結(jié)晶器是連鑄機(jī)上的鑄坯成型裝置，也是連鑄機(jī)的核心之一。在鋼液中注入結(jié)晶器逐漸形成一定厚度的坯殼的凝固過(guò)程中，結(jié)晶器同時(shí)愛(ài)機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力的綜合作用，其運(yùn)作狀況直接關(guān)系到連鑄機(jī)的順行、鑄坯的質(zhì)量和產(chǎn)量。目前世界上常規(guī)大板坯、大方坯和小方坯連鑄機(jī)結(jié)晶器技術(shù)已基本成熟。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2009年底， 世界上共建設(shè)薄板坯連鑄連軋機(jī)生產(chǎn)線65條，合計(jì)101流，年生產(chǎn)能力達(dá)11008萬(wàn)噸。其中CSP生產(chǎn)工藝占世界薄板坯連鑄連軋總產(chǎn)能的50%以下，FTSC工藝占總產(chǎn)能的18.35%.

1 漏斗形結(jié)晶器的主要特點(diǎn)

西馬克公司ISP工藝的第一代立彎式結(jié)晶器，上部是垂直段，下部是弧形段側(cè)板可調(diào)，上口斷面是矩形，尺寸為（60~80）mm×（650~1330）mm。意大利阿維迪鋼鐵公司采用該結(jié)晶器后，發(fā)現(xiàn)這種形狀的結(jié)晶器只能使用薄片形浸入式水口，而且即使這種特殊形狀的長(zhǎng)水口很薄，插入結(jié)晶器內(nèi)與結(jié)晶壁也只能保持10mm~15mm的間隙，造成水口插入處寬面?zhèn)缺Ｗo(hù)渣熔化不好，且很難獲得能恒定控制的保護(hù)渣層，薄板坯的表面質(zhì)量較差。

阿維迪鋼鐵公司在1993年開(kāi)始改進(jìn)該結(jié)晶器，重新設(shè)計(jì)了其上口斷面形狀，由原平行板改為小漏斗形，結(jié)晶器上口寬邊最大厚度為60+（10×2）mm，這種形狀一直保持到結(jié)晶器下口仍有（1.5×2）mm的小鼓肚。近年來(lái)，其結(jié)晶器的小鼓肚越改越大，現(xiàn)使用的上口寬邊最大厚度已達(dá)60+（25×2）mm，下口為60+（5×2）mm，浸水式水口仍是薄片形。盡管壁厚有增加，但其距器壁兩側(cè)的間隙大大增加，改善了保護(hù)渣層的熔化狀況，薄板坯表面質(zhì)量也有了很大改進(jìn)。

西馬克公司CSP工藝所用的漏斗形結(jié)晶器，上口寬邊兩側(cè)均有平等段，再與弧段相連接，上口斷面較大。這個(gè)漏斗形狀在結(jié)晶器內(nèi)保持到長(zhǎng)700mm，結(jié)晶器出口處鑄坯厚度為50mm~70mm。結(jié)晶器總長(zhǎng)為1120mm。上口的漏斗形狀有利于浸入式水口的浸入，在結(jié)晶器的兩個(gè)寬面板間垂直方向形成了一個(gè)帶錐度的空間，而漏斗區(qū)以處的兩側(cè)壁仍然是平行的，兩側(cè)壁間的距離相當(dāng)于板坯厚度。漏斗形結(jié)晶器在形狀上滿足了長(zhǎng)水口插入、保護(hù)渣熔化和薄板鑄坯厚度的要求，經(jīng)多條生產(chǎn)線使用，均收到較好效果。

漏斗形結(jié)晶器的創(chuàng)新點(diǎn)在于其打破了傳統(tǒng)板坯連鑄結(jié)晶器任意橫截面均相同的限制，其結(jié)晶器腔內(nèi)凝固殼的形狀和大小按非矩形截面逐步縮小的規(guī)律變化。但是，鋼液在這種結(jié)晶器內(nèi)凝固時(shí)要產(chǎn)生變形，特別是在拉坯過(guò)程中機(jī)械變形產(chǎn)生的應(yīng)力可能導(dǎo)致固液界面裂紋的發(fā)生，并最終影響熱軋帶卷的質(zhì)量。因此，漏斗形結(jié)晶器的理想形狀是盡量減小坯殼間兩相區(qū)的彎曲變形率，使坯殼在變形過(guò)程中其固液界面的實(shí)際變形率小于產(chǎn)生裂紋的臨界應(yīng)變率�；�于上述要求，漏斗形結(jié)晶器必須保證厚度過(guò)渡區(qū)的彎曲弧度設(shè)計(jì)準(zhǔn)確，且拉速盡可能穩(wěn)定。

