连铸结晶器铜板长寿化研究现状

摘" 要：结晶器铜板是连铸机中的核心部件，其性能与寿命是影响连铸生产效率和铸坯质量的关键。初步分析结晶器铜板的失效形式及机理，并围绕结晶器铜板本体强化、铜板结构及连铸工艺优化、铜板表面涂层强化3个方面综述连铸结晶器铜板长寿化研究现状。

关键词：结晶器铜板；热喷涂；激光熔覆；连铸机；连铸工艺

中图分类号：TF345""""" 文献标志码：A""""""""" 文章编号：2095-2945（2025）04-0148-04

Abstract： Mold copper plate is the core component of continuous casting machine， and its performance and life are the key factors affecting continuous casting production efficiency and billet quality. The failure forms and mechanisms of mold copper plates were preliminarily analyzed， and the research status of longevity of continuous casting mold copper plates was summarized in three aspects： strengthening the mold copper plate body， optimizing the structure and continuous casting process， and strengthening the surface coating of the copper plate.

Keywords： continuous casting; mold copper plate; thermal spraying; laser cladding; longevity

连铸在钢铁生产过程中起到承上启下的作用，作为关键工序，具有中心地位，结晶器的核心地位决定着连铸生产的稳定顺行和产品的质量，而且已成为决定高端钢铁产品开发生产的重要因素[1]。而结晶器正是连铸机中的核心部件，充当着高效传热器、钢液凝固成型器、钢液净化器和铸坯质量控制器的重要角色。

1" 连铸结晶器铜板

结晶器铜板作为连铸结晶器的核心部件，更是充当了连铸过程的关键角色。结晶器在连铸过程中的示意图如图1所示。连铸过程结晶器铜板一直承受着钢水静压力、与坯壳间的摩擦力、钢水热量的剧烈传递等因素的影响，始终处于机械应力和热应力综合作用下，工作条件极为复杂且恶劣。这就对结晶器的设计和性能提出了很高的要求，结晶器设计必须在材质、结构特别是传热等方面满足连铸生产工艺极其高的使用性能要求。结晶器在生产过程中能否保证高效均匀的冷却，以及在机械应力、热应力及高温磨损腐蚀等因素综合作用下不致产生变形和过早表面失效，是保证铸坯质量、降低漏钢率和提高结晶器铜板使用寿命的基础[3]。

2" 结晶器铜板失效形式及机理

为改善并延长结晶器的使用寿命，弄清楚其失效形式及失效机理是前提。国内外的学者很早就开始了对连铸结晶器失效机制的探索和研究[4]。根据国内外相关机构对连铸结晶器失效形式的报道，结合各钢铁企业在板坯连铸结晶器铜板应用中的经验积累，连铸结晶器失效形式主要表现为以下几种（图2[5]）。

2.1" 涂层局部剥落

连铸结晶器铜板在使用过程中出现表面涂层剥落是属于最严重的质量事故之一。涂层剥落极有可能引发连铸漏钢事故，严重影响生产顺行甚至可能造成重大安全事故。因此涂层与铜板基体具有优异的结合力是结晶器铜板涂层制备最基本和最重要的要求。吕春雷等[6]将结晶器镀层剥落原因分为2类，一类是由于电镀层与铜基体间的非冶金结合方式，一旦电镀作业不规范如电镀前处理不到位会导致镀层结合力较差，铜板应用初期，在较高的热应力作用下就会产生镀层起壳剥落；另一类是由于镀层裂纹蔓延扩展后导致的局部涂层剥落。裂纹的产生有多种原因，或由铜板基材材质缺陷引起；或由镀层材质或厚度设计不当引起；或由现场连铸工艺实施不当造成镀层局部性能下降引发开裂。

2.2" 涂层热裂纹

铜板工作面涂层热裂纹是结晶器铜板最常见的表面失效形式。在连铸生产过程中，结晶器铜板工作面与1 500 ℃以上的液态钢水直接接触，而背面则用30 ℃左右的软水强制冷却，铜板两侧存在很大的温度梯度，即存在较大的热应力。在热应力以及其他外力的作用下，铜板高温区的晶粒发生了沿晶界的滑移，造成晶粒被破碎并沿力的方向被拉长，最终形成裂纹[7]。

