高效长寿命结晶器制造技术

摘要介绍应用结晶器铜管新技术，能显著提高结晶器铜管的使用寿命，提高生产效率，降低生产成本。
结晶器是连铸机的核心，高效连铸机结晶器设计的主要原则是：

(1)保证高效的热传导功能，即冷却
强度大，冷却效率高，使铸坯在结晶器内结壳达到足
够的厚度；

(2)结晶器的热流强度均匀。热流强度均
匀使铸坯坯壳均匀；(3)结晶器，特别是铜管寿命长。
1 影响结晶器寿命的因素分析

原文请联系-烟台电镀技术服务部

1．1 铜管
影响铜管使用寿命的因素：
(1)铜管材质和镀层：铜管不耐磨，高温软化，抗
变形能力低。

(2)冷却水：结晶器冷却水采用工业水或循环水
冷却，由于铜管上口温度很高，冷却水经常处于间歇
沸腾状态，析出了大量碳酸盐，在铜管表面形成一层
水垢。经计算可知，每0．1 mm厚水垢当其导热系数
分别取A=2×4．187 kJ／(m·h·k)或A=4×4．187
kJ／m·h·k)时，可导致铜管表面温度升高4O℃
～ 8O℃ 。

(3)热疲劳性：由于结晶器的弯月面附近温度可
达350 oC，在特殊情况下会更高，铜管承受多次加热
和冷却的循环，弯月面烧坏。铜管的镀铬层与基体结
合性不好，在冷热循环的使用过程和基体分离，镀层
脱落。原可能与热膨胀系数有关，铬加热到400℃时
的热膨胀系数为8．4×10 ／℃ ，铜在200℃时为
17．2×10 ／℃ ，500℃ 时为18．3×10 ／℃ 。

(4)磨损：铜管的磨损形态主要是粘着磨损和犁
沟磨损。在一些情况下，如保护渣的粘度和拉钢速度
不当或结晶器结构影响，造成坯壳粘结而形成粘着
磨损，另外，坯壳卷渣形成硬度较高的保护渣球在振
动过程中这些固体颗粒向结晶器铜管表面压人就易
产生犁沟磨损。结晶器卷渣图如图1所示。
造成此类卷渣的主要
原因：①拉速等变化造成的
钢水液面大幅度波动；

②保护渣熔融不好；

③保护渣流动性不好(粘度、温度等)。使钢水由弯月面内部向上涌出，由外面将保护渣滴卷入坯壳。
(5)铜管内腔锥度设计：单锥度的铜管的内腔曲 图1 结晶器卷渣图线不符合铸坯凝固均方根定律。铜管与坯壳之间的
气隙影响结晶器的冷却效果。

