结晶器种类及主要特点
2010-9-27 9:09:27
薄板坯和中薄板坯连铸技术的核心是结晶器。对于结晶器的研究主要有以下种类：
1、漏斗形结晶器
1）几何形状
德马克公司ISP工艺的第一代立弯式结晶器，上部是垂直段，下部是弧形段，侧板可调，上口断面是矩形，尺寸为（60-80）mm×（650-1330）mm。意大利阿维迪厂采用了该工艺，并略作修改，上口断面形状，由原平行板形改为小漏斗形。
西马克公司CSP工艺所用的漏斗形结晶器，上口宽边两侧均有平行段，再与圆弧段相连接，上口断面较大。这个漏斗形状在结晶器内保持到长700mm，结晶器出口处铸坯厚度为50-70mm。
2）主要特点
漏斗形结晶器打破了传统板坯连铸结晶器在任意横截面均相同的限制，其结晶器腔内凝固壳的形状及大小按非矩形截面逐步缩小的规律变化。但是，钢液在这种结晶器内凝固时要产生变形，特别是拉坯过程中机械变形产生的应力可能导致固液界面裂纹发生，并最终影响热轧带卷的质量。因此，漏斗形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，使坯壳在固液变形率小于发生裂纹的临界应变率。
2、H2结晶器
1）几何形状
意大利达涅利公司FISC工艺是其代表
FISC工艺优点是内部容积达，通过的钢液流量大，且有更好的钢液自然减速效应。该结晶器长度为1200mm，宽度为1220-1620mm，厚度为50、60、65、70mm。
2）主要特点
该结晶器鼓肚形状由上至下贯穿整个铜板，并一直延续到扇形I段的中部。结晶器出口处为将铸坯鼓肚形状矫平而特别设计了一组带孔型的辊子，对铸坯鼓肚进行矫平的设备长度比仅用连铸机结晶器时长两倍，即与仅用结晶器来矫平坯壳的鼓肚相比，坯壳上所受应力大大降低。并且H2结晶器内部体积增大，可以盛装更多的钢液。同时，结晶器上部尺寸加大，可使水口形状设计更合理，保证结晶器内液面稳定，提高保护渣的润滑效果，改善热交换条件，提高拉速，减少裂纹倾向。
3、平行板形直结晶器
1）几何形状
奥钢联公司CONROLL工艺是其代表。
CONROLL工艺的平行板形直结晶器，浸入式水口也是扁平，钢液从水口两侧壁流出。结晶器断面尺寸为（70-135）mm×1500mm。
2）主要特点
平行板形直结晶器内腔的横截面从上到小均为全等矩形，在铸坯厚度较薄情况
下，可避免因铸坯变形产生的坯壳应力，而且在宽度和长度方向上，结晶器热量能够保证均匀散失。
漏斗形结晶器、H2结晶器、平行板形直结晶器各有特点，从坯壳受力情况来看，平行板形直结晶器优于漏斗形和H2结晶器，从空间大小来看，漏斗形和H2结晶器优于平行板形直结晶器。目前，国内研发主要集中在漏斗形结晶器，并应用于多条薄板坯连铸连轧生产线。今后应在H2结晶器、平行板形直结晶器方面的关注研究。（成王）
薄板坯连铸机结晶器的主要特点及其技术进步
潘秀兰;梁慧智;王艳红
作者单位： 鞍钢股份有限公司
文 摘： 介绍了薄板坯和中薄板坯连铸机结晶器的形状和主要特点，对比分析了不同类型结晶器内钢液的表面积、钢液流动、结晶器传热、薄板坯厚度、拉坯速度等对连铸过程和铸坯性能的影响，讨论了鞍钢ASP 采用的先进技术，指出近年来新建和改造的薄板坯连铸机结晶器厚度呈现增加的趋势，从而解决了设备运行的一些问题，改善了铸坯的品种质量。
关键词： 薄板坯;结晶器;主要特点;铸坯质量
Analysis on main features and technology progress of thin slabcontinuous caster mold
PAN Xiu-lan，LIANG Hui-zhi，WANG Yan-hong
（Angang Steel Co., Ltd.）
Abstract：The paper introduces the sharp and main features of thin slab and medium-thin slab continuous caster，andcomparatively analyzes that the main factors on the effect of slab quality on steel surface area，steel flow，mold heattransfer，thin slab thickness and withdrawal speed and so on for the different types of mold. The advanced technologies ofASP are discussed in Angang. It points out the trend of mold thickness increased in the new and reconstruction thin slabcontinuous caster，solving the problems in the equipment operation，improving slab variety and quality.
Key words：thin slab; mold; main feature; slab quality
0 前 言
结晶器是连铸机上的铸坯成型装置，也是连铸机的核心设备之一，其作用是通过强制冷却连续注入结晶器内腔的钢液，导出热量，使钢液逐渐凝固成具有所要求断面形状和一定坯壳厚度的铸坯，并将芯部仍为液相的铸坯连续地从结晶器下口拉出。在钢液注入结晶器逐渐形成一定厚度坯壳的凝固过程中，结晶器同时受机械应力和热应力的综合作用，其运行状况直接关系到连铸机的顺行、铸坯的质量和产量。目前，国内外常规大板坯、大方坯和小方坯连铸机结晶器技术基本成熟，此文仅探讨薄板坯和中薄板坯连铸机的结晶器的相关技术。
截至2008 年底，世界上共建设薄板坯( 包括中薄板坯) 连铸连轧生产线65
条，年生产能力达到11 008 万t。其中，CSP 生产工艺占世界薄板坯连铸-连轧总产能的50% 以上；其次是FTSR工艺，占总产能的18.35%。其中，中国共建设不同类型的薄板坯连铸连轧生产线14 条，年产能3 530 万t。
1 结晶器的种类及主要特点
薄板坯和中薄板坯连铸设备的核心是结晶器。设计要求结晶器弯月面区域必须有足够的空间，以插入浸入式水口，且满足水口壁与结晶器壁之间无凝固桥形成，钢液温度分布均匀，有利于保护渣熔化；弯月面区钢液流动平稳，防止过大紊流而卷渣；结晶器几何形状应满足拉坯时坯壳承受的应力最小。
1.1 漏斗形结晶器
1.1.1 几何形状
德马克公司ISP 工艺的第一代立弯式结晶器，上部是垂直段，下部是弧形段，侧板可调，上口断面是矩形，尺寸为(60~80) mm×(650~1 330) mm。意大利阿维迪生产线采用该结晶器后，发现这种形状的结晶器只能使用薄片形浸入式水口，而且即使这种特殊形状的长水口很薄，插入结晶器内与结晶器壁也只能保持10~15 mm 的间隙，造成水口插入处宽面侧保护渣熔化不好，且很难获得可恒定控制的保护渣层，薄板坯的表面质量较差。
阿维迪厂在1993 年开始改进该结晶器，重新设计了其上口断面形状，由原平行板形改为小漏斗形，结晶器上口宽边最大厚度为60+(10×2) mm，这种形状一直保持到结晶器下口仍有(1.5×2)mm 的小鼓肚。近年来，其结晶器的小鼓肚越改越大，现使用的上口宽边最大厚度已达60+(25×2) mm，下口为60+(5×2) mm，浸水式水口仍是薄片形，尽管壁厚有所增加，但其距器壁两侧的间隙大大增加，改善了保护渣层的熔化状况，薄板坯表面质量也有了很大改进。
