呂春雷，夏　鵬，高　茜，朱敏敏，徐玉蘭，李曉衛(wèi)

(1. 上海寶鋼工業(yè)技術(shù)服務(wù)有限公司 機械制造分公司，上海 201900；2. 馬鋼股份公司 第四鋼軋總廠，馬鞍山 243000)

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連鑄結(jié)晶器銅板表面鍍層失效分析

呂春雷1，夏鵬1，高茜2，朱敏敏1，徐玉蘭1，李曉衛(wèi)1

(1. 上海寶鋼工業(yè)技術(shù)服務(wù)有限公司 機械制造分公司，上海 201900；2. 馬鋼股份公司 第四鋼軋總廠，馬鞍山 243000)

結(jié)晶器是連鑄技術(shù)過程中非常重要的組成部件.結(jié)晶器銅板長時間經(jīng)受鋼水沖刷，必須具有很高的耐摩擦磨損、耐腐蝕性能.結(jié)晶器銅板常見的失效形式有裂紋、腐蝕等，本文結(jié)合案例研究和分析了結(jié)晶器銅板的主要失效形式及其原因.

連鑄結(jié)晶器銅板； 合金鍍層； 腐蝕； 裂紋

隨著我國鋼鐵行業(yè)的快速發(fā)展，連鑄設(shè)備的普及程度大幅提高.連鑄設(shè)備和連鑄技術(shù)也取得重大進步，連鑄設(shè)備朝著大型化和高拉速的方向發(fā)展.隨著市場對鋼材品種、質(zhì)量要求的提高，對結(jié)晶器銅板的要求也越來越高[1].

結(jié)晶器是連鑄機的心臟，生產(chǎn)中，高溫鋼水通過結(jié)晶器冷卻成型，銅板既要承受高溫鋼水的熱負荷，又要承受鋼坯運動而產(chǎn)生的磨損和應(yīng)力作用[2-3].極易發(fā)生磨損、腐蝕、熱裂、變形，失效很快.因此，要求結(jié)晶器銅板材質(zhì)具有：良好的導(dǎo)熱性、較高的室溫和高溫抗拉強度、屈服強度、較高的軟化溫度、良好的耐磨、耐蝕性等.其中Cr-Zr-Cu合金具有優(yōu)良機械性能、物理性能和使用壽命，是制作結(jié)晶器銅板的良好材料之一，在國內(nèi)已得到廣泛使用.

結(jié)晶器銅板的主流修復(fù)技術(shù)為表面電鍍鎳或鎳基合金，主要有厚鎳[4-5]、鎳鈷合金[6-7]、鈷鎳合金[8]、鎳鐵[9]合金等幾種鍍層，銅板表面進行電鍍處理主要目的是提高銅板的使用壽命，減少單次修復(fù)的切削量.結(jié)晶器銅板表面涂層的失效形式主要有鍍層剝落、鍍層腐蝕等，本文結(jié)合大量案例論述了結(jié)晶器銅板的主要失效形式并對原因進行了分析.

1　鍍層剝落

1.1一般性剝落

一般性裂紋剝落主要是鍍層因結(jié)合力差引起的鍍層起殼，這主要是因為電鍍前處理不到位引起的.該類失效形式多發(fā)生在銅板上線初期，鍍層剝落處無裂紋，基材光滑.若電鍍作業(yè)過程規(guī)范，該類失效形式可以避免.

1.2裂紋性剝落

結(jié)晶器銅板連鑄生產(chǎn)過程中，受拉速、保護渣、冷卻水、鋼種等因素的影響銅板表面與背面存在著很大的溫度梯度，即存在較大的熱應(yīng)力[10]，熱應(yīng)力的產(chǎn)生使得銅板表面極易產(chǎn)生熱裂紋，進而導(dǎo)致表面鍍層的裂紋性剝落.其中拉速對熱裂紋的產(chǎn)生影響較大，尤其是高拉速連鑄機，當(dāng)拉速較高銅板表面溫度偏高時，熱裂紋極易向背面擴展，有時裂紋深度達到10mm，極易造成銅板報廢，中高拉速連鑄機表面鍍層裂紋性剝落是常見的銅板失效形式.圖1(見第200頁)為國內(nèi)某中高拉速連鑄機拉速和銅板表面溫度關(guān)系的曲線.從圖中也可以看出，拉速越高，銅板表面溫度越高，出現(xiàn)熱裂紋的概率越大.本節(jié)將從母材質(zhì)量、鍍層材料、鍍層厚度、連鑄使用方面結(jié)合案例論述裂紋性剝落的失效形式.

