CSP连铸结晶器的技术特点及最新研究

CSP连铸结晶器的技术特点及最新研究

薄板坯连铸的核心技术是薄板坯结晶器的成功使用，它使得无缺陷薄板坯高速连铸技术得以实现。尽管结晶器技术在早期差别颇大，但发展到今天已逐渐接近。本文主要就CSP连铸结晶器的技术特点及最新的研究作一分析。

不同类型薄板坯连铸工艺采用的结晶器

各种薄板坯连铸工艺及结晶器的主要特点见表1。几种薄板坯连铸工艺铸坯厚度及结晶器的选择见表2。

表1 不同类型薄板坯连铸采用的结晶器

表2 几种薄板坯连铸工艺铸坯厚度及结晶器的选择

CSP连铸结晶器技术特点

漏斗形结晶器是CSP薄板坯连铸机的核心，漏斗形结晶器技术的采用从根本上解决了浸入式水口的使用寿命问题，使得高效连续生产薄规格铸坯变为现实。

1 漏斗型结晶器的形状

图1是SMS公司CSP工艺采用的漏斗型结晶器。它的上口宽边两侧各有一段平行段，然后与一圆弧连接，在宽面板之间形成一个垂直方向带锥度的漏斗区，漏斗形状保持在一定高度，并提供足够大的空间放置浸入式水口。漏斗区以外的两侧壁依然平行，侧壁间距离即为板坯厚度。漏斗型结晶器在形状上满足了浸入式水口插入、保护渣熔化和板坯厚度的要求，在多条生产线上使用并收到良好的效果。

图1 漏斗型结晶器示意

漏斗型结晶器的理想形状是尽量减小坯壳间两相区的弯曲变形率，使坯壳在变形过程中其固液界面的实际变形率小于产生裂纹的临界应变率。基于上述要求，漏斗型结晶器必须保证厚度过渡区的弯曲弧度设计准确，且浇钢时拉速尽可能稳定。

2 漏斗型结晶器的设计特点

漏斗型结晶器的设计和制造是复杂和困难的，漏斗型结晶器的设计具有下列特点：

⑴漏斗型区域与相邻面的过渡是圆滑的，夹角α≤10°。

⑵结晶器宽面靠近窄面的平行部分宽度至少等于宽面平行部分的间距，即a≥b。

⑶坯壳沿横截面由弯变直是一个连续均匀的过程，其任意一点的变形率远小于临界变形率。

⑷在结晶器液面下形成的坯壳沿漏斗区逐渐连续地变成铸坯尺寸，由直变弯时选择最佳的弯曲半径。

⑸铸坯宽边的增大量与铸坯冷凝的收缩量正好抵消，确保坯壳在凝固过程中只产生很小的横向张力。

⑹结晶器宽度方向可能是负锥度的，即上大下小，以避免宽面凝固壳在下移过程中受到过度挤压而产生褶皱。

⑺为保证铸坯顺利拉出，在漏斗区下部的坯壳厚度必须小于实际的坯壳厚度的一半时，液态钢水进入结晶器的平行部分，有人认为这个厚度是6mm。

⑻考虑结晶器钢板材质，热传导率不能太大。从CSP工艺多年生产实践，证实漏斗型结晶器是非常成熟的技术，漏斗型设计完全可以避免内部裂纹的产生。

⑼结晶器内腔曲面形状的优化设计是确保薄板坯连铸高拉速和铸坯质量的关键。钢铁研究总院通过结晶器内腔形状的优化设计，在漏斗形结晶器设计方面形成自有技术，开发出两种不同类型的薄板坯连铸用漏斗形结晶器，称之为双弧和椭圆漏斗结晶器。

3 CSP结晶器的工艺特性

结晶器内钢液表面积。由计算可知，漏斗型结晶器的钢液表面积约为铸坯横截面积的1.4倍，钢液面积大，钢流易于平稳，储存的钢液也多，既有利于控制液面稳定，又有利于夹杂物上浮。同时，有充足的热量保证保护渣的熔化。

结晶器内的钢液流动。拉坯过程中，根据沿横截面钢液流量相等的原则，漏斗型结晶器钢液向下流动的速度沿横截面的各个部位的差别较大，因而易造成紊流，出现表面夹渣现象，拉速越高，这种现象越明显。

