结晶器铜板制造工艺对使用寿命的影响

结晶器铜板制造工艺对使用寿命的影响发表日期：2006-12-22阅读次数：145近年来，我国钢铁行业取得快速发展，连铸设备的普及程度大幅提高。连铸设备和连铸技术也取得重大进步，连铸设备朝着大型化和高拉速的方向发展。随着市场对钢材品种、质量要求的提高，对结晶器铜板的要求也越来越高。结晶器是连铸机的心脏。生产中，高温钢水通过结晶器冷却成型，铜板既要承受高温钢水的热负荷、热蚀，又要承受钢坯运动而产生的磨损和应力作用。极易发生磨损、热蚀、热裂、变形，损坏很快。因此，要求结晶器材质具有：a)良好的导热性，铜板工作中承受很高的热流负荷，随着拉速的提高热流负荷也越大。铜板材质必须具有良好的导热性，将高温钢液转变为固体时的热量快速导出。b)较高的室温和高温抗拉强度、屈服强度。使铜板在承受高温工作条件下产生的热应力和拉坯产生的摩擦力时不易变型；c)较高的软化温度；铜板长期在高温工作条件下保持原始强度、硬度。d)良好的耐磨、耐蚀性；减少铜板的磨损，提高使用寿命。Cr-Zr-Cu合金具有优良机械性能、物理性能和使用寿命，是制作结晶器铜板的良好材料之一。在国内已得到广泛使用。制造工艺1工艺流程Cr-Zr-Cu合金结晶器铜板制造工序多、工期长。铜板制造工艺流程：原材料→真空熔炼→真空铸锭→检验分析成分→锻造→固溶处理→时效处理→粗加工→机械性能检测→超声波探伤→成品检验→板坯毛坯→镀前成型加工→尺寸检查→电镀处理→镀层加工→超声波探伤检查→成品检查→包装出厂2材质成分性能板坯结晶器材质主要使用Cr-Zr-Cu合金和Cu-Ag合金，化学成分和机械性能见表1/表2。国内主要使用的是“连铸结晶器铜板技术规范－YB/T4119-2004”中的Cr-Zr-Cu－Ⅰ型和Cu-Ag－Ⅱ型合金。表1化学成分牌号标准名称化学元素（质量分数），Wt％CuCrZrAg含氧量杂质总和CuCrZr板坯标准≥98.0.5～1.50.08～0.28－≤0.002≤0.4圆坯铜管≥98.0.4～1.20.05～0.25－≤0.003≤0.5德国KME≥98.50.650.1－－－日本CCMB≥98.0.5～1.50.08～0.30－≤0.002≤0.5日本CCMA≥98.0.5～1.50.08～0.30－≤0.002≤0.5CuAg板坯标准其余－－0.08~0.12－－≤0.05圆坯铜管标准≥99．5－－0.06～0.12≤0.05≤0.3德国KME公司其余－－0.09－日本－－0.07~0.12表2机械性能牌号标准名称项目抗拉强度MPa屈服强度MPa延伸率%硬度HB电导率%IACSCuCrZr板坯标准I≥400≥280≥15≥110≥80板坯标准Ⅱ≥345≥235≥25≥100≥80圆坯铜管标准≥400≥280≥15≥110≥80德国KME≥415≥300≥19≥125≥83日本CCMB≥345≥235≥25≥100≥80日本CCMA≥400≥280≥15≥110≥80CuAg板坯标准I≥280≥265≥17≥90≥95板坯标准Ⅱ≥250≥200≥12≥85≥95圆坯铜管标准≥250≥200≥12≥80≥95德国KME≥280≥265≥1490～105≥95日本≥250≥200≥10≥80≥98影响铜板使用寿命的工艺因素1合金化学成分选择Cr在Cu中的最大固溶度为0.65%，Zr在Cu中966℃时的最大固溶度为0.15%。两元素在Cu中的固溶度随温度下降而急剧减少。铜中加入的Cr和Zr，经高温淬火形成亚稳态过饱和固溶体，再通过时效处理，使过饱和固溶体发生分解，析出弥散分布的第二相，均匀分布于基体上，均布的质点对位错移动产生很大阻力，而使合金强化。随着Cr、Zr含量的增加强化效果有所加强。但Cr和Zr及杂质均不同程度的降低导热性和导电性，固溶于铜中的元素，在固溶处理时使固溶体晶格产生畸变，增大电子波的散射，使铜的导电性和导热性降低较多。因此，在满足Cr-Zr-Cu合金的性能要求前提下，尽量减少元素的加入量，从而达到合金强化又使其导电性降低较少的目的。根据多年的试验、统计，Cr含量控制在0.7～1.0％，Zr含量控制在0.15～0.2％。既能保证Cr-Zr-Cu合金具有优良的机械性能，又能使合金具有良好的导电率。2夹渣夹渣是铜板中常见现象，由以下几方面的原因造成的：a．由金属原材料中带入的；b．熔炼中由炉衬材料及使用工具卷入的；c．Cr、Zr被氧化，形成氧化夹渣，凝固后存在于基体中。