摘要：从水平连铸工艺、冷却水水质、锥度、铜套性能及装配质量等方面分析了水平连铸结晶器使用寿命的影响因素，提出了提高水平连铸结晶器使用寿命的有效措施。

关键词：水平连铸；结晶器；铜套；寿命

    结晶器是连铸生产中的核心部件，在水平连铸中也不例外，结晶器的质量好坏对水平连铸生产和铸坯质量都有很大的影响。近年来，随着连铸向高效化发展，结晶器的使用寿命成为制约连铸生产的一项重要因素。为延长结晶器的使用寿命，提高连浇率，保证铸坯质量，衡阳钢管集团有限公司在提高水平连铸结晶器的使用寿命上进行了一些相关研究工作，如水平连铸工艺优化、结晶器冷却水水质改造、结晶器锥度改进及内套装配质量的改进等。

1  水平连铸结晶器的特点

    在水平连铸中目前使用的结晶器结构有2种。

    一次冷却和二次冷却分开。与弧形连铸一样，结晶器长度较短，一般为600～900 mm，结晶器铜套材质为铜质镀Ni或Cr层，铸坯出结晶器后再经过二冷段喷水冷却。

    一次冷却和二次冷却没有分开。红坯出结晶器后直接在空气中冷却，为保证坯壳有足够的厚度和强度，此种结晶器较其它连铸结晶器长得多，一般在1．2～1．5 m之问，将连铸的“一冷和二冷”结合在一起。为适应铸坯的凝固收缩规律，结晶器分为前后2段。由于中间包与结晶器是密封连接，结晶器内的钢水静压比其它连铸方式要高，尤其是结晶器前端，此处热交换最大，因此，结晶器内套前段采用高导热性能的铜套；另外，由于没有类似弧形连铸结晶器保护渣的润滑功能，为了解决结晶器的自润滑问题，结晶器后段采用具有高温自润滑性能及导热能力较好的石墨套。结晶器铜套材料有CuCrl、CuCo2Be、CuNiSi、CuBe2CoNi、CuSiCrB等合金，通过对比试验，CuCo2Be(铍钴铜)是目前水平连铸最适宜的材料衡阳钢管集团有限公司一直采用的是第二种结晶器。

2结晶器铍钴铜套参数及使用情况

    铍钴铜套主要参数如下

    化学成分(质量分数)：钴为2．2％～2．7％，铍为O．25％～0．7％，镍+铁小于O．5％，其它为铜。

硬度(HB)为200～230。结晶器相关尺寸见表1。

    结晶器使用寿命是指结晶器使用到一定程度，由于冷却效果差、铜套损坏、变形等原因，无法再使用而调换下线的使用时间。在水平连铸中，石墨套的使用寿命是铜套的10倍以上，因此结晶器使用寿命主要决定于铜套的使用情况。表2为改造前结晶器使用情况。

    由表2可以看出，除达到正常使用周期下线的外，其中每月因铜套在使用过程中出现意外情况(使用炉数少于4炉)而下线所占比例较高，对连铸正常生产及铸坯质量影响较大，结晶器过早下线的主要原因有：(1)随着生产的进行，铜套内表出现纵向划痕，相应在铸坯表面会出现连续的凸筋，严重影响铸坯质量；(2)铜套漏水炸裂；(3)铜套冷却效果差，坯壳在结晶器内冷却不均匀，铸坯出结晶器后会出现一条白亮带，严重时铸坯会出现纵向裂纹和椭圆度；(4)更换品种或规格及生产事故等原因。其中除原因(4)外，其它都是因铜套质量原因导致结晶器过早下线。

3结晶器使用寿命影响因素分析及改造措施

3．1  连铸工艺的影响

    水平连铸的拉坯工艺与弧形连铸机相比要复杂得多。在连铸拉坯生产过程中，为使坯壳与结晶器内壁顺利“脱模”，在每一个拉坯周期内铸坯与结晶器之间都有一个沿拉坯方向相反的运动。要完成这个动作，弧形连铸机是靠结晶器的振动来完成，结晶器作正弦波振动，拉坯机等速拉坯，当结晶器向下振速大于拉速时，坯壳与结晶器冷却套内壁间产生负滑脱；而在水平连铸中，结晶器一般是静止不动的，要完成这个动作，就要靠拉坯机的反向动作驱动铸坯反向运动来完成，水平连铸中将此动作简称为反推。

    水平连铸的反推动作，能起到及时补偿铸坯收缩，松脱坯壳，减小拉坯阻力，然后压胀铸坯，减小气隙，加强坯壳热传导的作用，但是反推动作也会加剧铜套内表的磨擦磨损。合适的反推大小要根据生产现场的各种条件来决定，如钢水温度及成分、设备运行状况等，但反推过大是十分有害的，会使坯壳过分压胀，造成坯壳与结晶器内套的粘结阻力加大，对铜套内表面的磨擦力增加，从而导致铜套内表面过早地出现划痕，降低结晶器的使用寿命。