西马克公司CSP 工艺所用的漏斗形结晶器，上口宽边两侧均有平行段，再与圆弧段相连接，上口断面较大。这个漏斗形状在结晶器内保持到长700 mm，结晶器出口处铸坯厚度为50~70 mm。结晶器总长为1 120 mm。上口的漏斗形状有利于浸入式水口的浸入，在结晶器的两宽面板间垂直方向形成了一个带锥度的空间，而漏斗区以外的两侧壁仍然是平行的，两侧壁间的距离相当于板坯厚度。漏斗形结晶器在形状上满足了长水口插入、保护渣熔化和薄板铸坯厚度的要求，经多条生产线使用，均收到较好效果。
1.1.2 主要特点
漏斗形结晶器的创新点在于其打破了传统板坯连铸结晶器在任意横截面均相同的限制，其结晶器腔内凝固壳的形状及大小按非矩形截面逐步缩小的规律变化。但是，钢液在这种结晶器内凝固时要产生变形，特别是拉坯过程中机械变形产生的应力可能导致固液界面裂纹的发生，并最终影响热轧带卷的质量。因此，漏斗形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，漏斗形结晶器必须保证厚度过渡区的弯曲弧度设计准确，且拉速尽可能稳定。 我国钢铁研究总院等单位对薄板坯连铸结晶器技术进行了深入研究，认为漏斗形结晶器技术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。同时由于漏斗形结晶器上口表面积大，为保护渣的熔化创造了条件。
应该指出的是，漏斗形结晶器的缺点是坯壳在结晶器内变形易产生裂纹，限制了像包晶钢这类难浇品种的薄板坯连铸。必须结合钢液本身收缩的计算来设计
结晶器的过渡段。尽管该类型结晶器由弧线变直线的过渡段仅100 mm，在5 m/min 的拉速下铸坯通过此段仅需几毫秒，但仍要给予高度重视，一般采用有限元法优化设计变形段。为了减少或减缓漏斗形结晶器内的铸坯变形，可采取以下措施：
1) 尽量减小漏斗的开口度。
2) 将铸坯由漏斗形过渡到矩形，变形段加长。
3) 优化结晶器内腔形状设计，使结晶器内金属变形分布更加均匀、平缓，降低变形速率，降低铸坯产生裂纹的可能性。
漏斗形结晶器在维护上与常规连铸结晶器的维护没有太大区别，主要应注意避免铜板表面的划伤和残钢粘结。浇铸过程中应确保足够的润滑，预防水口破裂导致溅钢、溢钢以及漏钢事故。
1.1.3 技术进步
考虑到漏斗形结晶器不适合浇铸较窄的中等宽度薄板坯，而平行板形结晶器的薄片状浸入式水口成本太高，且难以实现浇注薄规格铸坯，因此对漏斗形结晶器做了两个关键性的改进：
1) 漏斗形结晶器的图形方案在弦长的中间区域为圆弧区，圆弧半径由上到下连续变大，圆弧区的两边为倾斜的三角形平面区，此圆形方案的特点是平行于X 轴的任意截面。角度相等，且等于起始角，因而任意截面上的中间圆弧与两边直线不相切而相交。
2) 漏斗形的开口度是设计此种结晶器的一个重要参数。结晶器的开口度较大，坯壳向下运动时斜率也大，导致拉坯阻力增加。通过适当改变浸入式水口横截面的形状，把开口度由170 mm 减小到120~140 mm，浇铸效果较好。
漏斗形结晶器在使用中存在寿命短、结晶器的形状不能保证铸坯有最好的表面质量两大缺点。西马克公司经较长时间的研究和传热计算，对其上部形状进行了优化保证钢液进入后不致产生漩涡，大大减少了铸坯表面缺陷。自动控制的水冷系统使铜板上部传热合理，冷却效果变好，铜板外冷却水槽水流速控制在10 m/s 以上，水压大于0.6 MPa，水的蒸发量减小。结晶器寿命大大提高，一般在200~500 炉，修磨后仍可使用。优化设计的漏斗型结晶器长1 100 mm；结晶器铜板上口单侧最大鼓肚为50~60mm；铜板的漏斗区高度为750~850 mm，结晶器下部为平面；采用平行于铜板工作面的水槽式冷却。我国马钢的CSP薄板坯连铸机就采用了这种优化设计的漏斗型结晶器。
实践证明，漏斗形结晶器鼓肚处每增加5 mm，表面质量可成倍地改善，显然这和上口面积增大有利于保护渣加入、熔化和吸附夹杂密切相关。
CSP 漏斗型结晶器内钢液的流动特征除了与结晶器本身形状有关外，主要受浸入式水口结构的影响。生产中发现，漏斗型结晶器在浇注不同钢种和不同规格的铸坯时，也存在设计缺陷，主要表现为铸坯的纵裂、连铸过程粘结、漏钢事故较多等。针对这些问题北京钢铁研究总院与唐钢合作，对漏斗型结晶器宽面和窄面铜板进行了优化，满足了生产低碳钢的高拉速需要，减少了裂纹缺陷。
1.2 H2 结晶器
1.2.1 几何形状
H2 长漏斗形结晶器(H2-High SpeedHigh Quality) 是意大利达涅利公司FTSC工艺(Flexible Thin Slab Casting) 薄板坯连铸机的核心设备，这种结晶器的形状的优点是内部容积大，通过的钢液流量也大，且有更好的钢液自然减速效应。该结
晶器长度为1 200 mm，宽度为11220~1 620 mm，厚度为55，60，65 和70mm。
1.2.2 主要特点
该结晶器的主要特点是其鼓肚形状由上至下贯穿整个铜板，并一直延续到扇形1 段的中部。结晶器出口处为将铸坯鼓肚形状矫平而特别设计了一组带孔型的辊子，对铸坯鼓肚进行矫平的设备长度比仅用连铸机结晶器时长了两倍，也就是说这与仅用结晶器来矫平坯壳的鼓肚相比，坯壳上所受的应力大大降低。并且H2 结晶器熔池体积增大，可以盛装更多的钢液。同时，结晶器上部尺寸加大，可使水口形状设计更合理，保证结晶器内液面稳定，提高保护渣的润滑效果，改善热交换条件，提高拉速，减少裂纹倾向。
H2 型结晶器与漏斗形结晶器的主要区别在于坯壳在结晶器内的变形不是在一定高度上完成，而是沿整个高度凝固壳的形状和大小均按非矩形截面逐步缩小。达涅利公司认为，H2 结晶器能更好地控制初期坯壳的形成过程，生产高质量的铸坯。
1.3 平行板形直结晶器
1.3.1 几何形状
奥钢联公司CONROLL 工艺的平行板形直结晶器，浸入式水口也是扁平的，钢液从水口两侧壁流出。结晶器断面尺寸为(70~135) mm×1 500 mm。这类薄板坯实际上是中薄板坯。奥钢联从节能降耗的角度出发分析，得出70~90 mm厚的铸坯生产能耗最省且加工成本较低的结论，认为不必追求铸坯厚度太薄，趋向中等厚度。从结晶器形状来看，奥钢联强调只有钢液在其内凝固时不变形，且保持液面平稳，才有利于消除铸坯表面裂纹促使结晶器内钢液中夹杂物上浮和防止卷渣，主张使用平行板形结晶器。
2.3.2 主要特点
平行板形直结晶器内腔的横截面从上到下均为全等矩形，只是铸坯厚度较薄情况下，因避免了铸坯变形产生的坯壳应力，而且在宽度和长度方向上，结晶器热量能够保证均匀散失。但在铸坯较薄的情况下，须将浸入式水口制成薄片状。Demag 和VAI 公司都采用了专为薄板坯连铸机研制的薄片状浸入式水口，保护渣化渣状况得以改善。但是，薄片状浸入式水口插入结晶器内与结晶器壁只有10~15 mm 的间隙，造成水口插入处宽面侧保护渣熔化不好，且很难获得能恒定控制的保护渣层，影响薄板坯的表面质量。另外，鉴于薄片状浸入式水口的特殊形状和恶劣的工作条件，虽然采用BN、ZrO 等高级耐火材料，水口寿命仍然较低。
综上所述，目前使用效果较好的薄板坯连铸机结晶器有3 种：
1) 漏斗形结晶器，如在CSP 工艺和改进后的ISP 上使用工艺。
2)H2 形( 凸透镜) 结晶器，如在FTSC 工艺上使用。
3) 平行板形结晶器，如在CONROLL工艺上使用。
