CN104928616A - 一种板坯连铸倒角结晶器窄面铜板的热喷涂方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了板坯连铸倒角结晶器窄面铜板的热喷涂方法，首先对倒角结晶器窄面铜板基体表面进行超声波清洗后采用常规电镀方法处理；然后使用超音速火焰喷涂设备对所述倒角结晶器窄面铜板基体表面进行喷涂处理，采用PLC控制系统与伺服电机保证倒角结晶器窄面铜板的工作面及倒角面A和倒角面B与喷枪在喷涂过程中保持垂直工作；最后对所述倒角结晶器窄面铜板基体表面涂层进行真空热处理。本发明工艺操作简单、工序少、效率高，所得的倒角结晶器铜板工作面表面涂层显微硬度高，内应力小，结合强度高，减少了结晶器倒角窄面铜板下口两倒角面的磨损，大大提高了连铸机的生产效率，延长了结晶器铜板的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及金属表面处理技术领域，具体涉及一种板坯连铸倒角结晶器窄面铜板的热喷涂方法。
背景技术
结晶器铜板是炼钢厂连铸机的重要部件，铜板包括宽面铜板和窄面铜板，分别通过螺栓把合于水箱上，两块宽面铜板夹紧两块窄面铜板形成一个矩形腔，工作时，铜板后面水箱流通高压冷却水，钢水注入到矩形腔后，经冷却结晶形成钢坯从结晶器底部连续不断拉出。
近年来，我国许多钢铁企业在板坯连铸生产上不断提升微合金品种钢的浇注，而组合式板坯连铸结晶器铜板窄面铜板一般均采用平面结构，铸坯角部呈直角形状，但受二维冷却使角部收缩量大于结晶器铜板锥度的补偿，导致偏角部产生较大的气隙，影响导热，加快了钢坯对角部的磨损，且在连铸坯凝固的过程中，铸坯振痕谷底处沿原奥氏体晶界钢的高温脆性，导致连铸坯角部产生横裂纹。在传统的连铸工艺中，直角连铸角部横裂纹一直无法得到有效控制，另外，在热轧过程中，在轧制钢板边缘容易产生条状或折叠缺陷。
我国一部分钢厂开发了板坯连铸倒角结晶器铜板技术，有效地提高了矫直区连铸坯角部温度，在消除连铸坯角部横裂纹缺陷中取得了一定的成效，然而，这就对结晶器铜板的表面处理技术行业提出了更高的要求，尽管可以通过电镀倒角结晶器窄面铜板来提高过钢量，但常规电镀层已无法满足现行工艺现状，倒角铜板两倒角面下口在受拉坯时铸坯与结晶器铜板的相对运动产生的滑动摩擦力而磨损，导致结晶器铜板非计划下线，在增加了更换结晶器铜板劳动量的同时，又影响了连铸生产效率，减少了结晶器铜板使用寿命。
发明内容
本发明是为克服上述现有技术存在的不足，提供了一种板坯连铸倒角结晶器窄面铜板的热喷涂方法，所得的倒角结晶器铜板工作面表面涂层显微硬度高，内应力小，结合强度高，减少了结晶器倒角窄面铜板下口两倒角面的磨损，大大提高了连铸机的生产效率，延长了结晶器铜板的使用寿命。
一种板坯连铸倒角结晶器窄面铜板的热喷涂方法，包括如下步骤：
1）倒角结晶器窄面铜板基体表面预处理，首先进行超声波清洗，然后采用电镀的方法制备过渡层；
2）使用超音速火焰喷涂设备对所述倒角结晶器窄面铜板基体表面进行喷涂处理，喷涂材料采用镍基合金粉或WC12Co粉末材料；
3）用PLC控制系统控制喷枪的移动速度，通过伺服电机同步对安装所述倒角结晶器窄面铜板的支架进行角度旋转调节，保证喷枪在喷涂过程中与所述倒角结晶器窄面铜板的工作面及倒角面A和倒角面B垂直；
4）对所述倒角结晶器窄面铜板基体表面涂层进行真空热处理。
进一步的，所述过渡层为镍或镍钴合金电镀层，镍含量占镀层质量的55～100%，厚度0.1mm～1.5mm。
