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摘 要：本文简要介绍了京唐公司连铸机结晶器铜板的作用及镀层材质情况，并结合实际生产总结影响结晶器铜板寿命的因素及改进措施。
关键词：连铸机结晶器铜板；镀层材质；寿命
前言：
结晶器是连铸机的关键部件，铜板是结晶器的核心部件，钢水通过结晶器铜板向外导出热量而使钢水凝固结晶成一定厚度的坯壳，铜板在此过程中承受着高低温度产生的热应力、高温热膨胀带来的塑性变形、冷却收缩时带来的巨大拉应力、钢坯与铜板相对运动产生的摩擦力，这就要求结晶器铜板必须具有较高的热传导性，较高的抗拉强度，较高的再结晶温度，软化温度，热强性以抵抗变性，热疲劳能力，同时要有抵抗磨损的能力，提高过钢量，因此结晶器铜板在连铸过称中起到不可或缺的作用，提高结晶器铜板寿命更是降低炼钢成本的重要工作之一。
1 结晶器作用及其要求
结晶器是连铸机的核心，其作用是将连续不断地注入其内腔的钢液通过水冷铜板强制冷却，导出钢液的热量，使之逐渐凝固成为具有所需要求的断面形状和一定均匀厚度的坯壳，并使这种芯部为液相的铸坯连续不断地从结晶器下口拉出，为其在二冷区域内完全凝固创造条件。钢水在结晶器中的凝固对铸坯表面质量和铸机的正常生产有着重大影响，在高温钢水注入结晶器，逐渐形成一定厚度坯壳的凝固过程中，结晶器铜板一直处于钢水与冷却水的静压力、高温氧化、冷热疲劳产生的热裂纹、温度梯度大产生变形、冷却水和保护渣成份的化学腐蚀、高温蒸汽的侵蚀，引锭、拉坯、振动产生的摩擦、磨损和调锥宽导致的擦痕等诸多损伤。
（1）良好的导热性，能使钢液快速凝固。每1Kg钢水浇注成坯并冷却到室温，放出的热量约为1340KJ/Kg，若板坯尺寸为250×1700mm，拉速为1m/min，结晶器每分钟带走的热量多达20万KJ。而结晶器长度又较短，一般不超过1m，在这样短的距离内要能带走大量的热量，要求它必须具有良好的导热性能。若导热性能差，会使结晶器的铸坯壳变薄，为防止拉漏，只好降低拉速，因此结晶器具有良好的导热性是实现高拉速的重要前提。
（2）较高的高温强度。铜板不仅在常温下要有较高的强度，在200～300℃（连铸过程中铜板温度）这样的温度下，仍要保持在实现热量传导的同时保持良好的机械性能，不出现再结晶软化，不出现明显的塑性变形，扇形变形要小。且铜板内壁与高温金属接触，外壁通冷却水，而其壁厚较薄，在厚度方向温度梯度较大，热应力高，铜板必须具有较大的刚度，以适应高热应力。
（3）较好的高温耐磨性。结晶内部液态金属凝结为固态坯壳，具有一定的硬度，在震动装置的作用下，以一定速度移出，与铜板的表面产生摩擦、磨损、划伤，为保持铸坯形状、质量、耐用，必须具有高温条件下的良好的耐磨性。
（4）良好的工艺性能。易加工制造保证质量，装拆和调整方便。
（5）较好的性能价格比。
2 结晶器铜板镀层材质
目前京唐公司采用的NiCo合金镀层，此种镀层性能优越，抗拉强度310-450Mpa，延伸度为10-20%，宽面硬度为HV400，窄面硬度为HV220，热导率为80W/（m.k）。
NiCo合金镀层特点为：由于Co原子从体积上更接近Ni原子，因而镀层内部应力较小，与母材结合效果相对改善。
（1）镀层中Co离子在高温使用中析出，产生一种有CoO的玻璃质氧化薄膜（也有称之为陶瓷层），随着铜板的受热和温度的上升，表层陶瓷层逐渐加厚，这种陶瓷层增加钢水的滑动性，具有更好的耐磨性与抗氧化性。陶瓷层也避免了生产中发生的钢水飞沫的粘结现象。
