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２０１０年第１期 本钢技术 ｌ９
本钢一ＦＴＳＣ薄板连铸机Ｈ２结晶器铜板国产化研究
黄晓东
（本钢炼钢厂，辽宁本溪１ｌ７０２１）
摘要：通过对本钢ＦＴＳＣ薄板坯连铸机Ｈ 结晶器铜板各种性能和使用要求的分析研究，提出
改进其性能措施和方法，并使之完全国产化，符合ＦＴＳＣ连铸的使用要求，使用寿命由原来的２
万ｔ过钢量水平提高到４万ｔ，取得了良好的效果。
关键词：ＦＦＳＣ薄板坯连铸机；Ｈ 结晶器铜板；使用寿命
中图分类号：ＴＦ３４１．６ 文献标识码：Ｂ ?
Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ Ｄｏｍｅｓｔｉｃ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｏｆ ＦＴＳＣ?Ｔｈｉｎ Ｓｌａｂ Ｃａｓｔｉｎｇ Ｍｏｕｌｄ Ｃｏｐｐｅｒ
Ｈ Ａ Ｇ Ｘｉａｏｄｏｎｇ
，
（Ｓｔｅｅｌ Ｍａｋｉｎｇ Ｐｌａｎｔ，ＢＸ ＳＴＥＥＬ，Ｂｅｎｘｉ Ｌｉａｏｎｉｎｇ ｌ ｌ７０２１）
Ｔｈｅ ｍｏｕｌｄ ｃｏｐｐｅｒ ｉｓ ｔｈｅ ｋｅｙ ｐａｒｔ ｏｆ ｂｓｐ－ｔｈｉｎ ｓｌａｂ ｃａｓｔｉｎｇ．Ｂｅｃａｕｓｅ ｉｔ ｉｓ ａ ｈｉｇｈ－ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，ｉｔ
ｈａｓ ｂｅｅｎ ｉｍｐｏｒｔｅｄ ｆｒｏｍ ａｂｒｏａｄ．Ｎｏｗ，ｔｈｅ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｈａｓ ｓｕｃｃｅｓｓｅｄ ｉｎ ｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｇ
ｏｆ
．
ｃｏｐｐｅｒ’ｓ ｐｈｙｓｉｃａｌ ａｎｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ．Ｔｈｅ ｒｅｐａｌａｃｅｄ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｈａｖｅ ｔｈｅ ｂｅｔｔｅｒ ｕｓｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ
ａｎｄ ｃａｎ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｎｅｅｄ ｏｆ ｈｔｉｎ—ｓｌａｂ ｃａｓｔｉｎｇ，ｔｈｅ ｎａｔｉｏｎａｌ ｒｅｐｌａｃｅ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｈａｖｅ ｔｈｅ ｎａｔｉｏｎａｌ ｐｒｏｏｅｒｔｙ ｄｇｈＬ
ｂｕｔ ａｌｓｏ ｍａｋｅ ｉｔｓ ｓｅｒｖｉｃｅ ｌｉｆｅ ｌｏｎｇｅｒ，ｆｏｒｍ ２００００ ｔｏｎｓ ｔｏ ４００００ ｔｏｎｓ．Ｔｈｅ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｒｅｔｕｒｎｓ ａｒｅ ｖｅｒｙ
ｏｂｖｉｏｕｓ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂｓｐ－ｔｈｉｎ ｓｌａｂ ｃａｓｔｉｎｇ；ｍｏｕｌｄ ｃｏｐｐｅｒ；ｓｅｒｖｉｃｅ ｌｉｆｅ
结晶器铜板是连铸机心脏，其工况条件十分
