1　前言

　　结晶器是连铸设备中最关键的部件，是连铸机的心脏。它的性能对于提高连铸生产率，维持连铸过程正常生产，以及保证铸坯质量都起着至关重要的作用。因而，研究、开发新型结晶器在当今的冶金生产中就显得尤为重要。

　　连铸自50年代实现工业化以来，已取得了显著的发展。在引进和消化移植的基础上，我国的连铸技术也取得了较大的进步，许多铸机实现了国产化。但在连铸关键设备的设计制造上，如铜管、组合式结晶器等方面还存在较大的差距。面对市场对钢铁企业提出的降成本，创效益的要求，以及用户对钢铁企业提出的更严格的质量需求，连铸需要向高效连铸方向迈进。

　　对于高效连铸技术而言，对连铸机有如下的要求:

　　(1)　高拉速。拉速加快，能提高生产率，在同样产量的情况下，可以减少铸机规模，节约投资。例如，用DIAMOLD技术结晶器［1］，方坯拉速从2.5～3.5m/min提高到了4.0～6.0m/min;应用CONCASTCONVEX［2］凸面结晶器技术可提高拉速50％～100％，对于108mm×108mm的方坯，先进的CONCASTCONVEX技术可使拉速达8.5m/min。

　　(2)　高质量，低事故率。例如，使用CONVEX技术结晶器后，生产率得到提高，且漏钢率下降了30％。又如，使用抛物线型结晶器技术后，铸坯表面质量良好，还减少了铸坯形变缺陷。

　　(3)　具有广泛的适应性及操作简便性。

　　(4)　结晶器寿命应有所提高。

　　为了实现高拉速连铸的目标，国内外对结晶器进行了许多理论探讨和实验研究。

　　2　国内外管式结晶器的发展状况

　　2.1　结晶器的材质

　　结晶器工作条件极端恶劣，其热通量比锅炉的热通量还要大很多。因此要求制作铜管的材质在室温至400℃范围内，有良好的抗拉强度、疲劳强度、硬度、低延伸率和高导热系数。对现代结晶器来说，还需要安装电磁搅拌装置，因此还要求其具有良好的导磁性，使磁力线易于通过结晶器壁。

　　紫铜是公认的好材质，但对管式结晶器破损机理研究时发现［3］，紫铜材质在高温下强度和硬度不足，再结晶温度比较低，从而易发生铜管变形以及磨损而报废。也有厂家使用磷脱氧铜制造结晶器铜管，磷脱氧铜(TUP)材质性能与紫铜较接近。

　　现在各国均在研究开发弥散硬化型铜合金，Cu-Cr、Cu-Ag、Cu-Be、Cu-Zr-Cr等。其中，含银铜材是在铜中加入0.07％～0.115％的银。铜中加银后，虽然导热性比紫铜略低，但显著提高了材质的硬度和再结晶温度，经测量，加银铜材硬度达HB85—90，再结晶温度达320℃以上，缺点是成本较高。

　　国外也有使用Cu-Fe-P-Sn合金(KT-1)［4］制造结晶器的。磷脱氧铜、Cu-Ag合金和KT-1这三种材质的物性参数较为接近，列于表1。其中热膨胀系数以“Cu-Fe-P-Sn(KT-1)”为最小，也就是产生热应力的因素小。而且KT-1合金原材料经济，制造方面也没问题，在神户钢铁公司的使用效果证明，和过去的磷脱氧铜相比，用KT-1做结晶器，平均寿命可延长1.5倍。

　　2.2　结晶器镀层

　　为避免铜管内壁的磨损以及防止铸坯表面产生星裂缺陷，铜管内壁要镀上一层防护层。通常选择Cr作为镀层，其厚度一般为0.06～0.08mm。但是通过研究证明，镀层脱落是铜管报废的主要原因。因此，提高镀层与铜基体的结合强度可以有效地延长铜管寿命。

　　铜管使用后，镀Cr层从上到下都有微裂纹，且以弯月面附近裂纹最为明显。也有镀层被划伤导致脱落的情况。针对镀Cr层存在剥离早的缺点，国内外进行了深入研究，发明了以下方法［4］:

　　(1)　共析法:日本川崎钢铁公司水岛厂的共析法是使百分之几的Fe和Ni共析。使用证明，Ni-Fe合金做复层的结晶器工作面龟裂减少，耐磨性显著提高，只为镀Ni层厚度的三分之一(＜1mm)时，浇注700炉次以上也不会露铜。

　　(2)　复层法:即底层镀Ni，再在Ni外镀Cr形成复层。

　　(3)　表面渗铝法:前苏联采用热扩散法进行结晶器内表面渗铝，结果热阻力只是铜壁的7.3％，硬度却是铜壁的三倍。

　　(4)　近年来，日本一些钢厂已研制成功结晶器多层电镀法。即在结晶器下部先镀Ni，在镀Ni层上再镀碳化物和Cr。经电镀的结晶器，使用次数由电镀前200～300炉提高到1000～3000炉。

　　2.3　结晶器长度

　　在连铸机的发展过程中，铜管长度经历了三个不同的发展阶段:即先长，再变短，后又变长。

　　初期，前苏联以长结晶器为主，并且代表了早期连铸机结晶器长度的发展方向，当时长度为1.5m，后又减至1.2m。西欧和美国则认为短好，一般取700～800mm。后来，前苏联也减至1050～1200mm。但随着拉速的提高，现代方坯结晶器铜管又有变长的趋势，达到900～1000mm左右。

