隨著近年來國內鋼鐵市場及連鑄行業(yè)的蓬勃發(fā)展，結晶器制造業(yè)也迅速形成了一定的規(guī)模。根據(jù)不完全統(tǒng)計，國內從事結晶器制造或修復的大小廠家約在50家以上，技術水平及加工能力參差不齊。
結晶器作為連鑄機上最重要的部件而被稱為連鑄機的心臟，對連鑄坯質量有重要的影響。為了更好地滿足用戶的生產需要，我們就方坯連鑄結晶器設計、制造、使用及維護等方面的一些問題，與業(yè)內同行進行探討。
一、銅管的設計和制造
1.標準的規(guī)定與執(zhí)行
在國內鋼鐵企業(yè)中，連鑄機種類繁多、千差萬別，結晶器及銅管作為非標設備，雖然國家對于方坯和圓坯等先后制訂了相關標準，但難以適應生產形勢的發(fā)展，在這方面，希望相關設計單位及制造廠認識到應有的責任，共同努力作到產品規(guī)范統(tǒng)一。
2.銅管的制作要求
目前，國內管式結晶器銅管主要采用凸、凹模在臥式或立式壓力機上擠壓成型。斷面尺寸較大的管式結晶器銅管，要求壓力機的壓力要大于800噸，并且適當增加擠壓成型道次。
管式結晶器制作工藝的關鍵是銅管與模具的貼合性，即銅管的內腔尺寸要完全符合模具的制作精度。影響貼合性的主要因素有兩點：
?、俦诤褡冃瘟康倪x擇。若銅管在擠壓過程中變形量選擇小了，銅管內表面不能產生足夠的塑性變形，造成銅管不貼模；變形量選擇大了，擠壓阻力增大，易把成型后的管壁拉直，所以選擇合適的擠壓變形量是影響銅管內腔精度的關鍵；
?、阢~管成型的應力變形控制。壁厚較大的銅管，在擠壓變形中，內外表面的變形量不一樣；外表面的金屬被拉的很長，而內表面變形較小甚至有的局部沒有變形，這就造成了銅管中存在著很大的內應力，在銅管的后續(xù)機加工時，這些應力會釋放出來而引起銅管變形，所以在銅管成型過程中一定要采取適當?shù)墓に嚧胧?，消除內應力，得到合格產品。
3.結晶器總成及結構優(yōu)化
目前國內小方坯連鑄機主要有以下幾種機型：德馬克型、羅克普型、康卡斯特型、達涅利形以及各設計院的改進型。生產斷面主要是120×120 mm2和150×150 mm2.由于小于90×90 mm2，澆鑄難度高，拉漏率高，已很少生產。小方坯連鑄機比大方坯、板坯連鑄機，設備結構比較簡單。
結晶器總成是連鑄機的關鍵部件，其結構和性能直接影響著連鑄坯的質量。我們根據(jù)國內小方坯連鑄機實際使用情況，通過對結晶器總成各零部件結構的優(yōu)缺點進行分析比較，試圖找出一種優(yōu)化組合，以滿足不斷提高的連鑄生產需要。
結晶器總成要具有下列性能：結構簡單，便于拆裝和調整，易于加工制造；要有較好的結構剛性，并且重量要輕，以便在振動時，具有較小的慣性力。
小方坯結晶器總成主要由下面幾種零部件組成：結晶器銅管，外水套，內水套，上下密封法蘭，各種密封圈，足輥裝置，足輥區(qū)噴淋裝置。其中的核心零件是結晶器銅管，其它零部件圍繞銅管進行裝配。
近年來，隨著品種鋼生產的需要和自動化控制的需要，方坯結晶器總成中又增加了電磁攪拌裝置和液面自動化控制裝置。
4.銅管的選擇
結晶器銅管由銅或銅合金制成，長度為700-1000mm.若銅管短、拉速高，易發(fā)生漏鋼；銅管過長，會增加拉坯阻力，造成鑄坯橫裂?，F(xiàn)在各鋼廠對拉速的要求都在提高，所以銅管長度通常定為850mm和900mm
銅管的內腔錐度形式對鑄坯的質量影響很大。最常用的錐度形式有：單錐度、拋物線、多錐度等。銅管內腔收縮形式基準：小方坯沿中心弧線按雙邊收縮。由于鑄坯在銅管內的收縮接近拋物線規(guī)律，所以單錐度的銅管現(xiàn)在已很少使用；由于連續(xù)鑄鋼過程中銅管在熱應力和冷卻水壓力的作用下存在變形，故原冷態(tài)下的拋物線錐度規(guī)律也隨之改變；根據(jù)我們掌握的情況認為：多錐度的銅管更適用于生產需要，尤其在多鋼種澆鑄中更有優(yōu)勢。
