板坯连铸机结晶器铜板材质及表面镀层技术.pdf

第6 l 卷第4 期 2009 年I1 月 有色金属 N o n f e r r o u sM e t a l s V o i ．6 1 。N o ．4 N o v e m b e r ．2009 板坯连铸机结晶器铜板材质及表面镀层技术 张树存，马茜 燕山大学，河北秦皇岛0 6 6 0 0 4 摘 要结晶器是板坯连铸机的关键设备，结晶器铜板是结晶器关键件，结晶器铜板材质及使用情况等直接决定了结晶器的 寿命。综述结晶器铜板材质和表面镀层技术发展现状，介绍国内外最新镀层技术在结晶器上的应用。 关键词金属材料；结晶器；综述；铜板；镀层 中图分类号T G 2 4 9 ．7 ；T G l 4 6 ．I I 文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 l 2 0 0 9 0 4 0 0 3 5 0 4 结晶器是连铸机的核心设备，工况极为恶劣。 结晶器铜板是否具有高导热性和高抗变形能力、高 强度和高表面精度、高硬度和高耐磨性、高耐腐蚀性 以及足够长的工作寿命成为衡量结晶器质量的重要 指标。改善结晶器表面性能对提高其寿命、降低产 品成本具有重要的意义。 1铜板材质 铜板是钢水凝固期间进行热交换并使之成形的 关键件，铜板的材质需满足相应的要求，根据浇铸时 的工艺要求，铜板与钢液面接触的最高温度不得超 过4 0 0 。C 。宽边铜板与短边铜板因其使用部位不 同，所选用的材质也不同。 1 ．1 宽边铜板的材质 连铸机最初采用紫铜板，紫铜板虽然导热性好， 但强度和硬度很低，耐磨性差，高温下强度更低。为 了提高结晶器的使用寿命，现在普遍采用铜合金板 制作结晶器，如铜银合金、铜一铬一锆一砷合金、铜 一镁一锆合金、铜一铬一锆一镁合金等。奥钢联、西 马克结晶器铜板的材质均采用铜银合金、真空冶炼。’ 冷加工成型。前者在铜银合金内表面进行了镀铬。 铜银合金成分为C u 9 9 ．5 ％，A g o ．0 7 ％一0 ．1 ％ 有的 达到0 ．1 3 ％ ，P 0 ．0 0 6 ％左右。采用铜银合金的目 的，主要是提高铜板再结晶温度。当含银量为 0 ．0 8 ％一0 ．1 ％时，再结晶温度为3 1 8 ℃一3 2 6 ℃，比 普通冷轧铜板的再结晶温度约高出5 0 ℃。一般与 钢水液面接触的铜板表面温度在正常冷却条件下为 收稿日期2 0 0 8 0 6 2 9 作者简介张树存 1 9 6 6 一 ，男，内蒙古赤峥市人，副教授，硕士，主 要从事冶金机械及流体传动与控制方面的研究。 2 5 0 “ C 一3 2 0 “ C 。舞钢板坯连铸机结晶器用铜一银合 金制作，化学成分为C u A g 9 9 ．9 ％。A g0 ．0 7 ％一 0 ．1 2 ％。导电率≥9 8 ％I ．A ．C ．S 2 0 ℃ 。机械性能 为曲≥2 0 0 M P a ，0 “ 8 ≥4 0 M P a 。H B ≥4 5 。为了更有效 地提高铜板的使用寿命，在设计和制造中采用了在 铜板表面镀层的方法。 1 ．2 窄边铜板和压板 结晶器的窄边铜板不仅在液面附近有热裂和剥 离现象，而且由于热膨胀受宽边夹紧力的制约，使窄 边铜板受压应力的影响而出现蠕动变形，在其下部 由于调锥度，磨损更严重。因此，一般窄边铜板寿命 比宽边短。据国外资料报道，采用含银的脱氧铜板， 平均使用寿命为2 0 0 0 炉。 0 ．5 0 ．2 N i0 ．0 3 4 0 ．0 5 C r ／ 萋 萋 囊 曼 4 8 O ．13 O ．2 N i 图1 舞钢结晶器铜板镀层尺寸 F i g ．1 S i z eo fc o p p e r p l a t el o n g s i d eo f m o l dg a l v a n i z a t i o n 2 结晶器铜板镀层发展与应用技术 铜板镀层性能的优劣是决定整台结晶器使用寿 命的重要因素之一。连铸技术诞生以来，铜板从裸 用发展为镀c r ，N i c r ，N i F e 合金，直至最新～代 万方数据 3 6 有色金 属 第6 1 卷 的镀N i c o ，N i P 合金镀层等铜板表面改性技术的 应用，更适合高效连铸机，为高效连铸技术的发展提 供了结晶器长寿命的技术保证。 2 ．1 N i - F e 镀层在结晶器铜板上的应用 国内开发的N i ．