由于Cr和Zr在高温状态下很容易被氧化，生成Cr、Zr的氧化物，形成氧化夹渣。因此，为防止Cr、Zr被氧化烧损，减少氧化夹渣的产生，必须在真空炉中熔炼、铸锭。熔炼中应采取保护措施，避免由金属原材料、炉衬等带入夹渣。同时应采取必要的精炼措施减少铜液中的夹渣。基体中存在的夹渣导致铜板中杂质含量增加，使合金的机械性能和导电率下降。铜板基体中完全避免夹渣是极为困难的。“YB/T4119-2004连铸结晶器铜板技术规范”标准中规定用超声波探伤对夹渣进行检验、评定。标准中允许有直径极小的、单个缺陷存在，直径极小的单个缺陷对铜板性能影响不大。不允许有连续的夹渣缺陷，连续的夹渣缺陷不但导致机械性能和导电率的下降，而且使镀层局部的结合强度降低，使用时造成镀层脱落。3导电率由于导电率检测方便快速，实际测量中往往用导电率指标来评定金属材料的导热率。制造工艺对导电率的影响因素较多，化学成分、熔炼工艺、热处理工艺等。随着拉坯速度的提高，热流强度也相应增加，因此要求铜板能快速传导大量的热量。使铜板表面保持低于350℃的工作温度。导热率低，则快速传导热量的能力下降，铜板表面温度上升，易产生烈纹，铜板使用寿命下降。表2中我国板坯标准和日本标准的导电率为80%IACS，国内铜板执行的也是这一标准。德国KME标准导电率为83%，高于其它标准。提高导热、导电的能力对提高铸坯质量、铜板使用寿命具有一定的积极作用。随着铸机拉速的不断增加，当尤其是拉速大于1.6米/分时，Cr-Zr-Cu铜板的导电率最好达到83%以上。4金相组织铜合金凝固时通过液体金属中形核和晶核长大过程而完成的，结晶后得到固体金属的显微组织，通过热处理改变显微组织。固溶处理应使Cr、Zr等充分固溶，得到最大限度的过饱和固溶体。时效处理促使合金中固溶的溶质沉淀析出，阻止位错移动，使合金得到强化。合金经淬火、时效后的显微组织为：在等轴α铜晶粒基体上分布大小不均的Cr与Zr的强化相。晶粒直径的大小是由铸锭的金相组织以及锻造、热处理等工艺因素决定的。晶粒直径越大，使合金的强度、导电率降低。铜板经长期返复的热负荷，易延晶界发生开裂，形成裂纹。因此，铜板制造中应采取必要的措施控制晶粒直径。晶粒度平均直径为0.04~0.06mm时，热裂纹倾向较轻。国产铜板的晶粒度稍大于进口铜板的晶粒度，国产铜板的裂纹倾向大于进口铜板。国产铜板在此方面应继续改进与提高。5镀层厚度的影响结晶器铜板目前有两种电镀工艺，既：电镀Ni+Cr和Ni-Co合金。两种电镀工艺均能增加铜板表面硬度，提高镀层的耐磨能力。而Ni-Fe合金镀层由于价格较低被广泛采用。结晶器铜板工作中，上部与高温钢水接触，需要将钢水的大量热量迅速导出，要求结晶器铜板上部应具有优良的导热能力。而Ni-Fe镀层的导热系数只有Cr-Zr-Cu合金导热系数的四分之一。根据导热热阻公式：R＝δ/λ（Kcal/.Sec.℃）式中：δ－传热层壁厚(cm)λ－导热系数（Kcal/cm.Sec.℃）计算显示，镀层厚度为0.2mm,铜板的导热热阻约增加了4%，镀层厚度为0.5mm时，铜板的导热热阻约增加了9.6%。铜板下部，钢水冷却成坯壳，并与铜板相对运动而产生摩擦，使铜板表面极易磨损。因此，提高结晶器铜板下部的耐磨性能极为重要，是直接影响铜板使用寿命的主要原因。Ni-Fe镀层的硬度约Hv300～450，是Cr-Zr-Cu合金硬度的3～4倍.铜板镀层厚度的增加可使耐磨性提高。铜板下部镀层厚度应控制在1.2～1.5mm。铜板镀层厚度的增加使导热能力下降，铜板表面工作温度上升，易使镀层产生热裂纹。而镀层的裂纹逐渐扩展到铜板上，使铜板产生裂纹，随着铜板的继续使用裂纹的扩展速度加快，裂纹越来越深，使得铜板修复时刨修量加大，铜板的修复次数减少，影响到铜板的使用寿命。合理、经济的使用制度在铜板在裂纹深度小于1mm下线修复，把刨修量控制在1～2mm以内，这样每块铜板可修复6～8次。因此，制定科学合理的下线修复制度对提高铜板使用寿命是十分必要的。自95年国内Cr-Zr-Cu合金结晶器铜板开发成功以来，由于价格较低，已取代进口结晶器铜板，在国内已全面推广使用。结晶器铜板质量要求严格，制造工序多、工艺复杂，影响使用寿命的因素较多，既有铜板质量、设计结构的问题，也有使用、操作中的问题，因此，需要设计、制造厂和用户共同协作，在提高铜板质量的稳定性、合理的使用制度等方面共同努力把结晶器铜板的使用寿命提高到更新水平。