结晶器的传热。二维温度解析结果则显示漏斗型结晶器传热不均，漏斗型结晶器由于漏斗区扩大，影响对流，弯月面附近区域温度较低，易形成“搭桥”现象。

薄板坯规格。铸坯厚度增加，有利于结晶器钢水中夹杂物的上浮，同时板坯较厚，压缩比大，有利于提高带卷质量。此外，由于可加大浸入式水口直径，延长水口使用寿命和提高连浇炉数，从而有利于提高连铸机的生产能力。在产量近似的情况下，可以采用较低的拉速，降低了结晶器磨损，减小了拉漏几率；在要求的卷重相同的情况下，板坯定尺短，输送辊道及加热炉长度均较短，可以节省投资。

近几年来，随着薄板坯连铸连轧技术的发展，特别是液芯轻压下技术的成功使用，考虑到市场对带卷质量的要求及提高连铸机产量，薄板坯连铸结晶器上口面积逐渐增大，以有利于均匀钢水成分和温度，保持液面稳定，防止卷渣，减少铸坯表面缺陷，CSP由50mm增至

70mm以上。

关于板坯宽度，漏斗型结晶器由受到钢液凝固收缩率的限制，最小铸坯宽度为600mm。

拉坯速度。对漏斗型结晶器而言，考虑到坯壳生长的实际情况，开浇10s内须注满结晶器并开始拉坯，在漏斗区下部的坯壳厚度必须小于实际的坯壳厚度的一半时，液态钢水进入结晶器的平行部分，以保证铸坯顺利地从结晶器拉出。要求必须有一个最低拉速的限制，否则结晶器内的钢水可能冻结。当然，基于薄板坯连铸机的装置刚性较强，上下工序的匹配要求所有的薄板坯连铸机都有最低拉速的限制。

由于连铸机流数受匹配限制，一般最多2流，板坯宽度又受限于最终产品的规格，为提高薄板坯连铸连轧的生产能力，只能通过增大铸坯厚度和提高拉速来实现，最高拉速的极限要受3个因素制约：

⑴出结晶器坯壳厚度。拉速越快，坯壳出结晶器时越薄，容易漏钢；

⑵铸坯厚度。铸坯越厚，拉速越快，则结晶器的冶金长度越长，相应的投资费用越高；

⑶铸坯的表面质量。拉速越快，越容易造成表面夹渣。从已投产的薄板坯连铸连轧生产线来看，薄板坯连铸机大多在3～6m/min的拉速范围内浇注，还没有超过6m/min的实绩，目前新设计的薄板坯连铸机的拉速大都以6～8m/min为目标。

钢种浇注范围。连铸机随拉速提高，结晶器热流密度增加，当超过某一临界值时，板坯表面纵裂明显增加。

低碳钢在结晶器的热流密度低于3.0MW/m2时，不会产生裂纹，而包晶钢则需低于

2.0MW/m2时，才不会产生裂纹。与传统板坯连铸相比，薄板坯连铸的拉速高，结晶器的热流密度大，会在弯月面处的凝固坯壳处产生较高的表面张应力，往往导致纵向表面的裂纹。漏斗型结晶器由于其特殊S状，倒锥度大，而且薄板坯高拉速必然大大加剧铸坯和结晶器壁的摩擦，拉坯阻力增加，同时，在拉坯过程中，坯壳还要承受较大的机械变形，对所浇钢种有一定的限制。对SMS漏斗型结晶器在宽度(1200mm)和拉速(6m/min)的条件下测定其热流密度，发现均高于浇注包晶钢的要求。当然，随着薄板坯连铸结晶器厚度的增加趋势，通过稳定地控制坯壳与结晶器间的传热，对于改善铸坯质量和扩大浇注的钢种范围，结晶器形状将不再是一个主要的限制环节。

结晶器结构。漏斗型结晶器上口开口度保证了浸入式长水口有足够的插入空间和保护渣熔化，并为使用较厚壁长水口提供了有利条件。漏斗型结晶器的设计和制造是复杂的，维修和加工困难，提高了运行成本。而且，漏斗型结晶器由于其特殊形状拉坯时阻力增加，摩擦加剧。目前，SMS漏斗型结晶器铜板寿命≥80kt(通钢量)。

CSP连铸结晶器特点分析

1 漏斗型结晶器的优点

漏斗型结晶器有如下优点：