F e 合金镀层熔点一般为 1 4 0 0 。 ，耐高温能力强，抗热冲击性能好，在板坯和 方坯连铸机上得到应用。然而N i ．F e 镀层抗电位腐 蚀和抗热交变性能很差，并且N i F e 合金镀液不易 控制，控制不好成品率会降低。 图1 为舞钢连铸机结晶器铜板的电镀层尺寸 图，镀层斜度为0 ．5 ／9 0 4 。N i - F e 合金单层镀层与N i 镀层相比，高温强度 4 0 0 。C 时 大2 ．5 倍，延伸率是 后者的1 ／2 。忽略保护渣对热传导的影响，N i ．F e 镀 层的热传导阻力比N i 和M C 复合镀层 都小，见 表1 。‘通过t a b e r 法磨损试验，证明3 种镀层材质在 4 0 0 ℃时的磨损量比例为N i M C N i F e 1 1 ．3 3 1 ．8 3 。 表1三种镀层材质热阻值比较 T a b l e1 C o m p a r i s o no fo ft h r e em a t e r i a lr e s i s t a n c e s 不同温度下的磨损曲线如图2 所示。结晶器镀 层材质不同，其寿命和费用也大不一样，见表2 。在 低速铸造时，3 种材质的结晶器寿命相差不大。在中 速铸造时，N i F e 镀层比M C 镀层寿命高1 ．7 倍，若 以浇注每吨钢所支付的铜板费用来比较，在中速铸 造时方坯连铸机N i ．F e 镀层的结晶器比M C 镀层的 结晶器费用低2 5 ％。板坯连铸机低4 3 ％。而且N i F e 镀层随F e 的含量不同，硬度 H V 可在2 5 0 5 0 0 范围内调整。因此N i F e 镀层的结晶器在中、低速连 铸机铸造中得到广泛的应用。 热处理温度f c A N i ；B N i 4 ％F e ；C N i 5 ．7 ％F e ； D N i l O ．6 ％F e E N i P F C r 图2 几种材质的磨损曲线 F i g ．2 A t t r i t i o ne u l - v eo fs o m em a t e r i a l s 2 ．2 N i C o 合金在结晶器铜板上的应用 铜板上N i C o 合金镀层从根本上克服了前几代 镀层 C r ，N i ，N i F e 合金 的剥落、裂纹等缺陷，可使 结晶器的使用寿命提高到2 0 0 0 炉以上。目前这一 技术已在美国、澳大利亚、加拿大等国广泛应用，是 目前世界上连铸机结晶器铜板电镀领域内最具使用 价值和最先进的技术。该技术的优点是镀层质量 好、内应力很小、耐磨性和抗蚀性高、能自动调控镀 层厚度和硬度、原材料消耗少、占地面积小及操作方 便。这一工艺技术对结晶器铜板生产厂、铜板电镀 修复厂和炼钢厂均会带来较大的经济效益。日本专 利介绍了特殊组成的N i C o w 结晶器表面镀层。该 镀层采用电镀方法生产，其镀液组成中含5 0 7 0g ／ L 的N i ，0 ．5 ～2 0g ／L 的C o ，l 一1 4g ／L 的W 及5 1 2 0g ／L 的有机酸，镀液p H 为2 ．1 ～4 ．0 ，镀层厚度 为0 ．5 4 ．0 r a m 。N i C o W 合金镀液具有良好的深 镀、均镀能力，其化学性能好、稳定性高，具有较强的 高电流密度承受能力，而且镀层应力小，结合强度 高，硬度可达5 3 5 H V ，表面平整光亮。 表2 不同镀层结晶器的寿命 T a b l e2 U s i n gl i f eo fm o l dw i t h8 0 l n e d i f f e r e n tg a l v a n i z a t i o n 2 ．3N i - P 镀层在结晶器铜板上的应用 N i P 合金经4 0 0 。C 时效后，其耐磨性优于铜锡 合金、电镀镍、硬铬等耐磨材料。经过实验，在结晶 器表面采用电刷N i P 合金镀层，由特殊镍 快速镍 9 8 7 6 5 4 3 2 l O O 0 0 O 0 0 0 O O 回80I，嚣，棚鞲避 万方数据 第4 期张树存等板坯连铸造机结晶器铜板材质及表面镀层技术 3 7 N i ．P 合金镀层构成，结构示意图如图3 所示。该 镀层用于结晶器内壁强化，其膨胀系数与铜基材较 接近，使得镀层不易过早脱落，而且在使用温度下 N i ．P 合金镀层具有良好的红硬性、耐磨性、热疲劳 性，对于提高结晶器的使用寿命具有重要应用价值。 