连铸模具

连铸模具

在连铸过程中，钢水从钢包流出，通过中间包进入结晶器。结晶器被视为连铸工艺的心脏，对工艺效率和铸坯质量起着非常重要的作用。在模具中产生最终的铸件形状和铸坯表面质量。如果模具中的条件不正确，则钢绞线质量以后无法校正。一旦进入模具，钢水就会在水冷铜模具的壁上冻结，形成一个坚固的外壳。模具基本上是一个末端开口的盒子结构，包含一个由高纯度铜合金制成的水冷内衬。盒子可以有多种形状和尺寸，以便铸造不同的半成品，例如大方坯、钢坯、圆梁坯、板坯和薄板坯。

在炼钢过程中，一旦钢水精炼过程完成，钢包中的钢水通常会被送入连铸机。将钢从钢包倒入中间包，然后从中间包倒入水冷铜模具中，从而形成薄的凝固钢壳（图 1）。容器之间的流动由重力驱动。在中间包和结晶器之间，该驱动力与中间包中钢水顶面与结晶器中钢水液面之间的钢水压头成正比。通过计量喷嘴、塞棒或滑动门来控制进入模具的流速。模具中被称为“弯月面”的金属水平对于铸造产品的表面质量非常重要。铸件的表面质量需要模具中所有参数的精确控制和一致的条件。

图1钢坯连续工艺结晶器区示意图

模具的主要功能是生产和稳定一个固体壳，足以抵抗液芯的金属压力，因此在二次喷雾冷却区的入口处包含液相。如果模具系统工作不正常，可能会发生脱模，热的钢水芯会爆裂，将钢水倒在机器上，造成非常危险的情况。

金属流量与板坯连铸速度相匹配，使用中间包中的塞棒、滑动浇口或就在长水口正上方的计量喷嘴来控制输送速度。钢坯通常用固定的计量喷嘴浇铸，铸坯速度可根据钢流量的任何变化进行调整。对于铸造产品的良好表面质量而言，钢水弯月面水平在严格的操作范围内被精确控制是非常重要的，至少在设定点的 +/- 5 毫米以内，通常在 +/- 3 毫米以内。液位的测量可以通过多种方法实现。

由于铸坯和模具壁之间存在相对运动，因此需要某种形式的润滑。在模具和热液相之间插入一层润滑油或润滑助熔剂薄膜，以防止其与模具直接接触，这可能会危及和损坏模具本身。

板坯结晶器中的液态钢通常覆盖一层保护渣（铸粉），以保护钢不被再次氧化并吸收夹杂物。粉末具有低熔点并流过液态钢以提供模具润滑并帮助控制热传递。它还可以防止钢水再次氧化，使自由表面隔热并吸收任何可能漂浮到表面的夹杂物。菜籽油已被合成油取代，通常用于防止在铸坯时粘在模具上。

连铸的发展和使用的增加使模具从单纯的钢水容器转变为实现质量和生产目标所需的主要部件。选择更精密的材料以延长产品寿命并改善其热交换特性，再加上对最佳锥度的研究，已成功地将模具变成了现代技术前沿的对象。它的特点是针对每台连铸机的，因此为了技术改进而不断开发。

在连铸过程中，铜模板控制着钢产品的形状和初始凝固，在这些地方，质量要么产生，要么损失。在紧密的尺寸公差范围内保持可靠、无裂纹的模具对于安全性和生产力也至关重要。与模具维护相关的成本是铸造机运营成本的重要组成部分。因此，了解模具的热力学和力学行为非常重要。

在紧密的尺寸公差范围内保持可靠、无裂纹的模具对于安全性和生产力也至关重要。因此，已经进行了研究以更好地了解模具的复杂热和机械行为。铜板上会出现极端的温度梯度，这会导致模具的几何变形。此外，在高温下长时间运行会产生蠕变。这种产生的蠕变还与热疲劳现象有关，这是由于在铸造序列机械行为的初始和最终过渡期间模具经历的许多室温加热和冷却循环以及预测对薄渣的潜在损害而引起的。模具系统，以便更好地了解机器动力学在模具损坏过程中所起的作用。此外，在铸坯和模具之间可能会出现摩擦现象。凝固钢和模具之间的摩擦基本上是滑动的（有一小部分粘摩擦）。这些损害最终可能带来灾难性的后果。

模具和模具材料要满足的性能要求取决于具体应用和所涉及的应力水平。这些应力水平主要由机器和铸造参数预先确定。这意味着需要许多不同的铸造形状，具体取决于模具的类型和结构。在设计新模具时，要选择正确的型材，以实现高产品质量、最佳铸造速度、平稳铸造操作和长模具使用寿命。