进一步的，所述超声波清洗的超声波功率22.5KW，温度控制在55～75℃，加入低泡沫超声波清洗剂5～10%，清洗10～20min。
进一步的，使用超音速火焰喷涂设备进行喷涂处理的参数为氧气流量1500～2500GPH，氮气流量4.8～7.0GPH，喷涂距离200～400mm，涂层厚度0.2～1.2mm，煤油流量0.5～1L/h。
进一步的，所述工作面与所述倒角面A之间的夹角为110°～170°，所述工作面与倒角面B之间的夹角为110°～170°。
进一步的，所述工作面与所述倒角面A通过圆弧形曲面A连接，所述工作面与所述倒角面B通过圆弧形曲面B连接，所述圆弧形曲面A和所述圆弧形曲面B的曲面半径为15～1500mm。
进一步的，所述支架包括夹持机构、支撑机构和旋转机构，所述旋转机构通过传动件与所述伺服电机连接。
进一步的，所述倒角结晶器窄面铜板基体表面的真空热处理在真空度为0～10-2Pa的真空处理炉中进行，真空热处理温度200～400℃，保温时间2～3小时。
进一步的，所述倒角结晶器窄面铜板基体表面进行真空热处理后采用氩气或氮气冷却降温。
超声波清洗是利用超声波在液体中的空化作用、加速度作用及直进流作用对液体和污物直接、间接的作用，使污物层被分散、乳化、剥离而达到清洗目的。产品喷涂前处理工艺非常重要，一般的传统工艺使用酸液对工件进行处理，对环境污染较重，工作环境较差，同时，最大的弊端是结构复杂零件酸洗除锈后的残酸很难冲洗干净。工件喷涂后，时间不长，沿着夹缝出现锈蚀现象，破坏涂层表面，严重影响产品外观和内在质量。超声波清洗技术应用到涂装前处理后，不仅能使物体表面和缝隙中的污垢迅速剥落，而且涂装件喷涂层牢固不会返锈。
超音速火焰喷涂是环状流动的热气流受到外围压缩空气流的压缩，使之加速形成超音速火焰。喷涂材料的粉末在载气的作用下被送到喷枪的出口处，进入燃烧火焰中，形成涂层,.超音速火焰喷涂设备由喷枪、送粉器、控制系统、热交换系统和各种管路五部分组成，属紧凑型喷涂设备，具有操作简单、工作稳定、燃耗低、涂层性能好的特点。本发明倒角结晶器窄面铜板基体表面的喷涂采用超音速火焰喷涂较之一般的方法来说具有以下优点：生产工艺容易控制，不会产生质量波动；喷涂制作工序少，产品制作工期短，生产效率高，喷涂层无变形，机械性能稳定，涂层与铜板基体结合强度高；喷涂层厚度均匀而且能够精确控制加工余量，避免粉末浪费，生产成本低，减轻了工人的劳动强度。
PLC控制系统是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置，目的是用来取代继电器、执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能，建立柔性的程控系统。具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。通过PLC控制系统与伺服电机的配合，可以很好的保证喷涂设备的喷枪工作过程中与工作面、倒角面A和倒角面B垂直，控制的精度高。
真空热处理是真空技术与热处理技术相结合的新型热处理技术，真空热处理所处的真空环境指的是低于一个大气压的气氛环境，包括低真空、中等真空、高真空和超高真空，真空热处理实际也属于气氛控制热处理。本发明采用真空热处理较之一般的热处理工艺使得倒角结晶器窄面铜板基体表面更加光滑均匀，可实现无氧化、无脱碳、无渗碳，提高倒角结晶器的使用寿命。
工作面与倒角面A和倒角面B通过圆弧形曲面过渡，方便喷涂设备的喷头角度调节，且其过渡的夹角处可以受到更均匀的喷涂，效果更好，能稳定涂层的厚度在要求的范围之内，可以减少其夹角的磨损，延长使用寿命。
