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提高结晶器铜板使用寿命的质量控制技术研究分析

张宏杰1，温茂远1，侯振1，里达1，王淑刚1，周宁2，乔卫恒2

(1．鞍钢附属企业公司一炼钢冶金修造厂，辽宁鞍山114011；2．济南钢铁股份公司，山东济南250101)

摘 要：为了提高结晶器的使用寿命，从分析铜板及表面涂镀层失效形态出发，对结晶器的设计、铜板材质的选择和表面强化技术等方面进行了研究和总结，针对结晶器铜板在使用中出现的问题提出了改进措施。

关 键 词：结晶器；失效；热裂纹；磨损

1 概述

在现代钢铁工业中，连续铸钢技术的出现是一次重大的技术革命。19世纪中叶，英国发明家、鼓风炼钢发明者Bessemer首先提出了双辊法连铸的专利。1964年前苏联新利别茨克厂电炉车间和日本的新日本制铁分厂率先实现了连铸生产[1]。

目前连铸机上使用的结晶器铜板大部分涂镀表面强化层，以延长铜板的使用寿命。它对提高冶金企业的生产效率，降低生产成本具有十分重要的意义。而连铸机结晶器对基体铜板及涂镀层的性能提出了如下需求。

1．1 提供足够的刚性

当前炼钢厂普遍实行高温出坯，如果铜板没有足够的刚性，结晶器上线使用时，在高温、震动和钢水静压力的联合作用下很容易产生故障。例如由于铜板变形造成冷却水泄露；钢液面处铜板收缩，致使冷却水箱固定螺栓受到剪切力作用折断、检修后拧不上螺栓；下线后宽边铜板中心整体下陷；宽边窄边结合处角缝超差等，都会使结晶器难以达到设计的使用寿命。

1．2 提供良好的导热能力

为了使铸坯在结晶器内形成一定厚度坯壳，铜板及涂镀层要有良好的导热能力。现代结晶器要求最大限度地达到同一等高位上冷却的均匀一致性。同时辅之以电磁搅拌技术，以提高钢坯的结晶质量。铜板背面(冷面)和涂镀层的冷却设计是结晶器能否达到“在同一等高位上冷却均匀一致”的关键所在。为此，世界顶级的结晶器设计企业纷纷推出各类“热流模拟模块”或“热解析软件”。

1．3 高性能的表面涂镀层

铜板热面涂镀强化技术主要是为延长结晶器铜板的使用寿命而发展起来的[2]。铜板热面涂镀层的选择取决于三点：一是在高温下有很好的耐磨性能；第二是涂镀层本身的韧性要好，内应力低且耐热冲击；第三是涂镀层与铜板之间结合要稳定可靠。

目前，结晶器铜板热面涂镀层的种类主要有：各种金属的电镀层、热喷涂层、纳米陶瓷粒子复合镀层[3]和激光熔覆层等。在这几类涂镀层中，电镀层是目前工业应用的主流选择；而热喷涂层、纳米陶瓷粒子复合镀层和激光熔覆层在高温下都有更好的耐磨性能，但是涂层本身的韧性、内应力和耐热疲劳性能比纯净的单金属电镀层差很多。最关键的一点是涂镀层与铜板之间结合是否稳定可靠。虽然热喷涂层和激光熔覆层均采用表面毛化来增加比表面积、高温热处理使涂层与铜板之间形成冶金结合，使得结合力测试值能接近电镀层和纳米陶瓷粒子复合镀层的水平(≥240MPa，如图1)，但是结合稳定性较差，使用中时有发生片状剥落。

2 结晶器铜板失效形式

连铸生产对结晶器铜板提出了很高的要求。结晶器铜板的工作寿命取决于生产的钢种及质量标准、结晶器设计、连铸工艺参数和涂镀层的选择。下面以不同类型结晶器的铜板及表面涂镀层失效形态的变化为依据，从设计、材质和表面强化技术等方面阐述提高结晶器使用寿命的改进措施。

2．1 铜板的3种失效形式

因为不同种类铸机的结晶器铜板失效的方式各异，所以不同的铸机应选择与之相匹配的铜板[4]。一般地讲，低速铸机(包括组合式方坯、断面230mm以上厚板坯)的结晶器失效表现为铜板下口的磨损，对铜板刚性要求高，需要选择拉伸强度大于290MPa的铬锆铜板基体。而中高速铸机(ASP、CSP、FTSC)，其铜板失效部位表现为弯月面区域的热裂，选择冷作的银铜合金要好于铬锆铜。我们通过研究铜合金的金相照片(如图2)，认为银铜合金的强化机理为固溶强化；而铬锆铜的强化机理主要为析出强化。铬锆铜的铜晶界之问存在析出的富铬金属化合物，阻碍了位错的运动，导致铜的拉伸强度和屈服强度的提高；也正是由于在铜晶界之间存在的富铬的化合物(注意图2(b)中红线区域)，当铜板弯月面区域在反复经受的热流冲击时，疲劳裂纹就在晶界间萌生，进而导致铜板热面产生的裂纹深入。