漏斗形結(jié)晶器的缺點(diǎn)是坯殼在結(jié)晶器內(nèi)變形易產(chǎn)生裂紋，限制了像包晶鋼這類難澆品種的薄板坯連鑄。必須結(jié)合鋼液本身收縮的計(jì)算來(lái)設(shè)計(jì)結(jié)晶器的過(guò)渡段。盡管該類型結(jié)晶器由弧線變直線的過(guò)渡段僅為l00mm，在5m／min的拉速下鑄坯通過(guò)此段僅需幾毫秒，但仍要給予高度重視。為了減少或減緩漏斗形結(jié)晶器內(nèi)的鑄坯變形，可采取以下措施：盡量減小漏斗的開(kāi)口度；將鑄坯由漏斗形過(guò)渡到矩形的變形段加長(zhǎng)；優(yōu)化結(jié)晶器內(nèi)腔形狀設(shè)計(jì)，使結(jié)晶器內(nèi)金屬變形分布更加均勻、平緩，降低變形速率，降低鑄坯產(chǎn)生裂紋的可能性。

漏斗形結(jié)晶器在維護(hù)上與常規(guī)連鑄結(jié)晶器的維護(hù)沒(méi)有太大區(qū)別，主要應(yīng)注意避免表面銅板的劃傷和殘鋼粘結(jié)。在澆鑄過(guò)程中應(yīng)確保足夠的潤(rùn)滑，預(yù)防水口破裂導(dǎo)致濺鋼、溢鋼和漏鋼事故。

2 H²結(jié)晶器的主要特點(diǎn)

H²（High Speed High Quality）結(jié)晶器是意大利達(dá)涅利公司FTSC工藝（Flexible Thin Slab Casting）薄板坯連鑄機(jī)的核心設(shè)備。其優(yōu)點(diǎn)是內(nèi)部容積大，通過(guò)的鋼液流量也大，且有不更好的鋼液自然減速效應(yīng)。該結(jié)晶器長(zhǎng)度為1200mm，寬度為1220mm~1620mm，厚度為55mm、60mm、65mm、70mm。

該結(jié)晶器的主要特點(diǎn)是其鼓肚形狀由上至下貫穿整個(gè)銅板，并一直延續(xù)到扇形段中部。為將結(jié)晶器出口處鑄坯鼓肚矯平而特別設(shè)計(jì)了一組帶孔型的輥?zhàn)樱瑢?duì)鑄坯鼓肚矯平的設(shè)備長(zhǎng)度比僅用連鑄機(jī)結(jié)晶器時(shí)增加一倍，以減小凝固過(guò)程中坯殼的變形應(yīng)力。并且H²結(jié)晶器內(nèi)部體積增大，可以盛裝更多的鋼液。此外，結(jié)晶器上部尺寸加大，可使水口形狀設(shè)計(jì)更合理，保證結(jié)晶器內(nèi)液面穩(wěn)定，提高保護(hù)渣的潤(rùn)滑效果，改善熱交換條件，減少裂紋傾向。

H²結(jié)晶器的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是以凝固坯殼的應(yīng)力最小化和結(jié)晶器容積的最大化為目的。H²結(jié)晶器與西馬克公司漏斗形結(jié)晶器的主要區(qū)別在于坯殼在結(jié)晶器內(nèi)的變形不是在一定高度上完成的，而是沿整個(gè)高度凝固殼的形狀和大小均按非矩形截面逐步縮小。達(dá)涅利公司認(rèn)為，H²結(jié)晶器能更好地控制初期坯殼的形成過(guò)程，生產(chǎn)高質(zhì)量的鑄坯。

3平行板形直結(jié)晶器的主特點(diǎn)

奧地利奧鋼聯(lián)公司CNROLL工藝的平行板形直結(jié)晶器，浸入式水口也是扁平的，鋼液從水口兩側(cè)壁流出。結(jié)晶器斷面尺寸為（70~135）mm×1500mm。所生產(chǎn)的板坯應(yīng)劃在中薄板坯之列。奧鋼聯(lián)從節(jié)能降耗的角度出發(fā)分析，得也70mm~90mm厚的鑄坯生產(chǎn)能耗最省、且加工成本較低的結(jié)論，認(rèn)為不必追求鑄坯厚度太薄，趨向中等厚度。從結(jié)晶器形狀來(lái)看，奧鋼聯(lián)強(qiáng)調(diào)只有鋼液在其內(nèi)凝固時(shí)不變形，且保持液面平穩(wěn)，才有利內(nèi)消除鑄坯表面裂紋，促使結(jié)晶器內(nèi)鋼液中夾雜物上浮和防止卷渣，因此主張使用平行板形結(jié)晶器。