本发明电镀前增加超声波清洗，确保铜板微观表面均匀平整，提高铜板与镀层的结合强度。采用电镀镍或镍钴合金层作为过渡层，增强了金属陶瓷涂层与铜板的结合强度，过渡层比金属陶瓷涂层更为致密，对铜板起到更加有效的保护作用，WC12Co为金属陶瓷涂层，比过渡层具有更好的显微硬度和结合强度，明显提高了镀层的性能，镍基合金的涂层在强度和热传导上效果很好；热喷涂后进行真空热处理，能够进一步强化过渡层和金属陶瓷涂层，增加与基体的结合强度，平整涂层，减少涂层的孔隙率；通过PLC控制系统与伺服电机的配合对喷枪的移动和旋转进行控制，使得倒角面喷涂更加均匀，涂层厚度控制精度更高，涂层表面更加均匀光滑，效果更好，结晶器铜板使用寿命提高20%以上。热处理后显微硬度可在1603～1861HV范围内调整，耐磨性能优越，可以在高速连铸机连铸中得到广泛的应用；内应力145～167MPa，涂层显微硬度硬度高，内应力小，耐磨性和抗热裂性能好，能够确保镀层不易开裂；涂层结合强度188～206MPa，具有优异的结合性能；对于超音速喷涂的材料灵活选择，可以增加结晶器铜板的使用范围，减缓结晶器铜板基体表面的热量，降低结晶器铜板高温区热裂纹，有效减缓结晶器内部尤其是弯月面处的热传导，可以在高速连铸机连铸中得到广泛的应用。
本发明工艺操作简单、工序少、效率高，所得的倒角结晶器铜板工作面表面涂层显微硬度高，内应力小，结合强度高，减少了结晶器倒角窄面铜板下口两倒角面的磨损，大大提高了连铸机的生产效率，延长了结晶器铜板的使用寿命。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步描述：
图1是本发明板坯连铸倒角结晶器窄面铜板的热喷涂方法的系统结构图；
图2是本发明的板坯连铸倒角结晶器的截面图；
图3是本发明支架的结构示意图。
具体实施方式
本发明公开了一种板坯连铸倒角结晶器窄面铜板的热喷涂方法，包括如下步骤：
1）倒角结晶器窄面铜板基体表面预处理，首先进行超声波清洗，然后采用电镀的方法制备过渡层；
2）使用超音速火焰喷涂设备对所述倒角结晶器窄面铜板基体表面进行喷涂处理，喷涂材料采用镍基合金粉或WC12Co粉末材料；
3）用PLC控制系统控制喷枪7的移动速度，通过伺服电机12同步对安装所述倒角结晶器窄面铜板6的支架进行角度旋转调节，保证喷枪7在喷涂过程中与所述倒角结晶器窄面铜板6的工作面1及倒角面A2和倒角面B3垂直；
4）对所述倒角结晶器窄面铜板基体表面涂层进行真空热处理。
进一步的，所述过渡层为镍或镍钴合金电镀层，镍含量占镀层质量的55～100%，厚度0.1mm～1.5mm。
进一步的，所述超声波清洗的超声波功率22.5KW，温度控制在55～75℃，加入低泡沫超声波清洗剂5～10%，清洗10～20min。
进一步的，使用超音速火焰喷涂设备进行喷涂处理的参数为氧气流量1500～2500GPH，氮气流量4.8～7.0GPH，喷涂距离200～400mm，涂层厚度0.2～1.2mm，煤油流量0.5～1L/h。
进一步的，所述工作面1与所述倒角面A2之间的夹角为110°～170°，所述工作面1与倒角面B3之间的夹角为110°～170°。
进一步的，所述工作面1与所述倒角面A2通过圆弧形曲面A4连接，所述工作面1与所述倒角面B3通过圆弧形曲面B5连接，所述圆弧形曲面A4和所述圆弧形曲面B5的曲面半径为15～1500mm。
