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連鑄結(jié)晶器是整個連鑄生產(chǎn)的核心設(shè)備,其質(zhì)量的好壞直接影響鑄坯的質(zhì)量和連鑄機的作業(yè)率。采用電鍍、熱噴涂等方法對結(jié)晶器表面進(jìn)行改性處理,經(jīng)過表面處理再制造的結(jié)晶器不僅是對結(jié)晶器尺寸上的修復(fù),具有高強度、高韌性、優(yōu)越耐腐蝕性能、抗磨損性能和抗熱疲勞性能的結(jié)晶器表面功能涂層,還可以大大提高結(jié)晶器表面性能,使得結(jié)晶器的壽命大大延長,提高了結(jié)晶器的檔次、技術(shù)含量和附加值,同時也提高了鋼鐵生產(chǎn)的效率和連鑄坯質(zhì)量,節(jié)能節(jié)材。
文獻(xiàn)介紹了關(guān)于連鑄結(jié)晶器表面處理技術(shù)的研究應(yīng)用進(jìn)展。目前,連鑄結(jié)晶器的表面處理技術(shù)中,仍以電鍍技術(shù)應(yīng)用最為廣泛、成熟可靠。本文對連鑄結(jié)晶器表面電鍍技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行了探討和展望。
1 結(jié)晶器表面電鍍技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展空間
近20年里,表面技術(shù)得到了蓬勃的發(fā)展,尤其是一些新興的表面技術(shù),例如熱噴涂技術(shù)、激光熔覆技術(shù)、PVD技術(shù)、CVD技術(shù)、堆焊技術(shù)等得到了廣泛的開發(fā)和應(yīng)用。新興表面技術(shù)的發(fā)展給傳統(tǒng)的電鍍技術(shù)帶來巨大沖擊,電鍍技術(shù)曾經(jīng)一統(tǒng)表面裝飾與防護領(lǐng)域的格局被打破,呈現(xiàn)出的是各表面技術(shù)的競爭局面。但也正是這種競爭局面促進(jìn)了各技術(shù)自身的不斷發(fā)展提高,因此,其結(jié)果是形成了表面技術(shù)整體繁榮的同時,各表面技術(shù)在各個應(yīng)用領(lǐng)域并存發(fā)展的現(xiàn)狀。
目前,在結(jié)晶器表面處理領(lǐng)域,電鍍技術(shù)已經(jīng)不再是唯一的表面處理技術(shù),熱噴涂技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于結(jié)晶器短邊銅板的產(chǎn)業(yè)化,其他表面技術(shù)也處在研發(fā)階段,并且有報道稱結(jié)晶器長邊銅板已實現(xiàn)全陶瓷涂層的工業(yè)化(采用何種技術(shù)獲得的全陶瓷涂層未知)。因此,對電鍍技術(shù)在結(jié)晶器表面處理領(lǐng)域的應(yīng)用前景的質(zhì)疑和思考是必然的。
電鍍技術(shù)仍然是結(jié)晶器表面處理領(lǐng)域的主要表面技術(shù)。電鍍技術(shù)的最根本技術(shù)優(yōu)勢在于:它可在低溫(<100℃)鍍液中進(jìn)行,有效避免高溫導(dǎo)致的涂層及基體材料性能的惡化,設(shè)備投資少,生產(chǎn)費用低,原材料的利用率高,工藝實施具有連續(xù)性,易于實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。在這些基本的技術(shù)優(yōu)勢基礎(chǔ)之上,電鍍技術(shù)還可獲得種類繁多的鍍層,在高性能新涂層的開發(fā)方面有著巨大的潛力。結(jié)晶器銅板電鍍技術(shù)所得涂層與基體結(jié)合力好,抗冷熱疲勞性能佳,綜合性價比高。但目前的結(jié)晶器表面電鍍技術(shù)也存在著沉積速率低,生產(chǎn)周期長的缺點。
與電鍍技術(shù)一樣,熱噴涂技術(shù)也是一種十分有效的結(jié)晶器表面處理工藝。結(jié)晶器短邊銅板熱噴涂技術(shù)所得涂層具有耐磨性好、耐腐蝕性強的優(yōu)點,涂層沉積速率高。但熱噴涂技術(shù)與電鍍技術(shù)相比,其涂層與母材結(jié)合強度低,且由于沉積環(huán)境是高溫環(huán)境,對工件易產(chǎn)生熱應(yīng)力,引起工件熱變形。為彌補結(jié)合強度和熱應(yīng)力的缺陷,銅板必須進(jìn)行工序較為冗長的熱處理過程,經(jīng)過高溫?zé)崽幚淼你~板,其形變矯正比較困難,基材材質(zhì)受到了破壞,需要修復(fù)切削的疲勞層增多,降低了銅板的使用壽命。由于長邊銅板的面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于短邊銅板,因此,這些存在的問題將會被放大。可見,熱噴涂技術(shù)在結(jié)晶器長邊銅板上的應(yīng)用并不是水到渠成的事情。