1.2.1由母材引起的裂紋性剝落

結(jié)晶器母材的質(zhì)量要求非常嚴(yán)格，制作過程十分苛刻，其主要制作工序[11]包括：原材料→真空熔煉→真空鑄錠→檢驗分析成分→鍛造→固溶處理→時效處理→粗加工→機械性能檢測→超聲波探傷→成品檢驗.任何工序的缺失都將影響母材的質(zhì)量.常見的銅板缺陷有夾渣、合金元素含量偏差、金相組織晶粒粗大，這都將影響銅板使用過程的抗裂紋性能.目前來講國產(chǎn)母材的抗裂紋性能低于進口母材.

1.2.2由鍍層材料引起的裂紋剝落

以寬面銅板為例，因鈷鎳合金的耐磨損性能遠大于純鎳鍍層，故目前多數(shù)采用表面電鍍鈷鎳合金修復(fù).而各大鋼鐵設(shè)計院包括奧鋼聯(lián)等國外設(shè)計院，銅板設(shè)計圖紙仍為電鍍純鎳鍍層，主要是因為結(jié)晶器銅板在工作時，要經(jīng)受300℃左右的熱疲勞，純鎳鍍層的高溫抗拉強度遠大于鈷鎳合金鍍層，因此其高溫耐裂紋性能優(yōu)異.表1列出了鎳、鈷鎳合金和銅板母材常溫和高溫下的抗拉強度.

從表1可以看出，當(dāng)銅板在300℃左右工作時，鈷鎳鍍層的抗拉強度和純鎳鍍層相比大幅下降.因此采用鈷鎳鍍層修復(fù)的銅板在彎月面處經(jīng)常能觀察到縱向微裂紋的出現(xiàn).若銅板過鋼量超過一定極限或結(jié)晶器內(nèi)鋼液面過高，將加速裂紋的擴展，使裂紋將由縱向裂紋擴展為網(wǎng)狀裂紋引起鍍層剝落，圖2為典型的網(wǎng)狀裂紋剝落形貌.

表1　各材料室溫和300℃抗拉強度

1.2.3由鍍層厚度引起的裂紋剝落

表2　工況

結(jié)晶器銅板工作中，上部與高溫鋼水接觸，需要將鋼水的大量熱量迅速導(dǎo)出，要求結(jié)晶器銅板上部應(yīng)具有優(yōu)良的導(dǎo)熱能力.而鍍層材料和銅板母材相比，導(dǎo)熱性能遠低于銅板母材，因此需要將鍍層厚度控制在一定范圍之內(nèi).銅板在300℃時的各鍍層材料的導(dǎo)熱系數(shù)分別為：CCM-B(Cu)為354.6W/(m·℃)；Ni為 63.95W/(m·℃)；Co-Ni為67.44W/(m·℃).在表2給出的工況條件下，運用Ansys熱解析技術(shù)計算了不同鍍層厚度下銅板表面的最高溫度，如圖3所示.

從圖3可以看出，連鑄工況條件一定的條件下，隨鍍層厚度的增加，銅板表面溫度呈直線上升，且鍍層材料越厚，相同厚度的鎳和鈷鎳鍍層表面溫差越大.因此減輕鍍層對傳熱的熱阻的唯一方式即為降低鍍層厚度.目前國內(nèi)合金鍍層的厚度多控制在 0.5mm 以內(nèi)，而各設(shè)計院圖紙的純鎳鍍層厚度均為 0.5～0.7mm.

1.2.4由連鑄工況造成的鍍層剝落

近期國內(nèi)某鋼廠3號連鑄線連續(xù)性發(fā)生大面積鍍層剝落，且發(fā)生鍍層剝落的時間均為開澆初期，位于結(jié)晶器寬面銅板和窄面銅板交界處的彎月面區(qū)域，剝落區(qū)域有肉眼可見的明顯裂紋，剝落形式呈爆炸型開放性剝落，如圖4所示，剝落面積之大，裂紋深度之深十分罕見.

鍍層經(jīng)受超過其軟化溫度的高溫后，通常會表現(xiàn)為硬度下降.通過硬度分析發(fā)現(xiàn)，鍍層剝落區(qū)域硬度衰減明顯，較正常硬度下降20%左右，說明其經(jīng)受過局部高溫.正常情況下鍍層材料由鈷和鎳兩種金屬組成，而采用元素分析儀分析發(fā)現(xiàn)剝落區(qū)域含有大量的異常元素，如表3所示.由于剝落區(qū)域面積較大，因此也對剝落區(qū)域露出的銅板母材進行了元素分析，如表4.從表4也可以看出，剝落區(qū)域銅板母材表面也黏附了大量的異常元素.

煉鋼過程，如果加入少量的含鋅廢鋼，由于鋅的熔沸點遠低于鋼液的溫度，其會以氣態(tài)形式揮發(fā).但如果含鋅廢鋼的量較大，則受飽和蒸汽壓的影響，將有一部分氣態(tài)鋅或其他氣態(tài)低熔點金屬殘留在鋼液中，建立氣液平衡.