对于拉速介于1．4～1．8m／min的厚板坯(坯厚≥230mm)铸机或部分连铸坯断面在180～230mm的板坯连铸机，在同一台铸机上，窄面铜板表现为磨损失效，宽面铜板则表现为热裂失效，所以要根据结晶器失效的实际情况来选择不同的铜板材质。

2．2 济钢三钢ASP改造实例

原铸坯厚度是135～145mm，宽度1．05～1．6m，拉速在2．3～2．8m之间。它属热裂型失效连铸机，宽面铜板表现为热裂失效。将宽面铜板的铬锆铜合金母材改为国产银铜合金母材[5]，其成分和力学性能(见表1)，而窄面铜板仍然使用铬锆铜合金母材。这样可以大幅度地提高结晶器的整体冷却效果，同时保证结晶器在使用周期内的角缝精度。

同时改造铜板冷面结构，将冷却水槽的起始半径由R125改为R60[60]。在铜板顶端的第一个和第二个螺孔之间加开X型冷却水槽(见图3)。以提高结晶器弯月面钢水波动区域的冷却效果。

经过上述的改进后，ASP铸机结晶器铜板弯月面区域的冷却效果得到明显改善。在使用周期内，总通钢量与全铬锆铜结晶器相同的情况下，改进后的结晶器宽面铜板弯月面区域的裂纹深度明显减轻(低于2．9mm)。裂纹深度比引进的德国KME公司铬锆铜铜板浅4mm；比国产的铬锆铜铜板浅9mm，从而使宽面铜板的修复次数延长2～4倍。该技术有效地延长了铜板的实际使用寿命。

3 结晶器铜板表面涂镀层失效形式

结晶器铜板从新品到报废一般要经过3～12次修复。每次修复除厚度有所减薄外，铜板的平面度、窄面铜板侧面的垂直度和上下端的开口度等项目要求严格符合图纸要求。铜板修复质量主要取决于热面强化层的选择和周期性疲劳层的去除[7]。

3．1 表面涂镀层磨损失效

结晶器振动引起的钢坯坯壳与铜板之间发生往复机械摩擦，造成铜板表面涂镀层的磨损。容易产生这类失效方式的是组合式方坯和厚板坯(坯厚≥230mm)铸机。对宽边铜板主要表现在下口和与窄边相接触的部位，对窄边铜板则表现为下口两侧角部的严重磨损(见图4)。

磨损型失效铜板的改进技术对策：

1)原始设计的结晶器铜板的Ni或Ni—Fe镀层改为更耐磨的Ni—Co、Co—Ni合金镀层[8，9]；

2)原设计的结晶器窄边铜板改为热喷涂层、纳米陶瓷粒子复合镀层或者激光熔覆层，以提高耐磨性；

3)窄面铜板下口的镀层厚度由1．5mm增加到1．8—2．3mm。

4)减小窄面铜板的磨损、提高其使用寿命与足辊宽度密不可分。尽可能地延长窄面铜板的足辊宽度，可以有效地提高窄面铜板的实际使用寿命，甚至达到与宽面铜板同步检修目标(例如本钢的1#连铸机)。

3．2 表面涂镀层热裂型失效

铜板弯月面区域存在交变的热应力和高温腐蚀，促使表面产生裂纹并使镀层逐步剥落(图5)。容易产生这类失效方式的是中薄板坯和薄板坯连铸机。

裂纹一律为垂直于弯月面的纵裂纹。连铸生产时，结晶器铜板热面温度升高，则必然会受热膨胀；而结晶器铜板冷面通过紧固螺栓连接在支撑板或冷却水箱上，使膨胀受到阻碍；同时，铜板冷面温度远低于热面温度；所以，铜板冷面的热膨胀远小于热面。更主要的是结晶器铜板热面的弯月面区域的钢水上下波动，使铜板热面受到严重的热疲劳应力腐蚀[4]。与此同时，在钢水、保护渣、蒸汽等作用下，一些敏感腐蚀介质元素如F、O、S、P、H(提高精练标准能有效降低敏感性腐蚀介质)等和涂层、铜板基体形成化合物，进一步降低了铜板热面的疲劳极限，使晶问裂纹加速扩展延伸。当弯月面区域的腐蚀介质与热辐射、热冲击和热膨胀等因素联合作用、且热冲击和热膨胀强度超过某一临界值时，就会导致铜板涂镀层表面产生裂纹。而这个临界值正是通过拉速来体现的：从图6中可以看到[10]，因为拉速升高，明显使铸坯表面温度升高。拉速为6．0m／min时甚至造成了铸坯表面的温度不降反升。铜板表面的温度也升高，热冲击和热膨胀的强度也升高。高温下腐蚀介质的腐蚀性会依照范特霍夫规则：温度每升高10℃反应速率升高2—3倍，从而使铜板热面开裂的临界值进一步降低。所以在连铸生产中发现拉速越高，铜板热面的裂纹愈严重。