（2）高温强度好，即使铜板表面温度高达500℃以上，硬度下降幅度较小，正常拉钢时也基本能保持常温性能，也能形成稳定的高硬度与耐磨表面层。
（3）动摩擦系数比其它金属低，因此可以降低结晶器在振动时的铜板与铸坯之间的振动阻抗，利于拉钢。
3 结晶器的寿命的影响因素
结晶器的寿命，京唐公司采用结晶器浇注铸坯的吨数来确定。在一般操作条件下，一个结晶器可浇注板坯9万吨，即600炉左右。
影响结晶器寿命的因素很多，正确选择结晶器内壁的材质是延长结晶器寿命的关键。由于结晶器内壁直接与高温钢水接触，要求其内壁材质导热系数要高，膨胀系数要低，在高温钢水接触，要求其内壁材质导热系数要高，膨胀系数要低，在高温下有足够的高温强度和耐磨性，还要塑性好易加工。目前CoNi铜板能满足这一要求，是做结晶器内壁比较理想的材料。
另外，结晶器的冷却水要求使用无宏观悬浮物的净水，水压不宜过大，结晶器倒锥度选得愈大，下部磨损也愈严重。结晶器的断面越大，长度越大，寿命也就愈低。结晶器下面导辊的对中精度，以及二次水冷强度和结晶器振动方式都对结晶器寿命有影响。
结晶器内腔尺寸的变形、表面的粗糙程度，角部的裂缝大于0.3mm，底部厚度磨损超过1.5～2mm等，这些因素足以引起产品的缺陷时，就要将结晶器拆下，对铜板进行加工修复，同时必须清除水垢。
结晶器窄边的寿命通常比宽边低，一般窄边在浇注到9万吨之后要重新加工修复。弧形结晶器内外弧沿弧线的不平行度误差超过0.4mm时，也应将其拆下修理。
连铸机拉速提高后出现了结晶器内外弧铜板裂纹以及镀层脱落等问题出现，如图1， 经查看铜板表面镀层剥落位置，距上口65～80mm之间，距铜板左侧位置340～420mm之间。剥落共计4处，大小为10mm×5mm矩形状，主要由于钢液面位置为65mm过高，导致传热效率较低所致。这种情况容易导致镀层产生疲劳性裂纹，进而导致剥落，尤其易发生在宽面和窄面配合区域。
图1 京唐公司连铸3#机结晶器铜板镀层脱落
4 结论
随着京唐公司产能的不断提高 ， 提高连铸机拉速的要求日益迫切，尤其是连铸3#、4#机1580*248mm以下的小断面，0.8m低拉速不仅仅影响为下游热连轧的供料，而且造成了拉钢周期长、转炉钢水富余量增加的不匹配问题。通过技术攻关将3#、4#连铸机的小断面工作拉速提高至1.8m以上，高拉速下连铸机结晶器对铜板及其镀层的要求更高，根据京唐公司结晶器铜板目前使用情况，总结出结晶器延长寿命的主要经验是：
（1）结晶器冷却水：水质硬度应小于3度，进出水温差控制在4～8度。
（2）提高足辊和二冷1段导辊的对弧精度。
（3）根据铜板的新老程度、结合中间包钢水温度，控制适当的拉速。
（4）在铜板设计时，冷却水槽位置距铜板上口有一定距离，因此浇铸过程中，液面过高易导致铜板上口不能够充分有效冷却；保护渣的堆积、渣线过高等原因，导致铜板表面镀层产生烧結、裂纹，最终剥落，严重影响铜板寿命及产能的提高。建议钢液面保持在80～100mm以下，特别是在高拉速的工作条件下，特别要注意这些事项。
（5）建立结晶器铜板的档案，定期检修或更换。■
参考文献
（1） 张富强.中薄板坯高拉速连铸结晶器平均热流研究 [J]. 钢铁 ，2002，37（12）：19
（2） 蒋丽敏.热解析技术在结晶器铜板上的应用.冶金科技，中国钢铁新闻网
（3） 李广海.板坯连铸结晶器内钢水流场和传热凝固数值模拟[J].钢铁研究学报，2007，19（12）：21.
