新型化学热处理在连铸结晶器上的应用

王华兵　庄秉寰

摘　要：新型化学热处理工艺已用于连续铸钢机的结晶器。实践证明,经化学热处理的结晶器具有良好的导热性,耐磨性,抗氧化性和高的热疲劳强度,显著延长使用寿命，降低成本。用实验数据和现场使用结果,分析讨论这些特性。
关键词：多元共渗　结晶器　耐磨性　耐氧化性

Application of New Chemical Heat Treatment
in Mould in Continuous Casting

Wang Huabing
（Shanghai Pudong Iron & Steel Co.Ltd.）

Zhuang Binghuan
（East China University of Science & Technology）

Abstract：A new technology of chemical heat treatment has been applied in mould of continuous casting machine. The results show that chemically heat-treated mould can obtain good heat conductivity, wear resistance, antioxidation and high heat fatigue strength, which can prolong the service life and reduce cost. These characteristics are discussed based on test data and practical results.
Keywords：multi-element co-penetrating　mould　wear resistance　antioxidation

前　言

　　结晶器是连续铸钢机的心脏,改善结晶器材质的性能,延长其寿命,降低制造成本,对连铸机的生产能力和铸机质量的提高都起着十分重要的作用。1998年我国的连铸比已达67.6 %,估计到2000年可达80 %^［1］。如能延长结晶器的使用寿命,其效益将是可观的。
　　结晶器必须具有良好的导热性和耐磨性,它的服役温度高达350～500 ℃,因此还必须具有抗氧化性和高的热疲劳强度,为了提高这些性能,多年来对结晶器表面进行镀层处理,如镀镍、镀铬等。但实践证明镀层与基体结合力不够理想,不能达到预期的指标,而且成本较高。
　　近10年来,铜合金化学热处理新工艺已在冶金设备上广泛使用,如初轧机衬板,主传动万向联轴节中的滑块,轧钢机横梁螺母、轴瓦……等都取得了满意的效益^［2］。在这基础上,调整工艺参数,使铜质结晶器同时具备良好的导热性、耐磨性、抗氧化性和高的热疲劳强度。从而大幅度延长其寿命,降低成本。通过实验和生产应用情况对这些特性进行了分析与讨论。　　

2　实验室实验

2.1　导热性对比实验
　　铜合金经化学热处理后可多倍地提高摩擦件的寿命。但结晶器在高温条件下服役,导热性能是否满足要求?
　　导热性的好坏,反映在当试件的一端置于恒定的热源上受热时,另一端温升速率的快慢。从这点出发,采用了如图1所示的装置。试件如图2所示,共8件,其中4件经化学热处理,另4件不经热处理。试件材料为工业纯铜。试件的孔中熔入焊锡,测量试件温度的热电偶2插入其中,热电势用UJ33a型电位差计测量。

图1　导热性对比试验装置
1.电位差计　2.热电偶　3.焊锡　4.试样　5.导热体　　
6.坩锅炉　7.精密温度控制仪　8.高温绝热材料　9.热电偶

图2　试件

　　先将坩锅炉升温到700 ℃,恒温。温度用精密温度控制仪DWT—702控制,温度波动幅度为±0.5 ℃。试件先用高温绝热材料包裹,将渗层的一端紧贴置放在导热体5上,开始测量UJ33a型电位差计到达4 mV、6 mV、8 mV……14.28 mV(相当于350 ℃)所需时间。为了减少误差,采取了已渗件和未渗件交替进行测量。其结果见表1,实验结果充分表明经化学热处理试件的导热性能远高于未经处理的试件。
2.2　热疲劳和抗氧化对比实验
　　结晶器的弯月面附近,温度可达350 ℃,在特殊情况下,可能还高些。结晶器往往要承受多次加热和冷却的热循环过程,其材料必须具备好的热疲劳性,其表面镀覆层或化学热处理渗透层应不易脱落。
　　选用镀铬的铜块和经化学热处理且具有1.2 mm厚渗层的铜块,均加热到350 ℃,然后水冷到室温,重复这个过程。镀铬铜块在4次热循环后,镀层开始脱落,而渗层经10次热循环,又在450 ℃下进行4次热循环,渗层尚未脱落。
　　在经400 ℃加热时,铜的表面已发黑,而渗层表面却保持原有颜色。