表3　剝落區(qū)域鍍層元素分析

表4　剝落區(qū)域母材元素分析

連鑄過程，鋼液從浸入式水口進入結(jié)晶器內(nèi)部，受鋼液單、雙循環(huán)流模型的影響，結(jié)晶器彎月面角部將接觸到最新鮮的鋼液.該過程雖然氣液平衡被打破，但由于保護渣的覆蓋，低密度氣態(tài)鋅或其他氣態(tài)低熔點金屬上浮至彎月面區(qū)域，在結(jié)晶器表面實現(xiàn)氣態(tài)向液態(tài)或固態(tài)的轉(zhuǎn)化，局部放熱產(chǎn)生瞬間高溫，使得銅板表面出現(xiàn)微裂紋.微裂紋出現(xiàn)之后，氣態(tài)鋅或其他氣態(tài)低熔點金屬將沿裂紋向銅板內(nèi)部擴散，并進一步冷卻膨脹產(chǎn)生鍍層爆炸型開放式剝落.表3和表4的元素分析也證明的這一點.鍍層剝落的發(fā)展過程如圖5所示.

通過合理的選擇鍍層材料，選擇抗裂紋性能更佳的材料進行修復(fù)，可以使這類問題得到緩解.目前通過技術(shù)改進，我廠已配合該廠徹底解決了該問題.

2　下口鍍層腐蝕

結(jié)晶器銅板，尤其以寬面銅板為主，在下部發(fā)生腐蝕是常見的失效形式，腐蝕形貌多有規(guī)律可循，屬于常見腐蝕類型中的電偶腐蝕.

2.1機理

結(jié)晶器在工作過程中，鋼液逐漸由液態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)，并在表面形成一層坯殼，鑄坯下行的過程中在結(jié)晶器出口端和二冷區(qū)采用水噴淋進行強制冷卻.而以堿金屬的氟化物為主的保護渣也隨鑄坯下行，所以結(jié)晶器銅板，包括足輥和扇形段足輥的腐蝕是典型的失效形式.

鑄坯在凝固過程會和結(jié)晶器銅板表面產(chǎn)生一定量的間隙，間隙中若容納一定量的水蒸氣將產(chǎn)生含氟電解液，并形成以銅板鍍層為陽極，鑄坯為陰極的腐蝕原電池，使得銅板表面發(fā)生電化學(xué)腐蝕，當(dāng)鍍層被腐蝕露出基體時，其將發(fā)生以銅板基材為陰極，鍍層為陽極的自身電化學(xué)腐蝕，如圖6所示.該類失效形式多發(fā)生結(jié)晶器的出口端，以寬面和窄面交界處最為嚴(yán)重.其主要影響因素有錐度、對中標(biāo)準(zhǔn)、銅板變形等.本節(jié)將分別列舉案例進行介紹.

2.2錐度引起的腐蝕

在結(jié)晶器中鋼水由于受到冷卻而形成一定形狀的坯殼，隨著鑄坯不斷下移，溫度也不斷下降而收縮，若結(jié)晶器沒有倒錐度，就會在坯殼與結(jié)晶器之間形成氣隙.過大的倒錐度會增大拉坯阻力，過小的倒錐度會形成氣隙，根據(jù)經(jīng)驗，倒錐度一般取0.5%～0.8%.其中氣隙的產(chǎn)生是發(fā)生結(jié)晶器銅板表面鍍層電化學(xué)腐蝕的充分條件.目前我廠在窄門銅板雖采用了耐腐蝕性更好的熱噴涂涂層，但在使用過程中仍偶有發(fā)現(xiàn)因窄門錐度漂移現(xiàn)象產(chǎn)生氣隙而發(fā)生的腐蝕現(xiàn)象.

因此在連鑄過程中控制合理的倒錐度，將有利于改善結(jié)晶器銅板的腐蝕問題，延長其使用壽命.

2.3鑄坯局部收縮變形引起的腐蝕

鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)角部的冷卻為二維冷卻，即同時受到寬面銅板和窄面銅板的冷卻，因此角部鑄坯的坯殼較其他區(qū)域的坯殼厚，角部鑄坯的收縮量大于其他部位，容易使角部鑄坯和銅板之間產(chǎn)生氣隙，導(dǎo)致銅板表面出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象.而且角部鑄坯坯殼厚，硬度高，一旦出現(xiàn)腐蝕將極易伴隨磨損使銅板失效.圖7為典型的結(jié)晶器下端角部鑄坯與銅板之間產(chǎn)生間隙而發(fā)生腐蝕的表面形貌，腐蝕區(qū)域粗糙度增大.

2.4對中尺寸不合理引起的腐蝕

結(jié)晶器足輥設(shè)于結(jié)晶器的下方用以支撐和導(dǎo)向來自結(jié)晶器的鑄坯，分為寬面足輥和窄面足輥.足輥是結(jié)晶器重要部分，要求與結(jié)晶器有嚴(yán)格的對中，在振動時與結(jié)晶器一起振動.

