高碳钢连铸过程中冶金缺陷控制与结晶器冷却系统优化研究

一、引言

高碳钢（含碳量 0.60%1.70% ）广泛用于钢丝绳、弹簧等关键零部件制造，其连铸生产挑战严峻。高碳使钢水凝固区间宽、柱状晶发达，铸坯易产生中心裂纹与缩孔；碳与合金元素作用易形成夹杂物，降低钢材纯净度。结晶器是钢水初次凝固关键设备，其冷却效果影响凝固壳均匀性与表面质量。当前传统结晶器冷却系统存在冷却不均等问题，加剧高碳钢连铸缺陷。因此，研究冶金缺陷控制与结晶器冷却系统优化技术对高碳钢连铸工艺升级和产品质量保障意义重大。

二、高碳钢连铸常见冶金缺陷及形成机理

（一）表面与皮下缺陷

表面裂纹：高碳钢凝固体积收缩率 3%-5% ，结晶器冷却不均致凝固壳厚度差异大，在拉坯力与热应力作用下易产生纵裂或横裂，如窄面冷却不足易形成角部纵裂。

皮下气泡：钢水中溶解气体在结晶器内凝固时溶解度下降，未及时逸出会在铸坯皮下形成气泡，后续轧制易成表面麻点。

（二）内部缺陷

中心缩孔与疏松：高碳钢“ 糊状凝固” ，柱状晶搭桥阻碍中心钢水补缩，形成缩孔与疏松，降低钢材致密度。

中心裂纹：铸坯出结晶器后，中心未凝固钢水冷却收缩受已凝固壳约束产生拉应力，超钢高温强度时形成中心裂纹。

（三）夹杂物缺陷

钢水冶炼过程中产生的内生夹杂物（如 Al₂O₃ 、 SiO₂ ）及外来夹杂物（如耐火材料剥落物），若在结晶器内未上浮去除，会被凝固壳捕获，形成铸坯内夹杂物，影响钢材疲劳性能与韧性。某高碳钢轴承钢连铸生产中，因夹杂物超标导致轴承早期失效的比例达 8% 。

三、结晶器冷却系统优化策略

（一）冷却水流场与通道结构优化

将传统矩形冷却水道改为 “ 变截面弧形水道” ，靠近结晶器铜板工作面侧水道宽度缩小（ 8-10mm ）、流速提高（ 3.5-4.0m/s ），增强近表面冷却强度；远离工作面侧水道宽度增大（ 12-15mm ），降低水流阻力。同时，在铜板角部设置独立冷却回路，提高角部冷却效率，减少角部裂纹。

在冷却水道入口处安装螺旋式扰流片，使冷却水从层流变为湍流，湍流强度从 0.2 提升至 0.45，增强冷却水与铜板的换热系数，换热效率提高15%-20% ，避免局部过热导致的凝固壳不均。

（二）结晶器铜板材质与结构改进

采用 “ 紫铜基体 +Cr-Zr-Cu 合金层 + 纳米陶瓷涂层” 的复合铜板，紫铜保证高导热性（导热系数 ≥380W/(m⋅K) ）， Cr-Zr-Cu 合金层提高铜板强度与耐磨性，纳米陶瓷涂层降低铸坯与铜板的摩擦系数（从 0.35 降至 0.15），减少铜板磨损与铸坯粘连。

根据高碳钢凝固收缩特性，将结晶器铜板设计为 “ 多段式动态锥度” ，上段（钢水液面下 0-300mm ）采用 0.8%1.0% 的大锥度，适应凝固壳快速收缩；下段（ 300-800mm ）采用 0.4%-0.6% 的小锥度，避免过度挤压导致的裂纹，锥度调节精度控制在 ± 0.05%. 。

（三）冷却参数动态调控系统构建

基于铸坯表面温度反馈（通过红外测温仪实时监测，精度 ± 2°C ），采用 PLC 控制比例调节阀，实现冷却水量的动态调节。当检测到铸坯某区域温度超过 1100^∘C 时，自动增大该区域冷却水量，温差控制在 ±15°C 以内。

