CN103949601A - 一种薄带连铸结晶辊表面形貌的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种薄带连铸结晶辊表面形貌的制备方法，采用球形硬质颗粒轰击结晶辊表面而获得由球状颗粒轰击产生的凹坑组成无序不规则的表面形貌，该颗粒直径20～400微米，材料为具有维氏硬度Hv大于550的α氧化铝刚玉、硬质合金或高碳合金钢；在结晶辊表面测量面积A中第i个微区上颗粒轰击产生凹坑的投影面积为f_i，所有颗粒轰击的凹坑投影面积的总和为Σf_i，Σf_i与测量面积A比值为FA＝Σf_i/A，FA即为所有颗粒轰击的凹坑投影面积的总和与测量面积A的比；设FT为在测量面积A上除去凹坑投影面积的结晶辊表面面积即可与高温金属液体接触的接触面积与测量面积A比，或称为接触面积比，FT＝1-FA，FT控制在0.25～0.8。

Description

一种薄带连铸结晶辊表面形貌的制备方法

技术领域

本发明涉及薄带连铸技术领域，尤其是涉及一种薄带连铸结晶辊表面形貌的制备方法。

背景技术

薄带连铸生产的板带质量与材料的成分、浇铸工艺、及结晶辊的表面状态紧密相关。薄带连铸结晶辊在过程中承担了金属凝固结晶传热的重要作用，结晶辊表面在薄带连铸过程中经历了与液态金属和固态金属的单向传热过程，辊的表面状态影响接触界面的传热，影响了金属在凝固和冷却过程中组织演变的热力学和动力学行为，影响了冷却过程中板带上产生应力分布。辊的表面状态特性由辊表面的材料状态和形貌两个方面构成。材料状态：涂镀层、表面处理和使用产生的氧化状态；表面形貌：人工加工的纹理或形貌，使用过程磨损形成的形貌。表面形貌直接决定和影响了辊表面与液态及固态金属的接触状态，即影响了凝固和冷却过程的发展。

结晶辊表面形貌常用有机械滚压加工、电火花加工、激光加工、化学蚀刻、喷丸加工。机械滚压加工、电火花加工、激光加工、化学蚀刻产生的表面形貌为有序规则形貌，这种有序化形成了周期结构表面形貌。

周期性的表面形貌导致冷却强度的周期性分布，易使快速凝固结晶过程产生的应力分布状态遗传了周期性分布的特征，若浇铸工艺失当，对铸带的质量影响更敏感；喷丸加工为无序、不规则的杂乱形貌，丸的大小对特征形态影响较大，形貌的可控性较差。较理想的形貌应在微观上具有随机形态分布的特征，辊表面与高温金属微观接触区为非规则形态和非周期性结构，但在宏观上呈现均匀性，并且可以依据要求控制随机形态分布，即微观的随机形态可采用二维度量参数表征和控制，达到宏观的均匀性。现有的评价方式以坑(沟槽)的深度和宽度(或坑槽在单位长度内的数量)作为评价和检验指标。这些指标都属于一维度量。结晶辊在使用时常用粗糙度测量方法对结晶辊的表面形貌进行测量，对于随机表面形貌，粗糙度的参数难以反映表面微区特征，只能获得一维状态下表面微区峰值数，无法了解表面微区形貌的二维特征即峰值点的微区形貌是一尖点还是平台或曲面为特征，而微区形貌特征极大地影响了界面的传热状态。

因此，一维尺度的表征和评价方法不能准确地反映辊面形貌与液态金属或凝固过程中的坯壳二维接触状态。从结晶的角度，一维度量指标只能阐述一维方向上冷却点分布的平均要求，这对于滚压加工等有序规则形态的表面形貌是合适的。在二维面上采用一维度量指标虽然可以简化测量，但用一维度量描述二维区域微观特征是不合理的，二维面上接触面积的形貌度量表征应具有二维特征，即考虑微元形貌特征和有效的接触面积度量，在给定形貌的条件下能对冷却区微元形貌特征分布具有随机性要求和有效接触面积函数要求的表面形貌度量及表征。

