熱噴涂技術(shù)在連鑄結(jié)晶器銅板上的應(yīng)用

戴興浩，陳雄偉，呂春雷

（寶武裝備智能科技有限公司，上海 201900）

連鑄生產(chǎn)中，結(jié)晶器是連鑄機的心臟部位。高溫鋼水從結(jié)晶器流出，完成從液態(tài)到固態(tài)的凝固過程。結(jié)晶器的性能和質(zhì)量直接影響連鑄的生產(chǎn)效率和鑄坯質(zhì)量[1]。在高溫鋼水與冷卻水的同時作用下，結(jié)晶器工況極其惡劣，承受著高溫氧化，冷熱疲勞，較大的溫度梯度差，保護渣的化學腐蝕，高溫蒸汽引起的汽蝕，引錠、拉坯、結(jié)晶器振動產(chǎn)生的摩擦與磨損，以及調(diào)錐、調(diào)寬帶來的劃傷等[2]。

因此結(jié)晶器銅板作為結(jié)晶器的重要組成部分必須具備以下各項性能：（1）具有良好的導熱性；（2）具有較高的耐高溫強度；（3）具有良好的抗變形能力；（4）具有較高的表面精度；（5）具有足夠的硬度和耐磨性。在如此苛刻環(huán)境下，結(jié)晶器銅板在使用過程中存在邊緣磨損、寬面熱裂紋、窄面收縮、腐蝕等問題，使得結(jié)晶器銅板的使用壽命較短。結(jié)晶器銅板絕大多數(shù)失效形式為表面失效，對結(jié)晶器銅板進行表面處理，獲得與銅板基體結(jié)合力好、耐磨性佳、抗熱腐蝕性強的各種涂層，以改善銅板的表面性能，提高連鑄坯質(zhì)量，延長其使用壽命。

1 熱噴涂與電鍍涂層性能比較

目前，對結(jié)晶器銅板表面改性技術(shù)的研究及應(yīng)用主要有激光熔覆、電鍍、熱噴涂等，以解決銅板表面的耐腐蝕、耐磨損等問題。

激光技術(shù)在制備耐磨、耐腐蝕、抗熱的涂層上具有優(yōu)勢。目前國內(nèi)外在銅板激光熔覆上有大量的相關(guān)研究工作，但存在較大的困難。銅具有極高的導熱率和反射率，激光照到銅基體時，熱量一方面被快速導熱導走，另一方面被反射掉，從而使得有效的能量輸入大大減少，很難在基體中形成熔池。銅及銅合金基體與許多熔覆材料之間的浸潤性較差，在界面處容易產(chǎn)生裂紋、氣孔等缺陷。目前研究主要從兩個方面進行解決，一方面是在銅板上先預處理形成一種涂層，隨后再進行激光熔覆處理；另一方面是在粉末中添加一些例如Cu、Ni等，以改善各粉末間相容性差的問題，實現(xiàn)激光熔覆形成良好的涂層。但總體上看，激光熔覆仍難以解決與銅基體高導熱、高反射、浸潤性差的問題，且存在一些其他不足，如不均勻的枝晶、焊接應(yīng)力等。另外，在工藝方面也存在許多限制，在生產(chǎn)實際中對操作技能的要求更高，從而使得其應(yīng)用過程中存在較大的困難。目前激光熔覆只限于實驗室研究，距離大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用還有待時日。

電鍍技術(shù)具有工藝成熟簡單，性能穩(wěn)定的特點，成為結(jié)晶器銅板表面改性強化最早獲得廣泛應(yīng)用的方法之一。電鍍曾作為主導技術(shù)，主要產(chǎn)品從早期的單鍍Ni層、硬C層，發(fā)展到Ni-Cr、Ni-Fe、Ni-Co、Ni-W、Ni-W-P等合金鍍層，或雙鍍層，或兩層以上的復合鍍層。電鍍與其他表面處理技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點：可在形狀復雜的銅板表面獲得鍍層；可獲得復合成分的合金鍍層；耗能低、方法簡便、易自動化控制、可大規(guī)模生產(chǎn)。目前，結(jié)晶器銅板電鍍處理，仍然是大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用的主要處理方式之一。

但在連鑄生產(chǎn)中，電鍍結(jié)晶器也存在一些缺點：由于頻繁的冷熱疲勞，鋼水或鋼坯的沖擊，經(jīng)常會導致涂層剝落；鍍層硬度低，耐磨性差，抗氧化性差，鍍層下口易磨損；電鍍具有高污染屬性，國家不斷加大控制，逐步進行淘汰。

