CN106272087B - 一种薄带连铸结晶辊毛化表面特定形貌制备方法 - Google Patents

Abstract

一种薄带连铸结晶辊毛化表面特定形貌制备方法，包括：1)采用喷丸类设备，通过气体驱动的粉末颗粒流反复轰击到结晶辊表面，形成由轰击坑重叠结构构成的随机初始形貌；2)针对结晶辊特定毛化表面，将表面粗糙峰磨成平台，并去除毛刺及翻边等表面缺陷；3)对结晶辊表面平台进行抛光形成由局域微平台组成的结构形态，最终获得结晶辊表面特定的形貌特征。本发明针对特定毛化表面，将粗糙峰抛磨成特定局域平台形貌，并去除了毛刺及翻边等表面缺陷，从而增强了表面耐磨性，提高了毛化形貌参数的保持性，同时可提供具有与熔池钢液不同接触特性的表面形貌，对于优化薄带连铸熔池钢液的凝固特性具有重要意义，可为结晶辊实际应用提供保障。

Description

一种薄带连铸结晶辊毛化表面特定形貌制备方法

技术领域

本发明涉及薄带连铸技术领域，特别是涉及一种薄带连铸结晶辊毛化表面特定形貌制备方法。

背景技术

薄带连铸用结晶辊表面与钢水直接接触，其表面形貌对其使用过程中的界面传热和钢液凝固过程有重要影响，直接影响薄带连铸工艺和带钢质量，因此，在实际生产中，需要制备具有特定形貌特征的表面形貌，而且需要根据浇注钢种、浇铸工艺等不同条件来调整不同的结晶辊表面形貌特征以获得良好的带钢质量。

直接在喷丸机及同类设备上轰击产生的表面形貌不能直接应用，这是因为轰击产生的粗糙峰比较尖锐，易于磨损，从而造成结晶辊表面形貌特征的保持性较差，随着磨损的进行，形貌特征不断变化，将极大的影响带钢表面质量。因此，需要根据不同的浇铸条件来设计结晶辊形貌。

常用的毛化方法有SBT(喷丸毛化)、EDT(电火花毛化)、EBT(电子束毛化)、LT(激光毛化)和TOPOCROM方法等。这些方法各有优劣，目前多用于轧辊表面制造。

国内外对结晶辊表面毛化技术的研究涉及多项专利，主要包括激光毛化方法、机械毛化方法和电火花毛化方法等，这些方法归纳起来，可分为有较强规律性的表面形貌，如机械毛化(纹理制备)方法、激光毛化方法等；随机分布表面形貌，如喷丸毛化、喷砂毛化等；以及前两者结合起来的复合方法等。此外，TOPOCROM方法在结晶辊上的应用尚处于探索阶段，还不成熟。

美国专利US2009/0145567A1公开了一种采用金刚石雕刻技术制备结晶辊毛化表面的方法，即采用金刚石雕刻、激光和蚀刻等技术形成规则的由凹印、凸起交替形成的阵列结构，每英寸约75-250行，所形成的凸起部分面积介于40-40000μm²,或14000-20000μm²，或900-3600μm²不等，且阵列方向与结晶辊轴线方向倾斜角介于5°-45°之间。

美国专利5701948公开了一种结晶辊的表面形貌结构，在双辊连铸机上，通过具有一定深度和间距的沿圆周方向延伸的槽和脊结构，使得结晶辊表面织构化。这种经过表面毛化以后的网纹结构可提高金属凝固期间的热通量，从而使薄带连铸最优化，即达到高热通量的同时获得致密的微观结构。具体优化形貌尺寸包括脊峰到槽根部的网纹深度介于15μm-25μm之间，网纹间距在150μm-200μm范围内。需要注意的是，该专利公开的结晶辊形貌虽然在铸造黑色金属时能够达到高的凝固速度，但是其对工艺条件非常敏感，必须严格加以控制，否则，会产生“鳄鱼皮”和“振痕”两种铸带缺陷。