发明内容

本发明的目的在于提供一种薄带连铸结晶辊表面形貌的制备方法，减少由于结晶辊表面形貌的原因产生的铸带表面微裂纹，从而改善薄带连铸铸带表面质量。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种薄带连铸结晶辊表面形貌的制备方法，其特征在于，采用球形硬质颗粒轰击结晶辊表面而获得由球状颗粒轰击产生的凹坑组成无序不规则的表面形貌，该颗粒直径20～400微米，材料为具有维氏硬度Hv大于550的α氧化铝刚玉、硬质合金或高碳合金钢；球形硬质颗粒通过气动颗粒加速器加速，气动颗粒加速器的载气压力0.1～3MPa，载气温度20～350度，在结晶辊表面每平方厘米面积上，以每分钟6～70立方厘米体积数的球形硬质颗粒轰击；在结晶辊表面测量面积A上第i个颗粒轰击产生凹坑的投影面积为f_i，所有颗粒轰击的凹坑投影面积的总和为Σf_i，Σf_i与测量面积A比值为FA＝Σf_i/A，FA即为所有颗粒轰击的凹坑投影面积的总和与测量面积A的比，或称为凹坑投影面积分布函数；设FT为在测量面积A上除去凹坑投影面积的结晶辊表面面积即可与高温金属液体接触的接触面积与测量面积A比，或称为接触面积比，FT＝1-FA，FT控制在0.25～0.8。

进一步，所述的球形硬质颗粒为单一直径规格粒子；或用两种不同直径的硬质颗粒按比例混合使用，两种颗粒的直径比d₁/d₂为1.5～4，两种颗粒的体积混合比例控制在b₁:b₂＝0.1～1；或，用三种不同直径的硬质颗粒按比例混合使用，三种颗粒的直径比d₁/d₂为1.5～4，d₁/d₃为1.5～4；三种颗粒的体积混合比例控制在b₁:b₂＝0.1-1，b₁:b₃＝0.1～1。

又，选用单一直径规格的球形硬质颗粒进行轰击处理；或采用不同规格尺寸的球形硬质颗粒进行多次叠加轰击处理，多次叠加轰击时两次轰击所用的颗粒直径比值D/d为3-20。

另外，轰击后根据结晶辊表面工艺要求进行后处理，采用轻度磨削去除轰击变形造成的微观不平整状态。

再有，轰击后根据结晶辊表面工艺要求进行后处理还包括表面进行镀铬、镍金属或镍硼合金处理。

本发明采用不同直径的硬质颗粒进行多次叠加轰击处理时，多次叠加轰击时，前后两次轰击所用的颗粒直径比D/d为3-20较好(D、d分别为不同规格颗粒的直径)，如无特殊要求，大小颗粒叠加轰击的顺序不予限定，对于接触形貌控制要求高情况，应以后一轰击颗粒尺寸递减的方法进行处理，可发挥后续小颗粒轰击的微调作用。

在依据结晶辊使用工艺需要采用不同直径的颗粒按比例混合后进行轰击处理时，两种颗粒的直径比d₁/d₂为1.5～4，两种颗粒的体积混合比例控制在b₁:b₂＝0.1～1；

或，用三种不同直径的硬质颗粒按比例混合使用，三种颗粒的直径比d₁/d₂为1.5～4，d₁/d₃为1.5～4；三种颗粒的体积混合比例控制在b₁:b₂＝0.1-1，b₁:b₃＝0.1～1。

轰击后根据表面工艺要求进行后处理，可采用轻度磨削去除轰击变形造成的微观不平整状态，如轰击造成的轰击坑边缘突起或飞边。轰击坑边缘突起或飞边等由于粒子轰击产生的变形衍生附属形貌，属于不稳定形貌，其一这些形貌增加初始点接触状态，在随后的使用中很快衰减磨损掉，其二此类形貌不利于凝固结晶过程辊表面形貌的稳定化控制。后处理还包括表面进行镀铬、镍金属或镍硼合金处理，提高表面抗磨损性。