进一步的，所述支架包括夹持机构9、支撑机构10和旋转机构8，所述旋转机构8通过传动件11与所述伺服电机12连接。
进一步的，所述倒角结晶器窄面铜板基体表面的真空热处理在真空度为0～10-2Pa的真空处理炉中进行，真空热处理温度200～400℃，保温时间2～3小时。
进一步的，所述倒角结晶器窄面铜板基体表面进行真空热处理后采用氩气或氮气冷却降温。
下面是采用不同配方的六组试验，更改的配方成分在具体实施例中列出，其余的材料配比采用发明内容部分的描述。
实施例一
如图1和图2所示：本发明提供了一种板坯连铸倒角结晶器窄面铜板的热喷涂方法，包括如下步骤：
1）倒角结晶器窄面铜板基体表面预处理，首先进行超声波清洗，然后采用电镀的方法制备过渡层；
2）使用超音速火焰喷涂设备对所述倒角结晶器窄面铜板基体表面进行喷涂处理，喷涂材料采用WC12Co粉末材料；
3）用PLC控制系统控制喷枪的移动速度，通过伺服电机同步对安装所述倒角结晶器窄面铜板的支架进行角度旋转调节，保证喷枪在喷涂过程中与所述倒角结晶器窄面铜板的工作面及倒角面A和倒角面B垂直；
4）对所述倒角结晶器窄面铜板基体表面涂层进行真空热处理。
本实施例中，所述过渡层为镍或镍钴合金电镀层，镍含量占镀层质量的100%，厚度0.1mm。
本实施例中，使用超音速火焰喷涂设备进行喷涂的涂层厚度为0.2mm。
本实施例中，所述倒角结晶器窄面铜板基体表面的真空热处理在真空度为0～10-2Pa的真空处理炉中进行，真空热处理温度200℃。
实施例二
如图1和图2所示：本发明提供了一种板坯连铸倒角结晶器窄面铜板的热喷涂方法，包括如下步骤：
1）倒角结晶器窄面铜板基体表面预处理，首先进行超声波清洗，然后采用电镀的方法制备过渡层；
2）使用超音速火焰喷涂设备对所述倒角结晶器窄面铜板基体表面进行喷涂处理，喷涂材料采用镍基合金粉材料；
3）用PLC控制系统控制喷枪的移动速度，通过伺服电机同步对安装所述倒角结晶器窄面铜板的支架进行角度旋转调节，保证喷枪在喷涂过程中与所述倒角结晶器窄面铜板的工作面及倒角面A和倒角面B垂直；
4）对所述倒角结晶器窄面铜板基体表面涂层进行真空热处理。
本实施例中，所述过渡层为镍或镍钴合金电镀层，镍含量占镀层质量的80%，厚度0.4mm。
本实施例中，使用超音速火焰喷涂设备进行喷涂的涂层厚度为0.4mm。
本实施例中，所述倒角结晶器窄面铜板基体表面的真空热处理在真空度为0～10-2Pa的真空处理炉中进行，真空热处理温度240℃。
实施例三
如图1和图2所示：本发明提供了一种板坯连铸倒角结晶器窄面铜板的热喷涂方法，包括如下步骤：
1）倒角结晶器窄面铜板基体表面预处理，首先进行超声波清洗，然后采用电镀的方法制备过渡层；
2）使用超音速火焰喷涂设备对所述倒角结晶器窄面铜板基体表面进行喷涂处理，喷涂材料采用WC12Co粉末材料；
3）用PLC控制系统控制喷枪的移动速度，通过伺服电机同步对安装所述倒角结晶器窄面铜板的支架进行角度旋转调节，保证喷枪在喷涂过程中与所述倒角结晶器窄面铜板的工作面及倒角面A和倒角面B垂直；
4）对所述倒角结晶器窄面铜板基体表面涂层进行真空热处理。
本实施例中，所述过渡层为镍或镍钴合金电镀层，镍含量占镀层质量的69.5%，厚度0.7mm。
本实施例中，使用超音速火焰喷涂设备进行喷涂的涂层厚度为0.6mm。
本实施例中，所述倒角结晶器窄面铜板基体表面的真空热处理在真空度为0～10-2Pa的真空处理炉中进行，真空热处理温度280℃。
实施例四
如图1和图2所示：本发明提供了一种板坯连铸倒角结晶器窄面铜板的热喷涂方法，包括如下步骤：