綜上所述,未來的結(jié)晶器表面處理領(lǐng)域,電鍍技術(shù)仍將具有很好的開發(fā)應(yīng)用前景,電鍍技術(shù)將同其他表面技術(shù)共同并存、優(yōu)勢互補。
2 結(jié)晶器表面電鍍技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展方向
現(xiàn)代制造業(yè)的流程是對產(chǎn)品的全生命周期進(jìn)行的,技術(shù)的發(fā)展再也不能僅局限于內(nèi)部制造車間,而應(yīng)是緊隨產(chǎn)品生命周期的各個環(huán)節(jié)。對產(chǎn)品生命周期的結(jié)晶器表面電鍍技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了分析,見圖1。由圖可見,結(jié)晶器表面電鍍技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展應(yīng)當(dāng)是從論證設(shè)計到制造、到用戶使用、再到論證設(shè)計這樣一個閉環(huán)的、全面的技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展。
2.1 面向產(chǎn)品性能
結(jié)晶器表面電鍍技術(shù)從最初的鍍Cr開始,目前已經(jīng)逐步形成了鍍Ni、鍍Ni Fe、鍍Ni Co、鍍Co Ni幾種主要鍍層,產(chǎn)品的性能也逐步提高。隨著鋼鐵工業(yè)的飛速發(fā)展,對結(jié)晶器材料表面的性能提出了越來越高的要求,結(jié)晶器的發(fā)展將繼續(xù)向著具有高機械強度、良好的導(dǎo)熱性、耐
磨性和耐腐蝕性能的方向發(fā)展。為適應(yīng)這樣的要求,新的電鍍技術(shù)、新材料必將應(yīng)運而生。在電鍍技術(shù)領(lǐng)域,納米復(fù)合鍍技術(shù)、脈沖鍍技術(shù)及新型合金鍍技術(shù)的發(fā)展方向與未來結(jié)晶器的發(fā)展要求十分吻合,在圖2中分析了結(jié)晶器電鍍技術(shù)的發(fā)展歷程與方向,認(rèn)為未來的結(jié)晶器表面電鍍技術(shù)的發(fā)展將側(cè)重于微、納米復(fù)合鍍、脈沖鍍及新型合金鍍技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用。
2.2 面向生產(chǎn)
在開發(fā)鍍層新材料新技術(shù)的同時,關(guān)注生產(chǎn)過程中電鍍技術(shù)的改進(jìn)與提高是必要的,如果制造過程中的成本得不到降低、產(chǎn)品質(zhì)量得不到保證,那么再好的鍍層新材料、新技術(shù)也只能止步于設(shè)想和研發(fā)階段,或者大大降低其附加值,從而失去了競爭力。
日本三島光產(chǎn)公司開發(fā)了連續(xù)降液面電鍍技術(shù),該技術(shù)可以靈活地在銅板不同水平位置得到不同厚度的鍍層,改變了原有的固定液面電鍍的各處鍍層均厚、造成材料浪費的狀況。寶鋼開發(fā)了結(jié)晶器銅板帶背板或水箱整體電鍍等技術(shù),與解體銅板槽浸電鍍方式相比,整體電鍍省去了銅板的拆、裝工序,縮短了生產(chǎn)周期,減少了人工和管理成本。鞍鋼采用組箱臺式電鍍技術(shù),對銅板表面實行按高度分段控制厚度和鈷元素含量,從而減少耗材、實現(xiàn)了銅板鍍層上軟下硬的特點。
連鑄結(jié)晶器銅板在電鍍前需要進(jìn)行除油、浸蝕等前處理過程,前處理過程是保證鍍層及鍍層質(zhì)量的關(guān)鍵工序。通常的前處理工藝先是熱堿除油,經(jīng)水洗后再酸洗浸蝕,即除油、浸蝕是分開進(jìn)行的,這種方法不僅工藝繁瑣,占地較多,而且清洗用水和化工原料的消耗量較大。隨著針對電鍍前處理工藝的不斷研究,目前,一步除油浸蝕工藝,即在一槽前處理液中同時完成除油和浸蝕的工序已經(jīng)成功應(yīng)用于結(jié)晶器銅板電鍍企業(yè)。與分步前處理技術(shù)相比,一步除油浸蝕法的除油、浸蝕效果十分優(yōu)異,所得鍍層的結(jié)合力很好,簡化了前處理工藝,減少了設(shè)備,節(jié)約了清洗水及一些化工原料。但是目前國內(nèi)關(guān)于一步除油浸蝕液及工藝的研發(fā)比較薄弱,處理液和處理技術(shù)需要國外引進(jìn)。因此,從降本增效,節(jié)約能源的角度上講,針對連鑄結(jié)晶器銅板一步除油、浸蝕工藝的研發(fā)是十分有前景的。