在弯液面位置，在钢水和模具之间最初的非常短的、紧密的接触之后，形成了一个完全确定的外壳。一旦外壳存在，在凝固的钢壳和模具壁之间通常会有一道屏障。这种屏障可以是液态或固态铸造助熔剂、气隙或所有这些的组合。一旦初生壳形成，它开始变厚。但是，最初的厚度很小，而且外壳的温度很高，所以外壳非常柔韧。这意味着模具必须为外壳提供支撑，以保持所需的钢绞线横截面。这种支撑要围绕圆周和模具的长度连续保持足够长的时间，直到外壳相对变得自支撑。

近年来发展起来的近终形铸造工艺对现代模具材料的要求很高。在这里，可以实现非常高的铸造速度，并且要凝固的钢水比例要高得多，以形成足够稳定的铸坯壳。由此产生的极端温度要求模具具有更高的强度水平。同时，可能会出现高交变热应力，例如在铸辊上。必须通过高度发达的材料和系统专业知识来满足对模具的各种要求。

流水式水冷铜模是连铸机的关键元件。应特别注意与模具的设计和材料要求相关的问题。已经使用了许多不同的设计，包括薄壁管型模具、实心模具和由板材制成的模具。已发现板模可提供良好的模具寿命并避免使用实心铜块制作模具的必要性。

为了确保最佳性能，模具应尽可能长时间地保持其原始规格在平均工作温度下，并且最重要的是具有足够的传热能力。热应力主要出现在弯月面区域的热面上，导致模具或多或少地快速和永久变形，从而缩短其寿命。这种现象的严重性与模具内部的温度水平、热面和冷面之间以及弯月面区域和紧接其下方区域之间的温差有关。各种操作条件的适当解决方案取决于正确选择模具材料。

钢和黄铜以及铜已被用于模具，但最出色的材料是几乎纯铜，并添加了少量合金元素，这些元素可促进沉淀硬化或提高再结晶温度，因为这两种效果显然都可以延长模具寿命。流行的模具材料有DHP（脱氧高磷）铜、CuAg、CuCrZr、CuNiBe和CuNiP。模具涂层用于延长使用寿命。

DHP铜材料的特性是众所周知的。 DHP 铜今天仍然是制造钢坯连铸模具最广泛使用的材料，其热流通常适中，模具厚度不会过大。

含银铜材料是通过在铜中添加 0.10% 的银而获得的。这将再结晶温度提高了约 100 摄氏度。由于其特性，这种合金用于制造用于铸造大方坯和板坯的模具，其中弯月面的温度达到并超过 300 摄氏度。如此高的温度是由于相当厚的壁和模具内的高热流。

这种材料在 300 摄氏度下长时间暴露后仍能保持其初始硬度（HB 高于 80），这也使得在达到最小规定厚度之前对已经经受反复磨损的板材进行重新加工成为可能。含银铜还广泛用于在特殊条件下生产钢坯的模具，如弱连铸、高铸造速度、非最佳冷却条件、冷却水温差大等。

为了改善具有高导热性的铜合金在高温下的机械性能，冶金专家已转向结构硬化合金。用于这些铜合金的主要元素，其溶解度一般随温度变化而变化，主要是Be-Cr-Co-Cd-Fe-Mg-Mn-Ni-Nb-P-Si-Sn-Ti-Zr。有几种合金可以在这些元素的饱和溶液中获得，但结果并不总是符合工业要求，例如应对污染问题、成本高和热导率损失过大。因此，可以在实践中使用的合金数量大大减少。由于需要协调高硬度和高导热性，元素的添加百分比进一步受到限制。 CuCrZr（铜-铬-锆）合金满足上述所有要求，还因为其优异的性能使其在高温下长时间暴露后仍能保持硬度。

进一步发展连铸工艺的显着成功大大增加了对模具进行调整的需要，这使得连铸技术能够满足该领域参与者的期望。目前，迎接挑战，传统材料的范围已经扩大，新合金 (CuNiP) 的化学成分可以根据单一应用进行改变，从而个性化每种类型的模具以满足每个用户的特定要求。所讨论的合金允许在高温下正确结合导热性和机械阻力，以尽量减少模具整个周边的温度变化问题。这对于在固化表层以及模具本身中没有过度热应力的固化条件具有明显的优势。这种新合金的可控热导率大大降低了冷却条件的临界状态，这通常与三个变量有关，即 (i) 润滑膜的厚度，(ii) 热流，和 (iii) 固体表皮的收缩.从而消除了过大的热应力和开裂问题。