N i P 合金 快速N i g e r ／来N i 快速N i 特殊N i 钢基体材料 图3电刷镀N i - P 合金层结构示意 F i g ．3S c h e m eo fN i Pa l l o yc o a t i n g b yb r u s h p l a t i n g 在镀有N i P 的铜质结晶器表面加入粒度小于 5 I x m 的S i C ，B 4 C ，T i N 等颗粒，可以获得硬度及耐磨 性优良的复合镀层。经过对N i P ，N i P - S i C ，N i P - B 4 C 复合镀层的耐磨性、硬度的研究，结果表明，在 相同的热处理条件下，含S i C 和B 4 C 颗料的复合镀 层的硬度 分别为1 1 6 8 H V 和1 1 7 0 H V 高于N i - P 合 金层的硬度 1 0 6 0 H V ，N i P S i C 和N i P B 4 C 复合镀 层的耐磨性分别提高4 1 ．9 倍和7 2 4 倍。钨加入到 N i ．P 复合镀层中，使合金镀层的硬度、熔化温度及热 稳定性都相应提高。由于少量的磷、钨在镀层中起 着强化作用，使镀层形成比较牢固的固溶体，从而保 证了镀层与基体结合的牢固性，在连铸的过程中不 会出现结晶器内表面镀层的脱皮，可以满足结晶器 的要求，且其性能优于N i c r 合金镀层，在提高连铸 结晶器使用寿命的同时可以消除铸坯表面的星形裂 纹，而不会影响铸坯的表面的质量。 2 ．4 纳米复合镀层在结晶器铜板上的应用 目前成功研制的连铸结晶器上纳米微粒增强复 合镀层技术是一种纳米微粒混合粉末A I O ，，S i C ， S i ，N 。及石墨作为第二相颗粒，镍作为基质金属，在 板上形成结晶致密，结合力好的电沉积复合镀层。 其镀上纳米复合材料的结晶器具有超硬 耐磨 和减 磨 自润滑 的特点，其复合镀层硬度值和耐磨性能 比普通的N i c r 镀层高近2 倍。由于采用了具有超 硬和减磨特性的纳米尺寸微粒，增强和增润了结晶 器与钢水接触的内表面，既不影响导热 因为导热性 能低的增强、增润材料，以纳米尺寸均匀分布在镀层 中，热流从四周流过 ，又可大大提高耐磨性 超硬微 粒抵御钢坯磨损，减磨微粒发生自润滑而减少摩 擦 ，可以显著提高结晶器使用寿命和铸坯表面质 量。纳米微粒增强复合镀层技术为连铸结晶器带来 了一场世界性的技术革命。 3 结晶器铜板镀层技术展望 结晶器铜板镀层必须具有高硬度、高耐磨性，以 抵抗高拉速下坯壳的磨损，同时，基体也必须有较高 的强度和较高的抗软化温度，以减少铜板基体在高 温下的变形，保证拉坯截面的几何精度。强度、硬 度、耐磨性、导热性、热力学性能是衡量结晶器镀层 质量好坏的主要指标。稀土元素由于其电子结构特 点和独特的性能而被广泛应用于材料科学领域，在 表面处理中的应用也越来越受到关注。电沉积制备 的稀土合金膜在磁、光、核及超导领域有很大的应用 前途，在结晶器表面改性的应用中也有广泛的前景。 另外纳米复合镀层突破了其它复合镀层的局限，为 复合镀层的发展提供了新的机遇。利用化学镀技术 将具有各种优良特性的纳米颗粒引入金属镀层中， 由于纳米粒子独特的物理及化学性能，使得其形成 纳米化学复合镀层性能更加优异，是纳米材料技与 化学复合镀技术结合的结果，是化学复合镀技术展 中又一次质的飞跃。 4结语 结晶器的使用寿命，主要是铜板的使用寿命，其 主要指标为铜板的耐磨性，耐磨性增加，使用寿命随 之增加，因此，寻找合适的材质及镀层成为延长结晶 器寿命的关键技术。根据不同的铸机、不同的浇铸 速度，使用不同材质及镀层可大大提高结晶器的使 用寿命，降低维修费用提高生产率。 参考文献 [ 1 ] 方克明，张宏杰，陈增琪，等．连铸机结晶器铜板用N i C o 合金镀层的探讨[ J ] ．连铸，2 0 0 2 ， 3 1 4 1 5 ． [ 2 ] 刘升．板坯结晶器铜板材质及镀层的优化与应用[ J ] ．铸造设备研究，2 0 0 4 ， 4 2 8 3 0 ． [ 3 ] 万安元．国内外板坯结晶器镀层情况简介[ J ] ．材料保护，2 0 0 1 ，3 4 4 3 7 4 0 ． 万方数据 3 8有色金属第6 1 卷 [ 4 ] 杨明锋，张铁军．连铸机结晶器铜板电镀镍一钴 N i - 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