熱噴涂技術在連鑄結晶器銅板上的應用

戴興浩，陳雄偉，呂春雷

（寶武裝備智能科技有限公司，上海 201900）

連鑄生產中，結晶器是連鑄機的心臟部位。高溫鋼水從結晶器流出，完成從液態到固態的凝固過程。結晶器的性能和質量直接影響連鑄的生產效率和鑄坯質量[1]。在高溫鋼水與冷卻水的同時作用下，結晶器工況極其惡劣，承受著高溫氧化，冷熱疲勞，較大的溫度梯度差，保護渣的化學腐蝕，高溫蒸汽引起的汽蝕，引錠、拉坯、結晶器振動產生的摩擦與磨損，以及調錐、調寬帶來的劃傷等[2]。

因此結晶器銅板作為結晶器的重要組成部分必須具備以下各項性能：（1）具有良好的導熱性；（2）具有較高的耐高溫強度；（3）具有良好的抗變形能力；（4）具有較高的表面精度；（5）具有足夠的硬度和耐磨性。在如此苛刻環境下，結晶器銅板在使用過程中存在邊緣磨損、寬面熱裂紋、窄面收縮、腐蝕等問題，使得結晶器銅板的使用壽命較短。結晶器銅板絕大多數失效形式為表面失效，對結晶器銅板進行表面處理，獲得與銅板基體結合力好、耐磨性佳、抗熱腐蝕性強的各種涂層，以改善銅板的表面性能，提高連鑄坯質量，延長其使用壽命。

1 熱噴涂與電鍍涂層性能比較

目前，對結晶器銅板表面改性技術的研究及應用主要有激光熔覆、電鍍、熱噴涂等，以解決銅板表面的耐腐蝕、耐磨損等問題。

激光技術在制備耐磨、耐腐蝕、抗熱的涂層上具有優勢。目前國內外在銅板激光熔覆上有大量的相關研究工作，但存在較大的困難。銅具有極高的導熱率和反射率，激光照到銅基體時，熱量一方面被快速導熱導走，另一方面被反射掉，從而使得有效的能量輸入大大減少，很難在基體中形成熔池。銅及銅合金基體與許多熔覆材料之間的浸潤性較差，在界面處容易產生裂紋、氣孔等缺陷。目前研究主要從兩個方面進行解決，一方面是在銅板上先預處理形成一種涂層，隨后再進行激光熔覆處理；另一方面是在粉末中添加一些例如Cu、Ni等，以改善各粉末間相容性差的問題，實現激光熔覆形成良好的涂層。但總體上看，激光熔覆仍難以解決與銅基體高導熱、高反射、浸潤性差的問題，且存在一些其他不足，如不均勻的枝晶、焊接應力等。另外，在工藝方面也存在許多限制，在生產實際中對操作技能的要求更高，從而使得其應用過程中存在較大的困難。目前激光熔覆只限于實驗室研究，距離大規模工業化應用還有待時日。

電鍍技術具有工藝成熟簡單，性能穩定的特點，成為結晶器銅板表面改性強化最早獲得廣泛應用的方法之一。電鍍曾作為主導技術，主要產品從早期的單鍍Ni層、硬C層，發展到Ni-Cr、Ni-Fe、Ni-Co、Ni-W、Ni-W-P等合金鍍層，或雙鍍層，或兩層以上的復合鍍層。電鍍與其他表面處理技術相比，具有以下優點：可在形狀復雜的銅板表面獲得鍍層；可獲得復合成分的合金鍍層；耗能低、方法簡便、易自動化控制、可大規模生產。目前，結晶器銅板電鍍處理，仍然是大規模商業應用的主要處理方式之一。

但在連鑄生產中，電鍍結晶器也存在一些缺點：由于頻繁的冷熱疲勞，鋼水或鋼坯的沖擊，經常會導致涂層剝落；鍍層硬度低，耐磨性差，抗氧化性差，鍍層下口易磨損；電鍍具有高污染屬性，國家不斷加大控制，逐步進行淘汰。