熱噴涂技術(shù)操作簡便、高效、穩(wěn)定，涂層硬度、耐磨等性能優(yōu)于電鍍層，在結(jié)晶器中的應(yīng)用越來越受到人們的關(guān)注和重視。目前結(jié)晶器銅板的熱噴涂技術(shù)應(yīng)用研究主要有用超音速火焰噴涂Cr3C2/25NiCr或Ni-Cr涂層技術(shù)。噴涂Cr3C2/25NiCr涂層雖有較高的硬度，但實際應(yīng)用效果較差，涂層在使用過程中容易產(chǎn)生剝落現(xiàn)象，從而完全失去涂層耐磨性能。目前應(yīng)用較廣的主要是噴涂Ni-Cr技術(shù)。噴涂Ni-Cr技術(shù)最早從日本研發(fā)，寶鋼也成功應(yīng)用了此技術(shù)。目前已成為大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用的主要處理方式之一。寶鋼結(jié)晶器銅板熱噴涂涂層與常用電鍍涂層主要性能比較見表1。

表1 結(jié)晶器銅板熱噴涂涂層與常用電鍍涂層主要性能比較

從金相組織上來看，電鍍層均勻致密，其形貌均呈現(xiàn)出樹枝狀組織結(jié)構(gòu)；熱噴涂涂層內(nèi)部孔隙較少，未有較大孔洞，涂層金相形貌較好。熱噴涂涂層與銅基材的截面凸凹咬合、結(jié)合界面處密實而連續(xù)，這表明涂層與基體之間也具有良好的結(jié)合力。寶鋼結(jié)晶器銅板熱噴涂涂層經(jīng)過熱處理后與母材形成了冶金合金層，因此具有良好的結(jié)合強度。通過剪切應(yīng)力試驗，抗剪力≥240 N/mm2，熱噴涂涂層與電鍍層一樣具有良好的結(jié)合強度[3]。

從顯微硬度上看：圖1為分別在溫度為100℃~600℃下對Ni、Ni-Fe、Ni-Co、Co-Ni鍍層和熱噴涂涂層1hr退火熱處理后涂層的硬度。從圖中可見在室溫狀態(tài)下熱噴涂涂層的硬度最高，其次為Ni-Fe和Ni-Co，Ni和Co-Ni硬度最低。在室溫下，熱噴涂涂層的硬度約為其他電鍍層的2倍或以上。特別是當熱處理溫度高于300℃時，純Ni、Ni-Fe、Ni-Co鍍層的硬度快速降低，而噴涂涂層和Co-Ni鍍層的硬度隨退火溫度的增加基本保持不變。特別是熱噴涂涂層，在600℃時，其硬度大大高于其他電鍍層。一般來說，高硬度更有利于涂層的耐磨性能。由此可見，熱噴涂涂層具有很好的熱穩(wěn)定性能、耐磨性能，特別是耐高溫磨損性能。

圖1 涂層硬度隨熱處理溫度變化曲線

摩擦磨損實驗也進一步證實了熱噴涂涂層優(yōu)異的耐磨性能。圖2為Ni、Ni-Fe、Ni-Co、Co-Ni鍍層和熱噴涂涂層在300℃條件下的摩擦磨損實驗結(jié)果。通過試驗結(jié)果表明了熱噴涂涂層具有優(yōu)異的高溫耐磨性能。

圖2 300℃條件下的涂層摩擦磨損實驗結(jié)果

2 寶鋼熱噴涂技術(shù)在連鑄結(jié)晶器銅板上的應(yīng)用及發(fā)展

熱噴涂技術(shù)工藝規(guī)范穩(wěn)定，操作簡單，并且噴涂后涂層平滑、平整，可比較精確地控制涂層厚度。同時耐磨耐蝕性能優(yōu)良，應(yīng)用效果良好，雖然價格較貴，但由于優(yōu)異的性價比，在寶鋼內(nèi)部獲得了廣泛應(yīng)用。并已成功推廣至寶鋼外部市場。熱噴涂涂層的使用壽命是原來電鍍Ni結(jié)晶器的3~6倍。板坯連鑄機寬面銅板使用Co-Ni鍍層，短邊銅板使用Ni-Cr噴涂層，一次過鋼量可達20萬t。與電鍍技術(shù)相比噴涂銅板性能有較大幅度的提高，能夠較好地滿足當時的用戶需求。寶鋼銅板熱噴涂技術(shù)經(jīng)過十多年的應(yīng)用及發(fā)展，主要朝以下幾個方面發(fā)展。

2.1 短邊銅板熱噴涂功能性復合涂層技術(shù)

隨著用戶連鑄生產(chǎn)效率的提高，高強鋼產(chǎn)量的提升，連鑄坯拉速加快，產(chǎn)品多樣化不斷提高，原有的短邊銅板熱噴涂涂層，在某些特定機組，使用時也會產(chǎn)生一些問題，例如局部磨損、彎月面處熱裂紋等。因此，針對不同產(chǎn)線要求，采用針對性的功能復合涂層技術(shù)，滿足用戶的多樣化需求。