对高速球形硬质颗粒轰击的形貌表征采用轰击坑投影面积函数法进行表征(参见图2、图3)，在给定的面积A中的第i微区的面积为a_i在a_i上颗粒轰击产生凹坑的投影面积为f_i，则第i微区表面接触面积为g_i＝a_i-f_i，在测量面积A＝Σa_i上所有颗粒轰击的凹坑投影面积的总和为Σf_i，Σf_i与测量面积A的比值为FA＝Σf_i/A，FA即为所有颗粒轰击的凹坑投影面积的总和与测量面积A的比，或称为凹坑投影面积分布函数；依据Σf_i可得到表面接触面积T＝Σg_i＝Σ(a_i-f_i)＝Σa_i-Σf_i，设FT为在测量面积A上除去凹坑投影面积的结晶辊表面面积即可与高温金属液体接触的接触面积与测量面积A比，或称为接触面积比，FT＝1-FA，FT控制在0.25～0.8。FT是面积A上的接触面积比，可采用光学测量系统测量，为表面形貌的表征确立量化的二维指标。颗粒轰击凹坑投影面积f_i是轰击粒子尺寸、轰击密度的函数，通过控制轰击工艺条件获得可控的f_i。微区表面接触面积g_i仅反映了微区接触面积数值，不能表征微区表面接触的几何形态和物理状态。但由表面接触面积得到的表面接触面积比对整体的表面接触状态具有统计和表征、控制表面接触状态的实用意义。

依据结晶辊使用时的薄带浇铸工艺要求确定结晶辊的表面形貌需求，可以从铸带的材料、热传输量、表面接触面积分布函数、铸带冷却条件对铸带的应力分布和裂纹的影响等方面考虑表面形貌的设计。同时还须兼顾形貌在使用过程中的持久性，合理的轰击形貌具有良好的持久性。高速粒子轰击可以在给定的表面接触面积比时获得不同的随机微区接触形态，对微区的结晶冷却过程产生不同的影响，调整和控制微区的冷却状态及改善由此产生的应力分布。随机表面形貌的控制使得结晶辊表面与高温液态金属的接触面积和形状在微区状态处于随机状态，导致微区的初始凝固区是随机分布，随机凝固产生微区应力状态处于耗散状态，缓解均匀凝固时的应力积聚。在给定直径规格的轰击粒子时，这些随机形貌的轰击坑深与给定面积和硬质颗粒直径条件下的表面接触面积有一定相关性，采用球形颗粒轰击形成的单个坑深是球形粒子轰击出球冠状坑的球冠高，故颗粒直径大则坑越深时辊表面与高温金属液体的接触面积相对少，在实际使用中轰击坑的形态影响表面形貌在使用过程中的持久性，进而影响接触面积变化。

经典理论表明结晶过程需要从热力学和动力学两方面的条件，过冷度提供热力学所需的条件，冷却条件影响结晶过程的动力学因素。结晶辊的辊体承担了提供热力学和动力学的条件，液态金属与辊体接触后，辊体的快速冷却作用提供了液态金属激冷至熔点下的温度，在理想接触条件下，液相被均匀冷却，一旦固相形核发生，释放相变潜热使界面温度升高，破坏初始过冷度条件，降低附近区域液相发生转变的驱动力，抑制相转变的快速发展，枝晶的产生打破平面推进转变状态，微观局部不均匀凝固区的后凝固区释放的凝固潜热继而影响先导凝固区的冷却速度，此交互影响作用缓解该区域的微观应力分布(图4)。微观随机不均匀地发生相转变更有利于整体转变的发展。激冷细晶层到柱状晶的转变是系统的自调节作用的结果，晶向择优生长与传热方向协同。结晶辊辊体的传热能力控制了薄带凝固结晶层厚度的增长速度。

在快速冷却条件下，液固转变速度亦快，柱状晶生长速度亦快，枝晶之间的补缩协调易出现失衡，这种失衡极易在随后的快速冷却过程中引发缺陷的产生。

结晶辊工作时，高温金属液体充满两辊之间的工作区达稳态后，由于高温金属液体的的辐射热作用在高温金属液附近的气体也被加热形成高温区，在钢液与辊面接触后，凹坑中的气体使得该区域的热交换率下降，即相对于辊面接触区的传热热阻增大，在辊面与钢液之间的热传导形成微区不均匀，宏观上均匀的现象，与金属界面接触区先行凝固，而凹坑气体接触区吸纳凝固区释放的潜热后于金属界面接触区凝固，这对于缓解凝固结晶时应力积累有利，在金属凝固壳形成后此界面微区传热热阻不均现象会被凝固金属自调节均匀化，有利稳定凝固速度，缓解宏观应力积累产生裂纹缺陷的几率。