熱噴涂技術操作簡便、高效、穩定，涂層硬度、耐磨等性能優于電鍍層，在結晶器中的應用越來越受到人們的關注和重視。目前結晶器銅板的熱噴涂技術應用研究主要有用超音速火焰噴涂Cr3C2/25NiCr或Ni-Cr涂層技術。噴涂Cr3C2/25NiCr涂層雖有較高的硬度，但實際應用效果較差，涂層在使用過程中容易產生剝落現象，從而完全失去涂層耐磨性能。目前應用較廣的主要是噴涂Ni-Cr技術。噴涂Ni-Cr技術最早從日本研發，寶鋼也成功應用了此技術。目前已成為大規模商業應用的主要處理方式之一。寶鋼結晶器銅板熱噴涂涂層與常用電鍍涂層主要性能比較見表1。

表1 結晶器銅板熱噴涂涂層與常用電鍍涂層主要性能比較

從金相組織上來看，電鍍層均勻致密，其形貌均呈現出樹枝狀組織結構；熱噴涂涂層內部孔隙較少，未有較大孔洞，涂層金相形貌較好。熱噴涂涂層與銅基材的截面凸凹咬合、結合界面處密實而連續，這表明涂層與基體之間也具有良好的結合力。寶鋼結晶器銅板熱噴涂涂層經過熱處理后與母材形成了冶金合金層，因此具有良好的結合強度。通過剪切應力試驗，抗剪力≥240 N/mm2，熱噴涂涂層與電鍍層一樣具有良好的結合強度[3]。

從顯微硬度上看：圖1為分別在溫度為100℃~600℃下對Ni、Ni-Fe、Ni-Co、Co-Ni鍍層和熱噴涂涂層1hr退火熱處理后涂層的硬度。從圖中可見在室溫狀態下熱噴涂涂層的硬度最高，其次為Ni-Fe和Ni-Co，Ni和Co-Ni硬度最低。在室溫下，熱噴涂涂層的硬度約為其他電鍍層的2倍或以上。特別是當熱處理溫度高于300℃時，純Ni、Ni-Fe、Ni-Co鍍層的硬度快速降低，而噴涂涂層和Co-Ni鍍層的硬度隨退火溫度的增加基本保持不變。特別是熱噴涂涂層，在600℃時，其硬度大大高于其他電鍍層。一般來說，高硬度更有利于涂層的耐磨性能。由此可見，熱噴涂涂層具有很好的熱穩定性能、耐磨性能，特別是耐高溫磨損性能。

圖1 涂層硬度隨熱處理溫度變化曲線

摩擦磨損實驗也進一步證實了熱噴涂涂層優異的耐磨性能。圖2為Ni、Ni-Fe、Ni-Co、Co-Ni鍍層和熱噴涂涂層在300℃條件下的摩擦磨損實驗結果。通過試驗結果表明了熱噴涂涂層具有優異的高溫耐磨性能。

圖2 300℃條件下的涂層摩擦磨損實驗結果

2 寶鋼熱噴涂技術在連鑄結晶器銅板上的應用及發展

熱噴涂技術工藝規范穩定，操作簡單，并且噴涂后涂層平滑、平整，可比較精確地控制涂層厚度。同時耐磨耐蝕性能優良，應用效果良好，雖然價格較貴，但由于優異的性價比，在寶鋼內部獲得了廣泛應用。并已成功推廣至寶鋼外部市場。熱噴涂涂層的使用壽命是原來電鍍Ni結晶器的3~6倍。板坯連鑄機寬面銅板使用Co-Ni鍍層，短邊銅板使用Ni-Cr噴涂層，一次過鋼量可達20萬t。與電鍍技術相比噴涂銅板性能有較大幅度的提高，能夠較好地滿足當時的用戶需求。寶鋼銅板熱噴涂技術經過十多年的應用及發展，主要朝以下幾個方面發展。

2.1 短邊銅板熱噴涂功能性復合涂層技術

隨著用戶連鑄生產效率的提高，高強鋼產量的提升，連鑄坯拉速加快，產品多樣化不斷提高，原有的短邊銅板熱噴涂涂層，在某些特定機組，使用時也會產生一些問題，例如局部磨損、彎月面處熱裂紋等。因此，針對不同產線要求，采用針對性的功能復合涂層技術，滿足用戶的多樣化需求。