按含碳量設計銅管錐度。對于方坯銅管，一般倒錐度在0.7～1.5%/m之間。20MnSi按下限選擇；普碳按0.9～1.1%/m選擇；中碳鋼按1.0～1.3選擇；高碳鋼、合金鋼、不銹鋼按1.2～1.5%/m選擇。
拉坯速度提高，倒錐度加大。銅管長度維持不變，提高拉速后，銅管內高溫區(qū)下移，下部鋼坯溫度升高，收縮率增大。銅管錐度大小與潤滑種類有關。相同工作條件下，選擇保護渣或油潤滑的銅管錐度：前者要大于后者20%.具體錐度增加多少、在什么位置增加錐度，要根據(jù)鋼廠工藝參數(shù)及鋼種來確定。
一般銅管壁厚為方坯規(guī)格的8～10%.按下限選擇較為合理；按上限選擇，銅管易過燒及變形。銅管R角以4～6㎜為宜。選擇R角過小時，銅管角部不易保證鍍鉻層質量。
5.冷卻水縫
結晶器銅管與內水套之間的水縫是冷卻水的通道。水縫尺寸的大小和精度對鑄坯質量影響很大，現(xiàn)在常用的水縫尺寸是4mm.水縫的精度要求是±0.2㎜，并且周邊要盡量均勻。
內水套上常用的定位調整裝置有兩種：一種是固定水條式，另一種是調整螺釘式。前者的優(yōu)點是裝配簡單，缺點是制造精度較高，而且在磨損或水套變形后，水縫的精度就難以保證；后者的優(yōu)點是水縫精度可以通過螺釘來調整，易于保證周邊水縫盡量均勻，缺點是調整螺釘?shù)逆i緊螺母一旦松動，螺釘可能脫落造成事故。
綜合上述兩種形式的優(yōu)缺點，我們在實踐中常采用結合法。這種結構既能實現(xiàn)周邊水縫可以調整，又能保證在鎖緊螺母松動后螺栓不脫落。
6.足輥裝置
結晶器下部的足輥裝置有兩個作用，一是在穿引錠時，對引錠頭起引導作用，防止劃傷銅管。二是對剛出結晶器的鑄坯具有夾持作用，尤其對有輕微脫方現(xiàn)象的鑄坯有校正的作用。有些鋼廠認為，結晶器下部帶足輥裝置漏鋼后難于清理，所以將其取消或改成導向板裝置。多數(shù)鋼廠的實踐證明：足輥裝置的優(yōu)點大于缺點，保留一排足輥還是必要的。為了便于更換和清理漏鋼，足輥裝置可以做成4個分體式、輥子為偏心的可調結構。
7.噴淋裝置
足輥區(qū)的噴淋裝置或稱0段。這段冷卻水的配給很重要：剛出結晶器的坯殼較?。s10mm左右），冷卻弱了易造成漏鋼，冷卻太強有時易產生內裂等缺陷；若冷卻分布不均，易產生脫方，凹陷，縱裂等缺陷。噴淋裝置通常采用2～3排扁平噴嘴。
鑄坯在結晶器內部時，鑄坯角部最先脫離銅管；剛出結晶器時，角部的坯殼最薄。我們認為在最上面一排噴淋環(huán)上增加角噴是必要的。它可以增加角部坯殼的厚度，減少脫方，角部縱裂等缺陷。
8.結晶器的密封
由于結晶器內部存在0.7～1.2MPa的水壓，因此密封結構的合理性對于結晶器使用中的安全性和保證生產順利進行至關重要。結晶器的密封主要指銅管上、下端部法蘭的密封及內水套與外水套分水腔處的密封。
（1）銅管上、下端部的密封
銅管上、下端部的密封主要有三種結構形式：
羅克普型常用密封結構。其特點是安全可靠。若上端的側密封失效，頂端的密封圈阻擋冷卻水同鋼水相遇，防止造成生產事故；即使有輕微滲水，也能繼續(xù)維持生產。其缺點是更換頂端的密封圈較麻煩，得把整個結晶器全部拆開。
德馬克型的典型密封結構。其優(yōu)點是結構簡單，更換密封圈方便；缺點是碟簧的預緊力不易掌握，若上端的密封圈失效，冷卻水就會進水銅管內，容易造成生產事故。
康卡斯特和達涅利型常見結構。它兼?zhèn)淞饲皟煞N結構的優(yōu)點，結構簡單、安全可靠，維修方便。只要把頂面法蘭拆掉，就可以更換上端密封圈，維護較容易，甚至可以在線維護。這種結構值得推廣。
（2）內水套與外水套分水腔處的密封
內水套與外水套分水腔處的密封主要有以下3種形式：
?、倬匦蚊芊馊γ芊狻Ｆ涮攸c是結構簡單、密封可靠，而且對外水套內水套的加工精度要求不高。其缺點是它的密封是靠上密封法蘭壓在水套的支撐板上來實現(xiàn)的，支撐板與導流管中間法蘭是焊接結構，容易產生焊接變形，而且內水套在外力作用下，也易產生變形，從而影響冷卻水縫的精度。
