热解析在结晶器铜板上的应用

    为了提高结晶器的性能和使用寿命，目前世界上最先进的技术就是通过热解析来确定结晶器的结构、冷却结构、锥度以及铜板镀层结构。

    宝钢机械厂是国内少数几家掌握结晶器铜板热解析技术的单位，热解析对结晶器铜板的设计与应用具有相当的指导意义。目前，已运用该技术完成宝钢、柳钢和马钢等钢厂铜板冷却结构的优化。 

    1 具体热解析过程

    对结晶器的热解析过程主要有四个解析过程，包括传热解析、热流体解析、构造解析和电磁场解析，如图1所示。通过向用户了解现场数据，包括铸坯尺寸、形状，铜板涂层材质，拉速或最高拉速，长短边冷却水量，冷却水温（入水温度、出水温度或者入水、出水的温度差），弯月处标高（钢液面），结晶器温度测定数据等，就可以通过仿真模型，解析出现场结晶器铜板表面的温度分布，如图2所示，根据该结果就可以评价现实镀层结构、冷却结构等是否合理。

   
    图1 结晶器热解析概要图

   
    图2 铜板温度场

    2 热解析应用实例
  
   
    图3  改水槽铜板周期下线后表面状况

    2005年，宝钢1450连铸铜板连续出现镀层发生裂纹甚至剥落现象。对产生问题的铜板进行了电镀生产过程记录查询，结果表明，其电镀生产过程均未发现异常。

    对产生镀层缺陷的铜板进行了比较分析，发现具有以下共同特征：缺陷位置位于距离铜板上口顶端60~120mm，靠近窄面铜板附近；缺陷形态为纵向微裂纹、 局部剥落，如图3所示。

    宝钢机械厂利用铜板热解析方法对剥落区域进行了热分析，如图4所示。结果发现，正常钢液面在离铜板顶端100mm位置时，钢液面位置的铜板表面温度最高为329℃；而钢液面在离铜板顶端60mm位置时，钢液面位置的铜板表面温度最高为364℃，温度过高。容易出现热变形导致的裂纹和剥落。

   
    图4 铜板表面温度分布曲线

    针对以上热解析结果，宝钢机械厂为宝钢炼钢厂提出了两种便于操作的解决措施，并提供了相应的热解析分析结果以作为解决措施提出的依据。

    （1） 降低钢液面位置到离铜板顶端100mm的位置，避开冷却水槽的圆弧段，使冷却充分（如图4所分析）。

    （2） 钢液面位置不变，将水槽端部的圆弧改小至R80，以提高冷却水槽的有效长度。经热解析分析，钢液面位置的铜板表面温度降低约34℃（如图5所示）。

   
    图5 铜板表面温度分布曲线

    宝钢炼钢厂根据生产实际情况，最终采纳了第二种铜板水槽修改的措施，将铜板水槽由原R130修改为R80。2005年10月，两块改水槽铜板上线试用，在连续浇钢653炉（约合过钢量8万多吨）后，于2005年11月周期下线检修。在连铸设备修造厂下线解体后，拍摄的铜板表面情况照片如图6所示，可以看出与以前的铜板对比，使用后的铜板表面镀层情况很好，未发现裂纹，效果非常理想，铜板具备继续使用的表面质量。到目前为止，经过该水槽的结晶器铜板最高达到1100炉，平均炉数为800多炉，而原先的平均浇钢路数为400多炉，大大提高了使用寿命。

   
    图6  改水槽铜板周期下线后表面状况

    结论

    应用热解析技术很好地解决了宝钢二炼钢结晶器表面出现热裂纹这一技术难题，不仅如此，在设计新的连铸机结晶器过程中，利用热解析技术可以设计出可靠的结晶器结构、冷却结构、锥度以及镀层形式等等，也可以用热解析技术来评价结晶器设计图纸的可靠性，宝钢机械厂就是利用该技术成功发现了柳钢二号机和马钢四号机结晶器铜板镀层及冷却结构的不合理，并对其进行了修改。

    在今后发展过程中，热解析技术在连铸结晶器领域将发挥越来越重要的作用。