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铜板结晶器熔覆

铜板结晶器熔覆

结晶器是连铸机的核心,是将钢水注入其中,经过冷却,使钢水外层形成连续的硬壳,形成铸坯,并将铸坯逐渐拉出的装置。结晶器中的铜板因其所服役的工况条件,易产生热裂纹、磨损和腐蚀。提高结晶器铜板表面的高温硬度、耐磨性、热疲劳性及延长使用寿命,是目前冶金行业极其重要的研究课题。


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结晶器是连铸机的核心,是将钢水注入其中,经过冷却,使钢水外层形成连续的硬壳,形成铸坯,并将铸坯逐渐拉出的装置。结晶器中的铜板因其所服役的工况条件,易产生热裂纹、磨损和腐蚀。提高结晶器铜板表面的高温硬度、耐磨性、热疲劳性及延长使用寿命,是目前冶金行业极其重要的研究课题。


>>铜板结晶器背景

结晶器是连铸机的核心,是将钢水注入其中,经过冷却,使钢水外层形成连续的硬壳,形成铸坯,并将铸坯逐渐拉出的装置。结晶器中的铜板因其所服役的工况条件,易产生热裂纹、磨损和腐蚀。提高结晶器铜板表面的高温硬度、耐磨性、热疲劳性及延长使用寿命,是目前冶金行业极其重要的研究课题。

目前国内大型钢厂和研究机构通过电镀、热喷涂等表面处理方法在结晶器铜板表面制备耐磨涂层,以提高其耐磨性能。尽管这些工艺方式成本较底,但是,涂层与基体是机械结合,结合力较弱,涂层厚度有限,使用过程易产生脱落,裂纹等缺陷,表面强化效果不尽理想。采用激光熔覆技术可制备与铜板形成冶金结合的耐磨涂层,涂层结合力强,涂层厚度可控,使用寿命更长,对环境无污染等特点,因此采用激光熔覆技术对结晶器铜板表面强化具有良好的效益。


>>激光熔覆工艺

1.技术难

 (1) 铜导热性能优良,无论是普通焊接还是激光熔覆都很难形成熔池。

(2) 铜材质特别是紫铜材质对激光反射大,对一般波长的激光反射率达到80%以上。

(3)  涂层材料难以完全满足铜板工作技术要求。

(4)  涂层裂纹控制困难。


熔覆粉末采用HR-Ni-S14(Ni60),成份见表一。

表一

元素组份

Fe

Ni

Cr

Mo

Co

Si

Nb

HR-Ni-S14

3.8

79.4

15.5

0.12

0.128

0.7

0.06

铜板:铬锆铜板。

表二

元素组份

Cu

Fe

Cr

P

Si

Zr

铬锆铜

97.9

0.036

0.86

0.4

0.7

0.103


                             

                     图3.26 结晶器铜板基材

1)      设备:光纤激光设备,三点喷嘴,光斑3-5mm粉末利用率65-75%。

2)             工艺参数,见表三。

表三

工艺序号

功率

W

送粉量

g/min

扫描速度

mm/s

保护气

L/min

送粉气

L/min

道间距

mm

1

X1

X1

X1

X1

X1

X1

2

X2

X2

X2

X1

X1

X2


2.检测结果

1)表面成型

在铜板上进行熔覆,熔覆成型效果见图3.27。

                                             

图3.27铜板熔覆Ni60涂层效果

熔覆表面成型良好,平整,起伏小,无明显沾粉,沁润性较好,着色探伤表面无裂纹等缺陷。

2) 金相检测

熔覆后在垂直于熔覆方向的平面上截取25mm长的试样进行金相检测,如图3.28。

图3.28  铜板熔覆涂层横截面



从宏观观察,表面起伏较小,熔覆层有一定厚度,熔覆界面相对较清晰,显波浪形,存在熔深,是熔覆层与铜板冶金结合的证明。

                                               

图3.29  50X熔覆层与界面(左),100X熔覆层与界面(右)

从微观观察,熔覆层与与基材结合良好,界面模糊,两种材料有一定的互嵌互熔, 属于良好的冶金结合。熔覆层致密无缺陷,厚度到达0.5-0.7mm。

 

3)显微硬度检测

使用维氏硬度计0.2kg载荷检测基材、熔覆层硬度,如图3.10,由基材至热影响区、熔覆层方向共检测8个点。检测结果如表四。   

  

图3.30硬度检测点

 

表四 铜板熔覆层硬度

序号

HV硬度

相应HRC硬度

1

73

-

2

76

-

3

505

50

4

628

56

5

695

59

6

665.9

58

7

654.8

58.1

8

643.9

57.5

4)热震试验

按国标GB/T 5270-2005/ISO2819:1980进行热震试验,试验采用两种冷却方式。第一种,加热至250℃保温10分钟后将试样无熔覆层的一面浸入水中,但不淹至熔覆层,等完全冷却至水温后再取出重新加热,共重复10次。完成后进行另一种冷却方式,与前10次的区别在于试样加热后将整个试样包括熔覆层一并没入水中急冷。完成后采用着色探伤方式检测表面有无裂纹。

                                             

图3.31  热震试验20次后着色探伤

探伤结果良好,无裂纹,剥落等缺陷。

   3.应用

采用激光熔覆技术制作结晶器铜板耐磨涂层,是一种新兴的强化技术手段,相对其它强化方式,在涂层性能、寿命、环境保护、工艺条件、材料选择等方面有很大的优势。可以较大程度地改善结晶器表面性能,达到提高连铸坯质量,延长结晶器寿命和降低生产成本的目的。

图3.32 熔覆后铜板结晶器






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