2.3" 涂层磨损

在连铸过程中，由于拉坯运动和结晶器振动，结晶器铜板和铸坯及保护渣之间会产生相对摩擦。在摩擦力的作用下铜板镀层会逐渐消耗直至母材裸露，造成铜板向铸坯晶界渗铜从而产生星裂；同时窄边铜板的实际倒锥度会减小，使坯壳与铜板之间产生间隙，影响坯壳的生成，薄弱的坯壳出结晶器后在钢水静压力和机械应力的作用下，易产生角部纵裂，严重时会引发漏钢事故[8]。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。

2.4" 涂层腐蚀

结晶器工作过程中，结晶器壁与铸坯间存在一层渣膜，起到润滑和均匀传热的作用。以碱金属的氟化物为主的保护渣随铸坯下行，在结晶器铜板下口铸坯因凝固收缩在某些区域会与结晶器壁脱离形成一定的气隙，来自二冷区的水蒸气进入气隙和保护渣作用将产生含氟电解液，并形成以铜板镀层为阳极，铸坯为阴极的腐蚀原电池，使得铜板表面发生电化学腐蚀[6]。结晶器铜板尤其是宽边铜板在下部发生腐蚀是常见的失效形式。

2.5" 铜板变形

结晶器在连铸过程中承受了巨大的热负荷，导致结晶器铜板产生弹性、塑性变形及高温蠕变。而使用过程中的变形会造成结晶器内壁与初凝坯壳接触状态发生变化，进而影响到连铸钢坯的冶金效果，甚至引起铸坯鼓肚变形而无法顺利拉坯导致漏钢事故的发生。铜板两侧存在很高的温度梯度及弯月面处因急冷急热的反复热应力引起局部疲劳屈服和高温蠕变，尽管在连铸生产过程中结晶器铜板受到紧固螺栓约束和冷却水的冷却，这种热变形量相对较小，但仍是影响浇铸过程中传热、润滑、摩擦和坯壳凝固等行为的关键因素，甚至还是连铸工艺中锥度设计的重要依据。结晶器铜板下线后往往无法恢复到原始尺寸形成宏观变形，具体表现为宽边铜板的扇形变形和窄边铜板在弯月面处的宽度收缩变形等[9]，因此连铸工艺对铜板本体的强度和刚性提出了较高的要求。

3" 结晶器铜板本体强化

最初结晶器铜板使用的是纯铜，随后通过添加Ag以提高铜板的软化温度。随着高效连铸技术的快速发展，浇注速度也不断提高，结晶器铜板的使用工况愈加恶劣，对结晶器铜板的强度提出了更高的要求。以CuCrZr为代表的析出硬化型铜合金开始代替纯铜及CuAg作为结晶器铜板材料，与纯铜及CuAg相比，其强度和硬度都明显提高，且具有高温下导热率高、强度高、不易变形等优点，软化温度可达到450 ℃。该材料目前已成为被应用最广泛的结晶器材料[10]。

随着国内越来越多的连铸机开始使用电磁搅拌和电磁制动等技术，为抑制结晶器铜板磁束密度的衰减，要求铜板具有低的电导率，这意味着铜板的温度会上升，从而要求其必须具有更高的强度。国外一些公司开发了比CuCrZr强度更高的CuNiBe，用于热负荷条件特别恶劣的结晶器如新型的薄带连铸结晶器，以改善铜板的热变形。

4" 结晶器铜板表面涂层强化

在结晶器铜板工作面采用合适的表面处理技术制备一种或多种涂镀层，在保证结晶器导热性能受涂镀层影响不大的情况下，所获与铜基体结合牢固、耐磨耐蚀性强的各种涂镀层，可有效改善铜板表面性能、延长结晶器铜板使用寿命，并提高连铸坯质量，最终达到浇铸吨钢成本下降的目的。目前钢铁企业中大量使用的结晶器铜板表面涂层主要为电镀镀层，其次有部分短边铜板采用热喷涂涂层，也有少数机组在进行激光熔覆铜板的可行性验证。

4.1" 结晶器铜板电镀技术

结晶器铜板表面电镀处理技术从最初的单一金属镀层如硬铬镀层、纯镍镀层逐步发展到二元合金镀层如Ni-Fe合金镀层、Ni-Co合金镀层、Co-Ni合金镀层等几种主要镀层，镀层性能也逐步提高，图3展示了结晶器电镀技术的发展历程[11]。