圖3為某鋼廠連鑄線上原短邊銅板采用電鍍層，使用壽命短，下線后銅板下口磨損高達2.3 mm。采用普通熱噴涂技術(shù)后，耐磨性能有了較大提升，但在下口局部也會產(chǎn)生部分區(qū)域的磨損，影響銅板使用壽命。后針對此連鑄線，采用專用的復合功能涂層技術(shù)，上口及中部采用原有的熱噴涂涂層，下口采用底層原有涂層+表層耐磨涂層復合涂層技術(shù)。采用此功能性復合涂層技術(shù)后，銅板磨損量極小，下線后磨損量幾乎可以忽略不計，最深處不足0.1 mm，且使用壽命提高了6~7倍。

圖3 某鋼廠下線銅板電鍍與熱噴涂涂層磨損比較

2.2 長邊銅板熱噴涂技術(shù)

寶鋼的長邊銅板原設(shè)計為Ni-Cr復合鍍層，因其電鍍工藝較為復雜，主要還是靠Ni鍍層起耐磨作用，在結(jié)晶器銅板下部易產(chǎn)生電位腐蝕，使用壽命較短。因此，1988年后，先后用過Ni-Fe鍍層和Co-Ni鍍層，同時也探索過鍍硬Ni鍍層及開發(fā)過寶鋼的Ni-Fe鍍層，并開發(fā)過寶鋼的Co-Ni鍍層。長邊銅板實施Co-Ni鍍層后，使用壽命大幅度提高。由于熱噴涂涂層與電鍍涂層性能上有較大提升，以及寶鋼熱噴涂技術(shù)在短邊銅板上的成功應(yīng)用，寶鋼從2008年起一直在研究開發(fā)熱噴涂長邊銅板技術(shù)，到目前為止，已成功獲得應(yīng)用，并推廣應(yīng)用到全國各大鋼廠。從目前的使用情況來看，長邊銅板的使用壽命獲得了較大提升，但也存在著一些問題限制了熱噴涂長邊銅板的推廣應(yīng)用。例如，結(jié)晶器的使用壽命不僅僅是銅板的使用壽命，還包括周邊很多備件的使用壽命。目前常用的熱噴涂短邊銅板+電鍍長邊銅板使用壽命正好與銅板周邊備件的使用壽命周期相匹配，因此很多時候熱噴涂長邊銅板被動下線，下線后檢查狀態(tài)良好，完全可以繼續(xù)使用，但是不得不下線。且熱噴涂長邊銅板價格相對低廉，由于被動下線，難以體現(xiàn)出性價比的優(yōu)勢，限制其推廣使用。

2.3 銅板冷噴涂修復技術(shù)

銅板使用下線后，噴涂修復前需去除原有涂層。因此，銅板會越來越薄，到達極限尺寸后不得不報廢，造成銅板的極大浪費。且有些銅板側(cè)面由于沒有涂層保護，有些鑄產(chǎn)線側(cè)面磨損較為嚴重，影響銅板的使用壽命。因此采用冷噴涂在原有銅板上噴涂一層銅，原位再生恢復銅板尺寸。冷噴涂為熱噴涂技術(shù)中國內(nèi)外研發(fā)較火的一種技術(shù)，與常規(guī)的熱噴涂等其他技術(shù)相比，加熱溫度相對較低，粒子速度更快，使粒子在臨界溫度下高速撞擊至基體，粒子變形堆垛在基體上形成涂層。冷噴涂技術(shù)對基體的熱影響較小，不影響基體的強度，且冷噴涂溫度相對較低，適合銅的噴涂，不會產(chǎn)生銅的氧化，且結(jié)合強度高，熱應(yīng)力小，較為適合銅板的原位再生尺寸修復，且可以局部區(qū)域性選擇再生，目前此項技術(shù)還在研發(fā)中。

3 結(jié)束語

（1）目前商業(yè)應(yīng)用較為廣泛的結(jié)晶器銅板表面處理技術(shù)為電鍍和熱噴涂技術(shù)。熱噴涂技術(shù)與電鍍技術(shù)相比，操作簡便、高效、穩(wěn)定，涂層硬度、耐磨等性能優(yōu)于電鍍層。

（2）寶鋼熱噴涂技術(shù)已成功應(yīng)用于短邊銅板。采用熱噴涂技術(shù)，銅板的使用壽命獲得了極大的提高。

（3）為滿足用戶產(chǎn)線多樣化的需求，寶鋼結(jié)晶器銅板熱噴涂技術(shù)在功能性復合涂層、長邊熱噴涂銅板、冷噴涂銅板原位修復技術(shù)上進行了研究發(fā)展。