从坯壳受力情况来看，平行板形结晶器优于漏斗形和H2 形结晶器；从空间大小来看，漏斗形和H2 形结晶器优于平行板形结晶器。目前50~90 mm 厚的薄板坯连铸机，多数使用漏斗形结晶器。
2 结晶器性能对连铸过程和铸坯性能的影响
2.1 结晶器内钢液表面积
由计算可知，漏斗形结晶器的钢液表面积约为铸坯横截面积的1.4 倍，H2结晶器钢液面面积更大，而平行板形结晶器的钢液表面积等于铸坯的横截面积。钢
液表面积大，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。
2.2 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，漏斗形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。H2 结晶器漏斗趋于平缓，比漏斗形结晶器要稳定得多，而平行板形结晶器则不存在这个问题。
与平行板形结晶器相比，漏斗形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。但漏斗形结晶器的设计和制造较复杂，维修和加工困难，拉坯时摩擦阻力增加，运行成本较高。平行板形结晶器与传统板坯连铸机相同，维修方便，消耗也低。
2.3 结晶器的传热
结晶器内热电偶测试表明，平行板形结晶器在宽度方向上传热一定，可以得到均匀的凝固坯壳，二维温度解析结果则显示漏斗形结晶器传热不均。
平行板形结晶器有利于钢液横向流动( 由水口喷出的钢液引起) 和由温差引起的横向对流，因而对减少熔池各部位的温差有利。漏斗形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。平行板形结晶器则需要解决在板坯厚度方向上浸入式水口与结晶器壁间的距离，保证不凝钢。
2.4 薄板坯厚度
铸坯厚度增加，有利于结晶器内钢液中夹杂物上浮，板坯较厚，压缩比大，有利于提高带卷质量。此外，加大浸入式水口直径，可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。在产量相近的情况下，可以采用较低的拉速，降低结晶器磨损，减小拉漏几率；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，特别是液心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产量，薄板坯连铸结晶器上口面积逐渐增大，有利于均匀钢液成分和温度，保持液面稳定，防止卷渣，减少铸坯表面缺陷。VAI 从节能降耗的角度出发，认为70~90 mm 厚的板坯生产能耗最省，加工成本最低，趋向于中等厚度。住友公司同时分析市场的需求，力求产品在品种和质量上完全达到大型钢铁联合企业的水平，坚持发展中板连铸机，板坯厚度达90~120 mm。原Demag公司重新设计了上口面形状，由原平行板形改为小漏斗形，上口宽边最大厚度几经改进加大至60+(25×2) mm，且一直将此鼓肚延伸至结晶器出口处保持为60+(50×2) mm，这样薄片状浸入式水口壁厚虽有所增加，但其距结晶器壁两侧的间隙还是大大增加，改善了保护渣熔化状况，薄板坯的表面质量也有了很大改进。CSP 由50 mm 增至70 mm 以上，FTSR 的铸坯厚度则增至90 mm 以上。
漏斗形结晶器由于受到钢液凝固收缩率的限制，薄板坯最小铸坯宽度为600 mm，平行板形结晶器则无此限制。
2.5 液面波动、振动和润滑
由于薄板坯连铸拉速比传统板坯高，结晶器液面的稳定性就更为重要。在结晶器钢液面上需保持足够的液渣层，能连续渗漏入坯壳与铜板之间，起到良好的润滑作用，可有效地防止粘结漏钢和铸坯表面纵裂。然而，薄板坯拉速高，结晶器空间有限，很难获得恒定的液渣层，渣量消耗比传统板坯明显减少。为解决这
一问题采取了以下措施：
1) 采用低熔点低粘度的保护渣。
2) 结晶器采用高频率(300 次/min以上)、小振幅(3 mm) 非正弦振动，以减少对初生坯壳的拉应力并减轻振痕，提高铸坯表面质量。
3 鞍钢的ASP 连铸机结晶器
3.1 几何形状
鞍钢二炼钢1 700 生产线有2 台ASP 连铸机( 第一代ASP)，设计能力年产240 万t，采用平行板形长结晶器，拉速：2.5~3.0 m/min，结晶器断面尺寸为(100~135) mm×(900~11550) mm，结晶器铜板高度1 200 mm，结晶器铜板厚度27mm。鞍钢三钢轧有2 台双流ASP 连铸机( 第二代ASP)，设计能力年产500 万t，也采用平行板形长结晶器，结晶器断面尺寸为(135~170) mm×(900~2 000) mm，拉速：1.8~3.5 m/min。
3.2 采用的先进技术
ASP 连铸机结晶器主要特点与奥钢联CONROLL 工艺平行板形直结晶器基本相同，两代ASP 连铸机结晶器采用的先进技术为：
1) 鞍钢二炼钢11700 ASP 连铸机采用的先进技术有结晶器在线调宽技术、结晶器专家系统、结晶器液面自动控制、漏钢预报技术和结晶器液压振动技术等。 ①振动装置采用两个伺服控制液压缸实现正弦及非正弦振动，振动频率
40~300 次/min，振幅1~12 mm(±0.5~6mm)，优点是可在线调振幅、频率、非正弦系数。这种振动方式，无磨损，无须维护，更换方便、更换时间短，铸坯振痕浅，铸坯表面质量高。
②采用漏钢预报技术，为防止钢水与结晶器壁发生粘接而造成漏钢，在结晶器宽边、窄边铜板上，布置了两排共24 个热电偶。在浇铸中，根据测得的结晶器壁温度的变化，及时预报可能发生漏钢的倾向，以便采取措施，减少或避免漏钢事故的发生。
③采用结晶器浸入式水口快速更换技术，结晶器浸入式水口在中间罐上为外装式，为满足连浇16 炉的需要，在浇铸过程中要更换一次浸入式水口，该项技术可以保证更换水口期间不停浇，更换时间仅为3 s，为多炉连浇提高铸机作业率创造了条件。
④冷却水槽装在结晶器背板上，减少了铜板厚度，在使用次数不变的情况下，节约大量的铜板材料。
2) 鞍钢三钢轧21150 ASP 连铸机平行板式长结晶器采用的先进技术有钢包下渣检测技术、结晶器浸入式水口快速更换技术、结晶器铜板冷却技术、结晶器液压在线调宽技术、液压振动技术和结晶器专家系统。其中，结晶器专家系统可进行漏钢预报、结晶器热流监测、结晶器振动监测和结晶器摩擦力监测等。 2006-2008 年，鞍钢在21150 ASP 生产线先后批量生产70 多万t X70~X80热轧板卷，该板卷组织为针状铁素体混合组织，晶粒均匀细小，夹杂较少，产品满足中国川气东送管线工程和中国西气东输二线管道工程技术条件要求。 4 结 语
综上所述，漏斗形结晶器、H2 结晶器和平行板形结晶器各有特点不同类型结晶器内钢液的表面积、钢液流动、结晶器传热等对连铸过程和铸坯性能均有影响。依靠一系列相关技术的支持，各类薄板坯和中薄板坯连铸机结晶器都能够适应工业化大生产的需要。随着多条生产线的投产，针对各自出现的问题，不断对结晶
器结构进行优化和开发。目前中国自行加工的薄板坯连铸机用漏斗型结晶器已被广泛应用于薄板坯连铸连轧生产线。
鞍钢ASP 生产线在平行板形直结晶器上也采用了一系列先进技术，使ASP 流程浇铸的IF 钢夹杂物明显减少，管线钢的边裂和翘皮等缺陷大大降低，实现了无缺陷中薄板坯直接装炉轧制。生产的X70~X80 热轧板卷满足中国川气东送管线工程和中国西气东输二线管道工程技术条件要求。