　　铜管过长，存在如下负面效应［4］:第一，根据铸坯凝固理论和实验研究表明，当坯壳厚度速率减慢，加长结晶器，对坯壳增厚也不再起到显著作用;第二，结晶器长度增加，由于气隙存在，铸坯周期性脱离一接触铜管的机会增多，而铸坯表面有回热的倾向，使铸坯凝固前沿受拉形成裂纹，铸坯出现质量问题。第三，结晶器加长，摩擦力增加，铸坯拉漏的可能性也增加了。但若结晶器太短，坯壳出结晶器时太薄而易出现拉漏。

　　综合考虑，目前使用的方坯结晶器通常长度在700～900mm范围。但为了提高拉速，DIAMOLD技术就将结晶器长度加长到1000mm，并取得了大于5m/min的拉速和良好的铸坯质量。

　　2.4　结晶器倒锥度

　　钢水在铜管内凝固成坯壳，其传热路径依次为坯壳、气隙、铜管及水冷界面，它们在总热阻中所占比例分别为:坯壳25％，气隙71％，铜管1％，冷却水界面2％。有时气隙所占热阻甚至可达80％以上，可见气隙对传热起到控制作用。为减少热阻，提高传热能力，使铸坯形成足够厚并且均匀一致的坯壳，铜管设计过程采用了倒锥度。同时，优化设计的结晶器还能提高拉速，达到高拉速连铸的目的。

　　最初的结晶器是没有锥度的，因而，易出现漏钢事故及脱方、角部裂纹等缺陷。随着连铸技术的发展，出现了单锥度结晶器铜管，与以前的无锥度铜管相比，单锥度有较大进步，提高了结晶器传热能力，加快了拉坯速度，结晶器寿命也有了一定的提高，所以得到广泛的应用。但单锥度铜管也存在着一些不足。锥度过小，起不到减少气隙、改善传热的作用;锥度过大，则易引起铸机拉坯颤动，增加铜管下口的磨损。经过理论和实际测定证明［5］，当采用单锥度铜管时，由于结晶器内弯月面处热流量最大，铜管温度在弯月面以下附近区域达到最大值，从而引起管受热膨胀量过大，造成负锥度，使坯壳与结晶器壁之间的相互作用加强，在负滑脱期会加重对铸坯的撞击，形成较深的振痕;而深振痕，反过来又会引起铸坯传热不良，使铸坯坯壳过薄，在结晶器下部会因回热而出现鼓肚，从而导致脱方、皮下裂纹等缺陷。

　　在理论计算和优化的基础上，国外陆续出现了双锥度结晶器和多锥

　　度结晶器。这些结晶器的出现，主要是为了克服单锥度铜管存在的不足，同时为了实现更高的拉速。

　　多锥度结晶器包括三锥度、抛物线锥度及其它一此类型。多锥度结晶器的出现，更符合铸坯收缩变形的形状，能更有效地实现均匀传热，还能提高铸坯质量，减少结晶器的磨损。一般来说，现在的多锥度结晶器上部从弯月面至铜管变形量最大处的锥度最大，从而较好地克服了负锥度的产生;中部锥度较小，而下部锥度更小。这种设计，使铸坯坯壳生长更加均匀，坯壳厚度也有所增加。

　　近年来，奥钢联、达涅利、CONCAST均发明了新型的高拉速连铸管式结晶器。奥钢联开发的DIAMOLD型结晶器，它上半部分采用独特的抛物线锥度，而下半部分铜管四周边角被挖去一块，以减少摩擦，这种设计，既减少了拉坯阻力，还有利于形成更加均匀一致的坯壳。应用这种结晶器，浇注115mm×115mm方坯时，拉速可从2～3m/min提高5m/min以上，并且铸坯质量良好，经济效益显著。

　　达涅利开发的是自适应型结晶器，它与传统结晶器最大差别在于其壁厚偏薄，且能借助冷却水压力使铜管壁紧贴住铸坯，从而适应并调整其自身的原始锥度，适应铸坯收缩。对130mm×130mm的钢种，拉速可达4.3m/min当将结晶器加长到1000mm后，可将拉速提高到6.0m/min。

　　CONCAST公司设计出CONVEX结晶器铜管，内壁面为凸面形，在长度方向上缓慢变成平面。通过形状的改变，使铸坯收缩力和静压力的作用相互抵消。这种结晶器锥度，使坯壳角部和其它部位一样，紧贴内壁以同样的速度生长，且生长速度加快。应用这种新型结晶器，能提高拉速50％～100％，达到4～5m/min。

　　以上介绍的几种结晶器，在实际生产中证明，它们均能较好地达到高拉速连铸的要求，因此，已经被国内外厂家推广应用。

　　3　结语

　　随着连铸技术的进步，连铸工业一定会向高拉速发展。因此，对于管式结晶器，应提出以下要求:

　　(1)　结晶器主要使用Cu合金制作，以增强铜管的抗变形能力，提高结晶器寿命。

　　(2)　要提高拉速，结晶器铜管长度需加长，达到900～1000mm左右。

　　(3)　在结晶器铜管锥度选择上，目前发展趋势是倾向于采用抛物线锥度及以上提到的新型结晶器。

　　我国高拉速连铸研究已经起步，结合我国铸机采用新型结晶器厂家较少，铸机拉速普遍偏低的现状，有必要在新型结晶器的开发方面作更多的工作，以使我国连铸技术再上新台阶。