作者简介：
王腾飞（1987.11-16）：男，汉族，河北唐山人，大学本科学历，首钢京唐钢铁联合有限责任公司公司，助理工程师，主要从事炼钢技术工作。
关键词：连铸机结晶器铜板；镀层材质；寿命
前言：
结晶器是连铸机的关键部件，铜板是结晶器的核心部件，钢水通过结晶器铜板向外导出热量而使钢水凝固结晶成一定厚度的坯壳，铜板在此过程中承受着高低温度产生的热应力、高温热膨胀带来的塑性变形、冷却收缩时带来的巨大拉应力、钢坯与铜板相对运动产生的摩擦力，这就要求结晶器铜板必须具有较高的热传导性，较高的抗拉强度，较高的再结晶温度，软化温度，热强性以抵抗变性，热疲劳能力，同时要有抵抗磨损的能力，提高过钢量，因此结晶器铜板在连铸过称中起到不可或缺的作用，提高结晶器铜板寿命更是降低炼钢成本的重要工作之一。
1 结晶器作用及其要求
结晶器是连铸机的核心，其作用是将连续不断地注入其内腔的钢液通过水冷铜板强制冷却，导出钢液的热量，使之逐渐凝固成为具有所需要求的断面形状和一定均匀厚度的坯壳，并使这种芯部为液相的铸坯连续不断地从结晶器下口拉出，为其在二冷区域内完全凝固创造条件。钢水在结晶器中的凝固对铸坯表面质量和铸机的正常生产有着重大影响，在高温钢水注入结晶器，逐渐形成一定厚度坯壳的凝固过程中，结晶器铜板一直处于钢水与冷却水的静压力、高温氧化、冷热疲劳产生的热裂纹、温度梯度大产生变形、冷却水和保护渣成份的化学腐蚀、高温蒸汽的侵蚀，引锭、拉坯、振动产生的摩擦、磨损和调锥宽导致的擦痕等诸多损伤。
（1）良好的导热性，能使钢液快速凝固。每1Kg钢水浇注成坯并冷却到室温，放出的热量约为1340KJ/Kg，若板坯尺寸为250×1700mm，拉速为1m/min，结晶器每分钟带走的热量多达20万KJ。而结晶器长度又较短，一般不超过1m，在这样短的距离内要能带走大量的热量，要求它必须具有良好的导热性能。若导热性能差，会使结晶器的铸坯壳变薄，为防止拉漏，只好降低拉速，因此结晶器具有良好的导热性是实现高拉速的重要前提。
（2）较高的高温强度。铜板不仅在常温下要有较高的强度，在200～300℃（连铸过程中铜板温度）这样的温度下，仍要保持在实现热量传导的同时保持良好的机械性能，不出现再结晶软化，不出现明显的塑性变形，扇形变形要小。且铜板内壁与高温金属接触，外壁通冷却水，而其壁厚较薄，在厚度方向温度梯度较大，热应力高，铜板必须具有较大的刚度，以适应高热应力。
（3）较好的高温耐磨性。结晶内部液态金属凝结为固态坯壳，具有一定的硬度，在震动装置的作用下，以一定速度移出，与铜板的表面产生摩擦、磨损、划伤，为保持铸坯形状、质量、耐用，必须具有高温条件下的良好的耐磨性。
（4）良好的工艺性能。易加工制造保证质量，装拆和调整方便。
（5）较好的性能价格比。
2 结晶器铜板镀层材质
目前京唐公司采用的NiCo合金镀层，此种镀层性能优越，抗拉强度310-450Mpa，延伸度为10-20%，宽面硬度为HV400，窄面硬度为HV220，热导率为80W/（m.k）。
NiCo合金镀层特点为：由于Co原子从体积上更接近Ni原子，因而镀层内部应力较小，与母材结合效果相对改善。
（1）镀层中Co离子在高温使用中析出，产生一种有CoO的玻璃质氧化薄膜（也有称之为陶瓷层），随着铜板的受热和温度的上升，表层陶瓷层逐渐加厚，这种陶瓷层增加钢水的滑动性，具有更好的耐磨性与抗氧化性。陶瓷层也避免了生产中发生的钢水飞沫的粘结现象。
（2）高温强度好，即使铜板表面温度高达500℃以上，硬度下降幅度较小，正常拉钢时也基本能保持常温性能，也能形成稳定的高硬度与耐磨表面层。