美国专利US6942013公开了一种结晶辊表面随机纹理结构，采用氧化铝、氧化硅和碳化硅等材料喷砂处理，颗粒直径介于0.7mm-1.4mm之间。

欧洲专利EP0577833A1公开采用激光毛化的方法进行结晶辊的表面形貌处理，所形成的轰击坑的深度在50μm以上，直径在500μm以下，轰击坑之间的间距大约是轰击坑直径的1.05-5倍；欧洲专利EP1281458A1公开的轰击坑形貌特征是坑深在40-200μm，直径在500-3000μm，同时毛化表面上还嵌套者更细小的凹坑，深度在1-50μm，直径约为5-200μm。

中国专利公开号CN1311721A公开了钢带连铸方法，指出熔融钢水被导引至平行铸辊间的辊隙之中，形成支撑在辊铸造表面上的熔池，结晶辊转动并从辊隙向下导引凝固钢带，其提到的铸造表面即结晶辊表面的处理采用在基材上喷砂(Ra介于5-10之间)、然后镀50μm铬作为耐磨层，或是在镍保护涂层表面直接进行喷砂。

韩国专利KR2006074635公开了带钢浇铸用铸辊，其通过喷丸处理使得结晶辊表面产生细小凹痕，从而均匀而迅速凝固钢液的表面制备方法。Posco申请的专利WO2008/016231A1公开了一种采用光刻方法在结晶辊表面制备气体通道，从而避免气体膨胀造成铸带表面凹痕缺陷的结晶辊表面处理方法。

此外，Posco也应用激光毛化的方法制备结晶辊表面形貌，然而，这种方法的经济性和可实施性均不能达到薄带连铸产业化需求。

根据不同浇铸材料和浇铸工艺，结晶辊表面形貌参数需要较大范围的调整，然而，常规的喷丸设备不能满足结晶辊的表面特征需求，且电火花毛化和激光毛化方法等技术处理的辊面又具有较强的规律性，不适宜于薄带连铸工艺生产，这就需要特殊的毛化装备和工艺方法来实现。

发明内容

本发明的目的在于提供一种薄带连铸结晶辊毛化表面特定形貌制备方法，针对特定毛化表面，将粗糙峰抛磨成特定局域平台形貌，并去除了毛刺及翻边等表面缺陷，从而增强了表面耐磨性，提高了毛化形貌参数的保持性，同时可提供具有与熔池钢液不同接触特性的表面形貌，对于优化薄带连铸熔池钢液的凝固特性具有重要意义，可为结晶辊实际应用提供保障。

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毛化表面特定形貌制备方法，其包括，

1)采用喷丸类设备，通过气体驱动的粉末颗粒流反复轰击到结晶辊表面，形成由轰击坑重叠结构构成的随机初始形貌；

2)针对结晶辊特定毛化表面，将表面粗糙峰磨成平台，并去除毛刺及翻边等表面缺陷；

3)对结晶辊表面平台进行抛光形成由局域微平台组成的结构形态，最终获得的结晶辊表面形貌特征为：

当10μm<轰击颗粒直径<1000μm时，最终获得的结晶辊表面形貌特征Ra为1μm～25μm；Rz为3～300μm，RPc为3～300/cm；

当1000μm<轰击颗粒直径<8000μm时，最终获得的结晶辊表面形貌特征为轰击坑平均深度为20μm-900μm，轰击坑平均直径为100μm-5000μm，轰击坑局域平台平均宽度为5μm-5000μm，平均峰值密度为1～10/cm；

其中，轰击气体压力为0.2～3.5MPa，气体流量10～1000Nm³/h；气体温度为室温～400℃；所述粉末颗粒直径为1～8000μm。

进一步，所述的粉末颗粒是不锈钢钢丝切丸、合金钢丸、陶瓷或硬质合金，其硬度为HRC30～HRC65。

更进一步，所述的喷丸类设备采用喷嘴，所述的喷嘴的喉部直径为2.5～50mm。

又，步骤3)抛光是在抛光机床上应用碳化硅或金刚石砂带进行抛光，其中，需要给抛光砂带施加一预紧力，预紧力大小沿结晶辊轴向具有不同的分布，用以控制不同的表面形貌需求。

