生產拉速為2.8 m/min，斷面135 mm×1 050 mm鋼種的銅板彎月面處裂紋較長較寬；生產拉速為2.5～2.6 m/min，斷面為135 mm×1 280 mm鋼種的銅板彎月面處裂紋較細；生產拉速為2.1～2.3 m/min，斷面為135 mm×1 550 mm鋼種的銅板彎月面處基本不會產生熱裂紋。從銅板背面水槽顏色看，生產過拉速高、斷面小的鋼種的銅板彎月面處背面水槽顏色為深藍色，有明顯的過燒現象。結合薄板坯連鑄機熱流密度分析計算等理論與現場實際使用情況，可以判定，連鑄機提高拉速后，鋼水溫度高，結晶器銅板熱負荷增大，銅板彎月面處受到過高熱應力反復作用，是出現大量熱裂紋的主要原因。

3 防止銅板熱裂的措施

3.1 鍍層形式的改造

由于Ni-Co鍍層的導熱系數［68.9 W/（m·K）］要遠低于鉻鋯銅的導熱系數［350 W/（m·K）］，鍍層較厚會影響散熱效果，導致銅板局部溫度過高。原設計銅板鍍層厚度為0.5～1.5 mm，線性分布，銅板彎月面處鍍層厚度超過0.5 mm。為改善該處的導熱情況，鍍層采用階梯分布形式。沿銅板高度方向從上到下，0～150 mm區域無鍍層，150～400 mm區域鍍層厚度為0.2～0.3 mm，400～700 mm區域鍍層厚度為0.8～0.9 mm，700～1200 mm區域鍍層厚度為1.4～1.5 mm。該結構形式的鍍層大大增強了銅板彎月面處的導熱性。

3.2 優化銅板母材導熱性能

1）在真空熔煉時對母材成分進行調整。在冶煉時加入適量的稀土元素，提高母材的晶粒細化程度，從而提高銅板母材的熱導率，熱導率由350 W/（m·K）提高到365～370 W/（m·K）；其次是在真空冶煉澆鑄時調整銅液的澆鑄溫度，提高銅板的質量，并對澆鑄的銅錠熱收縮要求進一步提高；在熱鍛時，保持銅錠的爐內外加熱溫度穩定，進一步細化工藝控制參數來確保母材質量的穩定。

2）采用銀銅材質的銅板。銀銅銅板Ag含量約為0.09%，熱導率為377 W/（m·K），高于鉻鋯銅的350 W/（m·K），導熱性能良好。銀銅銅板硬度（90～105 HB）低于鉻鋯銅（125 HB），實踐表明，該硬度滿足中薄板坯連鑄生產的實際需要。

3.3 銅板冷卻水槽的改造

生產時，鋼水液面距銅板的上口約80 mm，銅板該部位背面由于存在加工倒角，冷卻水槽較淺，并且彎月面背面上下兩排螺紋孔之間部位無冷卻水槽，冷卻效果差，該部位銅板有明顯過燒現象。通過將銅板上部水槽的圓弧半徑由原來的125 mm改為60 mm，增加彎月面部位銅板水槽深度，并在銅板彎月面部位上下兩排螺紋孔之間加開X型冷卻水槽，以提高冷卻效果。

3.4 結晶器內鋼水流場的改善

因為低碳鋼系列的液相線溫度在1 530℃，比中碳鋼系列1 520℃的液相線溫度偏高10℃，而且小斷面時浸入式水口的鋼流出口速度偏快，結晶器彎月面處鋼液面高低差大，因此小斷面下的寬面銅板彎月面部位要承受更大的熱負荷。改變浸入式水口的設計，在生產小斷面SPHC2低碳鋼系列時不再使用3孔水口，而改用4孔水口。4孔水口的優點是液位波動較小，可有效減緩水口流出的鋼水對寬面銅板兩端（靠近窄面銅板150～200 mm部位）渣線部位的沖刷，降低銅板的熱負荷。另外，4孔水口的流場更加合理，可以將適當比例的高溫鋼水輸送到水口周圍的熔池液面附近，促進該區域保護渣的融化和流入，為銅板與坯殼的保護渣渣膜均勻性創造更好條件，穩定了結晶器內部的熱力場分布，也有利于降低銅板熱負荷。

4 結語

采取一系列防止熱裂的措施后，銅板裂紋情況得到了明顯改善。從銅板背面水槽的顏色看，水槽部位顏色基本接近銅板母材原色，充分說明銅板冷卻效果有所提高。銅板壽命顯著提高，單次過鋼量由不足2.2萬t提高到6萬t。裂紋深度顯著降低，無論是改良型鉻鋯銅材質還是銀銅材質銅板，裂紋深度均控制在2 mm以下。

［1］ 王隆壽.結晶器銅板熱裂紋原因及對策［J］.寶鋼技術，1995（1）：20-27.

［2］ 張慧，陶紅標，劉愛強，等.薄板坯連鑄結晶器銅板溫度及熱流密度分布［J］.鋼鐵，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

周寧，男，1977年生，2001年畢業于哈爾濱工業大學機械電子工程專業。現為濟鋼第三煉鋼廠機動科工程師，從事連鑄機機械技術工作。