2.3 面向用戶
許多在用戶現(xiàn)場產(chǎn)生的問題,為電鍍技術(shù)的發(fā)展提供了方向和平臺。
寶鋼某連鑄廠原來的結(jié)晶器短邊銅板采用正面熱噴涂合金,然后側(cè)邊電鍍Ni,結(jié)果在連鑄生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn),正面邊緣的較軟鍍Ni帶十分容易磨損,限制了短邊銅板的使用壽命。為解決這一問題,對銅板采取了先側(cè)邊電鍍,然后正面熱噴涂的方法,對電鍍工藝作了相應(yīng)的改變。新方法獲得的短邊銅板耐磨損性能提高,使用壽命延長。寶鋼在為某用戶制造結(jié)晶器銅板時,采用有限元熱解析技術(shù)分析了用戶的原結(jié)晶器銅板設(shè)計,發(fā)現(xiàn)其銅板上部1mm的Ni Fe鍍層、水槽設(shè)計、冷卻水流量不夠合理,在設(shè)計拉速下彎月面溫度過高。經(jīng)過進(jìn)一步熱解析分析,向用戶提出改用上部0.3mm的Ni Co鍍層、修改原水槽和冷卻水流量設(shè)計的建議,其中改變鍍層形式的建議得到了用戶的認(rèn)可。
面向用戶的結(jié)晶器表面電鍍技術(shù)的發(fā)展相對比較薄弱,一方面原因在于結(jié)晶器制造技術(shù)與連鑄技術(shù)存在較大的專業(yè)跨度,連鑄現(xiàn)場復(fù)雜的工況和管理方式,使得結(jié)晶器制造技術(shù)人員較難掌握各因素對產(chǎn)品的影響結(jié)果和影響程度,進(jìn)而無法進(jìn)入下一階段的產(chǎn)品論證設(shè)計。另一方面原因在于產(chǎn)品全生命周期信息鏈的缺失或者獲取信息的效率很低,正如圖1中所示,沒有產(chǎn)品數(shù)據(jù)信息平臺這一中間環(huán)節(jié),技術(shù)人員將無法獲取全面的產(chǎn)品信息,沒有數(shù)據(jù)信息作為保障,則很難對已發(fā)生和將發(fā)生的問題進(jìn)行綜合分析。
鑒于以上原因,面向用戶的結(jié)晶器表面電鍍技術(shù)的發(fā)展應(yīng)當(dāng)向外延拓展,與產(chǎn)品的應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域形成交叉。對于連鑄技術(shù),其核心工藝是結(jié)晶器內(nèi)的熱交換過程,因此,掌握結(jié)晶器內(nèi)的熱交換規(guī)律將對結(jié)晶器銅板及鍍層的設(shè)計具有重要指導(dǎo)作用。此外,針對結(jié)晶器銅板全生命周期信息數(shù)據(jù)庫的建設(shè)是十分有意義的。日本三島光產(chǎn)公司將包括結(jié)晶器銅板的現(xiàn)場使用信息在內(nèi)的產(chǎn)品生命周期信息系統(tǒng),納入企業(yè)的生產(chǎn)管理系統(tǒng),不僅有利于管理、營銷,還大大促進(jìn)了技術(shù)的研發(fā)。寶鋼也正在積極開展此項工作。結(jié)晶器銅板全生命周期信息數(shù)據(jù)庫的建設(shè),將使得電鍍技術(shù)更容易在面向用戶的平臺上發(fā)展、更利于電鍍技術(shù)與各個技術(shù)的交互發(fā)展。
3 結(jié) 語
電鍍技術(shù)因其自身特有的技術(shù)優(yōu)勢和不斷地更新發(fā)展,在未來的結(jié)晶器表面處理領(lǐng)域,電鍍技術(shù)仍將具有很好的開發(fā)應(yīng)用前"景,電鍍技術(shù)將同其他表面技術(shù)共同并存、優(yōu)勢互補。未來的結(jié)晶器表面電鍍技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展不能僅局限于內(nèi)部制造車間,而應(yīng)是緊隨產(chǎn)品生命周期的各個環(huán)節(jié),從論證設(shè)計到制造、到用戶使用、再到論證設(shè)計這樣一個閉環(huán)的、全面的技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展。