与热钢水接触的铜模表面经常进行电镀，以提供更硬的工作表面，并避免铸坯表面出现铜屑，从而促进铸件表面裂纹的发展产品。通常使用铬和镍涂层，通常带有镍中间层以提高连贯性。镀铬技术有了长足的进步。现在的沉积物，其厚度适合各种需要，保证在各个层次上都得到完全满意的结果。

目前，金属镀层和陶瓷镀层都可用。陶瓷镀层可以延长模具的使用寿命，但由于成本高且热交换低，因此并未广泛使用。相反，金属镀层是镍基或铬基的。铬虽然脆且耐磨，但在模具电镀中是最常用的金属元素。

通常Ni-Cr特殊涂层用于挤压铜模具管的涂层。该涂层由镍和铬的双层涂层组成。与挤压铜热面接触的部件是镍合金，然后用一层硬铬覆盖。这种方法源于生产四片板模具的经验。因此，在铬和铜之间施加一层镍以实现模具更高使用寿命的基本工艺对于避免在铬涂层中形成裂纹特别有用，尤其是在模具的弯月面区域。事实上，镍合金的热膨胀系数几乎是铬的两倍。因此，镍合金镀层能够更好地承受铸造过程中弯月面区铜的更大膨胀。

到目前为止，单件挤压模具管的内表面镀镍被证明是特别困难的，技术问题集中在镍镀层的规律性和表面质量上。随着 Ni-Cr 涂层工艺的发展，现在可以在模具管热面的角部和平面上实现光滑和一致的镀镍表面。在多家钢厂进行的现场对比试验证实，与传统镀铬层的结晶器管相比，镀镍铬层的结晶器管的平均寿命显着提高。

一个众所周知的操作事实是，挤压单件模具管的停止使用取决于其内部尺寸的磨损情况。如果不加以解决，这些磨损情况会导致最终铸造产品出现凝固问题和/或缺陷。另一个众所周知的操作事实是，模具管的拐角比模具管内的其他区域磨损得更快，这是在拐角处发生的快速凝固的函数。为了解决这个问题，已经开发出一种具有特定几何特征的镀铬方法，其中角部的铬厚度较厚。

这种独特的镀层几何形状提供了一种涂层，可以更好地承受角部磨损，同时保持平面正确凝固所必需的传热性能。对比实验室和现场测试证实，这种新颖独特的涂层几何形状可显着解决边角磨损问题。

铬涂层仍然广泛用于大方坯和梁坯的板模，该技术众所周知。用于板坯铸造的板模一般都镀镍，并且具有不同程度的厚度和不同的配置。有时会涂上一层薄铬层以增加镍涂层的耐用性。

除了有两种不同硬度配置的镍外，最近还尝试了新的镍和钴合金，它们具有更好的耐磨性。选择上述标准解决方案之一完全取决于每个用户采用的特定操作条件，以及模具的维护和再加工要求。通过对比测试，用户可以确定最佳的涂层厚度，以提高可用性和成本效益，从而确保更长的模具寿命。

对于模具的优化，要考虑的参数是 (i) 铸钢的化学成分，(ii) 保护渣，(iii) 铸造速度，(iv) 结晶器锥度，(v) 壁厚，(vi)冷却条件（水质、流量、速度）、(vii) 导流器的调整、(viii) 摆动单元的调整、(ix) 宽度变化等。调音。

已发现最适合连铸模具的长度在 510 毫米至 915 毫米的范围内，无论截面尺寸如何，这个范围似乎都保持不变。图 2 给出了相对于模具长度的铸造速度。这一令人惊讶的结果可以用更小的截面和更高的铸造速率实现的更高的热去除率来解释。此外，由于凝固壳的膨胀不太严重，从模具中离开的较小部分比较大部分可以允许更薄的表皮。在较高的连铸速率下，必须在结晶器中使用增大的锥度以保持较高的热去除率，特别是对于板坯结晶器的窄面。

图2模具长度和浇注速度

存在三种通常适用于连铸结晶器布置的替代方案。这些是 (i) 用于板坯和大钢坯的板模（图 3），（ii）用于钢坯、小钢坯和圆钢的管模（图 4），以及 (iii) 用于复杂加工的带有钻孔冷却通道的块模形状像梁坯。对于紧密带钢生产中的薄板坯连铸，使用漏斗形结晶器（图 4）。板状和管状模具是流行的模具类型，而块状和漏斗状模具由于使用的铜量和模具生产所需的机械加工程度而价格昂贵。