况进行认真、细致的分析，确立国产转化思路，
恶劣，在高温钢水与冷却水的共同作用下，承受
对ＦＴＳＣ的Ｈ 铜板进行国产转化攻关，并且在
着高温氧化，冷热疲劳产生的热裂纹，温度梯度
转化中对Ｈ 铜板表面镀层进行改进，将Ｈ 铜板
大产生的变形，冷却水和保护渣成分的化学腐
一
次性过钢量寿命由原来的２万ｔ提高到４万ｔ
蚀，高温蒸汽引起的气蚀、引锭、拉坯、结晶器
水平以上，充分的满足了炼钢厂生产需要，取得
振动产生的摩擦，调锥、调宽带来的划伤等。因
了良好的经济效益。
此，其作为结晶器的重要组成部分，必须具备良
好的导热性、较高的高温强度、良好的抗变形能
ｌ Ｈ２铜板国产化前存在问题
力、较高的表面精度和足够的硬度和耐磨性。 Ｈ 铜板是根据生产工艺的要求设计成长漏
与普通板坯连铸机相比，薄板坯连铸机所用 斗型，区别于普通板坯连铸机，不仅在高度方向
结晶器铜板无论在材质的选择上，还是在加工制
呈漏斗型，而且根据ＦＩ＇ＳＣ自身生产工艺的需要，
造上都具有较高的技术难度。本钢炼钢厂ＦＦＳＣ
在水平方向同样呈抛物线型漏斗设计，形成一个
薄板连铸机Ｈ 结晶器铜板（以下简称Ｈ 铜板）在 真正意义上的空间漏斗型设计，其加工制造难度
设计上采用德国ＫＭＥ银铜板（ＣｕＡｇ），表面钝镍 极大。另外，也是最重要的一点是，ＦＴｓＣ连铸
镀层。该备件的制造技术常受国外技术垄断影
机的高拉速特性决定了结晶器铜板在浇铸方向
响，价格昂贵，而且采购困难。针对此种情况，
上的温度梯度变化较大 除了要求铜板母材具有
通过对结晶器铜板的设计原理以及实际使用情 良好的导热率外，对铜板表面冷却强度韵均匀分
布提出了更高的要求。
作者简介：黄晓东（１９７３一），男，机械工程师，１９９５年
毕业于东北大学冶金机械专业。
ＦＴｓｃ连铸机的上述特性，决定了结晶器铜
Ｅ?ｍａｉｌ：ｈｕａｎｇｖｓｖ＠ｌ ６３．ｃｏｍ
板对母体材料的导热性、 机械强度、高温强度及
２０ 本钢技术 ２０１０年第１期
抗蠕变性能有较高的要求，同时，由于独特的外
之问产生磨擦。即使润滑情况良好，磨损依然是
形设汁，要求其加工制造精度及冷却水孔的设计 很严重的。随着浇铸炉数的增加，磨损不断加剧，
尺寸及偏差都必须控制在一定范尉内，尽量减少 最终造成铜板失效。磨损失效主要有底部磨损和
铜板出于应力集中所带来的影响。因此，该铜板 角部磨损两种，如图ｌ和图２所示。
在制造和加工上具有较高科技含量。此技术一直
。
由国外垄断，进口结晶器铜板价格昂贵，进货周
１＿ｌ 。
期长。而在实际上线使用中，Ｈ 结晶器铜板寿命
按过钢量计算，仅能达到１—２万ｔ水平，备件消
耗极大，由于使用寿命短，更换频繁，已严重制
约了炼钢厂薄板连铸机产能的发挥。因此，对其
进行国产转化，降低备件成本，缩短备件进货周
Ｆｉｇ．１ Ｗｅａｒ Ｏｎ ｂｏｔｔｏｍ ｏｆ ｍｏｕｌｄ ｃｏｐｐｅｒ
期，具有重要经济和现实意义。
２ Ｈ２结晶器铜板国产转化研制方案
２．１ Ｈ 铜板用母材
２．１．１ Ｈｚ铜板母材性能分析
通常情况下，结晶器内衬的磨损是其主要失
效形式，因此要求内衬材料需要具备较好的机械
图２结晶器铜板边角磨损
性能，即较高的强度和硬度。但是，薄板坯连铸
Ｆｉｇ．２ Ｗｅａｒｏｎ ｃｏｒｎｅｒｏｆｍｏｕｌｄ ｃｏｐｐｅｒ
机的高速度特点决定了结晶器内衬表面具有较
底部磨损：由于结晶器呈漏斗型，在铸流方
高的温度梯度，同时由于这种温度梯度的影响，
向，随着冷却强度的增加，坯壳不断增厚，坯壳
不仅在内衬的上部、下部之间存在，在同一水平
的硬度也随之增加，对结晶器底部铜板的磨损程