1）倒角结晶器窄面铜板基体表面预处理，首先进行超声波清洗，然后采用电镀的方法制备过渡层；
2）使用超音速火焰喷涂设备对所述倒角结晶器窄面铜板基体表面进行喷涂处理，喷涂材料采用镍基合金粉材料；
3）用PLC控制系统控制喷枪的移动速度，通过伺服电机同步对安装所述倒角结晶器窄面铜板的支架进行角度旋转调节，保证喷枪在喷涂过程中与所述倒角结晶器窄面铜板的工作面及倒角面A和倒角面B垂直；
4）对所述倒角结晶器窄面铜板基体表面涂层进行真空热处理。
本实施例中，所述过渡层为镍或镍钴合金电镀层，镍含量占镀层质量的65%，厚度1mm。
本实施例中，使用超音速火焰喷涂设备进行喷涂的涂层厚度为0.8mm。
本实施例中，所述倒角结晶器窄面铜板基体表面的真空热处理在真空度为0～10-2Pa的真空处理炉中进行，真空热处理温度320℃。
实施例五
如图1和图2所示：本发明提供了一种板坯连铸倒角结晶器窄面铜板的热喷涂方法，包括如下步骤：
1）倒角结晶器窄面铜板基体表面预处理，首先进行超声波清洗，然后采用电镀的方法制备过渡层；
2）使用超音速火焰喷涂设备对所述倒角结晶器窄面铜板基体表面进行喷涂处理，喷涂材料采用WC12Co粉末材料；
3）用PLC控制系统控制喷枪的移动速度，通过伺服电机同步对安装所述倒角结晶器窄面铜板的支架进行角度旋转调节，保证喷枪在喷涂过程中与所述倒角结晶器窄面铜板的工作面及倒角面A和倒角面B垂直；
4）对所述倒角结晶器窄面铜板基体表面涂层进行真空热处理。
本实施例中，所述过渡层为镍或镍钴合金电镀层，镍含量占镀层质量的60.5%，厚度1.2mm。
本实施例中，使用超音速火焰喷涂设备进行喷涂的涂层厚度为1mm。
本实施例中，所述倒角结晶器窄面铜板基体表面的真空热处理在真空度为0～10-2Pa的真空处理炉中进行，真空热处理温度360℃。
实施例六
如图1和图2所示：本发明提供了一种板坯连铸倒角结晶器窄面铜板的热喷涂方法，包括如下步骤：
1）倒角结晶器窄面铜板基体表面预处理，首先进行超声波清洗，然后采用电镀的方法制备过渡层；
2）使用超音速火焰喷涂设备对所述倒角结晶器窄面铜板基体表面进行喷涂处理，喷涂材料采用镍基合金粉材料；
3）用PLC控制系统控制喷枪的移动速度，通过伺服电机同步对安装所述倒角结晶器窄面铜板的支架进行角度旋转调节，保证喷枪在喷涂过程中与所述倒角结晶器窄面铜板的工作面及倒角面A和倒角面B垂直；
4）对所述倒角结晶器窄面铜板基体表面涂层进行真空热处理。
本实施例中，所述过渡层为镍或镍钴合金电镀层，镍含量占镀层质量的55%，厚度1.5mm。
本实施例中，使用超音速火焰喷涂设备进行喷涂的涂层厚度为1.2mm。
本实施例中，所述倒角结晶器窄面铜板基体表面的真空热处理在真空度为0～10-2Pa的真空处理炉中进行，真空热处理温度400℃。
上述六组实施例的结晶器窄面铜板具体参数如下：
| 项目 | 显微硬度（HV） | 内应力（MPa） | 结合强度（MPa） | 热传导率W/(m.K) |
| 实施例一 | 1603 | 145 | 188 | 16.2 |
| 实施例二 | 1677 | 153 | 195 | 16.3 |
| 实施例三 | 1788 | 161 | 199 | 15.9 |
| 实施例四 | 1861 | 167 | 206 | 15.1 |
| 实施例五 | 1854 | 164 | 202 | 15.4 |
| 实施例六 | 1859 | 162 | 201 | 15.2 |