1．2 水套
传统的内水套加工误差大，多采用钢质，在使用
中易产生锈蚀、凹坑，影响了冷却水的流速，也有采用
不锈钢板式内水套，直侧面板很薄，仅有4 mm，在高水
压下易变形。导致水缝不均，同样影响到冷却效果。
1．3 结晶器结构
结晶器密封形式设计不合理。如：结晶器上、下
口采用侧面密封时，距铜管上口45 mm处开有15
mm宽槽，用卡板固定铜管在结晶器法兰上，这样，铜
管上缘有60 inlla的无水冷却区，0形圈就压在结晶
器法兰上。当浇钢工稍有不慎，钢液面控制过高或塞
棒失控，拉速增大不及时，易导致上口铜管受热变
形，密封间隙变大，密封失效或铜管上口密封圈因高
温烧坏，使结晶器发生渗漏，并使铜管的有效长度降
低。下1：3采用侧密封因传热速度降低，易因坯壳温度
升高而导致坯壳粘结在结晶器上的可能大为增加。
1．4 密封损坏
造成密封损坏的原因如下：(1)密封圈在装配过
程中刮伤和扭转；(2)密封沟槽加工过于粗糙，也会
造成安装时0形圈产生扭转；(3)密封圈老化，未及
时更换；(4)除因0型圈失效造成渗漏外，引起结晶
器上、下1：3漏水还有密封圈烧损的情况：① 结晶器
液面过高，导致上密封法兰密封圈烧坏；② 结晶器
挂钢时用吹氧管清理，人为烧损上口密封圈。
1．5 结晶器装配
装配时水缝控制不均，铜管外壁四周的冷却水
流不均匀，会导致结晶器铜管上的一个或多个壁面
比其它壁面温度高，引起结晶器铜管热变形，严重影
响铸坯质量和连铸生产。
1．6 钢水质量
钢水质量不稳定、钢水温度波动大等。
1．7 工艺操作
结晶器液面不稳定、拉速不稳定及保护渣加入
制度都影响到结晶器的使用寿命。
2 提高结晶器寿命的技术
方坯连铸机高效化后有如下特征：(1)结晶器普
遍采用多锥度或抛物线锥度；(2)结晶器横端面截面
形态采用凹型或凸型；(3)对“气隙”的作用给予了足
够的重视，采用改变锥度、截面形状，水压等方法减
少“气隙”的影响；(4)采用窄水缝技术；(5)冷却水压
力提高，流速达10 m／s以上；(6)提高结晶器铜管和
水套的制造精度，保证水缝的均匀性。
2．1 改进水质
为防止高温时析出碳酸盐类沉积，已广泛使用软
水或纯水。推荐结晶器冷却水质要求见表1所示。
2．2 改进铜管的镀层
高效连铸结晶器的要求是导热性好，再结晶温
表1 推荐结晶器冷却水质要求
悬浮物 碱度 全硬度 氯离子 硫酸离子 水温
pH值
mg／L ×10 ‘ ×10一 ×10一 ×10一 ℃
6．5—8．5 ≤20 ≤40 ≤6o ≤20 ≤20 ≤35
度高，抗热疲劳，强度高，耐磨性好，使用寿命长，高
效连铸结晶器铜管材质的主要特征是铜管材质上述
性能的综合性能{zy}。结晶器内钢水凝固收缩示意
图如图2所示。
图2 结晶器内钢水凝固收缩示意图
由于结晶器铜板硬度低，耐磨性较差，在铜板表
面施加镀层，可使铜板表面硬度增加两倍以上。因
此，耐磨性和使用寿命都有较大的提高。
镀层有Ni+Cr和Ni—Fe、Ni—C0合金等几种镀
层。Ni+Cr复合镀层由于Cr硬度虽很高但Cr很薄，
很快被磨损掉，而Ni层耐磨性较差，使用寿命不太
理想。Ni—Fe合金镀层硬度比Ni+Cr复合镀层高一
倍以上，耐磨性能增强，使用寿命长。Ni—co合金镀
层是近年新开发的电镀工艺，硬度虽比Ni—Fe镀层
低，但摩擦系数低、塑性好，耐磨性能和使用寿命均
优于Ni—Fe镀层。铜一铬一锆合金在保持纯铜优良
导热性、导电性的条件下，通过加入少量的铬、锆，经
锻造、热处理使合金得到强化，强度、硬度有很大的
提高，同时又具有良好的塑性和耐蚀性，抗变形能力
和抗裂能力得到加强，其耐磨性能和防止铜板变形
能力亦明显优化，使用寿命比铜—银、铜一磷等合金
提高数倍，是制作结晶器较为理想的材料之一。
2．3 优化铜管内腔形状
高效方坯连铸机结晶器铜管内腔形状是根据连