目前工业中大量采用成本较低的Ni-Fe或Ni-Co镀层。相比之下Co-Ni镀层具有更为优越的性能。侯峰岩等[5]的研究表明，ω（Co）为80%的Co-Ni合金镀层具有六方密排结构，属于Ni溶解在Co中的单相固溶体，与纯镍层相比具有更加细化的晶粒、较高的镀层硬度和较低的摩擦系数。该镀层具有良好的力学性能和高温抗氧化性耐磨损性能，而且硬度不随温度升高而下降，适用于高拉速连铸机组。目前宝钢连铸机组结晶器宽面铜板多采用Co-Ni合金镀层。

此外，不少学者对新型高性能合金镀层制备技术进行了大量前沿探索工作，包括多元合金镀层如Ni-W-P、Ni-Co-W及Ni-Fe-W等，以及掺入第二相固体颗粒如Al2O3、B4C、ZrO2等的复合镀层开发，但还仅停留在研究阶段，暂未得到实际应用[12]。

4.2" 结晶器铜板热喷涂技术

有关热喷涂技术对结晶器表面进行强化的研究在国外特别是日本开展了大量开发工作，并申报了一系列专利。久保田昭等[13]在结晶器铜板表面热喷涂制备Ni-Cr合金涂层，其寿命达到原Ni镀层结晶器的3～6倍，大大延长了结晶器短边铜板的使用寿命。专利[14]在结晶器铜板表面先制备一层Ni镀层，镀层喷砂处理后再用高速火焰喷涂制备Ni基自熔合金耐磨工作层，从而提高了涂层与铜基体的结合力和产品的耐磨性。美国Nskashima等[15]申报专利在结晶器铜板表面采用高压高速火焰喷涂技术先制备一层WC，后再喷涂一层镍基自熔合金获得了结合强度较好的涂层。

李益明等[16]采用HVOF热喷涂工艺在CuCrZr短边铜板上喷涂Ni基自熔性合金，经熔融热处理后使涂层与母材形成冶金扩散层，所获涂层拥有良好的高温硬度保持能力，耐磨性是Ni镀层的6倍，并已大量应用于生产实际。宝钢机械厂已解决在结晶器宽面铜板表面热喷涂涂层制备、变形控制及后加工等技术难题，产品已成功应用，大大提升了结晶器铜板的使用寿命。

4.3" 结晶器铜板激光熔覆技术

近年来，通过激光熔覆技术制备功能涂层正成为表面处理方向的一大亮点。首先，为解决因铜合金的高热导率和对激光的高反射率导致难以在其表面形成可靠冶金结合涂层的问题，Zhang等[17]通过对铜基体预热300 ℃后再使用CO2激光器在3.2 kW的中等输出功率下获得了冶金结合的涂层，可见预热可以提高激光的吸收率从而降低激光熔覆的使用功率，但温度过高会导致铜合金基体强度的下降。

其次，虽然有不少研究在铜合金表面制备了镍基[18]或钴基[17]或金属陶瓷涂层[19]等，但铜合金基体与涂层材料界面相容性及可靠性的问题还有待进一步研究。其中，大部分研究采用与Cu能无限固溶的Ni基合金作为涂层或以Ni基涂层作为过渡层构建Cu-Ni-Co等梯度复合涂层，以降低涂层因基体与涂层理化性能差异过大易造成开裂的风险。尽管如此，因涂层材质选用及熔覆工艺的不当仍可能造成界面及涂层存在裂纹或气孔而失效。

总之，激光熔覆技术在铜合金表面涂层制备领域做了较多的前沿基础研究，但总体仍处于实验室制备及少数连铸机组试验验证阶段，暂还未进入大批量工业化制作及产业化应用阶段。

5" 结束语

高速连铸技术对结晶器铜板的性能提出了越来越高的要求，无论是固溶和时效强化，还是弥散强化或合金化等手段，通过结晶器铜板本体强度提升及结构优化，对铜板本身的硬度和强度的提高是有限的。在铜板工作面制备涂镀层是延长其使用寿命的重要途径和最有效的方法。但采用不同的涂镀层工艺制备结晶器铜板表面强化层均需面临因各自的工艺特性带来的优缺点，工程实际中任何单一工艺及相应涂层均无法同时满足所有连铸机组不同工况下的独特需求。对于企业而言，针对不同连铸机组工况条件如低中高不同拉速下，开发相应高性价比的系列定制化涂层及制备工艺仍是结晶器长寿化应用研发的重要发展方向。

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