不锈钢板坯连铸结晶器窄面铜板涂层新技术

王 钰，景群社，李仲平

(山西百一机械设备制造有限公司，山西 太原 030003)

0 前言

结晶器是连铸机的核心设备之一。其作用是将连续不断地注入其内腔的钢液通过水冷铜壁强制冷却，导出钢液的热量，使之逐渐凝固成为具有所要求的断面形状和一定坯壳厚度的铸坯，并使这种芯部仍为液相的铸坯连续不断地从结晶器下口拉出，为其在以后的二冷区域内完全凝固创造条件。在钢水注入结晶器逐渐形成一定厚度坯壳的凝固过程中，结晶器一直承受着钢水静压力、摩檫力、钢水热量的传递等诸多因素的影响，使结晶器同时处于机械应力和热应力的综合作用之下，尤其是结晶器窄面铜板，正常寿命不足宽面铜板的50%，其使用状况直接关系到连铸机的性能，并与铸坯的质量与产量密切相关。因此，结晶器铜板涂层合理的设计是保证铸坯质量、减小溢漏率、提高其使用寿命的基础。

1 结晶器铜板涂层技术对比分析

目前国内结晶器铜板常用的防护方法有电镀镍钴镀层、电镀钴镍镀层防护和超音速火焰喷涂 (HVOF)涂层防护。以不锈钢铸坯316L连铸生产为例，结晶器长度800 mm，窄面铜板锥度为R10 mm，拉速0.8 m。以电镀镍钴涂层防护结晶器窄面铜板，过钢量1.8万t时，窄面铜板下口两侧出现锥形高温机械磨损，轻微漏铜 (图1);过钢量2.7万t时，窄面铜板下口两侧锥形机械磨损变宽，漏铜面积增大 (图2);过钢量达到3.75万t时窄面铜板下口400 mm长度内50%裸露铜基体，无法使用 (图3)。

仍然是不锈钢316L铸坯，结晶器长度800 mm，窄面铜板锥度为R10 mm，拉速0.8 m。以超音速喷涂涂层防护的结晶器窄面铜板，过钢量2.54万t时，窄面铜板涂层完整无磨损 (图4)。过钢量达到4万t时，窄面铜板涂层距下口边缘约10 mm处出现15 mm×145 mm凹陷露出铜基 (图5)。

在过钢量4万t时，使用电镀镍钴涂层，同机使用的宽面铜板磨损轻微，按照技术标准，应该属于可以正常使用的安全范围 (图6)。

对比检测镍钴镀层与超音速喷涂涂层的主要技术参数见表1。参数中显示镍钴镀层硬度较低，但镀层厚度可以比较大。超音速喷涂涂层明显具有硬度高、耐腐蚀性更强的特点。从而在线测试显示出较强的耐高温磨损能力，较镍钴镀层更具技术延伸需求。

表1 镍钴镀层与喷涂涂层参数比较Tab.1 Comparison between cobalt nickel coating and spray coating parameters

而对于碳钢连铸生产线，以结晶器长度800 mm，锥度R5.3 mm，拉速1.4 m，窄面铜板涂层使用两种技术，过钢量达到22万t时，窄面铜板涂层磨损，下线更换 (图7)。对比不锈钢连铸，显示出铸坯成分对结晶器涂层的影响有强烈的区别。

图7 碳钢连铸窄面铜板镍钴镀层22万t磨损情况Fig.7 Worn status of nickel and cobalt layer when 220 000 t carbon steel goes through narrow copper plate of casting mold

通过对比分析可以发现:①同种涂层窄面铜板在不锈钢连铸领域的使用寿命远低于碳钢连铸;②同种涂层宽面铜板使用寿命明显高于同机的窄面铜板;③提高涂层表面硬度，使用寿命随之增加 (图8)。

图8 四种涂层寿命比较Fig.8 life comparison of four use conditions

2 窄面铜板涂层的破坏机理分析

对于不锈钢连铸，由于合金元素的作用，不锈钢与碳钢的凝固特性和高温性能截然不同，使得不锈钢的连铸工艺具有特殊性。浇铸过程中，钢液中容易出现高熔点氧化物夹杂，铸坯表面易出现凹陷、裂纹、深振痕及夹渣等缺陷，引起对结晶器涂层的破坏。

(1)不锈钢铸坯表面严重的深震痕波纹大幅增加了对涂层表面的机械磨损;

(2)深震痕缝隙携带更多的保护渣，造成涂层表面更大的侵蚀破坏;

(3)由不锈钢凝固特性要求，不锈钢连铸比碳钢拉速明显降低，配合结晶器非正弦振动，使下口机械磨损大幅上升;

