不銹鋼板坯連鑄結(jié)晶器窄面銅板涂層新技術(shù)

王 鈺，景群社，李仲平

(山西百一機(jī)械設(shè)備制造有限公司，山西 太原 030003)

0 前言

結(jié)晶器是連鑄機(jī)的核心設(shè)備之一。其作用是將連續(xù)不斷地注入其內(nèi)腔的鋼液通過(guò)水冷銅壁強(qiáng)制冷卻，導(dǎo)出鋼液的熱量，使之逐漸凝固成為具有所要求的斷面形狀和一定坯殼厚度的鑄坯，并使這種芯部仍為液相的鑄坯連續(xù)不斷地從結(jié)晶器下口拉出，為其在以后的二冷區(qū)域內(nèi)完全凝固創(chuàng)造條件。在鋼水注入結(jié)晶器逐漸形成一定厚度坯殼的凝固過(guò)程中，結(jié)晶器一直承受著鋼水靜壓力、摩檫力、鋼水熱量的傳遞等諸多因素的影響，使結(jié)晶器同時(shí)處于機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力的綜合作用之下，尤其是結(jié)晶器窄面銅板，正常壽命不足寬面銅板的50%，其使用狀況直接關(guān)系到連鑄機(jī)的性能，并與鑄坯的質(zhì)量與產(chǎn)量密切相關(guān)。因此，結(jié)晶器銅板涂層合理的設(shè)計(jì)是保證鑄坯質(zhì)量、減小溢漏率、提高其使用壽命的基礎(chǔ)。

1 結(jié)晶器銅板涂層技術(shù)對(duì)比分析

目前國(guó)內(nèi)結(jié)晶器銅板常用的防護(hù)方法有電鍍鎳鈷鍍層、電鍍鈷鎳鍍層防護(hù)和超音速火焰噴涂 (HVOF)涂層防護(hù)。以不銹鋼鑄坯316L連鑄生產(chǎn)為例，結(jié)晶器長(zhǎng)度800 mm，窄面銅板錐度為R10 mm，拉速0.8 m。以電鍍鎳鈷涂層防護(hù)結(jié)晶器窄面銅板，過(guò)鋼量1.8萬(wàn)t時(shí)，窄面銅板下口兩側(cè)出現(xiàn)錐形高溫機(jī)械磨損，輕微漏銅 (圖1);過(guò)鋼量2.7萬(wàn)t時(shí)，窄面銅板下口兩側(cè)錐形機(jī)械磨損變寬，漏銅面積增大 (圖2);過(guò)鋼量達(dá)到3.75萬(wàn)t時(shí)窄面銅板下口400 mm長(zhǎng)度內(nèi)50%裸露銅基體，無(wú)法使用 (圖3)。

仍然是不銹鋼316L鑄坯，結(jié)晶器長(zhǎng)度800 mm，窄面銅板錐度為R10 mm，拉速0.8 m。以超音速噴涂涂層防護(hù)的結(jié)晶器窄面銅板，過(guò)鋼量2.54萬(wàn)t時(shí)，窄面銅板涂層完整無(wú)磨損 (圖4)。過(guò)鋼量達(dá)到4萬(wàn)t時(shí)，窄面銅板涂層距下口邊緣約10 mm處出現(xiàn)15 mm×145 mm凹陷露出銅基 (圖5)。

在過(guò)鋼量4萬(wàn)t時(shí)，使用電鍍鎳鈷涂層，同機(jī)使用的寬面銅板磨損輕微，按照技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)該屬于可以正常使用的安全范圍 (圖6)。

對(duì)比檢測(cè)鎳鈷鍍層與超音速噴涂涂層的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。參數(shù)中顯示鎳鈷鍍層硬度較低，但鍍層厚度可以比較大。超音速噴涂涂層明顯具有硬度高、耐腐蝕性更強(qiáng)的特點(diǎn)。從而在線測(cè)試顯示出較強(qiáng)的耐高溫磨損能力，較鎳鈷鍍層更具技術(shù)延伸需求。

表1 鎳鈷鍍層與噴涂涂層參數(shù)比較Tab.1 Comparison between cobalt nickel coating and spray coating parameters

