王 鈺，景群社，李仲平

(山西百一機械設備制造有限公司，山西 太原 030003)

0 前言

結晶器是連鑄機的核心設備之一。其作用是將連續(xù)不斷地注入其內腔的鋼液通過水冷銅壁強制冷卻，導出鋼液的熱量，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)不斷地從結晶器下口拉出，為其在以后的二冷區(qū)域內完全凝固創(chuàng)造條件。在鋼水注入結晶器逐漸形成一定厚度坯殼的凝固過程中，結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，使結晶器同時處于機械應力和熱應力的綜合作用之下，尤其是結晶器窄面銅板，正常壽命不足寬面銅板的50%，其使用狀況直接關系到連鑄機的性能，并與鑄坯的質量與產量密切相關。因此，結晶器銅板涂層合理的設計是保證鑄坯質量、減小溢漏率、提高其使用壽命的基礎。

1 結晶器銅板涂層技術對比分析

目前國內結晶器銅板常用的防護方法有電鍍鎳鈷鍍層、電鍍鈷鎳鍍層防護和超音速火焰噴涂 (HVOF)涂層防護。以不銹鋼鑄坯316L連鑄生產為例，結晶器長度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結晶器窄面銅板，過鋼量1.8萬t時，窄面銅板下口兩側出現錐形高溫機械磨損，輕微漏銅 (圖1);過鋼量2.7萬t時，窄面銅板下口兩側錐形機械磨損變寬，漏銅面積增大 (圖2);過鋼量達到3.75萬t時窄面銅板下口400 mm長度內50%裸露銅基體，無法使用 (圖3)。

仍然是不銹鋼316L鑄坯，結晶器長度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的結晶器窄面銅板，過鋼量2.54萬t時，窄面銅板涂層完整無磨損 (圖4)。過鋼量達到4萬t時，窄面銅板涂層距下口邊緣約10 mm處出現15 mm×145 mm凹陷露出銅基 (圖5)。

在過鋼量4萬t時，使用電鍍鎳鈷涂層，同機使用的寬面銅板磨損輕微，按照技術標準，應該屬于可以正常使用的安全范圍 (圖6)。

對比檢測鎳鈷鍍層與超音速噴涂涂層的主要技術參數見表1。參數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、耐腐蝕性更強的特點。從而在線測試顯示出較強的耐高溫磨損能力，較鎳鈷鍍層更具技術延伸需求。

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

而對于碳鋼連鑄生產線，以結晶器長度800 mm，錐度R5.3 mm，拉速1.4 m，窄面銅板涂層使用兩種技術，過鋼量達到22萬t時，窄面銅板涂層磨損，下線更換 (圖7)。對比不銹鋼連鑄，顯示出鑄坯成分對結晶器涂層的影響有強烈的區(qū)別。

圖7 碳鋼連鑄窄面銅板鎳鈷鍍層22萬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

通過對比分析可以發(fā)現:①同種涂層窄面銅板在不銹鋼連鑄領域的使用壽命遠低于碳鋼連鑄;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理分析

對于不銹鋼連鑄，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。澆鑄過程中，鋼液中容易出現高熔點氧化物夾雜，鑄坯表面易出現凹陷、裂紋、深振痕及夾渣等缺陷，引起對結晶器涂層的破壞。

(1)不銹鋼鑄坯表面嚴重的深震痕波紋大幅增加了對涂層表面的機械磨損;

(2)深震痕縫隙攜帶更多的保護渣，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，配合結晶器非正弦振動，使下口機械磨損大幅上升;

(4)窄面銅板設計錐度遠大于寬面銅板，加之鑄坯邊角部熱傳導效率最高，因此窄面角部結殼厚度也最深，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重;

(5)不銹鋼高溫機械性能較碳鋼有很大的提升，因此對窄面涂層的磨損更加嚴重。

所以，在實際連鑄工況中結晶器正常停機下線主要決定于窄面銅板涂層的損壞程度。當窄面銅板被迫下線，與之配套同機使用的寬面銅板還基本保持完好。這就需要對結晶器涂層技術進行更精細的研究，優(yōu)化技術層級，區(qū)別寬、窄面涂層技術應用方案，最終達到寬窄面同時使用，同期磨損下線，避免效能浪費。

3 涂層新技術

在不銹鋼連鑄領域，通過多年技術研究，分析對現場工況的長期跟蹤和使用效果。對于目前結晶器窄面銅板涂層技術，能有效的解決高溫熱裂紋、化學侵蝕裂紋問題。影響壽命的突出技術參數在于結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。對比鎳鈷鍍層與超音速噴涂涂層，兩種技術的熱傳導性均穩(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，涂層表面硬度大幅提高，高溫耐磨損能力明顯上升，并在實際工況使用中顯示累計壽命比較長。除鍍鉻外，電鍍技術不能提升鍍層表面硬度。近些年隨著材料技術的發(fā)展，噴涂逐步被應用于結晶器的涂層制作，而在噴涂中提高噴涂粒子的飛行速度，令其達到超音速，并將粒子熔融噴射到經過前處理的銅板基體，隨后通過封孔和熱處理、加工形成的涂層被稱為超音速噴涂。其優(yōu)點在于:①高熔點，可經受住鑄坯高溫;②硬度高 (HRC 74或HV1400)抗磨損能力強;③具有化學惰性和穩(wěn)定性，不和粉末 (保護渣)或鋼鐵反應;④涂層很薄，對銅板基體傳熱的改變輕微。

通過現場實驗發(fā)現，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。實際連鑄現場，送引錠頻繁，極易造成對噴涂涂層的損傷，一旦出現中上部脆裂掉塊，不僅結晶器銅板報廢損失，且影響到連鑄的熱停工，損失將以百萬計。所以對于超音速噴涂技術，需要研究解決脆裂掉塊這類安全問題，以及邊緣的塌陷問題。

目前，山西百一機械設備制造有限公司采用將高效能半導體激光器與火焰噴涂相結合新型噴涂技術，該技術實現簡單、高效、高質量、低成本的涂層制備過程，其工藝特點:無需酸洗、吹砂等專門的預處理工藝，無需使用其它工藝制備過渡層，直接進行寬帶噴涂;在淺熔池形成的同時自行啟動環(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，大大提高生產效率、降低能耗，粉末利用率95%以上;同時由于可精確控制粉末的熔化狀態(tài)，使得涂層的內應力顯著降低，涂層完成后無需進行去應力退火，直接機加工即可。更重要的是涂層為均勻的大顆粒硬質相鑲嵌組織，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解決了超音速噴涂的脆裂掉塊問題。這種涂層可以實現與鎳鈷鍍層相同的厚度，結晶器非正弦振動中，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，用于結晶器窄面銅板涂層，可實現連鑄生產所期望的窄面銅板涂層壽命提高到寬面的技術水平，達到寬窄面同期下線，效能充分利用，減少停機次數與時間，增大產量。

4 結束語

結晶器是連鑄的核心設備，連鑄需要不斷的優(yōu)化結晶器工藝技術，提高技術控制水準。最新型的噴涂技術將在涂層質量、生產成本、生產效率、環(huán)保等方面取得重要成果。對于鋼鐵連鑄行業(yè)也將提供更有力的技術支持。

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

［2］ 蔡開科．連鑄結晶器 ［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］．包頭鋼鐵學報，2001，20．(1)．

［4］ 王文學．不銹鋼特性及其對板坯連鑄機的要求［J］．重型機械，2010(S1)．