平行板形結(jié)晶器內(nèi)腔的橫截面從上到下均為全等矩形，在鑄坯厚度較厚情況下，可避免因鑄坯變形產(chǎn)生的坯殼應(yīng)力，而且在寬度和長(zhǎng)度方向上，結(jié)晶器熱量能夠保證均勻散發(fā)。但在鑄坯較薄的情況下，須將浸入式水口制成薄片狀。從坯殼受力情況來(lái)看，平行板形結(jié)晶器優(yōu)于漏斗形和H²形結(jié)晶器；從空間大小來(lái)看，漏斗形和H²形結(jié)晶器優(yōu)于平行板形結(jié)晶器。

4 結(jié)晶器性能對(duì)薄板坯連鑄的影響

結(jié)晶器內(nèi)鋼液表面積

漏斗形結(jié)晶器的鋼液表面積約為鑄坯橫截面積的1．4倍，H²結(jié)晶器鋼液表面積更大，而平行板形結(jié)晶器的鋼液表面積等于鑄坯的橫截面積。鋼液表面積大，鋼流易于平穩(wěn)，儲(chǔ)存的鋼液也多，既有利于控制液面穩(wěn)定，又有利于夾雜物上浮。同時(shí)，有充足的熱量保證保

護(hù)渣的熔化。

結(jié)晶器內(nèi)的鋼液流動(dòng)

在拉坯過(guò)程中，根據(jù)沿橫截面鋼液流量相等的原則，漏斗形結(jié)晶器鋼液向下流動(dòng)的速度沿橫截面的各個(gè)部位的差別較大，因而易造成紊流，出現(xiàn)表面夾渣現(xiàn)象，拉速越高，這種現(xiàn)象越明顯。H²結(jié)晶器漏斗趨于平緩，比漏斗形結(jié)晶器要穩(wěn)定得多，而平行板形結(jié)晶器則不存在這個(gè)問(wèn)題。

與平行板形結(jié)晶器相比，漏斗形結(jié)晶器上口開(kāi)口度保證了浸入式長(zhǎng)水口有足夠的插入空間以保護(hù)渣熔化，并為使用較厚壁的長(zhǎng)水口提供了有利條件。但漏斗形結(jié)晶器的設(shè)計(jì)和制造較復(fù)雜，維修和加工困難，拉坯時(shí)摩擦阻力增加，運(yùn)行成本較高。平行板形結(jié)晶器與傳統(tǒng)板坯連鑄機(jī)相同，維修方便，消耗也低。

結(jié)晶器的傳熱

平行板形結(jié)晶器在寬度方向上傳熱一定，可以得到均勻的凝固坯殼，而漏斗形結(jié)晶器傳熱不均。  

平行板形結(jié)晶器有利于鋼液橫向流動(dòng)(由水口噴出的鋼液引起)和由溫差引起的橫向?qū)α�，因而�?duì)減少熔池各部位的溫差有利。漏斗形結(jié)晶器由于漏斗區(qū)擴(kuò)大，影響對(duì)流，彎月面附近區(qū)域溫度較低，易形成“搭橋”現(xiàn)象。平行板形結(jié)晶器須解決在板坯厚度方向上浸入式水口與結(jié)晶器壁間的距離，保證不凝鋼。

薄板坯厚度

鑄坯厚度增加，有利于結(jié)晶器鋼液中夾雜物的上浮，同時(shí)板坯較厚，壓縮比大，有利于提高帶卷質(zhì)量。奧鋼聯(lián)從節(jié)能降耗的角度出發(fā)，認(rèn)為70mm~90mm厚的板坯生產(chǎn)能耗最省，加工成本最低。，住友金屬堅(jiān)持發(fā)展中型板連鑄機(jī)，板坯厚度達(dá)90mm~120mm。西馬克公司重新設(shè)計(jì)了上口斷面形狀，由原平行板形改為小漏斗形，上口寬邊最大厚度幾經(jīng)改進(jìn)加大至60+(2×25)mm，且一直將些鼓肚延伸至結(jié)晶器出口處保持為60+(2×50)mm，這樣薄片狀浸入式水口壁厚雖有所增加，但其距結(jié)晶器壁兩側(cè)的間隙還是大大增加，改善了保護(hù)渣熔化狀況，薄板坯的表面質(zhì)量也有了很大改進(jìn)。CSP的鑄坯厚度由50m增加至70mm以上，FTSC則增至90mm以上。