面上，由于铸坯最先在边角处凝固，而中部则坯
度也逐渐增大，直至铜板表面尺寸超差失效。
壳较薄、液芯较多，边部的温度向中部渐次增高，
边角磨损：由于钢水最早在边角部位冷却，
在这种温度梯度的作用下，在内衬上产生了较大
角部坯壳最厚，硬度也最高，而且角部保护渣熔
的热应力，在这种连续热应力作用下，极易使内
化情况不良也易造成润滑下降。所以，在所浇铸
衬金属产生蠕变。因此，要求结晶器内衬材料除
宽度边角部位会产行较大的磨损沟槽。这种沟槽
需具备较好的耐磨性能外，还必须具备较好的导
深度达到一定程度，也将使铜板丧失功能。
热性能和抗蠕变性能，这一点非常重要。
在这两种磨损形式中，底部磨损失效常见。
２．１．２ Ｈ 铜板失效形式分析
２）机械划伤
结晶器在使用过程中，会因为各种原因造成
机械划伤也是连铸机结晶器铜板失效形式
铜板丧失使用功能，即失效。目前在连铸机生产
之一。在浇铸过程中，由于在线调宽等一些操作
中遇到的失效形式主要有以下几种。
使窄边铜板与宽边铜板之间产生相对运动。在相
１）磨损失效
对运动的两个铜板表面间夹杂的异物导致铜板
同普通连铸机结晶器铜板一样，磨损失效也
表面的划伤；另外，人为操作因素也会导致铜板
是Ｈ。铜板失效形式中最常见的一种。其产生原
表面产生划伤、凹坑等表面缺陷，在这些缺陷部
因是结晶器在振动装置的作用下，与铸坯之间产
位，钢水在静压力作用下，很容易压入铜板的凹
生相对运动，造成已凝固钢水的外壳和渣与铜板
坑和沟槽中，造成粘结漏钢，使铜板最终失效，
如图３所示。
黄晓东：本钢ＦＴＳＣ薄板连铸机Ｈ 结晶器铜板国产化研究 ２
图３表面凹坑
Ｆｉｇ．３ Ｓｕｒｆｉｃｉａｌ ｐｉｔｔｉｎｇ
３）扇形变形
在结晶器浇钢过程中，铜板表面上存在着较
大的温度梯度，这种温度梯度在薄板连铸机上尤
其明显，这是由薄板连铸机的的高拉速特性决定
的。而且这种温度梯度不仅存在于铜板上、下表
面，即使在同一水平面上也是存在的，这是由于
铸坯最先在边角处凝固，而中部坯壳较薄、液芯
较多，边部的温度逐渐低于中部的温度。不仅如
此，在铜板前后表面的温度的差异同样也是存在
的。
由于这些温度梯度的作用，在铜板表面上产
生了相应的热应力，在连续浇钢过程中，这种应
力使得金属产生蠕变，从而使铜板产生累积变
形。
在薄板连铸机结晶器中，由于高拉速特性，
铜板温度梯度变化远远高于普通连铸机，受热应
力变形影响尤为严重。另一方面，由于Ｈ２铜板
的漏斗型设计，在抛物线形漏斗的拐点处本身存
在较大的尺寸应力集中，在受到较大的热应力变
形的影响下，此处铜板母体材料极易产生热裂，
而且对铜板表面镀层影响较大，表面镀层易发生
脱落，使铜板失效。
这种失效形式，在薄板连铸机上表现最为突
出，是薄板连铸机结晶器铜板最主要的失效形
式，如图４所示。
图４热应力导致的镀层削落
Ｆｉｇ．４ Ｃｏａｔｉｎｇ ｓｐａｌｌｉｎｇ ｂｙ ｈｅａｔ ｓｔｒｅｓｓ
４）保护渣腐蚀
结晶器铜板的另外一种失效形式是由保护
渣腐蚀产生的。当保护渣融化后，在铜板和铸坯
间形成一个渣膜，这个渣膜主要起润滑作用，但
同时对结晶器铜板表面也具有一定的腐蚀作用，
这种腐蚀主要发生在弯曲面部位，如图５所示。
图５保护渣腐蚀
Ｆｉｇ．５ Ｃｏｒｒｏｄｅ ｂｙ ｃａｓｔｉｎｇ ｐｏｗｄｅｒ
２．１．３ Ｈ 铜板母材的确定
Ｆｒｓｃ区别于普通连铸机，高拉速的特性决
定了薄板坯连铸机结晶器铜板的温度梯度远远
大于普通连铸机，而由于结晶器内坯壳厚度及硬
度比普通连铸机要低，因此，对耐磨性能的要求