建立 “ 过滤 - 软化 - 除氧” 三级水质处理系统，采用 5μm 精密过滤器去除杂质，离子交换树脂降低硬度（ Θ_{:≤ 5mg/L} ），真空除氧装置将溶解氧含量控制在 0.1mg/L 以下，减少水道结垢与铜板腐蚀，保证换热稳定性。

四、高碳钢连铸冶金缺陷全流程控制措施

（一）钢水冶炼预处理控制

精炼脱硫与夹杂物去除：采用 LF 精炼炉进行深脱硫处理，使钢中硫含量 ≤0.010% ；通过 RH 真空脱气装置将钢水真空度控制在 ≤100Pa ，脱气时间 ≥20min ，减少钢中气体含量；使用钙线处理技术，将 Al₂O₃ 夹杂物改性为低熔点钙铝酸盐，促进其上浮去除。

钢水温度精准控制：连铸过程中钢水过热度控制在 20–30^∘C ，通过中间包温度补偿装置（如感应加热），使各流钢水温度偏差 ≤5^∘C ，避免过热度超标导致的柱状晶过度生长。

（二）连铸工艺参数优化

拉速与冷却强度匹配：根据高碳钢牌号调整拉速，如 82B 高碳钢拉速控制在 1.0-1.2m/min ，同时匹配相应冷却强度（水量 180-200m³/h ），避免拉速过快导致凝固壳过薄或冷却过强产生裂纹。

二次冷却优化：采用 “ 气雾冷却 + 分区控制” 模式，结晶器出口至扇形段 1 区采用强冷却（冷却强度 0.8-1.0L/kg ），加速凝固壳生长；2-3 区采用弱冷却（ 0.4-0.6L/kg ），减少热应力；4-5 区采用均匀冷却，控制铸坯温度梯度 ≤50^∘C/m

（三）铸坯后处理与质量检测

铸坯缓冷处理：将浇铸后的铸坯送入缓冷坑进行 72 小时以上缓冷，缓冷温度从 600^∘C 缓慢降至 200^∘C 以下，减少内应力，降低裂纹产生风险。

全维度质量检测：采用超声波探伤检测铸坯内部缺陷，涡流检测表面缺陷，对每块铸坯进行成分分析与力学性能抽检，不合格铸坯及时剔除，确保产品质量。

五、工业试验效果分析

某钢铁企业针对 82B 高碳钢连铸生产线实施上述优化方案：

结晶器改造：采用变截面弧形冷却水道与复合镀层铜板，搭建智能流量控制系统；

工艺优化：将钢水过热度控制在 25±5^∘C ，拉速稳定在 1.1m/min ，优化二次冷却制度；

检测管控：加强精炼脱硫与铸坯超声波探伤。

试验结果表明：铸坯表面纵裂率从改造前的 3.2% 降至 0.5% ，中心缩孔与疏松合格率从 85% 提升至 99% ，夹杂物等级从 1.5 级降至 0.5 级以下；结晶器铜板使用寿命从 300 炉次延长至 500 炉次，吨钢生产成本降低 12 元，年经济效益超 800 万元。

六、结论与展望

结晶器冷却系统优化是控制高碳钢连铸冶金缺陷的关键突破口，通过冷却水道结构改进、铜板材质升级与参数动态调控，可有效改善铸坯凝固质量。结合钢水冶炼预处理、连铸工艺优化与铸坯后处理的全流程控制，能实现高碳钢连铸缺陷的系统治理。

参考文献

[1]胡淏,王先扬,吴晨辉,等. 高碳钢中包渣连铸过程理化性能的劣化演变研究[J].钢铁钒钛,2024,45(01):115-121.

[2]王子超,曾杰,窦坤,等. 薄板坯中高碳钢保护渣综合理化性能的分析[J].连铸,2023,(03):27-32.DOI:10.13228/j.boyuan.issn1005-4006.20220121.

[3] 王万林, 颜雄, 周乐君, 等. 高碳钢连铸保护渣的性能[J]. 连铸,2021,(06):48-53.DOI:10.13228/j.boyuan.issn1005-4006.20210114.