此外，微观随机的不均匀冷却有利于微区凝固动力学条件形成，实际过程中快速凝固结晶的形核长大过程不是一个单纯的凝固界面平面推进过程，而是与微区热流的分布相关，凝固时相变潜热释放、枝晶生长都导致快速凝固界面非均匀平面性生长。微区随机不均匀冷却可改善快速冷却枝晶之间补缩不良状态。

附图说明

图1为本发明结晶辊表面形貌制备示意图。

图2、图3为随机形貌表征示意图，5为第i个粒子轰击后的轰击坑投影面积，用分布函数f_i表示。

图4为高温液态金属接触瞬间微观不均匀凝固示意。

图5、图6为接触面积比目标值FT＝0.45时，两种不同粒径的粒子轰击产生的随机形貌。

图7、图8为接触面积比目标值FT＝0.65时，采用混合粒径的粒子轰击产生的随机形貌。

图9为接触面积比目标值FT＝0.20的粒子轰击形貌。

具体实施方式

参见图1，本发明的一种薄带连铸结晶辊表面形貌的制备方法，采用球形硬质颗粒轰击结晶辊1表面而获得由球状颗粒轰击产生的凹坑组成无序不规则的表面形貌，该颗粒直径20～400微米，材料为具有维氏硬度Hv大于550的α氧化铝刚玉、硬质合金或高碳合金钢；球形硬质颗粒通过气动颗粒加速器2加速，由气动颗粒加速器载气源及控制装置3控制，球形硬质颗粒供给装置4供给硬质颗粒，气动颗粒加速器的载气压力0.1～3MPa，载气温度20～350度，在结晶辊表面每平方厘米面积上，以每分钟6～70立方厘米体积数的球形硬质颗粒轰击；在结晶辊表面测量面积A中第i个微区面积为a_i，在a_i上颗粒轰击产生凹坑的投影面积为f_i，则第i微区表面接触面积为g_i＝a_i-f_i，在测量面积A＝Σa_i上所有颗粒轰击的凹坑投影面积的总和为Σf_i，Σf_i与测量面积A比值为FA＝Σf_i/A，FA即为所有颗粒轰击的凹坑投影面积的总和与测量面积A的比，或称为凹坑投影面积分布函数；依据Σf_i可得到测量面积A上的表面接触面积T＝Σg_i＝Σ(a_i-f_i)＝Σa_i-Σf_i，设FT为在测量面积A上除去凹坑投影面积的结晶辊表面面积即可与高温金属液体接触的接触面积与测量面积A比，或称为接触面积比，FT＝1-FA，FT控制在0.25～0.8。

进一步，所述的球形硬质颗粒为单一直径粒子；或用两种不同直径的硬质颗粒按比例混合使用，两种颗粒的直径比d₁/d₂为1.5～4，两种颗粒的体积混合比例控制在b₁:b₂＝0.1～1；或，用三种不同直径的硬质颗粒按比例混合使用，三种颗粒的直径比d₁/d₂为1.5～4，d₁/d₃为1.5～4；三种颗粒的体积混合比例控制在b₁:b₂＝0.1-1，b₁:b₃＝0.1～1。