近年来，液心压下技术的广泛采用，薄板坯连铸机结晶器已趋向于中等厚度，从而解决了困扰薄板坯连铸的许多问题。此外，薄壁浸入式水口的发展，高速连铸保护渣的研制，电磁制动装置在结晶器上的安装，液压振动的采用，以及二冷控制系统的改进，促使漏斗形结晶器和平行板形结晶器生产的产品质量不断提高。
板坯连铸机和中等厚度(180～150mm)的板坯连铸机结晶器在线使用寿命主要取决于铜板的耐用性。其窄边铜板失效形式以下部磨损为主；宽边铜板失效形式以弯月面区域的热裂为主。普通板坯连铸机，随着拉坯速度的提高，弯月面区域的热裂问题也逐渐突现出来。
随着高效连铸技术（CSP、FTSC、CONROLL、ASP、QSP等）的不断应用，连铸机的拉坯速度不断提高，特别是薄板坯连铸机（110～70mm）和中等厚度(180～150mm)的板坯连铸机，设计拉速已达2.5～6.0m/min，实际生产中普遍存在弯月面区域的热裂问题。因此，如何抑制和减缓铜板在弯月面区域产生热裂纹，已成为制约薄板坯连铸机和中等厚度(180～150mm)的板坯连铸机结晶器在线使用长寿化的最重要技术。
现实情况
1 薄板坯结晶器(90～70mm)
薄板坯连铸机因设计拉速较高(3.5～6.0m/min)，结晶器所承担的传热强度最大，所以铜板的材质选用导热性能很好银铜合金。但实际使用过程(拉速3.5～5.0m/min)中，弯月面区域的热裂问题仍很普遍．德国西马克公司所设计薄板坯连铸机（CSP）和意大利达涅利公司所设计薄板坯连铸机（FTSC）都存在此类问题。唐钢热轧薄板厂、本钢炼钢厂和通钢炼钢厂的四条达涅利薄板坯连铸线上使用的进口结晶器宽边铜板单次平均通钢量不足2万吨；裂纹深度1.0～1.5mm。窄边铜板单次平均通钢量约2万吨；表面无裂纹。
2 中厚板坯结晶器(180～150mm)
中等厚度(180～150mm)的板坯连铸机，目前实际使用的拉坯速度一般为1.80～3.50m/min。如鞍钢热轧带钢中厚板坯、济钢三炼钢中厚板坯(ASP)、唐钢一炼钢中厚板坯、唐山国丰中厚板坯等铸机皆属此类机型。铜板的材质采用的是抗高温变形性能更好的高强度铬锆铜合金，而铜板失效形式都是以弯月面区域的热裂为主，裂纹深度1.5～
3.5mm，有的甚至达到4～6mm。影响裂纹深度的两个最重要因素是拉坯速度和通钢量。鞍钢热轧带钢厂为控制铜板的裂纹深度，以内定：单次通钢量4～5万吨即可。
3 普通板坯结晶器(210～300mm)
普通板坯连铸机，因坯型断面较厚，一般拉速都比较低（0.90～
1.60m/min）。在铜板的选材方面，国内的多数设计单位向钢厂推荐使用高强度的铬锆铜合金。但也有钢厂（本钢、五矿营钢等）仍在使用强度适中、导热性能很好的银铜合金，并且取得了比使用铬锆铜合金更好的经济效益指标。（德国KME公司技术资料《连续铸钢用铜及铜合金铸模(结晶器)》(作者:Dr.-Ing Dirk Rode)介绍说："银铜合金适合作板坯结晶器的宽边铜板；高强度的铜合金适合作板坯结晶器的窄边铜板。"那种认为："铬锆铜合金将代替银铜合金而成为板坯连铸结晶器的唯一选择"的观点完全是受此类材料发展历程的惯性误导所至。）铜板的主要失效方式是镀层磨损；其次窄边铜板在弯月面处的瓶颈形变形，引起角缝超差；再次是铜板在结晶器工况环境和腐蚀介质（F、O、S、P、H、OH等）的共同作用下，铜板热面发生了化学的晶界腐蚀、表面硫化、氧化、置换及物理的扩散、渗析和机械的摩擦、磨损、挤压、犁划等反应和作用。由这些因素造成了热面的损伤和龟裂（此类缺陷的宽度和深度低于0.5㎜时，不影响在线使用①，但有的钢厂实际生产中控制的更严一些）。随着拉速的提高（≥1.40m/min），宽边铜板在弯月面区域也出现了热裂问题，只是裂纹的深度相对较浅一些（0.5～1.2mm，再深的裂纹则属于材料本身的问题）。在这一类铸机上使用的银铜合金材料，弯月面区域的热裂纹缺陷明显地低于铬锆铜合金材料②。
板坯长寿技术
1 材质问题
目前的现实情况表明：⑴薄板坯连铸机(高拉速)和中等厚度的板坯连铸机(中拉速)，其结晶器铜板失效的最主要形式是弯月面区域的热裂；⑵同等条件下，银铜材质的耐热裂性能明显地优于铬锆铜材质。其中的原因无外乎以下两个方面：⑴微观结构差异--Ag的固溶强化与Cr和Zr的沉淀硬化。沉淀硬化降低了材料的热传导性能，热传导率的降低抵消了铬锆铜合金屈服强度提高所带来的耐疲劳腐蚀和应力腐蚀开裂的效果；而强度较高的材料，其产生疲劳腐蚀和应力腐蚀开裂的临界值是远低于材料的屈服强度的；而且一旦产生开裂，其裂纹扩展延伸的速度更快。这与铬锆铜材质的裂纹比银铜材质的裂纹更深的现实使用情况是一致的。⑵对腐蚀介质的敏感性差异。本钢的实际使用结果②表明：在相同温度和腐蚀介质环境中，铬锆铜材质产生疲劳腐蚀和应力腐蚀开裂的敏感性（倾向性）更强。
2 镀层材质与结构问题
现行薄板坯结晶器铜板上的镀层材质以镍和镍合金为主。结晶器铜板热面上的镀层能起到两种作用：其一是提高产品质量；其二是延长使用寿命。鉴于弯月面区域热裂严重，国外有些钢厂只在薄板坯结
晶器铜板的下半部设计镀层（美国UniMold工厂所修复的CSP铜板就是如此同时，降低镀层的内应力；提高镀层的纯度也可以起到延缓裂纹产生而提高使用寿命的作用。采用高新技术电镀镍钴合金，内应力低。结晶器铜板电镀镍钴合金添加剂dw-09系列。
3 工况环境（腐蚀介质）问题
众所周知，连铸结晶器是在热辐射、热冲击和热交换极强的工况环境下服役，而结晶器铜板弯月面区域的工况环境更为恶劣（钢水不间断的上下漂移，温差1500°С左右；熔融保护渣的分解产物--氟、氧离子的腐蚀；钢水内被保护渣所净化出的杂质--硫、氧等元素的腐蚀）。因此产生热裂也在情理之中。下面简要分析一下裂纹产生的过程：连铸生产时，结晶器铜板热面温度升高，则必然受热膨胀；而结晶器铜板冷面通过紧固螺栓连接在支撑板或冷却水箱上，使膨胀受到阻碍；同时，铜板冷面温度远低于热面温度，所以，铜板冷面受到的热膨胀力远小于热面；更主要的是结晶器铜板热面钢液面上下波动，使铜板热面受到严重的热疲劳腐蚀和热应力腐蚀。当热疲劳应力叠加热膨胀应力超过铜板热面在高温环境中的屈服强度时，铜板热面就会产生塑性变形--即产生晶间裂纹，在钢液、保护渣、蒸汽等作用下，一些敏感腐蚀介质如F、O、S、P、H、OH等，会使晶间裂纹加速扩展延伸，形成宏观热裂纹。铸机频繁停浇与钢液面上下波动产生的热疲劳腐蚀是一致的。这样的热冲击、热膨胀、热变形，循环往复超过
铜板热面的疲劳极限（敏感的腐蚀介质更进一步降低了铜板热面的疲劳极限），导致结晶器铜板热面产生裂纹。
当拉速升高，铜板表面的温度也升高，热冲击和热膨胀的强度也升高，而腐蚀介质的腐蚀性会加倍地升高，甚至数倍地升高，从而使铜板热面开裂的临界值进一步降低。所以，拉速越高，铜板热面的裂纹愈严重。
因此说，宽边铜板热面裂纹是在特定腐蚀介质中，由热冲击、热疲劳和热膨胀共同作用下产生的应力腐蚀开裂，而高温应力腐蚀产生开裂的临界应力值则会远低于材料的屈服强度。
2 ，冷却水的控制：主要包括总水量、流速、压力、温差和水质等项目；
-采用液位控制装置，尽可能地缩小钢液面上下波动的范围，这样既可以稳定浇钢和拉坯速度，又可以保持结晶器内热力场分布的稳定性；
-控制钢水过热度≤20℃；
-制定更适合本厂铸机实际情况的检修、装配标准和操作技术规程；
-严格执行炉外精炼标准，尽量降低O、S、P等有害杂质含量，即提高钢坯质量，又减少敏感性强的腐蚀介质；
-全面分析铸机工艺参数，合理匹配拉速与冷却强度；
与结晶器铜板制作修复单位共同探讨镀层结构及镀层材质的改进方案。