3　生产试用

　　根据钢厂生产任务,选用160 mm×220 mm矩形结晶器进行试用。采用R6 m二机四流弧形连铸机,其中两流用经化学热处理结晶器,另两流用未经处理者对比,钢水温度和拉坯速度率、冷却条件均相同。结晶器用纯铜制成,经化学热处理后,表面硬度为340 Hv₁₀,渗层厚度为1.6 mm(图3),表面粗糙度达Ra 1.25 μm。浇铸Q215A、Q235A和20MnSi等钢种。在同一钢水温度和同一拉坯速率条件下,从化学热处理结晶器出来的钢坯表面温度稍低一些。试用寿命数据对比见表2。从表2可以看出,化学热处理结晶器寿命在原有基础上延长了8倍。结晶器拆下后检查表面状况,未经处理者,在弯月面部位有明显凹坑;而经处理者,在相同部位没有找到凹坑。

图3　渗层硬度分布

4　分析与讨论

4.1　结晶器的耐磨性
　　从结晶器的磨损形态看,它主要遭受着粘附磨损和犁沟磨损。在某种条件下,例如当保护渣的粘度和拉坯速率不当,或者结晶器结构等因素影响下,造成部分钢坯和结晶器壁直接接触,这时钢坯温度高很易和结晶器壁粘附,由于钢坯和铜的界面能大于铜的自身结合强度,要使粘附点分离,在结晶器振动和拉坯剪力作用下,使铜内部发生分离,于是造成了粘附磨损。两种金属这样的粘合,和晶格类型有关。不同晶格类型粘附键的几率不同,面心立方晶格为1, 体心立方晶格为2/3,稠密六方晶格为1/2。采用化学热处理渗入异类原子,在铜表面形成复杂立方的γ相,使粘附键的几率降低;两种金属的粘合,还和渗入元素的特性有关,所渗入元素的原子在铜内存在另一种形式是固溶体,这种固溶体当温度升高时,溶质原子向表面偏聚,其结果可降低钢和铜的粘附力。选择异类原子渗入铜内,还可以降低层错能。层错能越高,摩擦表面越易形成胞状结构,而粘附磨损产生磨屑的裂纹源正是在胞状结构的胞壁处产生并扩展,因此降低层错能,就能减少形成磨屑裂纹成核的几率。不言而喻,异类原子的渗入,也提高了硬度,只要金相组织控制适当,硬度的提高,可以降低粘附磨损。综上所述,所以经化学热处理的结晶器抗粘附磨损的能力大大增强。

表1　导热性对比实验数据

试件分类		Ⅰ		Ⅱ		Ⅲ		Ⅳ
		升温时间 /s	升温速率 /mV^.s^-1	升温时间 /s	升温速率 /mV^.s^-1	升温时间 /s	升温速率 /mV^.s^-1	升温时间 /s	升温速率 /mV^.s^-1
未 经 化 学 热 处 理	4mV	372	0.011						0.011
	6mV	525	0.011			863	0.00695	261	0.023
	8mV			256	0.031	1010	0.00792
	10mV	630	0.016	374	0.027	1243	0.00805	527	0.019
	12mV	845	0.014	582	0.021	1637	0.00733	796.5	0.015
	14mV	1372	0.0081	711	0.020			2184	0.00641
								(14.4mV)
	14.28mV	1980	0.0072	767	0.019				0.00564
								2551
	平均		0.0112		0.0236		0.00756		0.0138
经 化 学 热 处 理	4mV	247	0.016	90	0.044
	6mV	356	0.017	155	0.039
	8mV	515	0.0169	239	0.033	509	0.016
	10mV			366	0.027	680	0.015	458	0.022
	12mV	721	0.017	440	0.027	970	0.012	645	0.019
	14mV	1519	0.0092	587	0.024			1066	0.013
	14.28mV	1644	0.0087	635	0.022			1199	0.012
	平均		0.0140		0.0309		0.014		0.0165