圖3為某鋼廠連鑄線上原短邊銅板采用電鍍層，使用壽命短，下線后銅板下口磨損高達2.3 mm。采用普通熱噴涂技術后，耐磨性能有了較大提升，但在下口局部也會產生部分區域的磨損，影響銅板使用壽命。后針對此連鑄線，采用專用的復合功能涂層技術，上口及中部采用原有的熱噴涂涂層，下口采用底層原有涂層+表層耐磨涂層復合涂層技術。采用此功能性復合涂層技術后，銅板磨損量極小，下線后磨損量幾乎可以忽略不計，最深處不足0.1 mm，且使用壽命提高了6~7倍。

圖3 某鋼廠下線銅板電鍍與熱噴涂涂層磨損比較

2.2 長邊銅板熱噴涂技術

寶鋼的長邊銅板原設計為Ni-Cr復合鍍層，因其電鍍工藝較為復雜，主要還是靠Ni鍍層起耐磨作用，在結晶器銅板下部易產生電位腐蝕，使用壽命較短。因此，1988年后，先后用過Ni-Fe鍍層和Co-Ni鍍層，同時也探索過鍍硬Ni鍍層及開發過寶鋼的Ni-Fe鍍層，并開發過寶鋼的Co-Ni鍍層。長邊銅板實施Co-Ni鍍層后，使用壽命大幅度提高。由于熱噴涂涂層與電鍍涂層性能上有較大提升，以及寶鋼熱噴涂技術在短邊銅板上的成功應用，寶鋼從2008年起一直在研究開發熱噴涂長邊銅板技術，到目前為止，已成功獲得應用，并推廣應用到全國各大鋼廠。從目前的使用情況來看，長邊銅板的使用壽命獲得了較大提升，但也存在著一些問題限制了熱噴涂長邊銅板的推廣應用。例如，結晶器的使用壽命不僅僅是銅板的使用壽命，還包括周邊很多備件的使用壽命。目前常用的熱噴涂短邊銅板+電鍍長邊銅板使用壽命正好與銅板周邊備件的使用壽命周期相匹配，因此很多時候熱噴涂長邊銅板被動下線，下線后檢查狀態良好，完全可以繼續使用，但是不得不下線。且熱噴涂長邊銅板價格相對低廉，由于被動下線，難以體現出性價比的優勢，限制其推廣使用。

2.3 銅板冷噴涂修復技術

銅板使用下線后，噴涂修復前需去除原有涂層。因此，銅板會越來越薄，到達極限尺寸后不得不報廢，造成銅板的極大浪費。且有些銅板側面由于沒有涂層保護，有些鑄產線側面磨損較為嚴重，影響銅板的使用壽命。因此采用冷噴涂在原有銅板上噴涂一層銅，原位再生恢復銅板尺寸。冷噴涂為熱噴涂技術中國內外研發較火的一種技術，與常規的熱噴涂等其他技術相比，加熱溫度相對較低，粒子速度更快，使粒子在臨界溫度下高速撞擊至基體，粒子變形堆垛在基體上形成涂層。冷噴涂技術對基體的熱影響較小，不影響基體的強度，且冷噴涂溫度相對較低，適合銅的噴涂，不會產生銅的氧化，且結合強度高，熱應力小，較為適合銅板的原位再生尺寸修復，且可以局部區域性選擇再生，目前此項技術還在研發中。

3 結束語

（1）目前商業應用較為廣泛的結晶器銅板表面處理技術為電鍍和熱噴涂技術。熱噴涂技術與電鍍技術相比，操作簡便、高效、穩定，涂層硬度、耐磨等性能優于電鍍層。

（2）寶鋼熱噴涂技術已成功應用于短邊銅板。采用熱噴涂技術，銅板的使用壽命獲得了極大的提高。

（3）為滿足用戶產線多樣化的需求，寶鋼結晶器銅板熱噴涂技術在功能性復合涂層、長邊熱噴涂銅板、冷噴涂銅板原位修復技術上進行了研究發展。