结晶器种类及主要特点
2010-9-27 9:09:27
薄板坯和中薄板坯连铸技术的核心是结晶器。对于结晶器的研究主要有以下种类：
1、漏斗形结晶器
1）几何形状
德马克公司ISP工艺的第一代立弯式结晶器，上部是垂直段，下部是弧形段，侧板可调，上口断面是矩形，尺寸为（60-80）mm×（650-1330）mm。意大利阿维迪厂采用了该工艺，并略作修改，上口断面形状，由原平行板形改为小漏斗形。
西马克公司CSP工艺所用的漏斗形结晶器，上口宽边两侧均有平行段，再与圆弧段相连接，上口断面较大。这个漏斗形状在结晶器内保持到长700mm，结晶器出口处铸坯厚度为50-70mm。
2）主要特点
漏斗形结晶器打破了传统板坯连铸结晶器在任意横截面均相同的限制，其结晶器腔内凝固壳的形状及大小按非矩形截面逐步缩小的规律变化。但是，钢液在这种结晶器内凝固时要产生变形，特别是拉坯过程中机械变形产生的应力可能导致固液界面裂纹发生，并最终影响热轧带卷的质量。因此，漏斗形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，使坯壳在固液变形率小于发生裂纹的临界应变率。
2、H2结晶器
1）几何形状
意大利达涅利公司FISC工艺是其代表
FISC工艺优点是内部容积达，通过的钢液流量大，且有更好的钢液自然减速效应。该结晶器长度为1200mm，宽度为1220-1620mm，厚度为50、60、65、70mm。
2）主要特点
该结晶器鼓肚形状由上至下贯穿整个铜板，并一直延续到扇形I段的中部。结晶器出口处为将铸坯鼓肚形状矫平而特别设计了一组带孔型的辊子，对铸坯鼓肚进行矫平的设备长度比仅用连铸机结晶器时长两倍，即与仅用结晶器来矫平坯壳的鼓肚相比，坯壳上所受应力大大降低。并且H2结晶器内部体积增大，可以盛装更多的钢液。同时，结晶器上部尺寸加大，可使水口形状设计更合理，保证结晶器内液面稳定，提高保护渣的润滑效果，改善热交换条件，提高拉速，减少裂纹倾向。
3、平行板形直结晶器
1）几何形状
奥钢联公司CONROLL工艺是其代表。
CONROLL工艺的平行板形直结晶器，浸入式水口也是扁平，钢液从水口两侧壁流出。结晶器断面尺寸为（70-135）mm×1500mm。
2）主要特点
平行板形直结晶器内腔的横截面从上到小均为全等矩形，在铸坯厚度较薄情况
下，可避免因铸坯变形产生的坯壳应力，而且在宽度和长度方向上，结晶器热量能够保证均匀散失。
漏斗形结晶器、H2结晶器、平行板形直结晶器各有特点，从坯壳受力情况来看，平行板形直结晶器优于漏斗形和H2结晶器，从空间大小来看，漏斗形和H2结晶器优于平行板形直结晶器。目前，国内研发主要集中在漏斗形结晶器，并应用于多条薄板坯连铸连轧生产线。今后应在H2结晶器、平行板形直结晶器方面的关注研究。（成王）
薄板坯连铸机结晶器的主要特点及其技术进步
潘秀兰;梁慧智;王艳红
作者单位： 鞍钢股份有限公司
文 摘： 介绍了薄板坯和中薄板坯连铸机结晶器的形状和主要特点，对比分析了不同类型结晶器内钢液的表面积、钢液流动、结晶器传热、薄板坯厚度、拉坯速度等对连铸过程和铸坯性能的影响，讨论了鞍钢ASP 采用的先进技术，指出近年来新建和改造的薄板坯连铸机结晶器厚度呈现增加的趋势，从而解决了设备运行的一些问题，改善了铸坯的品种质量。
关键词： 薄板坯;结晶器;主要特点;铸坯质量
Analysis on main features and technology progress of thin slabcontinuous caster mold
PAN Xiu-lan，LIANG Hui-zhi，WANG Yan-hong
（Angang Steel Co., Ltd.）
Abstract：The paper introduces the sharp and main features of thin slab and medium-thin slab continuous caster，andcomparatively analyzes that the main factors on the effect of slab quality on steel surface area，steel flow，mold heattransfer，thin slab thickness and withdrawal speed and so on for the different types of mold. The advanced technologies ofASP are discussed in Angang. It points out the trend of mold thickness increased in the new and reconstruction thin slabcontinuous caster，solving the problems in the equipment operation，improving slab variety and quality.
Key words：thin slab; mold; main feature; slab quality
0 前 言
结晶器是连铸机上的铸坯成型装置，也是连铸机的核心设备之一，其作用是通过强制冷却连续注入结晶器内腔的钢液，导出热量，使钢液逐渐凝固成具有所要求断面形状和一定坯壳厚度的铸坯，并将芯部仍为液相的铸坯连续地从结晶器下口拉出。在钢液注入结晶器逐渐形成一定厚度坯壳的凝固过程中，结晶器同时受机械应力和热应力的综合作用，其运行状况直接关系到连铸机的顺行、铸坯的质量和产量。目前，国内外常规大板坯、大方坯和小方坯连铸机结晶器技术基本成熟，此文仅探讨薄板坯和中薄板坯连铸机的结晶器的相关技术。
截至2008 年底，世界上共建设薄板坯( 包括中薄板坯) 连铸连轧生产线65
条，年生产能力达到11 008 万t。其中，CSP 生产工艺占世界薄板坯连铸-连轧总产能的50% 以上；其次是FTSR工艺，占总产能的18.35%。其中，中国共建设不同类型的薄板坯连铸连轧生产线14 条，年产能3 530 万t。
1 结晶器的种类及主要特点
薄板坯和中薄板坯连铸设备的核心是结晶器。设计要求结晶器弯月面区域必须有足够的空间，以插入浸入式水口，且满足水口壁与结晶器壁之间无凝固桥形成，钢液温度分布均匀，有利于保护渣熔化；弯月面区钢液流动平稳，防止过大紊流而卷渣；结晶器几何形状应满足拉坯时坯壳承受的应力最小。
1.1 漏斗形结晶器
1.1.1 几何形状
德马克公司ISP 工艺的第一代立弯式结晶器，上部是垂直段，下部是弧形段，侧板可调，上口断面是矩形，尺寸为(60~80) mm×(650~1 330) mm。意大利阿维迪生产线采用该结晶器后，发现这种形状的结晶器只能使用薄片形浸入式水口，而且即使这种特殊形状的长水口很薄，插入结晶器内与结晶器壁也只能保持10~15 mm 的间隙，造成水口插入处宽面侧保护渣熔化不好，且很难获得可恒定控制的保护渣层，薄板坯的表面质量较差。
阿维迪厂在1993 年开始改进该结晶器，重新设计了其上口断面形状，由原平行板形改为小漏斗形，结晶器上口宽边最大厚度为60+(10×2) mm，这种形状一直保持到结晶器下口仍有(1.5×2)mm 的小鼓肚。近年来，其结晶器的小鼓肚越改越大，现使用的上口宽边最大厚度已达60+(25×2) mm，下口为60+(5×2) mm，浸水式水口仍是薄片形，尽管壁厚有所增加，但其距器壁两侧的间隙大大增加，改善了保护渣层的熔化状况，薄板坯表面质量也有了很大改进。