（3）动摩擦系数比其它金属低，因此可以降低结晶器在振动时的铜板与铸坯之间的振动阻抗，利于拉钢。
3 结晶器的寿命的影响因素
结晶器的寿命，京唐公司采用结晶器浇注铸坯的吨数来确定。在一般操作条件下，一个结晶器可浇注板坯9万吨，即600炉左右。
影响结晶器寿命的因素很多，正确选择结晶器内壁的材质是延长结晶器寿命的关键。由于结晶器内壁直接与高温钢水接触，要求其内壁材质导热系数要高，膨胀系数要低，在高温钢水接触，要求其内壁材质导热系数要高，膨胀系数要低，在高温下有足够的高温强度和耐磨性，还要塑性好易加工。目前CoNi铜板能满足这一要求，是做结晶器内壁比较理想的材料。
另外，结晶器的冷却水要求使用无宏观悬浮物的净水，水压不宜过大，结晶器倒锥度选得愈大，下部磨损也愈严重。结晶器的断面越大，长度越大，寿命也就愈低。结晶器下面导辊的对中精度，以及二次水冷强度和结晶器振动方式都对结晶器寿命有影响。
结晶器内腔尺寸的变形、表面的粗糙程度，角部的裂缝大于0.3mm，底部厚度磨损超过1.5～2mm等，这些因素足以引起产品的缺陷时，就要将结晶器拆下，对铜板进行加工修复，同时必须清除水垢。
结晶器窄边的寿命通常比宽边低，一般窄边在浇注到9万吨之后要重新加工修复。弧形结晶器内外弧沿弧线的不平行度误差超过0.4mm时，也应将其拆下修理。
连铸机拉速提高后出现了结晶器内外弧铜板裂纹以及镀层脱落等问题出现，如图1， 经查看铜板表面镀层剥落位置，距上口65～80mm之间，距铜板左侧位置340～420mm之间。剥落共计4处，大小为10mm×5mm矩形状，主要由于钢液面位置为65mm过高，导致传热效率较低所致。这种情况容易导致镀层产生疲劳性裂纹，进而导致剥落，尤其易发生在宽面和窄面配合区域。
图1 京唐公司连铸3#机结晶器铜板镀层脱落
4 结论
随着京唐公司产能的不断提高 ， 提高连铸机拉速的要求日益迫切，尤其是连铸3#、4#机1580*248mm以下的小断面，0.8m低拉速不仅仅影响为下游热连轧的供料，而且造成了拉钢周期长、转炉钢水富余量增加的不匹配问题。通过技术攻关将3#、4#连铸机的小断面工作拉速提高至1.8m以上，高拉速下连铸机结晶器对铜板及其镀层的要求更高，根据京唐公司结晶器铜板目前使用情况，总结出结晶器延长寿命的主要经验是：
（1）结晶器冷却水：水质硬度应小于3度，进出水温差控制在4～8度。
（2）提高足辊和二冷1段导辊的对弧精度。
（3）根据铜板的新老程度、结合中间包钢水温度，控制适当的拉速。
（4）在铜板设计时，冷却水槽位置距铜板上口有一定距离，因此浇铸过程中，液面过高易导致铜板上口不能够充分有效冷却；保护渣的堆积、渣线过高等原因，导致铜板表面镀层产生烧結、裂纹，最终剥落，严重影响铜板寿命及产能的提高。建议钢液面保持在80～100mm以下，特别是在高拉速的工作条件下，特别要注意这些事项。
（5）建立结晶器铜板的档案，定期检修或更换。■
参考文献
（1） 张富强.中薄板坯高拉速连铸结晶器平均热流研究 [J]. 钢铁 ，2002，37（12）：19
（2） 蒋丽敏.热解析技术在结晶器铜板上的应用.冶金科技，中国钢铁新闻网
（3） 李广海.板坯连铸结晶器内钢水流场和传热凝固数值模拟[J].钢铁研究学报，2007，19（12）：21.
作者简介：
王腾飞（1987.11-16）：男，汉族，河北唐山人，大学本科学历，首钢京唐钢铁联合有限责任公司公司，助理工程师，主要从事炼钢技术工作。