關(guān)于板坯寬度，漏斗形結(jié)晶器由于受到鋼液凝固收縮率的限制，最小鑄坯寬度為600mm，平行板形結(jié)晶器則無(wú)此限制。

液面波動(dòng)、振動(dòng)和潤(rùn)滑

由于薄板坯連鑄拉速比傳統(tǒng)板坯高，結(jié)晶器液面的穩(wěn)定性就更為重要。在結(jié)晶器鋼液面上須保持足夠的液渣層，能連續(xù)滲漏進(jìn)入坯殼與銅板之間，起到良好的潤(rùn)滑作用，可有效地防止粘結(jié)漏鋼和鑄坯表面縱裂。然而，薄板坯拉速高，結(jié)晶器空間有限，很難獲得恒定的液渣層，渣量消耗比傳統(tǒng)板坯明顯減少。為解決這一問(wèn)題采取了以下措施：采用低熔點(diǎn)低黏度的保護(hù)渣；結(jié)晶器采用高頻率（300次／分鐘以上)、小振幅(3mm)非正弦振動(dòng)，發(fā)減少對(duì)初生坯殼的拉應(yīng)力并減輕振痕，提高鑄坯表面質(zhì)量。

拉坯速度

對(duì)漏斗形結(jié)晶器而言，考慮到坯殼生長(zhǎng)的實(shí)際情況，在開(kāi)澆l0秒內(nèi)須注滿結(jié)晶器并開(kāi)始拉坯，在漏斗區(qū)下部的坯殼厚度小于實(shí)際的坯殼厚度的一半時(shí)，液態(tài)鋼液進(jìn)入結(jié)晶器的平行部分，以保證鑄坯順利地從結(jié)晶器拉出。要求必須有一個(gè)最低拉速的限制，否則結(jié)晶器內(nèi)的鋼液可能凝結(jié)。當(dāng)然，由于薄板坯連鑄機(jī)的裝置剛性較強(qiáng)，上下工序的匹配要求所有的薄板坯連鑄機(jī)都有最低面拉速的限制。

由于連鑄機(jī)流數(shù)受匹配限制，一般最多2流，板坯寬度又受限于最終產(chǎn)品規(guī)格，為提高薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)能力，只能通過(guò)增大鑄坯厚度和提高拉速來(lái)實(shí)現(xiàn)，最高拉速的極限要受以下三個(gè)因素制約：一、出結(jié)晶器坯殼厚度。拉速越快，坯殼越薄，越容易漏鋼。二、鑄坯厚度。鑄坯越厚，拉速越快，則結(jié)晶器的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，相應(yīng)的投資越高。三、鑄坯的表面質(zhì)量。拉速越快，越容易造成表面夾渣。從已投產(chǎn)的薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)線來(lái)看，多數(shù)在3m／min～6m／min的拉速下澆鑄，而目前新設(shè)計(jì)的薄板坯連鑄機(jī)的拉速都以6m／min ~8 m／min為目標(biāo)。

可澆鋼種范圍

隨著連鑄機(jī)拉速的提高，結(jié)晶器熱流密度增加，當(dāng)超過(guò)某一臨界值時(shí)，板坯表機(jī)縱裂明顯增加。低碳鋼在結(jié)晶器的熱流密度低于3．0MW／m²時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生裂紋，而包晶鋼則需低于2．0MW／m²時(shí)，才不會(huì)產(chǎn)生裂紋。與傳統(tǒng)板坯連鑄相比，薄板坯連鑄的拉速高，結(jié)晶器的熱流密度大，會(huì)在彎月面處的凝固坯殼處產(chǎn)生較高的表面張應(yīng)力，往往導(dǎo)致縱向表面形成裂紋。漏斗形結(jié)晶器由于其特殊“S”狀倒錐度大，而且薄板坯高拉速必然大大加劇鑄坯和結(jié)晶器壁的摩擦，拉坯阻力增加，同時(shí)，在拉坯過(guò)程中，坯殼還要承受較大的機(jī)械變形，對(duì)所澆鋼種有一定的限制。