进一步，步骤3)抛光在抛光机床上进行，机床进给速度1mm/r～30mm/r，结晶辊转速1r/min～120r/min，多次反复进行抛光，抛光后工业百洁布清理。

优选的，步骤3)抛光所用碳化硅或金刚石砂带型号为180～1200号。

另外，本发明最终结晶辊毛化表面还要镀制一涂层，采用电镀或喷涂铬、镍、镍合金或铜合金。

本发明与其它发明相比，其不同之处和创新性如下所述：

本发明不同于采用轰击方法调控表面形貌的方法，而是在一定的轰击形貌下，应用抛光去除粗糙峰获得微区平台的制备方法，这一方法的优势是可保证形貌随机性和均匀性，而依靠轰击工艺来调整形貌的方法轰击颗粒易于集中，均匀性差，难以满足分布均匀性要求高的条件。

本发明优选采用喷嘴，通过一定压力的压缩气体加速粉末颗粒流轰击到结晶辊表面，形成随机形貌，关键是根据设计形貌对结晶辊表面进行特殊抛光处理，最终获得具有特殊微区结构的特定表面特征，达到控制结晶辊熔池钢液凝固特性的目的，从而控制带钢表面质量。

不同的钢种和浇铸条件下需要不同的结晶辊表面形貌，制备工艺中所需的特制喷嘴就需要相应改变，所述喷嘴的喉部直径为2.5～50mm。通过不同的喷嘴，将气体驱动的粉末颗粒流，反复轰击到结晶辊表面，形成由轰击坑重叠结构构成的随机初始形貌，再利用本发明方法制备特定形貌，即针对轰击产生的结晶辊表面形貌，还需要对结晶辊表面进行细微抛光形成由局域微台阶组成的结构形态。其中，轰击气体压力为0.2～3.5MPa，气体流量10～1000Nm³/h；气体温度为室温～400℃。

轰击颗粒直径为1～8000μm，材质是钢丝切丸、合金钢丸、陶瓷或硬质合金，其硬度为HRC30～HRC65；当轰击颗粒直径介于10μm与1000μm之间时，最终获得的结晶辊表面形貌特征Ra为1μm-25μm；Rz为3-300μm，RPc为3-300/cm；当轰击颗粒直径介于1000μm与8000μm时之间，最终获得的结晶辊表面形貌特征为轰击坑平均深度为20μm-900μm，轰击坑平均直径为100μm-5000μm，轰击坑局域平台平均宽度为5μm-5000μm，平均峰值密度为1-10/cm。

抛光方法是在抛光机床上，应用碳化硅或金刚石砂带进行抛光，其中，需要给抛光砂带施加预紧力，预紧力大小沿结晶辊轴向具有不同的分布，用以控制不同的表面形貌需求；此外，机床进给速度1mm/r～速度30mm/r，结晶辊转速1r/min～120r/min，多次反复进行抛光，抛光后工业百洁布清理。

为了增强结晶辊表面形貌的保持性，最终表面还要镀制一定的涂层，包括电镀或喷涂铬、镍、镍合金、铜合金等。

本发明对小粗糙度形貌，以Ra、Rz、RPc为随机形貌表征参数，其中，Ra与Rz均是强相关联但又具有各自独特的表征意义；

本发明对大粗糙度形貌，以轰击坑平均直径、平均深度和微平台平均宽度为随机形貌表征参数，本发明所获得毛化表面随机性强，可以采用粗糙度仪或形貌仪测量，选用一维参数的目的是利于实际工业测量与应用，参数通过大量数据统计方法进行评估，而其它维度的评定方法可操作性差，数据值波动大，统计性和可参考性小。因此，本发明中所涉及的表征方法可满足结晶辊产业化需求。

附图说明

图1为本发明结晶辊表面毛化形貌抛光示意图，其中，A表示初始形貌分三次抛光(如图中1,2,3所示)，B,C,D为逐次加深抛光以后的形貌示意图，分别对应A中的1,2,3线所示抛光深度；