西马克公司CSP 工艺所用的漏斗形结晶器，上口宽边两侧均有平行段，再与圆弧段相连接，上口断面较大。这个漏斗形状在结晶器内保持到长700 mm，结晶器出口处铸坯厚度为50~70 mm。结晶器总长为1 120 mm。上口的漏斗形状有利于浸入式水口的浸入，在结晶器的两宽面板间垂直方向形成了一个带锥度的空间，而漏斗区以外的两侧壁仍然是平行的，两侧壁间的距离相当于板坯厚度。漏斗形结晶器在形状上满足了长水口插入、保护渣熔化和薄板铸坯厚度的要求，经多条生产线使用，均收到较好效果。
1.1.2 主要特点
漏斗形结晶器的创新点在于其打破了传统板坯连铸结晶器在任意横截面均相同的限制，其结晶器腔内凝固壳的形状及大小按非矩形截面逐步缩小的规律变化。但是，钢液在这种结晶器内凝固时要产生变形，特别是拉坯过程中机械变形产生的应力可能导致固液界面裂纹的发生，并最终影响热轧带卷的质量。因此，漏斗形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，漏斗形结晶器必须保证厚度过渡区的弯曲弧度设计准确，且拉速尽可能稳定。 我国钢铁研究总院等单位对薄板坯连铸结晶器技术进行了深入研究，认为漏斗形结晶器技术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。同时由于漏斗形结晶器上口表面积大，为保护渣的熔化创造了条件。
应该指出的是，漏斗形结晶器的缺点是坯壳在结晶器内变形易产生裂纹，限制了像包晶钢这类难浇品种的薄板坯连铸。必须结合钢液本身收缩的计算来设计
结晶器的过渡段。尽管该类型结晶器由弧线变直线的过渡段仅100 mm，在5 m/min 的拉速下铸坯通过此段仅需几毫秒，但仍要给予高度重视，一般采用有限元法优化设计变形段。为了减少或减缓漏斗形结晶器内的铸坯变形，可采取以下措施：
1) 尽量减小漏斗的开口度。
2) 将铸坯由漏斗形过渡到矩形，变形段加长。
3) 优化结晶器内腔形状设计，使结晶器内金属变形分布更加均匀、平缓，降低变形速率，降低铸坯产生裂纹的可能性。
漏斗形结晶器在维护上与常规连铸结晶器的维护没有太大区别，主要应注意避免铜板表面的划伤和残钢粘结。浇铸过程中应确保足够的润滑，预防水口破裂导致溅钢、溢钢以及漏钢事故。
1.1.3 技术进步
考虑到漏斗形结晶器不适合浇铸较窄的中等宽度薄板坯，而平行板形结晶器的薄片状浸入式水口成本太高，且难以实现浇注薄规格铸坯，因此对漏斗形结晶器做了两个关键性的改进：
1) 漏斗形结晶器的图形方案在弦长的中间区域为圆弧区，圆弧半径由上到下连续变大，圆弧区的两边为倾斜的三角形平面区，此圆形方案的特点是平行于X 轴的任意截面。角度相等，且等于起始角，因而任意截面上的中间圆弧与两边直线不相切而相交。
2) 漏斗形的开口度是设计此种结晶器的一个重要参数。结晶器的开口度较大，坯壳向下运动时斜率也大，导致拉坯阻力增加。通过适当改变浸入式水口横截面的形状，把开口度由170 mm 减小到120~140 mm，浇铸效果较好。
漏斗形结晶器在使用中存在寿命短、结晶器的形状不能保证铸坯有最好的表面质量两大缺点。西马克公司经较长时间的研究和传热计算，对其上部形状进行了优化保证钢液进入后不致产生漩涡，大大减少了铸坯表面缺陷。自动控制的水冷系统使铜板上部传热合理，冷却效果变好，铜板外冷却水槽水流速控制在10 m/s 以上，水压大于0.6 MPa，水的蒸发量减小。结晶器寿命大大提高，一般在200~500 炉，修磨后仍可使用。优化设计的漏斗型结晶器长1 100 mm；结晶器铜板上口单侧最大鼓肚为50~60mm；铜板的漏斗区高度为750~850 mm，结晶器下部为平面；采用平行于铜板工作面的水槽式冷却。我国马钢的CSP薄板坯连铸机就采用了这种优化设计的漏斗型结晶器。
实践证明，漏斗形结晶器鼓肚处每增加5 mm，表面质量可成倍地改善，显然这和上口面积增大有利于保护渣加入、熔化和吸附夹杂密切相关。
CSP 漏斗型结晶器内钢液的流动特征除了与结晶器本身形状有关外，主要受浸入式水口结构的影响。生产中发现，漏斗型结晶器在浇注不同钢种和不同规格的铸坯时，也存在设计缺陷，主要表现为铸坯的纵裂、连铸过程粘结、漏钢事故较多等。针对这些问题北京钢铁研究总院与唐钢合作，对漏斗型结晶器宽面和窄面铜板进行了优化，满足了生产低碳钢的高拉速需要，减少了裂纹缺陷。
1.2 H2 结晶器
1.2.1 几何形状
H2 长漏斗形结晶器(H2-High SpeedHigh Quality) 是意大利达涅利公司FTSC工艺(Flexible Thin Slab Casting) 薄板坯连铸机的核心设备，这种结晶器的形状的优点是内部容积大，通过的钢液流量也大，且有更好的钢液自然减速效应。该结
晶器长度为1 200 mm，宽度为11220~1 620 mm，厚度为55，60，65 和70mm。
1.2.2 主要特点
该结晶器的主要特点是其鼓肚形状由上至下贯穿整个铜板，并一直延续到扇形1 段的中部。结晶器出口处为将铸坯鼓肚形状矫平而特别设计了一组带孔型的辊子，对铸坯鼓肚进行矫平的设备长度比仅用连铸机结晶器时长了两倍，也就是说这与仅用结晶器来矫平坯壳的鼓肚相比，坯壳上所受的应力大大降低。并且H2 结晶器熔池体积增大，可以盛装更多的钢液。同时，结晶器上部尺寸加大，可使水口形状设计更合理，保证结晶器内液面稳定，提高保护渣的润滑效果，改善热交换条件，提高拉速，减少裂纹倾向。
H2 型结晶器与漏斗形结晶器的主要区别在于坯壳在结晶器内的变形不是在一定高度上完成，而是沿整个高度凝固壳的形状和大小均按非矩形截面逐步缩小。达涅利公司认为，H2 结晶器能更好地控制初期坯壳的形成过程，生产高质量的铸坯。
1.3 平行板形直结晶器
1.3.1 几何形状
奥钢联公司CONROLL 工艺的平行板形直结晶器，浸入式水口也是扁平的，钢液从水口两侧壁流出。结晶器断面尺寸为(70~135) mm×1 500 mm。这类薄板坯实际上是中薄板坯。奥钢联从节能降耗的角度出发分析，得出70~90 mm厚的铸坯生产能耗最省且加工成本较低的结论，认为不必追求铸坯厚度太薄，趋向中等厚度。从结晶器形状来看，奥钢联强调只有钢液在其内凝固时不变形，且保持液面平稳，才有利于消除铸坯表面裂纹促使结晶器内钢液中夹杂物上浮和防止卷渣，主张使用平行板形结晶器。
2.3.2 主要特点
平行板形直结晶器内腔的横截面从上到下均为全等矩形，只是铸坯厚度较薄情况下，因避免了铸坯变形产生的坯壳应力，而且在宽度和长度方向上，结晶器热量能够保证均匀散失。但在铸坯较薄的情况下，须将浸入式水口制成薄片状。Demag 和VAI 公司都采用了专为薄板坯连铸机研制的薄片状浸入式水口，保护渣化渣状况得以改善。但是，薄片状浸入式水口插入结晶器内与结晶器壁只有10~15 mm 的间隙，造成水口插入处宽面侧保护渣熔化不好，且很难获得能恒定控制的保护渣层，影响薄板坯的表面质量。另外，鉴于薄片状浸入式水口的特殊形状和恶劣的工作条件，虽然采用BN、ZrO 等高级耐火材料，水口寿命仍然较低。
综上所述，目前使用效果较好的薄板坯连铸机结晶器有3 种：
1) 漏斗形结晶器，如在CSP 工艺和改进后的ISP 上使用工艺。
2)H2 形( 凸透镜) 结晶器，如在FTSC 工艺上使用。
3) 平行板形结晶器，如在CONROLL工艺上使用。