    在生产过程中要不断调整反推的大小，合适的反推大小要根据生产现场的各种条件来决定，如铸坯质量、钢水成分、设备运行状况等。

3．2  结晶器冷却水水质

    连铸生产是否正常是影响整个炼钢厂生产顺行的关键。2002年8月以前，结晶器一直采用未经处理的管网水进行循环冷却，使用后的高温冷却水通过冷却塔冷却后注入水池循环利用。随着生产的持续，循环水的硬度逐渐升高，水中溶解盐类及悬浮物含量增加，易附着在铜套外壁上形成水垢。铜套外壁结垢危害较大：(1)造成铜套冷却不均匀，局部热应力过大，加剧铜套变形，严重时铜套会产生漏水炸裂现象；(2)铸坯质量不稳定。由于结晶器铜套结垢，铸坯冷却不均匀，坯壳易出现白亮带区。实践证明，白亮带区易出现表面纵向裂纹等缺陷；(3)铜内套漏水炸裂后使冷却水和中间包钢水直接接触，引起钢水爆炸；(4)由于结

晶器漏水炸裂，使结晶器的通钢量低，影响连浇率，增加生产成本。

    在炼钢厂改造前的生产过程中，由于冷却水硬度大，连铸生产中经常出现结晶器铜套炸裂现象，严重制约着炼钢的生产。基于以上原因，炼钢分厂决定对结晶器冷却水系统进行改造，采取有效措施降低冷却水中的Ca²⁺、Mg²⁺和悬浮物，消除结垢因素，才能根本解决结晶器铜套结垢的问题。2002年9月炼钢分厂对结晶器冷却水系统进行了改造，增加一套冷却水软化处理系统，改造后效果明显。

    (1)冷却水软化处理系统投入使用后，对冷却水的软化处理效果明显。通过检测，结晶器冷却水经过软化处理后硬度平均由9．8×10^-5mol／L降到1．4×10^-5m01／L左右。

    (2)对使用后的结晶器观察，发现铜套外壁结垢的现象基本被消除，结晶器的冷却效果大为好转，连铸生产中铜套漏水炸裂出现的次数非常少，生产事故大为减少[1]。

    冷却水软化处理系统投入使用后，基本消除了结晶器铜套漏水炸裂的现象，结晶器寿命稳步提高。另外，由于水系统的投入运行，生产过程中铸坯冷却条件有了保障，有利于水平连铸机开发高级合金钢。

3．3  结晶器锥度和钢种的影响

    水平连铸是在铸机上沿水平方向将钢水连续铸成钢坯的过程，由于钢水在凝固过程中要收缩，为使坯壳与结晶器内壁紧密接触，一般要求结晶器内套设计为倒锥度形式，并且要求结晶器内套锥度与钢坯的凝固收缩规律相吻合，不同钢种的凝固收缩规律不同，合适的结晶器锥度设计可有效地保证良好的冷却效果，提高结晶器使用寿命。

    衡阳钢管水平连铸生产线自投产以来，一直以生产碳素钢及中低合金钢为主，，其锥度设计也是以碳钢为标准，2003年以前结晶器铜套锥度一直是不变的。近年来，随着公司品种结构调整力度的加大，相继开发了油井管坯和高压锅炉管坯等高效品种，但在开发26 CrMoNbTiB钻杆钢和12 Cr2MoWVTiB(102)钢等品种的过程中，该锥度结晶器的使用寿命非常低，拉坯1～2炉铍钴铜套就出现了划痕，严重时起铸都较为困难。分析认为，由于这些钢中的Mo、B元素在高温时能显著强化晶界和提高再结晶温度，从而大幅提高钢的高温强度；另外，钢中的Ti、Nb、Mo、Cr为强碳化物形成元素，这类碳化物最大特点是高硬度，高硬度的碳化物以细小质点分布在固溶体基体上，增大了基体的形变抗力心]。因此，坯壳在高温时强度和形变抗力大，高温形变小，铸坯在运动时与结晶器内套粘结力加大，坯壳对结晶器‘铜套的磨损严重，造成铜套过早地出现划痕。针对这种情况，2003年2月开始，通过现场实验，结合此类合金钢的特点，对原有的Ø140 mm规格结晶器锥度进行了改进。