图2为本发明结晶辊表面毛化后的初始形貌(SEM)照片；

图3为本发明结晶辊毛化表面抛光5μm后的表面形貌照片；

图4为本发明结晶辊毛化表面抛光20μm后的表面形貌照片；

图5为本发明结晶辊毛化表面抛光30μm后的表面形貌照片；

图6为本发明结晶辊毛化表面抛光50μm后的表面形貌照片。

具体实施方式

本发明的一种薄带连铸结晶辊毛化表面特定形貌制备方法，其特征是，包括，

1)采用喷丸类设备，通过气体驱动的粉末颗粒流反复轰击到结晶辊特定毛化表面，形成由轰击坑重叠结构构成的随机初始形貌；

2)针对结晶辊特定毛化表面，将表面粗糙锋磨成平台，并去除毛刺及翻边等表面缺陷；

3)对结晶辊表面平台进行抛光形成由局域微平台组成的结构形态，最终获得的结晶辊表面形貌特征为：

当10μm<轰击颗粒直径<1000μm时，最终获得的结晶辊表面形貌特征Ra为1μm～25μm；Rz为3～300μm，RPc为3～300/cm；

当1000μm<轰击颗粒直径<8000μm时，最终获得的结晶辊表面形貌特征为轰击坑平均深度为20μm-900μm，轰击坑平均直径为100μm-5000μm，轰击坑局域平台平均宽度为5μm-5000μm，平均峰值密度为1～10/cm；

其中，轰击气体压力为0.2～3.5MPa，气体流量10～1000Nm³/h；气体温度为室温～400℃；所述粉末颗粒直径为1～8000μm。

进一步，所述的粉末颗粒是不锈钢钢丝切丸、合金钢丸、陶瓷或硬质合金，其硬度为HRC30～HRC65。

所述的喷丸类设备采用喷嘴，所述的喷嘴的喉部直径为2.5～50mm。

步骤3)抛光是在抛光机床上应用碳化硅或金刚石砂带进行抛光，其中，需要给抛光砂带施加一预紧力，预紧力大小沿结晶辊轴向具有不同的分布，用以控制不同的表面形貌需求。

步骤3)抛光在抛光机床上进行，机床进给速度1mm/r～30mm/r，结晶辊转速1r/min～120r/min，多次反复进行抛光，抛光后工业百洁布清理。

步骤3)抛光所用碳化硅或金刚石砂带型号为180～1200号。

另外，本发明最终结晶辊毛化表面还要镀制一涂层，采用电镀或喷涂铬、镍、镍合金或铜合金。

参见图1～图6，图1为本发明结晶辊表面毛化形貌抛光示意图；图2为本发明结晶辊表面毛化后的初始形貌(SEM)照片；从图中可以看出，颗粒流反复轰击结晶辊表面所形成的轰击坑重叠形貌，轰击坑的边缘有翻边、毛刺等缺陷。

图3为本发明结晶辊毛化表面抛光5μm后的表面形貌照片，图中可以观察到抛光5um以后，表面有微平台出现，轰击坑深度相应减小。

图4为本发明结晶辊毛化表面抛光20μm后的表面形貌照片，从图中可以观察到，相比于图3，微平台宽度进一步增加，轰击坑深度进一步减小。

图5为本发明结晶辊毛化表面抛光30μm后的表面形貌照片，从图中可以观察到，相比于图4，微平台宽度进一步增加，轰击坑深度进一步减小。

图6为本发明结晶辊毛化表面抛光50μm后的表面形貌照片，从图中可以观察到，相比于图5，微平台宽度进一步增加，轰击坑深度进一步减小。

实施例1

薄带连铸所用结晶辊表面进行毛化处理，采用喷嘴(喉径为3.5mm)，轰击气体压力为1.5MPa，气体流量80Nm³/h；气体温度为120℃，轰击颗粒直径30μm，材质铸钢丸；