从坯壳受力情况来看，平行板形结晶器优于漏斗形和H2 形结晶器；从空间大小来看，漏斗形和H2 形结晶器优于平行板形结晶器。目前50~90 mm 厚的薄板坯连铸机，多数使用漏斗形结晶器。
2 结晶器性能对连铸过程和铸坯性能的影响
2.1 结晶器内钢液表面积
由计算可知，漏斗形结晶器的钢液表面积约为铸坯横截面积的1.4 倍，H2结晶器钢液面面积更大，而平行板形结晶器的钢液表面积等于铸坯的横截面积。钢
液表面积大，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。
2.2 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，漏斗形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。H2 结晶器漏斗趋于平缓，比漏斗形结晶器要稳定得多，而平行板形结晶器则不存在这个问题。
与平行板形结晶器相比，漏斗形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。但漏斗形结晶器的设计和制造较复杂，维修和加工困难，拉坯时摩擦阻力增加，运行成本较高。平行板形结晶器与传统板坯连铸机相同，维修方便，消耗也低。
2.3 结晶器的传热
结晶器内热电偶测试表明，平行板形结晶器在宽度方向上传热一定，可以得到均匀的凝固坯壳，二维温度解析结果则显示漏斗形结晶器传热不均。
平行板形结晶器有利于钢液横向流动( 由水口喷出的钢液引起) 和由温差引起的横向对流，因而对减少熔池各部位的温差有利。漏斗形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。平行板形结晶器则需要解决在板坯厚度方向上浸入式水口与结晶器壁间的距离，保证不凝钢。
2.4 薄板坯厚度
铸坯厚度增加，有利于结晶器内钢液中夹杂物上浮，板坯较厚，压缩比大，有利于提高带卷质量。此外，加大浸入式水口直径，可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。在产量相近的情况下，可以采用较低的拉速，降低结晶器磨损，减小拉漏几率；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，特别是液心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产量，薄板坯连铸结晶器上口面积逐渐增大，有利于均匀钢液成分和温度，保持液面稳定，防止卷渣，减少铸坯表面缺陷。VAI 从节能降耗的角度出发，认为70~90 mm 厚的板坯生产能耗最省，加工成本最低，趋向于中等厚度。住友公司同时分析市场的需求，力求产品在品种和质量上完全达到大型钢铁联合企业的水平，坚持发展中板连铸机，板坯厚度达90~120 mm。原Demag公司重新设计了上口面形状，由原平行板形改为小漏斗形，上口宽边最大厚度几经改进加大至60+(25×2) mm，且一直将此鼓肚延伸至结晶器出口处保持为60+(50×2) mm，这样薄片状浸入式水口壁厚虽有所增加，但其距结晶器壁两侧的间隙还是大大增加，改善了保护渣熔化状况，薄板坯的表面质量也有了很大改进。CSP 由50 mm 增至70 mm 以上，FTSR 的铸坯厚度则增至90 mm 以上。
漏斗形结晶器由于受到钢液凝固收缩率的限制，薄板坯最小铸坯宽度为600 mm，平行板形结晶器则无此限制。
2.5 液面波动、振动和润滑
由于薄板坯连铸拉速比传统板坯高，结晶器液面的稳定性就更为重要。在结晶器钢液面上需保持足够的液渣层，能连续渗漏入坯壳与铜板之间，起到良好的润滑作用，可有效地防止粘结漏钢和铸坯表面纵裂。然而，薄板坯拉速高，结晶器空间有限，很难获得恒定的液渣层，渣量消耗比传统板坯明显减少。为解决这
一问题采取了以下措施：
1) 采用低熔点低粘度的保护渣。
2) 结晶器采用高频率(300 次/min以上)、小振幅(3 mm) 非正弦振动，以减少对初生坯壳的拉应力并减轻振痕，提高铸坯表面质量。
3 鞍钢的ASP 连铸机结晶器
3.1 几何形状
鞍钢二炼钢1 700 生产线有2 台ASP 连铸机( 第一代ASP)，设计能力年产240 万t，采用平行板形长结晶器，拉速：2.5~3.0 m/min，结晶器断面尺寸为(100~135) mm×(900~11550) mm，结晶器铜板高度1 200 mm，结晶器铜板厚度27mm。鞍钢三钢轧有2 台双流ASP 连铸机( 第二代ASP)，设计能力年产500 万t，也采用平行板形长结晶器，结晶器断面尺寸为(135~170) mm×(900~2 000) mm，拉速：1.8~3.5 m/min。
3.2 采用的先进技术
ASP 连铸机结晶器主要特点与奥钢联CONROLL 工艺平行板形直结晶器基本相同，两代ASP 连铸机结晶器采用的先进技术为：
1) 鞍钢二炼钢11700 ASP 连铸机采用的先进技术有结晶器在线调宽技术、结晶器专家系统、结晶器液面自动控制、漏钢预报技术和结晶器液压振动技术等。 ①振动装置采用两个伺服控制液压缸实现正弦及非正弦振动，振动频率
40~300 次/min，振幅1~12 mm(±0.5~6mm)，优点是可在线调振幅、频率、非正弦系数。这种振动方式，无磨损，无须维护，更换方便、更换时间短，铸坯振痕浅，铸坯表面质量高。
②采用漏钢预报技术，为防止钢水与结晶器壁发生粘接而造成漏钢，在结晶器宽边、窄边铜板上，布置了两排共24 个热电偶。在浇铸中，根据测得的结晶器壁温度的变化，及时预报可能发生漏钢的倾向，以便采取措施，减少或避免漏钢事故的发生。
③采用结晶器浸入式水口快速更换技术，结晶器浸入式水口在中间罐上为外装式，为满足连浇16 炉的需要，在浇铸过程中要更换一次浸入式水口，该项技术可以保证更换水口期间不停浇，更换时间仅为3 s，为多炉连浇提高铸机作业率创造了条件。
④冷却水槽装在结晶器背板上，减少了铜板厚度，在使用次数不变的情况下，节约大量的铜板材料。
2) 鞍钢三钢轧21150 ASP 连铸机平行板式长结晶器采用的先进技术有钢包下渣检测技术、结晶器浸入式水口快速更换技术、结晶器铜板冷却技术、结晶器液压在线调宽技术、液压振动技术和结晶器专家系统。其中，结晶器专家系统可进行漏钢预报、结晶器热流监测、结晶器振动监测和结晶器摩擦力监测等。 2006-2008 年，鞍钢在21150 ASP 生产线先后批量生产70 多万t X70~X80热轧板卷，该板卷组织为针状铁素体混合组织，晶粒均匀细小，夹杂较少，产品满足中国川气东送管线工程和中国西气东输二线管道工程技术条件要求。 4 结 语
综上所述，漏斗形结晶器、H2 结晶器和平行板形结晶器各有特点不同类型结晶器内钢液的表面积、钢液流动、结晶器传热等对连铸过程和铸坯性能均有影响。依靠一系列相关技术的支持，各类薄板坯和中薄板坯连铸机结晶器都能够适应工业化大生产的需要。随着多条生产线的投产，针对各自出现的问题，不断对结晶
器结构进行优化和开发。目前中国自行加工的薄板坯连铸机用漏斗型结晶器已被广泛应用于薄板坯连铸连轧生产线。
鞍钢ASP 生产线在平行板形直结晶器上也采用了一系列先进技术，使ASP 流程浇铸的IF 钢夹杂物明显减少，管线钢的边裂和翘皮等缺陷大大降低，实现了无缺陷中薄板坯直接装炉轧制。生产的X70~X80 热轧板卷满足中国川气东送管线工程和中国西气东输二线管道工程技术条件要求。