?、诙⌒蚊芊馊γ芊?。其特點是結構簡單密封可靠。整個內水套幾乎是浮動的，在垂直和水平方向都不受外力，因此能很好地保持水縫的精度。對內、外水套的加工精度要求也不高。
③ O形密封圈密封。它也具有不受外力的優(yōu)點，但對內、外水套的加工精度要求很高。如果內、外水套的同軸度不好，裝配會很困難，由于大部分內、水套內腔都是弧形的，要保證內水套中間法蘭的同軸度是很困難的，并且在裝配時容易擠壞O形圈。
?。?）密封失效的產生原因主要有結構原理、形狀及尺寸的設計不合理將是密封失效的首要影響因素；制造誤差，不僅影響密封的可靠性，而且將對結晶器銅管使用壽命產生較大影響；另外，密封材料及尺寸精度的選擇，結晶器在制造出廠和生產檢修時的安裝誤差，也不能忽視。
二、方坯連鑄質量問題與結晶器的使用
1.方坯連鑄質量與結晶器
連鑄坯的質量與澆注工藝、澆注鋼種、斷面尺寸和形狀、設備情況、操作條件等有密切關系。連鑄坯在凝固過程中受到冷卻、彎曲、拉矯等，使鑄坯經受溫度應力和機械應力的作用，很容易產生各種裂紋缺陷，甚至可能造成漏鋼事故或廢品。另外，由于設備設計不合理或操作不當，也會造成鑄坯缺陷。
連鑄坯表面裂紋缺陷按裂紋方向及所處位置，可以分為表面和角部縱裂紋、表面和角部橫裂紋；在同樣的條件下，裂紋敏感性鋼種更容易產生漏鋼。鋼水溫度過高或拉速過快是造成縱裂漏鋼的主要原因。由表面裂紋引起的漏鋼是影響生產的主要問題。
方坯連鑄上常見的連鑄坯缺陷，例如：脫方、角裂、縱裂、粘鋼、抖動等，其中造成連鑄坯表面缺陷和漏鋼原因，一般來說絕大部分（80%以上）是在結晶器內產生的。從生產實踐看，防止縱裂或漏鋼的重點應放在結晶器和二冷系統(tǒng)上，保證結晶器有足夠強度的均勻冷卻。
菱形變形又稱為脫方，是方坯所特有的一種形狀缺陷。脫方是由于結晶器變形、錐度或圓角設計不適當、結晶器內冷卻和坯殼厚度生長不均勻，引起坯殼不均勻收縮造成的。
在生產實踐中，引起結晶器內冷卻不均勻的因素較多，如結晶器變形、內表面光滑程度、錐度或圓角的選擇、冷卻水縫的均勻度、保護渣的選用、足輥的調節(jié)等都會造成結晶器冷卻不均勻。注流不對中也會影響坯殼厚度均勻性。
在設備方面，減輕和防止縱裂的主要辦法是設計合理的結晶器形狀和冷卻水分布，減少坯殼內外溫差引起的熱應力；正確安裝結晶器，不要使處于歪扭狀態(tài)；在使用過程中，對結晶器要進行定期檢查，發(fā)現(xiàn)結晶器變形量超過規(guī)定數(shù)值時，應及時更換。
方坯連鑄的突出特點是生產過程中可以控制的因素多，但主要在工藝操作（包括鋼水質量和冷卻水）、連鑄設備和保護渣三個方面，因此可以采取某些保證質量的有效措施以取得改善連鑄坯質量的效果。
2.結晶器的使用和維護
由于各鋼鐵廠之間工藝裝備、設備狀況、生產操作和管理水平等差別較大，加上結晶器使用標準各不相同，就會造成同規(guī)格、同質量的銅管產品，在不同用戶的使用中有較大的差別。小方坯銅管單支過鋼量一般在3000噸左右，最好的超過10000噸。例如：及時清掉銅管內在彎月面處的鋼渣瘤和保護渣渣瘤，以防造成脫鉻；避免因劃傷銅管引起鉻層開裂，可以延長銅管的使用壽命。
在結晶器的使用方面，用戶一般是根據(jù)鑄坯質量好壞、結晶器損傷程度、鍍層磨損程度等來判斷結晶器能否繼續(xù)使用。首鋼、包鋼等企業(yè)采用在線檢測結晶器錐度的方法，使連鑄坯質量和結晶器壽命得到了較好的控制。
三、結語
綜上所述，如何發(fā)揮連鑄結晶器在生產中的作用，應該加強以下工作：在現(xiàn)有基礎上，有必要進一步細化和規(guī)范結晶器銅管的設計、驗收標準；改進結晶器銅管制造工藝；根據(jù)生產條件，合理選擇結晶器銅管的錐度、內腔曲線、壁厚等參數(shù)要求；優(yōu)化結晶器的結構，提高結晶器密封橡膠的材質性能；加強連鑄結晶器的維護、保養(yǎng)和合理使用，以延長其使用壽命。
隨著我國鋼鐵生產和連鑄技術的迅猛發(fā)展，在結晶器等連鑄設備的開發(fā)制造方面的要不斷進步，以適應連鑄事業(yè)的發(fā)展的需要。