由于結(jié)晶器下端配制噴淋裝置，因此受足輥的導(dǎo)向作用，如果對中過程足輥移向鑄坯，就很容易導(dǎo)致鑄坯遠離結(jié)晶器銅板，使大量水蒸氣進入結(jié)晶器下端，產(chǎn)生大面積腐蝕.對中尺寸不合理產(chǎn)生的腐蝕和結(jié)晶器下端的噴嘴有較明顯的對應(yīng)關(guān)系，如圖8，該類腐蝕并不影響結(jié)晶器壽命，一般能達到規(guī)定的使用壽命后下線.但連鑄過程當(dāng)噴淋設(shè)備上噴嘴不慎脫落時，將在短時間內(nèi)產(chǎn)生極端腐蝕情況，如圖9.國內(nèi)某鋼廠新投產(chǎn)的機組，結(jié)晶器下線時經(jīng)常發(fā)現(xiàn)銅板下端面有規(guī)則的腐蝕瘢痕，后經(jīng)我廠判斷為對中尺寸超差所致.結(jié)晶器對中一般都有嚴(yán)格的對中標(biāo)準(zhǔn)，可通過對中樣板對中，也可測量組裝好的寬面銅板的開口度A和足輥的開口度B比對，如圖10.

表5　機組對中標(biāo)準(zhǔn)

表5列出了國內(nèi)某些鋼廠部分機組的對中標(biāo)準(zhǔn).表5中的機組4即為前文所致的對中尺寸不合理的機組.B值偏低使得鑄坯遠離銅板，間隙增大導(dǎo)致大量水蒸氣進入內(nèi)部產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕.

因此合理的對中標(biāo)準(zhǔn)將有助于結(jié)晶器銅板出口端得到保護，延長其使用壽命[12].

2.5銅板局部變形引起的鍍層腐蝕

近期國內(nèi)某鋼廠下線銅板發(fā)現(xiàn)密集條狀腐蝕，如圖11所示.通過對照銅板背面和工作面的腐蝕中心發(fā)現(xiàn)，其腐蝕中心均位于銅板背部螺栓中間，如圖12所示.經(jīng)過熱解析計算發(fā)現(xiàn)，工作狀態(tài)點A比點B的溫度高28.9℃，即橫斷面上存在較大的溫度波動，因此其在工作狀態(tài)時的熱膨脹也不同，容易造成銅板局部熱變形不一致，使點B遠離鑄坯產(chǎn)生氣隙，并造成電解質(zhì)滯留形成腐蝕原電池，進而發(fā)生電化學(xué)腐蝕.通過優(yōu)化A點冷卻結(jié)構(gòu)的方法應(yīng)該有助于解決該問題，有待進一步的研究.

3　結(jié)　論

連鑄結(jié)晶器銅板是連鑄機的核心備件，其表面鍍層失效形式主要為裂紋剝落和腐蝕.本文通過案例闡述了上述現(xiàn)象的主要原因.

(1) 裂紋剝落主要和拉速、工況有關(guān).控制合理的拉速，降低結(jié)晶器銅板彎月面溫度，減少鋼液中雜質(zhì)都將有助于降低裂紋剝落的概率.

(2) 結(jié)晶器銅板下端的腐蝕情況為典型的電化學(xué)腐蝕，本文主要闡述了其發(fā)生的機理.控制合理的倒錐度、優(yōu)化銅板橫斷面的冷卻都將有助于使腐蝕問題得到改善.

總之，連鑄向著大型化、高速化發(fā)展的同時，優(yōu)化鍍層材料，優(yōu)化銅板母材制造工藝、優(yōu)化銅板冷卻結(jié)構(gòu)，才能逐步適應(yīng)將來惡劣的工況.

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Failure Analysis of the Coating on Continuous Casting Mold

Lü Chunlei1， XIA Peng1， GAO Qian2， ZHU Minmin1， XU Yulan1， LI Xiaowei1

(1. Shanghai Baosteel Industry Technological Service Company Limited， Shanghai 201900， China;2.No.4SteelmakingandRollingGeneralPlant，Ma’anshanIronandSteelCo.Ltd.，Ma’anshan243000，China)

As a very important component in the continuous casting process， the continuous casting mold needs great wear resistance and great corrosion resistance for the long-time erosion of the molten steel. The common failure modes of the copper plate include cracks and corrosion etc. The mail failure modes were discussed with examples and the reasons were analyzed.

continuous casting mold; alloy coating; corrosion; crack

0427-7104(2016)02-0199-06

2015-11-09

呂春雷(1983—)，男，工程師，通訊聯(lián)系人，E-mail：7408348@163.com.

TQ 153.2

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