近年来，液心压下技术的广泛采用，薄板坯连铸机结晶器已趋向于中等厚度，从而解决了困扰薄板坯连铸的许多问题。此外，薄壁浸入式水口的发展，高速连铸保护渣的研制，电磁制动装置在结晶器上的安装，液压振动的采用，以及二冷控制系统的改进，促使漏斗形结晶器和平行板形结晶器生产的产品质量不断提高。
板坯连铸机和中等厚度(180～150mm)的板坯连铸机结晶器在线使用寿命主要取决于铜板的耐用性。其窄边铜板失效形式以下部磨损为主；宽边铜板失效形式以弯月面区域的热裂为主。普通板坯连铸机，随着拉坯速度的提高，弯月面区域的热裂问题也逐渐突现出来。
随着高效连铸技术（CSP、FTSC、CONROLL、ASP、QSP等）的不断应用，连铸机的拉坯速度不断提高，特别是薄板坯连铸机（110～70mm）和中等厚度(180～150mm)的板坯连铸机，设计拉速已达2.5～6.0m/min，实际生产中普遍存在弯月面区域的热裂问题。因此，如何抑制和减缓铜板在弯月面区域产生热裂纹，已成为制约薄板坯连铸机和中等厚度(180～150mm)的板坯连铸机结晶器在线使用长寿化的最重要技术。
现实情况
1 薄板坯结晶器(90～70mm)
薄板坯连铸机因设计拉速较高(3.5～6.0m/min)，结晶器所承担的传热强度最大，所以铜板的材质选用导热性能很好银铜合金。但实际使用过程(拉速3.5～5.0m/min)中，弯月面区域的热裂问题仍很普遍．德国西马克公司所设计薄板坯连铸机（CSP）和意大利达涅利公司所设计薄板坯连铸机（FTSC）都存在此类问题。唐钢热轧薄板厂、本钢炼钢厂和通钢炼钢厂的四条达涅利薄板坯连铸线上使用的进口结晶器宽边铜板单次平均通钢量不足2万吨；裂纹深度1.0～1.5mm。窄边铜板单次平均通钢量约2万吨；表面无裂纹。
2 中厚板坯结晶器(180～150mm)
中等厚度(180～150mm)的板坯连铸机，目前实际使用的拉坯速度一般为1.80～3.50m/min。如鞍钢热轧带钢中厚板坯、济钢三炼钢中厚板坯(ASP)、唐钢一炼钢中厚板坯、唐山国丰中厚板坯等铸机皆属此类机型。铜板的材质采用的是抗高温变形性能更好的高强度铬锆铜合金，而铜板失效形式都是以弯月面区域的热裂为主，裂纹深度1.5～
3.5mm，有的甚至达到4～6mm。影响裂纹深度的两个最重要因素是拉坯速度和通钢量。鞍钢热轧带钢厂为控制铜板的裂纹深度，以内定：单次通钢量4～5万吨即可。
3 普通板坯结晶器(210～300mm)
普通板坯连铸机，因坯型断面较厚，一般拉速都比较低（0.90～
1.60m/min）。在铜板的选材方面，国内的多数设计单位向钢厂推荐使用高强度的铬锆铜合金。但也有钢厂（本钢、五矿营钢等）仍在使用强度适中、导热性能很好的银铜合金，并且取得了比使用铬锆铜合金更好的经济效益指标。（德国KME公司技术资料《连续铸钢用铜及铜合金铸模(结晶器)》(作者:Dr.-Ing Dirk Rode)介绍说："银铜合金适合作板坯结晶器的宽边铜板；高强度的铜合金适合作板坯结晶器的窄边铜板。"那种认为："铬锆铜合金将代替银铜合金而成为板坯连铸结晶器的唯一选择"的观点完全是受此类材料发展历程的惯性误导所至。）铜板的主要失效方式是镀层磨损；其次窄边铜板在弯月面处的瓶颈形变形，引起角缝超差；再次是铜板在结晶器工况环境和腐蚀介质（F、O、S、P、H、OH等）的共同作用下，铜板热面发生了化学的晶界腐蚀、表面硫化、氧化、置换及物理的扩散、渗析和机械的摩擦、磨损、挤压、犁划等反应和作用。由这些因素造成了热面的损伤和龟裂（此类缺陷的宽度和深度低于0.5㎜时，不影响在线使用①，但有的钢厂实际生产中控制的更严一些）。随着拉速的提高（≥1.40m/min），宽边铜板在弯月面区域也出现了热裂问题，只是裂纹的深度相对较浅一些（0.5～1.2mm，再深的裂纹则属于材料本身的问题）。在这一类铸机上使用的银铜合金材料，弯月面区域的热裂纹缺陷明显地低于铬锆铜合金材料②。
板坯长寿技术
1 材质问题
目前的现实情况表明：⑴薄板坯连铸机(高拉速)和中等厚度的板坯连铸机(中拉速)，其结晶器铜板失效的最主要形式是弯月面区域的热裂；⑵同等条件下，银铜材质的耐热裂性能明显地优于铬锆铜材质。其中的原因无外乎以下两个方面：⑴微观结构差异--Ag的固溶强化与Cr和Zr的沉淀硬化。沉淀硬化降低了材料的热传导性能，热传导率的降低抵消了铬锆铜合金屈服强度提高所带来的耐疲劳腐蚀和应力腐蚀开裂的效果；而强度较高的材料，其产生疲劳腐蚀和应力腐蚀开裂的临界值是远低于材料的屈服强度的；而且一旦产生开裂，其裂纹扩展延伸的速度更快。这与铬锆铜材质的裂纹比银铜材质的裂纹更深的现实使用情况是一致的。⑵对腐蚀介质的敏感性差异。本钢的实际使用结果②表明：在相同温度和腐蚀介质环境中，铬锆铜材质产生疲劳腐蚀和应力腐蚀开裂的敏感性（倾向性）更强。
2 镀层材质与结构问题
现行薄板坯结晶器铜板上的镀层材质以镍和镍合金为主。结晶器铜板热面上的镀层能起到两种作用：其一是提高产品质量；其二是延长使用寿命。鉴于弯月面区域热裂严重，国外有些钢厂只在薄板坯结
晶器铜板的下半部设计镀层（美国UniMold工厂所修复的CSP铜板就是如此同时，降低镀层的内应力；提高镀层的纯度也可以起到延缓裂纹产生而提高使用寿命的作用。采用高新技术电镀镍钴合金，内应力低。结晶器铜板电镀镍钴合金添加剂dw-09系列。
3 工况环境（腐蚀介质）问题
众所周知，连铸结晶器是在热辐射、热冲击和热交换极强的工况环境下服役，而结晶器铜板弯月面区域的工况环境更为恶劣（钢水不间断的上下漂移，温差1500°С左右；熔融保护渣的分解产物--氟、氧离子的腐蚀；钢水内被保护渣所净化出的杂质--硫、氧等元素的腐蚀）。因此产生热裂也在情理之中。下面简要分析一下裂纹产生的过程：连铸生产时，结晶器铜板热面温度升高，则必然受热膨胀；而结晶器铜板冷面通过紧固螺栓连接在支撑板或冷却水箱上，使膨胀受到阻碍；同时，铜板冷面温度远低于热面温度，所以，铜板冷面受到的热膨胀力远小于热面；更主要的是结晶器铜板热面钢液面上下波动，使铜板热面受到严重的热疲劳腐蚀和热应力腐蚀。当热疲劳应力叠加热膨胀应力超过铜板热面在高温环境中的屈服强度时，铜板热面就会产生塑性变形--即产生晶间裂纹，在钢液、保护渣、蒸汽等作用下，一些敏感腐蚀介质如F、O、S、P、H、OH等，会使晶间裂纹加速扩展延伸，形成宏观热裂纹。铸机频繁停浇与钢液面上下波动产生的热疲劳腐蚀是一致的。这样的热冲击、热膨胀、热变形，循环往复超过
铜板热面的疲劳极限（敏感的腐蚀介质更进一步降低了铜板热面的疲劳极限），导致结晶器铜板热面产生裂纹。
当拉速升高，铜板表面的温度也升高，热冲击和热膨胀的强度也升高，而腐蚀介质的腐蚀性会加倍地升高，甚至数倍地升高，从而使铜板热面开裂的临界值进一步降低。所以，拉速越高，铜板热面的裂纹愈严重。
因此说，宽边铜板热面裂纹是在特定腐蚀介质中，由热冲击、热疲劳和热膨胀共同作用下产生的应力腐蚀开裂，而高温应力腐蚀产生开裂的临界应力值则会远低于材料的屈服强度。
2 ，冷却水的控制：主要包括总水量、流速、压力、温差和水质等项目；
-采用液位控制装置，尽可能地缩小钢液面上下波动的范围，这样既可以稳定浇钢和拉坯速度，又可以保持结晶器内热力场分布的稳定性；
-控制钢水过热度≤20℃；
-制定更适合本厂铸机实际情况的检修、装配标准和操作技术规程；
-严格执行炉外精炼标准，尽量降低O、S、P等有害杂质含量，即提高钢坯质量，又减少敏感性强的腐蚀介质；
-全面分析铸机工艺参数，合理匹配拉速与冷却强度；
与结晶器铜板制作修复单位共同探讨镀层结构及镀层材质的改进方案。