上表可知，热喷涂后涂层的显微硬度为1603～1861HV，内应力为145～167MPa，涂层显微硬度硬度高，内应力小，耐磨性和抗热裂性能好；涂层结合强度188～206MPa，具有优异的结合性能；涂层的热传导率15.4～19.8W/(m.K)，减缓结晶器铜板基体表面的热量，降低结晶器铜板高温区热裂纹，有效减缓结晶器内部尤其是圆弧形曲面的热传导。
本发明结晶器铜板与现有技术对比如下：
| 项目 | 使用寿命（t） |
| 本发明 | 16万 |
| 现有技术 | 5.5万 |
使用寿命即高拉速连铸机达到结晶器损坏时的过钢量，本发明的结晶器铜板使用寿命大大提高，一方面是因为材料的改进，另一方面则是倒角面与工作面采用圆弧形曲面过渡连接，在超音速喷涂时保证喷枪与倒角面、工作面垂直喷涂，两者结合使得涂层的喷涂效果最好，表面均匀特别是对于倒角面与工作面的连接部位，可以有效消除横裂纹的产生，改善了传统工艺的缺陷。
Claims (9)
1.一种板坯连铸倒角结晶器窄面铜板的热喷涂方法，其特征在于：包括如下步骤：
1）倒角结晶器窄面铜板基体表面预处理，首先进行超声波清洗，然后采用电镀的方法制备过渡层；
2）使用超音速火焰喷涂设备对所述倒角结晶器窄面铜板基体表面进行喷涂处理，喷涂材料采用镍基合金粉或WC12Co粉末材料；
3）用PLC控制系统控制喷枪的移动速度，通过伺服电机同步对安装所述倒角结晶器窄面铜板的支架进行角度旋转调节，保证喷枪在喷涂过程中与所述倒角结晶器窄面铜板的工作面及倒角面A和倒角面B垂直；
4）对所述倒角结晶器窄面铜板基体表面涂层进行真空热处理。
2.如权利要求1所述的板坯连铸倒角结晶器窄面铜板的热喷涂方法，其特征在于：所述过渡层为镍或镍钴合金电镀层，镍含量占镀层质量的55～100%，厚度0.1mm～1.5mm。
3.如权利要求1所述的板坯连铸倒角结晶器窄面铜板的热喷涂方法，其特征在于：所述超声波清洗的超声波功率22.5KW，温度控制在55～75℃，加入低泡沫超声波清洗剂5～10%，清洗10～20min。
4.如权利要求1所述的板坯连铸倒角结晶器窄面铜板的热喷涂方法，其特征在于：使用超音速火焰喷涂设备进行喷涂处理的参数为氧气流量1500～2500GPH，氮气流量4.8～7.0GPH，喷涂距离200～400mm，涂层厚度0.2～1.2mm，煤油流量0.5～1L/h。
5.如权利要求1所述的板坯连铸倒角结晶器窄面铜板的热喷涂方法，其特征在于：所述工作面与所述倒角面A之间的夹角为110°～170°，所述工作面与倒角面B之间的夹角为110°～170°。
6.如权利要求5所述的板坯连铸倒角结晶器窄面铜板的热喷涂方法，其特征在于：所述工作面与所述倒角面A通过圆弧形曲面A连接，所述工作面与所述倒角面B通过圆弧形曲面B连接，所述圆弧形曲面A和所述圆弧形曲面B的曲面半径为15～1500mm。
7.如权利要求1所述的板坯连铸倒角结晶器窄面铜板的热喷涂方法，其特征在于：所述支架包括夹持机构、支撑机构和旋转机构，所述旋转机构通过传动件与所述伺服电机连接。
8.如权利要求1所述的板坯连铸倒角结晶器窄面铜板的热喷涂方法，其特征在于：所述倒角结晶器窄面铜板基体表面的真空热处理在真空度为0～10-2Pa的真空处理炉中进行，真空热处理温度200～400℃，保温时间2～3小时。
9.如权利要求1所述的板坯连铸倒角结晶器窄面铜板的热喷涂方法，其特征在于：所述倒角结晶器窄面铜板基体表面进行真空热处理后采用氩气或氮气冷却降温。
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