而對(duì)于碳鋼連鑄生產(chǎn)線，以結(jié)晶器長(zhǎng)度800 mm，錐度R5.3 mm，拉速1.4 m，窄面銅板涂層使用兩種技術(shù)，過(guò)鋼量達(dá)到22萬(wàn)t時(shí)，窄面銅板涂層磨損，下線更換 (圖7)。對(duì)比不銹鋼連鑄，顯示出鑄坯成分對(duì)結(jié)晶器涂層的影響有強(qiáng)烈的區(qū)別。

圖7 碳鋼連鑄窄面銅板鎳鈷鍍層22萬(wàn)t磨損情況Fig.7 Worn status of nickel and cobalt layer when 220 000 t carbon steel goes through narrow copper plate of casting mold

通過(guò)對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn):①同種涂層窄面銅板在不銹鋼連鑄領(lǐng)域的使用壽命遠(yuǎn)低于碳鋼連鑄;②同種涂層寬面銅板使用壽命明顯高于同機(jī)的窄面銅板;③提高涂層表面硬度，使用壽命隨之增加 (圖8)。

圖8 四種涂層壽命比較Fig.8 life comparison of four use conditions

2 窄面銅板涂層的破壞機(jī)理分析

對(duì)于不銹鋼連鑄，由于合金元素的作用，不銹鋼與碳鋼的凝固特性和高溫性能截然不同，使得不銹鋼的連鑄工藝具有特殊性。澆鑄過(guò)程中，鋼液中容易出現(xiàn)高熔點(diǎn)氧化物夾雜，鑄坯表面易出現(xiàn)凹陷、裂紋、深振痕及夾渣等缺陷，引起對(duì)結(jié)晶器涂層的破壞。

(1)不銹鋼鑄坯表面嚴(yán)重的深震痕波紋大幅增加了對(duì)涂層表面的機(jī)械磨損;

(2)深震痕縫隙攜帶更多的保護(hù)渣，造成涂層表面更大的侵蝕破壞;

(3)由不銹鋼凝固特性要求，不銹鋼連鑄比碳鋼拉速明顯降低，配合結(jié)晶器非正弦振動(dòng)，使下口機(jī)械磨損大幅上升;

(4)窄面銅板設(shè)計(jì)錐度遠(yuǎn)大于寬面銅板，加之鑄坯邊角部熱傳導(dǎo)效率最高，因此窄面角部結(jié)殼厚度也最深，而且窄面銅板邊角冷卻效果下降，使窄面涂層的磨損也更加嚴(yán)重;

(5)不銹鋼高溫機(jī)械性能較碳鋼有很大的提升，因此對(duì)窄面涂層的磨損更加嚴(yán)重。

所以，在實(shí)際連鑄工況中結(jié)晶器正常停機(jī)下線主要決定于窄面銅板涂層的損壞程度。當(dāng)窄面銅板被迫下線，與之配套同機(jī)使用的寬面銅板還基本保持完好。這就需要對(duì)結(jié)晶器涂層技術(shù)進(jìn)行更精細(xì)的研究，優(yōu)化技術(shù)層級(jí)，區(qū)別寬、窄面涂層技術(shù)應(yīng)用方案，最終達(dá)到寬窄面同時(shí)使用，同期磨損下線，避免效能浪費(fèi)。

3 涂層新技術(shù)