    原铜套尺寸：进口直径142．3 mm，出口直径141．7 mm，铜套长度155 mm。

    锥度志一(142．3—141．7)×100÷(142．3×0．155)％一2．72％

    改进后铜套尺寸：进口直径141．8～142．9mm，出口直径141．5～142．6 mm

    铜套进出口直径改进后锥度忌发生相应变化。

    结晶器锥度改进后，针对不同的钢种采用相应锥度的结晶器，即能保证结晶器冷却效果，又能提高结晶器使用寿命。2004年炼钢分厂生产26CrMoNbTiB钻杆钢2 324．82 t，12Cr2MoWVTiB(102)钢1 255．27 t，形成了批量生产能力，生产该类品种的结晶器的使用寿命由原来的1～2炉提高到5～6炉。

3．4  铍钴铜套的性能

    结晶器铜套在工作时内表直接与高温钢水接触，热冲击大，外表流经高压高速的冷却水，因而在内、外壁之问形成较大的温度梯度；铜套内表在拉坯过程中与铸坯外壳作1 00次／min左右的高频脉冲往复运动，易产生摩擦磨损。根据这些特点，要求铜套必须要有良好的导热性能、耐磨性，合适的硬度、强度、刚度及低热膨胀系数等物理性能和良好的尺寸精度、光洁度及锥度等加工性能。

    根据以上要求，在进货时要加强对铜套质量的验收检验工作，检验时主要从光洁度、尺寸精度、硬度、材质成分、表面裂纹几个方面进行验收。为进一步提高结晶器寿命，准备在铍钻铜套性能的影响上开展工作。目前已根据现场结晶器使用情况，对铜套的硬度要求进行了修改，由原来的HB200～230调整为215～249，硬度的提高使结晶器更能适合大批量生产合金钢的要求，结晶器使用寿命进一步提高。

3．5  结晶器装配质量

    现场结晶器的装配质量对结品器的使用影响也相当大，特别是影响结晶器的冷却效果，造成铸坯冷却不均匀，易使铸坯出现表面纵向裂纹、椭圆、中间裂纹等缺陷，造成结晶器过早下线。

    生产部门应加强结晶器装配的生产管理，规范员工操作行为。特别是为保证装配精度，石墨套段要采用热装技术；铜套与石墨套装配好以后，两者接合处不得有缝隙，不得有明显的倒台阶，如有倒台阶必须用砂布砂平，以尽量保证结晶器各冷却段的同心度；结晶器装配好后，要做水压试验，在压力大于1．5 MPa的情况下保压30 min以下。

3．6  连铸生产事故

    降低事故率，保证设备正常运行。连铸事故的发生常导致铜套非正常下线，如在生产准备过程中封引锭头操作不当，起铸时当钢水进人结晶器后排气不畅，此时结晶器内空气压力急剧增加，易造成放炮现象，引锭头四周会结有冷钢，引锭头周围的冷钢毛刺在运动过程中会划伤铜套；另外，出现其它如拉漏、分离环碎、打滑等生产事故时，也会造成结晶器过早下线。因此，要从抓好生产准备工作、提高工艺操作水平和原辅材料质量等方面着手，降低连铸生产事故率，从而提高结晶器的使用寿命。

4  效  果

    通过在不同阶段对不影响因素的逐步攻关解决后，2003年以来，结晶器的使用寿命稳定提高，每月结晶器的平均使用寿命由2002年上半年的6．0炉左右提高到2004年的7．7炉左右，连浇率也在不断提高，2004年最长的连浇炉数达到28炉。表3为2002年至2004年以来每季度的结晶器平均使用寿命和连浇率情况。

5  结  论

    综上述分析，提高结晶器使用寿命的措施有：

    (1)在生产过程中要根据实际情况优化水平连铸工艺，特别是在生产过程中要不断调整反推的大小，因为反推过大会影响结晶器的使用寿命。合适的反推大小要根据生产现场的各种条件来决定，如钢水成份、设备运行状况等等。

    (2)强化结晶器的冷却条件，保证冷却水水质，特别是要求冷却水中的溶解盐类及悬浮物含量非常低，防止结晶器铜套结垢后变形漏水，影响冷却效果。

    (3)优化结晶器的锥度参数。结晶器的锥度大小要与不同钢种的凝固收缩特点相配合，保证结晶器的冷却效果，减小拉坯阻力，提高结晶器的使用寿命。

    (4)相关部门要加强对结晶器铜套的验收管理，对货源严格把关。生产部门应加强结晶器装配的生产管理，规范员工操作行为，提高员工操作水平。

    (5)从抓好生产准备工作、提高工艺操作水平和原辅材料质量等方面着手，降低连铸生产事故率。

    (6)不同供应商提供的铍钴铜套用于条件相近的连铸生产中，使用寿命有一定差距，这可能与铜套性能如化学成份、硬度、强度，耐磨性能等有关，故在今后工作中应进一步加强铜套性能对使用寿命影响的研究。

                                                                      (衡阳钢管(集团)有限公司技术中心，湖南衡阳)