然后在抛光机床上，采用300#砂带抛光，并给抛光砂带施加一定的预紧力，车床进给速度5mm/r，结晶辊转速50r/min，一个来回，抛光后百洁布清理，最终获得随机形貌参数均值：Ra为3μm，Rz为18μm，RPC为44/cm，显微分析表明轰击坑边缘光滑，无毛刺、翻边和异物嵌入等缺陷。

实施例2

薄带连铸所用结晶辊表面进行毛化处理，采用喷嘴(喉径为3.0mm)，轰击气体压力为1.0MPa，气体流量80Nm³/h；气体温度为280℃，轰击颗粒直径450μm，材质钢丝切丸；

然后在抛光机床上，采用400#砂带抛光，并给抛光砂带施加一定的预紧力，车床进给速度15mm/r，结晶辊转速8r/min，1个来回，抛光后百洁布清理，最终获得随机形貌参数均值：Ra为18μm，Rz为95μm，RPC为33/cm，显微分析表明轰击坑边缘光滑，无毛刺、翻边和异物嵌入等缺陷。

实施例3

薄带连铸所用结晶辊表面进行毛化处理，采用喷嘴(喉径为2.7mm)，轰击气体压力为0.5MPa，气体流量50Nm³/h；气体温度为170℃，轰击颗粒平均直径500μm，材质不锈钢钢丝切丸；

然后在抛光机床上，采用180#砂带抛光，并给抛光砂带施加一定的预紧力，车床进给速度8mm/r，结晶辊转速30r/min，一个来回，抛光后百洁布清理，最终获得随机形貌参数均值：Ra为9μm，Rz为71μm，RPC为38/cm，显微分析表明轰击坑边缘光滑，无毛刺、翻边和异物嵌入等缺陷。

Claims (5)

1.一种薄带连铸结晶辊毛化表面特定形貌制备方法，其特征是，包括，

1)采用喷丸类设备，通过气体驱动的粉末颗粒流反复轰击到结晶辊表面，形成由轰击坑重叠结构构成的随机初始形貌；

2)针对结晶辊特定毛化表面，将表面粗糙峰磨成平台，并去除毛刺及翻边等表面缺陷；

3)对结晶辊表面平台进行抛光形成由局域微平台组成的结构形态，最终获得的结晶辊表面形貌特征为：

当10μm<轰击颗粒直径<1000μm时，最终获得的结晶辊表面形貌特征Ra为1μm～25μm；Rz为3～300μm，RPc为3～300/cm；

当1000μm<轰击颗粒直径<8000μm时，最终获得的结晶辊表面形貌特征为轰击坑平均深度为20μm-900μm，轰击坑平均直径为100μm-5000μm，轰击坑局域平台平均宽度为5μm-5000μm，平均峰值密度为1～10/cm；

其中，轰击气体压力为0.2～3.5MPa，气体流量10～1000Nm³/h；气体温度为室温～400℃；所述粉末颗粒直径为1～8000μm；

所述抛光是在抛光机床上应用碳化硅或金刚石砂带进行，其中，需要给抛光砂带施加预紧力，预紧力大小沿结晶辊轴向具有不同的分布，用以控制不同的表面形貌需求；抛光机床的进给速度1mm/r～30mm/r，结晶辊转速1r/min～120r/min，多次反复进行抛光，抛光后工业百洁布清理。

2.如权利要求1所述的薄带连铸结晶辊毛化表面特定形貌制备方法，其特征是，所述的粉末颗粒是不锈钢钢丝切丸、合金钢丸、陶瓷或硬质合金，其硬度为HRC30～HRC65。

3.如权利要求1所述的薄带连铸结晶辊毛化表面特定形貌制备方法，其特征是，所述的喷丸类设备采用喷嘴，所述的喷嘴的喉部直径为2.5～50mm。

4.如权利要求1所述的薄带连铸结晶辊毛化表面特定形貌制备方法，其特征是，步骤3)抛光所用碳化硅或金刚石砂带型号为180～1200号。

5.如权利要求1所述的薄带连铸结晶辊毛化表面特定形貌制备方法，其特征是，最终结晶辊毛化表面还要镀制一涂层，采用电镀或喷涂铬、镍、镍合金或铜合金。