多級結晶器

在連鑄設備中，結晶器是連鑄機的關鍵部件，鋼液通過結晶器壁散熱冷卻，形成一定厚度的坯殼。目前高效連鑄結晶器一次冷卻普遍採用水縫管式結構，水縫作為結晶器冷卻水通道，結晶器冷卻水以9-12m/s 的速度自下而上從水縫中流過，使結晶器具有良好的冷卻效果。

為實現高拉速，要求結晶器具有足夠的冷卻強度，主要通過採用高效結晶器銅管和高精度水縫技術實現。高效結晶器銅管內腔幾何形狀採用連續錐度或多錐度，以適應鑄坯的凝固收縮規律，減小坯殼與結晶器銅壁之間的氣隙熱阻，尤其是減小角部氣隙熱阻，增加傳熱效率；水縫採用高精度窄水縫設計，其寬度一般取3.5-4mm，窄水縫能提高冷卻水的流速，水縫高精度可改善水流的均勻性，保證結晶器冷卻強度。結晶器一次冷卻保證鑄坯出結晶器時，形成厚度均勻而強度足夠的坯殼，以能抵抗鋼液靜壓力和拉坯力，避免漏鋼事故 ^[1]  。

初出結晶器下口的鑄坯沒有完全凝固，只形成一個厚度較薄的(10-20mm)坯殼，中心還是高温液體，需要在結晶器下方設計支撐結構和零段噴淋以支撐和冷卻鑄坯。目前高效連鑄小方坯結晶器下方普遍採用足輥結構支撐鑄坯，並配合適量的噴水以進一步增加坯殼厚度。

足輥裝置是在結晶器出口下方四周安裝足輥，其安裝位置與結晶器銅管對弧，以防對鑄坯形成橫向應力，對高拉速鑄坯初出銅管的薄弱坯殼起支承作用，減少鑄坯變形或漏鋼，足輥對拉坯阻力影響較小，足輥調節不當、足輥間隙過大或足輥發生變形均會誘發鑄坯菱變。足輥區的噴水冷卻屬於零段二次冷卻系統，是對初出結晶器銅管薄而高温坯殼的強制冷卻，一般設計都是噴在鑄坯平面上。足輥裝置和零段噴淋對薄坯殼的輔助支撐和均勻冷卻，可增厚坯殼，控制菱變，保證連鑄坯質量。

在高速連鑄過程中，小方坯發生漏鋼事故，冷鋼粘結在足輥上導致停澆或劃傷鑄坯，清理足輥上的冷鋼工作比較困難，對損壞的足輥及噴嘴需要更換。

連鑄小方坯斷面小，在高拉速條件下，由於結晶器冷卻不均勻及結晶器銅管內氣隙熱阻的影響，使初出結晶器的坯殼薄且不均，容易產生漏鋼，而且漏鋼率比較高。連鑄生產實踐表明：大多數漏鋼為角裂漏鋼，發生在鑄坯出結晶器下口一段距離後的角部，由鑄坯縱向角裂引起。在連鑄機拉速過快條件下，結晶器冷卻不均、銅管倒錐度不合適等均能使鑄坯在結晶器銅管內發生輕微的菱變，並伴有角部內裂，菱變鑄坯受到零段噴淋的非對稱冷卻，特別是鑄坯角部的冷卻強度不足，促使角部裂紋進一步發展，當裂紋延展至坯面時便出現漏鋼，拉漏直接影響鑄機產量和連澆率 ^[2]  。

多級結晶器由Concast 提出，是為提高鑄坯拉速而產生的。多級結晶器是在結晶器出口下方鑄坯表面設置4塊帶有彈簧壓緊裝置的銅板，以加強對初離結晶器坯殼的支撐和冷卻，並通過設置在鑄坯角部的噴淋加強對坯角的冷卻。多級結晶器銅板靠彈簧支撐緊貼在鑄坯表面，確保冷卻均勻，拉坯阻力稍大些，但支撐、冷卻效果較好，主要應用在小方坯連鑄機管式結晶器上。

多級結晶器能有效保護結晶器下方的薄坯殼，減少漏鋼危險，保證連鑄坯最佳冷卻。與足輥結構相比，在對薄弱坯殼的支撐和對初離結晶器鑄坯冷卻的均勻性方面，都更具有優越性，更有利於坯殼均勻生長 ^[3]  。

首鋼二鍊鋼2號連鑄機生產鋼種有普碳鋼、低碳鋼、低合金鋼等。130mm×130mm小方坯結晶器下方原為足輥結構，零段噴水冷卻是在結晶器下方設計兩排噴淋，每排在鑄坯的四周分佈八個全錐形水噴嘴，對鑄坯面部噴水，由於冷卻強度不足及冷卻均勻性較差，隨着拉坯速度的提高，初出結晶器下口的鑄坯坯殼厚度越來越薄，漏鋼率較高，主要是角裂漏鋼，漏鋼後修復工作量較大。

為了避免鑄坯菱變或出現漏鋼事故，採用多級結晶器結構，它由緊接在結晶器下方剛性連接的長約320 mm的多級結晶器及鑄坯4個角部的噴水冷卻裝置組成。

（1）多級結晶器結構。多級結晶器通過法蘭將分別裝配有銅板的4個支架與結晶器殼體下部聯接，支架上的每塊銅板佈置在結晶器下方鑄坯面部。在澆注過程中，每塊銅板通過支架支撐板上的2個壓縮彈簧產生的壓力緩緩地壓緊鑄坯表面，銅板與鑄坯接觸面積大，支撐效果好，同時銅板受彈簧壓緊作用能夠消除氣隙，使銅板與鑄坯表面接觸良好，改善熱流傳輸效果，增加冷卻強度。

（2）零段噴淋冷卻結構。連鑄小方坯在高速澆鑄條件下，鑄坯角部受結晶器相鄰兩側的雙向冷卻，使其在結晶器銅管內先收縮，由於冷卻效率低，鑄坯出結晶器銅管后角部坯殼薄，應在鑄坯角部增加二次冷卻強度，對改善鑄坯變形有利。因此零段噴淋設計在鑄坯的角部噴水，並加大二次冷卻強度，設計5排噴淋，每排在角部分佈4個全錐形水噴嘴。由於鑄坯角部是敞開的，對其大量噴水冷卻，使鑄坯角部冷卻充分，利於鑄坯角部坯殼厚度的迅速增長，同時使銅板表面受到較好的噴水冷卻，可以減少小方坯的菱變和角部裂紋，避免角裂漏鋼。零段噴淋冷卻水量根據斷面、鋼種和拉速確定。

首鋼二鍊鋼130mm×130mm小方坯連鑄機結晶器下方由原足輥結構改進設計為多級結晶器，連鑄生產實踐表明：多級結晶器比足輥結構可提高連鑄機拉坯速度20%，同時鑄坯菱變和角裂缺陷明顯減少，降低拉漏率，增加鑄機作業率 ^[2]  。