热裂型失效铜板的改进技术对策：

1)如2．2所述改进原始设计的结晶器铜板。

2)适当降低拉速，采用有利于降低结晶器热面工作温度的工艺措施，都有利于阻止结晶器铜板热裂纹的产生。

3)采用我公司研发的抗腐蚀应力控制电镀技术。该技术的特点：一是精确去除铜板的周期性疲劳层；二是采用精密电镀工艺生产超纯抗腐蚀电镀层；三是通过研究各种纯金属镀层、热喷涂层和纳米陶瓷复合镀层的内应力分布性能，在铜板电镀层中不依靠任何有机添加剂生成稳定趋零的压应力，如图7所示。

在电镀、热喷涂及激光熔覆层处理过程中，都会涉及到涂镀层应力的问题。对于同种材质的涂镀层，硬度越高内应力越高。涂镀层的内应力常常引起基体变形或产生裂纹，有时甚至使涂层剥离脱落，不但失去了防护的功能，还会对基体产生不良的影响。通常对机械性能有特殊要求的场合，镀层的内应力越小越好。

目前结晶器铜板表面的电镀层有镀铬、镀镍、镀镍加铬的多层电镀、镍铁合金、镍钴合金或钴镍合金。公认由氨基磺酸盐体系电镀的镍钴合金内应力最低[11]，为5～20MPa(张应力)。镀镍和镀镍铁合金的内应力较高，为50—240MPa(张应力)，而镀铬的内应力更高。用抗腐蚀应力控制电镀技术生产的电镀层内应力可以稳定在负的0．1—1MPa(压应力)。

3．3 磨损与热裂混合型失效

拉速介于1．4～1．8m／min的厚板坯(坯厚≥230mm)铸机，其铜板的失效特点大多表现为：窄面铜板磨损较重；宽面铜板在受到磨损的同时，伴有热裂。

磨损与热裂混合型失效铜板的改进技术对策：

1)如2．2所述改进原始设计的结晶器铜板，窄边铜板使用铬锆铜板。

2)采用组箱式电镀独有的液位高度控制技术[12]，生产出弯月面区域低合金、高韧性镀层，而下部则形成高合金、耐磨性的电镀层。既减缓弯月面的热裂又提高铜板下口的耐磨性。

4 结论

1)要根据结晶器失效的实际情况来选择不同的铜板材质。并选择成熟技术、先进工艺生产的新型表面强化层，有利于延长结晶器使用寿命。

2)对出现热裂失效的铸机而言：宽面铜板采用银铜合金，窄面铜板采用铬锆铜合金更适合该类铸机的实际生产工况。

3)一切有利于提高结晶器冷却效果的改进措施，都有利于阻止结晶器铜板热裂纹的产生和延伸。

参 考 文 献：

[1]   张铭鼎，蔡体刚．连续铸钢技术的发展[J]．上海金属，1996，18(5)：2～6．

[2]   王红，方克明，张宏杰．薄板坯结晶器铜板组箱式电镀Ni—CO合金镀层特点及应用[J]．连铸．2005，138(1)：20～23．

[3]   梅琴．Ni—ZrO2纳米复合镀层在结晶器中的应用[J]．中国新技术新产品，2008，(8)：2．

[4]   方克明，于延明，薛悦中等．结晶器铜板设计和生产维护技术探讨[J]．重型机械，2009(3)：1～6．

[5]   苏钢，方克明，张宏杰．板坯连铸机用结晶器用铜板母材组配方法[P]．中国发明专利，ZL03145962．5，2005—07—27．

[6]   宝钢机械技术部．热解析技术在结晶器铜板上的应用[A]．板坯连铸技术交流会论文汇编[C]．北京：连铸协会，2005，45～50．

[7]   刘纪生等．延长结晶器铜板使用寿命的有效途径[A]．板坯连铸技术交流会论文汇编[c]．北京：连铸协会，2006，26～35．

[8]   方克明，张宏杰．连铸机结晶器铜板用Ni—CO合金镀层的探讨[J]．连铸，2002，(3)：14～15．

[9]   三谷和久．改善连铸铜板耐磨性能的Ni—CO合金的特性[J]．连铸，1996，(6)：34．

[10]   李中原，赵九洲．拉速对薄板坯连铸过程中流场、温度场及溶质偏析的影响[J]．特种铸造及有色合金，2006，26(4)：193～196．

[11]   杨明铎，张铁军．连铸机结晶器铜板电镀镍钴合金工艺[J]．鞍钢技术，2003，(1)：18．

[12]   苏钢，方克明，张宏杰．连铸机结晶器铜板的组箱式电镀合金工艺[P]．中国发明专利，ZL03133341．9，2006—02—22．