在不銹鋼連鑄領(lǐng)域，通過(guò)多年技術(shù)研究，分析對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工況的長(zhǎng)期跟蹤和使用效果。對(duì)于目前結(jié)晶器窄面銅板涂層技術(shù)，能有效的解決高溫?zé)崃鸭y、化學(xué)侵蝕裂紋問(wèn)題。影響壽命的突出技術(shù)參數(shù)在于結(jié)晶器窄面銅板彎月面區(qū)域及延伸至下口的高溫侵蝕磨損。對(duì)比鎳鈷鍍層與超音速噴涂涂層，兩種技術(shù)的熱傳導(dǎo)性均穩(wěn)定有效，區(qū)別主要集中于涂層表面的抗腐蝕性以及顯微硬度。隨著超音速噴涂涂層抗腐蝕性增強(qiáng)，涂層表面硬度大幅提高，高溫耐磨損能力明顯上升，并在實(shí)際工況使用中顯示累計(jì)壽命比較長(zhǎng)。除鍍鉻外，電鍍技術(shù)不能提升鍍層表面硬度。近些年隨著材料技術(shù)的發(fā)展，噴涂逐步被應(yīng)用于結(jié)晶器的涂層制作，而在噴涂中提高噴涂粒子的飛行速度，令其達(dá)到超音速，并將粒子熔融噴射到經(jīng)過(guò)前處理的銅板基體，隨后通過(guò)封孔和熱處理、加工形成的涂層被稱為超音速噴涂。其優(yōu)點(diǎn)在于:①高熔點(diǎn)，可經(jīng)受住鑄坯高溫;②硬度高 (HRC 74或HV1400)抗磨損能力強(qiáng);③具有化學(xué)惰性和穩(wěn)定性，不和粉末 (保護(hù)渣)或鋼鐵反應(yīng);④涂層很薄，對(duì)銅板基體傳熱的改變輕微。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，超音速噴涂涂層厚度很薄，而且由于硬度高，表面極易發(fā)生脆裂、掉塊。銅板的邊緣處容易塌陷，造成下口磨損。實(shí)際連鑄現(xiàn)場(chǎng)，送引錠頻繁，極易造成對(duì)噴涂涂層的損傷，一旦出現(xiàn)中上部脆裂掉塊，不僅結(jié)晶器銅板報(bào)廢損失，且影響到連鑄的熱停工，損失將以百萬(wàn)計(jì)。所以對(duì)于超音速噴涂技術(shù)，需要研究解決脆裂掉塊這類安全問(wèn)題，以及邊緣的塌陷問(wèn)題。

目前，山西百一機(jī)械設(shè)備制造有限公司采用將高效能半導(dǎo)體激光器與火焰噴涂相結(jié)合新型噴涂技術(shù)，該技術(shù)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、高效、高質(zhì)量、低成本的涂層制備過(guò)程，其工藝特點(diǎn):無(wú)需酸洗、吹砂等專門的預(yù)處理工藝，無(wú)需使用其它工藝制備過(guò)渡層，直接進(jìn)行寬帶噴涂;在淺熔池形成的同時(shí)自行啟動(dòng)環(huán)繞激光束的火焰噴涂系統(tǒng)，熔融或半熔融狀態(tài)的粉末顆粒注入熔池形成涂層，2 mm厚度的涂層可一次成型，大大提高生產(chǎn)效率、降低能耗，粉末利用率95%以上;同時(shí)由于可精確控制粉末的熔化狀態(tài)，使得涂層的內(nèi)應(yīng)力顯著降低，涂層完成后無(wú)需進(jìn)行去應(yīng)力退火，直接機(jī)加工即可。更重要的是涂層為均勻的大顆粒硬質(zhì)相鑲嵌組織，韌性、耐磨、耐蝕性能優(yōu)異，滿足了涂層高硬度需求，并利用鑲嵌組織同時(shí)解決了超音速噴涂的脆裂掉塊問(wèn)題。這種涂層可以實(shí)現(xiàn)與鎳鈷鍍層相同的厚度，結(jié)晶器非正弦振動(dòng)中，涂層類似于鎳鈷鍍層逐步被消耗磨損，避免了脆裂掉塊。更由于鑲嵌物的高硬度比之鎳鈷鍍層耐高溫磨損能力大幅提高，用于結(jié)晶器窄面銅板涂層，可實(shí)現(xiàn)連鑄生產(chǎn)所期望的窄面銅板涂層壽命提高到寬面的技術(shù)水平，達(dá)到寬窄面同期下線，效能充分利用，減少停機(jī)次數(shù)與時(shí)間，增大產(chǎn)量。

4 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)晶器是連鑄的核心設(shè)備，連鑄需要不斷的優(yōu)化結(jié)晶器工藝技術(shù)，提高技術(shù)控制水準(zhǔn)。最新型的噴涂技術(shù)將在涂層質(zhì)量、生產(chǎn)成本、生產(chǎn)效率、環(huán)保等方面取得重要成果。對(duì)于鋼鐵連鑄行業(yè)也將提供更有力的技術(shù)支持。

［1］ T·Hyytinen．高效不銹鋼板坯連鑄機(jī) ［J］．鋼鐵，2004，39(12)．

［2］ 蔡開(kāi)科．連鑄結(jié)晶器 ［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，2008．

［3］ 王定洪．不銹鋼板坯連鑄凝固特性的研究 ［J］．包頭鋼鐵學(xué)報(bào)，2001，20．(1)．

［4］ 王文學(xué)．不銹鋼特性及其對(duì)板坯連鑄機(jī)的要求［J］．重型機(jī)械，2010(S1)．