要低于普通连铸机。即在上述几种失效形式中，
最主要的失效形式是由于温度梯度引起的热应
力变形（即扇形失效），所以，在选择铜板母体材
料时首要考虑材料的导热性能，并综合考虑材料
的高温强度、抗高温变形能力、硬度和耐磨性能
等。
铜是具有很高导热性的金属，是设计结晶器
内衬板的首选材料，但是，纯铜的硬度是很低的，
因此，通常需要对铜进行合金强化，在尽可能不
影响导热率的前提下通过合金成分添加，提高铜
的硬度、强度、高温强度及抗蠕变性能。
铜的强化合金主要有热处理强化合金和固
溶强化合金，两者的区别在于加入的合金元素不
同，热处理强化合金是向铜中加入一定量的Ｃｒ、
Ｚｒ等元素，而固溶强化合金则是加入Ａｇ或Ｐ元
素。随着世界上连铸技术的持续发展，目前，根
据连铸机生产工艺及工况条件的不同，连铸机结
晶器内衬普遍采用铬锆铜合金（ＣｒＺｒＣｕ）和银铜合
金（ＡｇＣｕ）。那么，在薄板坯连铸机上采用哪种铜
２２ 本钢技术 ２０１０年第１期
合金做为结晶器内衬材料更加合适呢？这就需
铜板内部开通水孑Ｌ，再根据计算，确定每一冷却
要对这两种合金的特性进行详细的分析和比较。 孔的具体空间位置，加工制造工序非常复杂。
热处理强化合金因为加入的合金元素在时
为了保证铜板加工精度，在铜板的制造过程
效硬化处理过程中已沉淀析出，这些沉淀物是以
中，采用数控编程制造工艺，在数控加工中心上
亚结构的弥散的细质点的形式存在，它锁住了晶
完成抛物线曲面的加工制造，同时对已加工完成
格的滑移而使之产生了应变强化，因此，相比固 的通水孔还需要进行超声波成像检测，确保通水
溶强化合金而言，具有更好的强度和硬度。 ＴＬ￣
－
￣Ｊ位置以及加工制造精度Ｏ
铜的合金强化效果取决于添加元素的种类
２．３ Ｈ２钢板表面镀层的改进
和数量，但是，合金元素的添加将对金属的导电
在ＦＦＳＣ用Ｈ２铜板国产化过程中，一个重
率产生影响，而金属的导电率和金属的导热率是 要的课题是对铜板表面镀层的改进，通过采取适
成正比的，因此，随着合金成分的添加，金属的 合实际生产工况条件的镀层，达到提高铜板使用
导电率和导热率同比下降，因此，铜的合金强化
寿命的目的。为此，对薄板连铸机原设计的镀层
后，其导热率受限于所加合金成分。在所知的各
以及其工作原理进行细致的分析，结合世界上最
种合金元素中，银对金属的导热率影响是最小
新表面处理技术，择优劣汰，选取适合薄板坯连
的，因此，采用固溶强化合金方法，在铜中适当 铸机结晶器铜板的表面镀层工艺，并在此基础上
添加银合金所生成的银铜合金（ＡｇＣｕ）相比热处 对镀层工艺进行改进，兼顾性价比的同时，最大
理强化铜合金具有更好的导热性能，但是，硬度 限度的提高铜板的使用寿命。
和强度则稍低。
Ｈ２铜板表面镀层原设计为纯镍镀层，这种镀
通过上述分析可知，银铜合金（ＣｕＡｇ）Ｌｔ铬锆
层的优点是导电率、导热率及附着力较好。但是
铜合金（ＣｒＺｒＣｕ）具有更好的导热性能，可见，银 因Ｎｉ金属的硬度较低，仅ＨＶ２００，耐磨性能较
铜合金（ＣｕＡｇ）更加适合薄板坯连铸机结晶器内 差。因此，其实际使用寿命极低，平均使用寿命
衬材料，相对其硬度和耐磨性能较低的缺点，可
仅为２万ｔ水平。主要问题是在镀层下沿处产生
以通过在金属表面镀层来改进，关于镀层的选 磨损漏铜现象，无法继续使用。为了克服其缺点，
择，后面将会重点介绍。
提高镀层使用寿命，对各种镀层的性能、使用效
２．２ Ｉ－Ｉ 铜板加工制造尺寸的控制
果以及世界上镀层技术的发展进行详细的分析。
Ｈ 铜板这种空间复杂形状的设计，一方面，