又，选用单一直径的球形硬质颗粒进行轰击处理；或采用不同直径规格的球形硬质颗粒进行多次叠加轰击处理，多次叠加轰击时前后两次轰击所用的颗粒直径比值D/d为3-20。

另外，轰击后根据结晶辊表面工艺要求进行后处理，采用轻度磨削去除轰击变形造成的微观不平整状态。

再有，轰击后根据结晶辊表面工艺要求进行后处理还包括表面进行镀铬、镍金属或镍硼合金处理。

依据结晶辊使用时的薄带浇铸工艺要求确定结晶辊的表面形貌需求，给出轰击形貌的接触面积比FT。

辊面精车磨削加工后用于表面高速粒子轰击处理，在气动颗粒加速器载气源及控制装置3设定高压气源参数，参数控制范围：气动颗粒加速器2的载气压力0.6MPa，温度80度。用球形硬质颗粒供给装置4设置硬质粒子的流量，在结晶辊表面每平方厘米面积上，以每分钟60立方厘米体积数的球形硬质颗粒轰击；在进行表面轰击时可以选择单一粒径的硬质颗粒进行轰击处理；或采用不同直径的硬质颗粒进行多次叠加轰击处理；也可依据工艺需要采用不同粒径的颗粒按比例混合后进行轰击处理。

转动结晶辊后开启气动颗粒加速器2和球形硬质颗粒供给装置4进行结晶辊辊面的轰击处理，高压载气在气动颗粒加速器2中获得超音速并将进入气动颗粒加速器2的硬质粒子加速后轰击结晶辊的表面，最终获得接触面积比要求为FT的轰击形貌。采用光学观察装置获得辊面轰击图像，检验确认表面轰击形貌的接触面积比FT。图5～图9为不同目标FT值实施结果。

Claims (5)

1.一种薄带连铸结晶辊表面形貌的制备方法，其特征在于，采用球形硬质颗粒轰击结晶辊表面而获得由球状颗粒轰击产生的凹坑组成无序不规则的表面形貌，该颗粒直径20～400微米，材料为具有维氏硬度Hv大于550的α氧化铝刚玉、硬质合金或高碳合金钢；球形硬质颗粒通过气动颗粒加速器加速，气动颗粒加速器的载气压力0.1～3MPa，载气温度20～350度，在结晶辊表面每平方厘米面积上，以每分钟6～70立方厘米体积数的球形硬质颗粒轰击；在结晶辊表面测量面积A中第i个微区面积为a_i，在a_i上颗粒轰击产生凹坑的投影面积为f_i，则第i微区表面接触面积为g_i＝a_i-f_i，在测量面积A＝Σa_i上所有颗粒轰击的凹坑投影面积的总和为Σf_i，Σf_i与测量面积A比值为FA＝Σf_i/A，FA即为所有颗粒轰击的凹坑投影面积的总和与测量面积A的比，或称为凹坑投影面积分布函数；依据Σf_i可得到测量面积A上的表面接触面积T＝Σg_i＝Σ(a_i-f_i)＝Σa_i-Σf_i，设FT为在测量面积A上除去凹坑投影面积的结晶辊表面面积即可与高温金属液体接触的接触面积与测量面积A比，或称为接触面积比，FT＝1-FA，FT控制在0.25～0.8。

2.如权利要求1所述的薄带连铸结晶辊表面形貌的制备方法，其特征在于，所述的球形硬质颗粒采用单一直径粒子；或，用两种不同直径的硬质颗粒按比例混合使用，两种颗粒的直径比d₁/d₂为1.5～4，两种颗粒的体积混合比例控制在b₁:b₂＝0.1～1；或，用三种不同直径的硬质颗粒按比例混合使用，三种颗粒的直径比d₁/d₂为1.5～4，d₁/d₃为1.5～4；三种颗粒的体积混合比例控制在b₁:b₂＝0.1～1，b₁:b₃＝0.1～1。

3.如权利要求1所述的薄带连铸结晶辊表面形貌的制备方法，其特征在于，选用单一直径规格的球形硬质颗粒进行轰击处理；或采用不同直径的球形硬质颗粒进行多次叠加轰击处理，多次叠加轰击时前后两次轰击所用的颗粒直径比D/d为3-20。

4.如权利要求1所述的薄带连铸结晶辊表面形貌的制备方法，其特征在于，轰击后根据结晶辊表面工艺要求进行后处理，采用轻度磨削去除轰击变形造成的微观不平整状态。

5.如权利要求1或4所述的薄带连铸结晶辊表面形貌的制备方法，其特征在于，轰击后根据结晶辊表面工艺要求进行后处理还包括表面进行镀铬、镍金属或镍硼合金处理。