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· 36· 2004年第4期
铸方坯的凝固特征设计的。主要考虑有两个方面：一
是在弯月面附近，由于热流密度大，热量集中，结晶
器铜管受热变形量。二是铸坯在凝固过程中的坯壳
收缩。设计的原则是结晶器铜管内腔形状与凝固坯
壳收缩规律相一致，减少气隙热阻。
2-4 精制铜水套技术
研究发现方坯结晶器铜管外壁四周的冷却水流
速不均匀，会导致结晶器铜管上的一个或多个壁面
比其它壁面温度高，引起结晶器铜管热变形，严重影
响铸坯质量和连铸生产。因此，水套与结晶器铜管之
间的间隙均匀性非常重要，生产中要{jd1}保证结晶
器铜的外部尺寸和水套的内部尺寸之间保持精密公
差。如水缝为4．8 mm，当间隙相差仅l mm就会导致
冷却水速变化20％ ，因此采用窄水缝技术的结晶
器，就要配有精度要求非常高的水套，否则还不如采
用宽水缝技术的结晶器。另外，通过对水套的研究还
发现：在水套与法兰焊接处，由于焊接变形，水套发
生鼓肚，使此处冷却水流速局部降低，导致与此对应
处的结晶器铜管表面温度显著提高，也影响铸坯质
量和连铸生产。目前，国内使用的水套绝大部分为先
数控铣后，再拼装焊接在一起，或经简单分块冲压后
再焊接在一起。因此，这类水套并不能保证真正意义
上的高效连铸生产。
3 几种高效结晶器
目前高效结晶器主要有喷淋式结晶器、凸形结
晶器、自适应结晶器、“钻石”结晶器、压力水膜结晶
器和曲面结晶器等几种。下面着重介绍自适应结晶
器和“钻石”结晶器。
3．1 自适应结晶器
自适应结晶器是达涅利(Damam)公司开发的一
种高效方坯结晶器，又称Damarn结晶器。其具体做
法如下：采用薄型铜管加大并调节结晶器冷却水压，
使薄铜壁紧贴坯壳以xx气隙，可实现高拉速。在
Dam_am结晶器里，通过调节水压，使其上部对铸坯侧
面和角部采取不同的横向冷却，来控制气隙的形成，
确保坯壳均匀凝固(见图3所示)。
图3 DANAM结晶器减小气隙、提高坯壳均匀性示意图
传统结晶器由于弯月面附近结晶器冷热面大的
温差，造成结晶器外凸。{zd0}外凸位于弯月面下方，
因此在弯月面上方形成负锥度，弯月面下方则紧接
一个正锥度。 弯月面下这一负锥度出现会导致深
的振痕、润滑不均匀、拉漏增加。
DANAM II：采用l m结晶器、减薄壁厚、目标6
m／min。
3．2 “钻石”结晶器(如图4所示)
“钻石”结晶器
是VAI推出的一种
高效方坯结晶器，
又称DIAMOLD。
VAI采用的技术解
决办法如下：VAI
认为提高拉速，坯
壳在结晶器内生长
的均匀性和增加坯
壳厚度很重要，解
决结晶器内坯壳生
长均匀性问题，其
本质就是如何降低
结晶器内气隙热
阻。VAI采用比常 图4 DIAMOLD结晶器
规抛物线锥度大一些的新抛物线形锥度，提高整个
结晶器长度上坯壳与结晶生长。增加坯壳厚度的最
有效办法是延长结晶器的长度，增加结晶器中铸坯
质点在结晶器内的生长时间。VAI经过计算，认为把
铜管延长至1 000 mm长较好。采用过大的抛物线锥
度和延长铜管至1 000 mm后，会使结晶下部摩擦力
很大，不利于拉坯。VAI通过研究，发现摩擦力过分
增大的压力峰值出现在结晶器下部四角边沿区域。
为了减小摩擦力，VAI采用从距结晶器顶部300
mm一400 mm处开始，一直到下口为止结晶器角部
区域没有锥度，而且愈往下角部无锥度区域也增
大。这种方法既确保了结晶器内坯壳的均匀生长。又
防止了结晶器中尤其下部摩擦力的过分增大。VAI
认为由于结晶器角部区域为二维热传递，因此，在这
个区域中小方坯角部区域的直接接触没有{jd1}必
要，因为这个区域中的坯壳总能充分生长。
环球冶金网--高效长寿命结晶器制造技术

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