(4)窄面铜板设计锥度远大于宽面铜板，加之铸坯边角部热传导效率最高，因此窄面角部结壳厚度也最深，而且窄面铜板边角冷却效果下降，使窄面涂层的磨损也更加严重;

(5)不锈钢高温机械性能较碳钢有很大的提升，因此对窄面涂层的磨损更加严重。

所以，在实际连铸工况中结晶器正常停机下线主要决定于窄面铜板涂层的损坏程度。当窄面铜板被迫下线，与之配套同机使用的宽面铜板还基本保持完好。这就需要对结晶器涂层技术进行更精细的研究，优化技术层级，区别宽、窄面涂层技术应用方案，最终达到宽窄面同时使用，同期磨损下线，避免效能浪费。

3 涂层新技术

在不锈钢连铸领域，通过多年技术研究，分析对现场工况的长期跟踪和使用效果。对于目前结晶器窄面铜板涂层技术，能有效的解决高温热裂纹、化学侵蚀裂纹问题。影响寿命的突出技术参数在于结晶器窄面铜板弯月面区域及延伸至下口的高温侵蚀磨损。对比镍钴镀层与超音速喷涂涂层，两种技术的热传导性均稳定有效，区别主要集中于涂层表面的抗腐蚀性以及显微硬度。随着超音速喷涂涂层抗腐蚀性增强，涂层表面硬度大幅提高，高温耐磨损能力明显上升，并在实际工况使用中显示累计寿命比较长。除镀铬外，电镀技术不能提升镀层表面硬度。近些年随着材料技术的发展，喷涂逐步被应用于结晶器的涂层制作，而在喷涂中提高喷涂粒子的飞行速度，令其达到超音速，并将粒子熔融喷射到经过前处理的铜板基体，随后通过封孔和热处理、加工形成的涂层被称为超音速喷涂。其优点在于:①高熔点，可经受住铸坯高温;②硬度高 (HRC 74或HV1400)抗磨损能力强;③具有化学惰性和稳定性，不和粉末 (保护渣)或钢铁反应;④涂层很薄，对铜板基体传热的改变轻微。

通过现场实验发现，超音速喷涂涂层厚度很薄，而且由于硬度高，表面极易发生脆裂、掉块。铜板的边缘处容易塌陷，造成下口磨损。实际连铸现场，送引锭频繁，极易造成对喷涂涂层的损伤，一旦出现中上部脆裂掉块，不仅结晶器铜板报废损失，且影响到连铸的热停工，损失将以百万计。所以对于超音速喷涂技术，需要研究解决脆裂掉块这类安全问题，以及边缘的塌陷问题。

目前，山西百一机械设备制造有限公司采用将高效能半导体激光器与火焰喷涂相结合新型喷涂技术，该技术实现简单、高效、高质量、低成本的涂层制备过程，其工艺特点:无需酸洗、吹砂等专门的预处理工艺，无需使用其它工艺制备过渡层，直接进行宽带喷涂;在浅熔池形成的同时自行启动环绕激光束的火焰喷涂系统，熔融或半熔融状态的粉末颗粒注入熔池形成涂层，2 mm厚度的涂层可一次成型，大大提高生产效率、降低能耗，粉末利用率95%以上;同时由于可精确控制粉末的熔化状态，使得涂层的内应力显著降低，涂层完成后无需进行去应力退火，直接机加工即可。更重要的是涂层为均匀的大颗粒硬质相镶嵌组织，韧性、耐磨、耐蚀性能优异，满足了涂层高硬度需求，并利用镶嵌组织同时解决了超音速喷涂的脆裂掉块问题。这种涂层可以实现与镍钴镀层相同的厚度，结晶器非正弦振动中，涂层类似于镍钴镀层逐步被消耗磨损，避免了脆裂掉块。更由于镶嵌物的高硬度比之镍钴镀层耐高温磨损能力大幅提高，用于结晶器窄面铜板涂层，可实现连铸生产所期望的窄面铜板涂层寿命提高到宽面的技术水平，达到宽窄面同期下线，效能充分利用，减少停机次数与时间，增大产量。

4 结束语

结晶器是连铸的核心设备，连铸需要不断的优化结晶器工艺技术，提高技术控制水准。最新型的喷涂技术将在涂层质量、生产成本、生产效率、环保等方面取得重要成果。对于钢铁连铸行业也将提供更有力的技术支持。

［1］ T·Hyytinen．高效不锈钢板坯连铸机 ［J］．钢铁，2004，39(12)．

［2］ 蔡开科．连铸结晶器 ［M］．北京:冶金工业出版社，2008．

［3］ 王定洪．不锈钢板坯连铸凝固特性的研究 ［J］．包头钢铁学报，2001，20．(1)．

［4］ 王文学．不锈钢特性及其对板坯连铸机的要求［J］．重型机械，2010(S1)．