板模的生产涉及板坯的铸造，随后进行热轧（或锻造），然后进行冷轧。然后对整个板进行超声波检查。只有 100% 通过测试的板材才会使用高精度 CNC 机床进行加工，以达到技术规范中规定的最严格公差。当板模设计用于此类配置时，此阶段还包括钢螺柱的焊接。最后根据需要进行电镀耐磨涂层，然后对板模进行最终检验。

在板模中，模板由铜制成，厚度通常为 30 毫米至 60 毫米。这些安装在水套上。然后将这些板组件夹在一起以形成限定要铸造产品的横截面的模具的必要面。冷却是通过铜板后面的槽中的水冷来实现的。铜板的紧固一般采用螺栓固定在铜板上。

模具通常使用闭路水冷系统。冷却水循环流过铜板冷表面上机加工槽中的模板。水通过模具框架到达模具底部的分配室，然后通过冷却槽到达模具顶部并进入收集室，然后通过模具框架返回水处理厂。冷却槽可位于铜管内，也可位于背衬水套内。

当壳的初始凝固发生在弯月面时，钢经历从液态到固态的相变以及相关的体积收缩。因此，在弯液面初始凝固之后，钢绞线的横截面会收缩。为了跟随凝固材料的收缩并支撑新形成的线，模板具有锥形线截面和宽度。锥度最初遵循简单的线性轮廓。今天，具有多个或抛物线轮廓的更复杂的锥度正在被应用，它更紧密地跟随产品收缩。板坯窄面的典型值为每米 0.9 % 至 1.2 %，板坯宽面值为每米 0.35 % 至 0.45 %。

图2连铸板坯结晶器

管状模具的生产始于铸造具有圆形横截面的棒材。这些随后被热挤压或锻造。然后将挤压管冷拉成型，以达到技术规范要求的几何和机械特征，当然也包括锥度。对于生产周期中迄今为止最关键的最后一步，将使用装备精良、功能强大且装备最好的印刷机。成型是使用特殊的钢设备完成的，该设备针对每个模具并使用 CNC 机器生产。最后管模经过机加工，内部镀铬，然后进行检测和测量。

对于管状模具，模具铜的周边没有不连续性，模具由铜管形成。因此无需将各个板夹在一起。水套围绕整个管圆周布置。有必要在水套内将模具管居中。对于小钢坯，管子的厚度通常为 10 毫米至 12 毫米，而对于大截面圆铸件，管子的厚度可达 30 毫米或 40 毫米。

在管状模具中，冷却是通过围绕管子整个圆周的水环来实现的。环形空间的厚度必须均匀，以实现水在整个圆周上的均匀流动，从而实现均匀的热传递。通常，水从模具底部流向顶部的方式与板模大致相同。由于管模使用比板模更薄的铜，因此必须在更高的水速下操作以抑制核沸腾。典型的速度可以在 11 m/sec 到 13 m/sec 的范围内。

在管模中，管子冷却面也采用锥度，以补偿新定义的壳/股横截面的收缩。在钢坯连铸的情况下，连铸速度相当高（高达 6 m/min），并且收缩更明显。抛物线锥度已被有益地应用，以便为壳/股横截面提供良好的支撑。

从历史上看，当没有应用复杂的锥度时，再加上更高的铸造速度，钢坯的非常薄的外壳会收缩并在模具的拐角区域拉开。然后，这导致传热减少和拐角处壳的生长延缓，这反过来又产生了潜在的破裂条件或质量问题的危险，例如靠近拐角处开裂。较新的复杂横截面旨在减少外壳在拐角处拉开的影响，从而使外壳生长更加均匀。对于管状模具，寿命限制因素通常是由于接近弯月面的变形而导致的锥度损失。

图 4 管漏斗模具

在薄板坯连铸中，体现的最具创新性的技术是液芯减薄概念 (LCR)。漏斗形模具是这一概念的第一个具体化。可能是橄榄球运动员想象出来的，其形状旨在容纳浸入式喷嘴，这是铸造干净的铝镇静碳钢的强制性技术。

摆动模具几乎已被普遍采用，尽管固定模具可以成功地与高效润滑系统一起使用。振荡通常是正弦的，这种运动可以通过简单的机械装置轻松实现。相当短的冲程和高频率用于在每次振荡期间提供短周期的“负带”，其中模具运动的平均向下速度大于铸坯在浇铸方向上的撤回速度。振荡频率正从每分钟 50 个周期 (cpm) 提高到 60 cpm，最高可达 250 cpm 到 300 cpm，这样做的好处是更浅的振荡痕迹、更少的开裂和更少的调节要求。