在连铸技术初期，结晶器工作面普遍采用裸
在抛物线与折点处极易产生应力集中，在受到交 铜板，不仅寿命短，而且连铸坯易产生星状裂纹，
变的热应力作用下易产生裂纹，使铜板失效，因 直接影响铸坯质量。对结晶器进行表面处理，提
此，抛物线的平稳过渡以及表面加工精度对铜板 高其工作面的性能，有效地解决了以上问题。随
的使用寿命影响极大。另一方面，为了保证铜板
着连铸技术的不断发展，结晶器铜板表面处理技
表面冷却强度的均匀分布，对铜板内部各通水孔
术不断创新，从单镀Ｃｒ及Ｎｉ发展到镀Ｎｉ．Ｃｒ复
的设计及加工精度提出了更高的要求。普通连铸
合镀层，随之又开发了Ｎｉ．Ｆｅ、Ｎｉ．Ｃｏ合金镀层及
机一般采用铜板背面开通水槽方式冷却，结构形 窄边铜板溶射技术，这些结晶器镀层技术现已广
式简单，易于制造。而由于Ｈ 铜板的漏斗型特
泛应用于各类连铸机生产中，在这些镀层中，
殊设计，其冷却水通道的设计不仅需要保证尺寸
Ｎｉ．Ｃｏ合金镀层以其更为优越的性能被认可和使
精度，而且对空间位置度有极高的要求，必须在
用。各种镀层的特性比较见表ｌ。
黄晓东：本钢ＶＦＳＣ薄板连铸机Ｈ 结晶器铜板国产化研究 ２３
表１铜板表面镀层比较
Ｔａｂ．１ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｃｏｐｐｅｒ ｓｕｒｆａｃｅ ｃｏａｔｉｎｇ
Ｎｉ．Ｃｏ镀层在我厂１ ６００板坯连铸机结晶器
３结论
上良好的使用性能已经得到了验证，综合上述分
经过对薄板连铸机Ｈ 结晶器铜板的设计原
析，Ｎｉ—ｃｏ镀层以其优越的性能，在薄板坯连铸 理以及实际使用情况进行认真、细致的分析，选
机结晶器上取代Ｎｉ镀层是必然的结果。 择国内在铜板制造行业领先的企业进行技术合
２．４ Ｈ 铜板国产化的实施效果
作，共同对薄板连铸机Ｈ２结晶器铜板进行国产
在对、Ｈ 铜板充分的分析和论证基础上，我 转化攻关，取得了以下成果：
厂对国内在铜板制造及电镀技术领先的企业进 Ｉ）通过对薄板坯连铸机Ｈ 结晶器铜板成功
行考察后，选择了西峡龙成特种材料制造厂作为
国产转化，使之具有自主知识产权，打破了国外
国产转化合作伙伴，共同对我厂薄板坯连铸机
技术封锁和垄断，铜板价格大幅度降低，由原来
Ｈ 结晶器铜板进行国产转化。
的１５０万元 套降低为９５万元／套，现在炼钢厂薄
按上述国产转化方案，由西峡龙成特种材料
板坯连铸机Ｈ２结晶器铜板已经全部由国产铜板
制造厂负责试制了４套结晶器铜板，经过严格的
替代，不仅节约了备件成本，而且由于采用国内
检验，在炼钢厂３号、４号薄板坯连铸机上试用，
制造，大大缩短了备件进货周期。
其各项性能指标均符合生产实际要求，而且其一
２）在转化中对铜板表面镀层进行改进，从而
次性使用寿命按过钢量计算达到了４万ｔ以上，
大大提高了铜板使用寿命，由原来的２万ｔ过钢
无镀层剥落及漏铜现象，经过对下线铜板刨削检 量提高到现在的４万ｔ水平，有效地保证了薄板
查，其裂纹深度小于ｌｍｍ，符合转化技术要求。 连铸机产能的发挥。
该国产转化成果现已广泛使用于炼钢厂薄板坯
因此说，本钢炼钢厂薄板坯连铸机Ｈ 结晶
连铸机，到目前为止，国产转化的Ｈ２结晶器铜
器铜板国产转化不仅具有重要的经济意义，而且
板已完全替代了进口ＫＭＥ铜板，节约了大量备
具有重要的现实意义。
件资金。
参考文献
【１】徐灏．机械设计手册【Ｍ】．北京：机械工业出版社，
１９９１
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