　　表2　结晶器生产使用结果对比

	结晶器寿命
	开浇调包 次数/次	浇铸时间	浇铸吨位 /t	浇铸钢坯 长度/m
未经处理 的结晶器	8	42h3min	434	1 622
经化学热处理 的结晶器	70	339h21min	3854	14 816

　　结晶器内壁和钢坯之间,有保护渣存在,其熔点一般在1 100～1 200 ℃,在钢坯表面以液膜形态存在,但结晶器一侧可能存在固体颗粒,这些颗粒如果硬度高,可向结晶器锥度表面压入,很容易产生犁沟磨损。颗粒硬度(H_粒)和结晶器表面硬度(H_结)相互间有如下关系:

　　H_结＞1.25H_粒时为低磨损区
　　H_结＜0.8H_粒时为高磨损区
　　H_结=(0.8～1.25)H_粒时为过渡磨损区

　　结晶器经化学热处理后,H_结从40～50 Hv₁₀提高到340 Hv₁₀,抗犁沟磨损能力大大提高。耐磨性同样由此而获得增强。
4.2　抗氧化性
　　铜加热到350 ℃时表面即出现棕色的Cu₂O,再加热到400 ℃时,表面产生黑色的CuO。当氧化铜和保护渣接触时,氧化铜被溶入渣中,结晶器表面又形成新的氧化膜,周而复始,就易在弯月部位出现凹坑。这是结晶器使用寿命下降的主要原因之一。铜经化学热处理后,结晶器表面形成一层保护膜,加热到400 ℃后,表面仍保持原状,所以在弯月部位找不出凹坑。
4.3　结晶器的冷却效果
　　化学热处理后结晶器的冷却效果所以较好,有下列因素。这种处理工艺将异质原子渗入铜内,形成固溶体和金属化合物,它们仍以金属键方式键合。所形成的化合物为γ相,γ相内还可溶解溶质原子。γ相为电子化合物,电子浓度为21/13,自由电子数目较多,导热性所以较好;其次,由于化学热处理改善了切削性能,表面粗糙度大大降低,有效传热面积增加;第三,渗层的结构较紧密,无孔隙,热阻减小,导热性的改善使冷却效果提高。这是衡量结晶器热效率的重要依据。
4.4　热疲劳性
　　热疲劳强度是非常重要的指标之。根据上述的对比试验,铜上的镀铬层,经4次急冷急热的循环,镀层开始脱落。铜上的化学热处理渗层经14次急冷急热,仍未剥落,可见渗层渗入基体后的热疲劳强度是较好的。其原因可能和热膨胀系数有关。铬加热到400 ℃时的热膨胀系数为8.4×10^-6/℃,铜在200 ℃时为17.2×10^-6/℃,500 ℃时为18.3×10^-6/℃。铜经化学热处理所得γ相的膨胀系数,用德制HTV型精密膨胀仪测定,在400 ℃时为14.81×10^-6/℃。在γ相与基体之间,还有固溶体相存在,它能使热应力松弛。所以渗层在热循环过程中,不易与基体分离,使结晶器的寿命获得了延长。

5　结　语

　　(1)铜质结晶器经化学热处理后可提高耐磨性和抗氧化性,渗层和基体结合牢固,能承受多次热循环而不剥落,渗层对铜质结晶器的导热性没有不良影响,相反还能提高结晶器的冷却效果。
　　(2)铜质结晶器经化学热处理后不仅能改善其性能,提高使用寿命,降低消耗,减少事故等等,是值得推广和应用的一种技术发展。

作者简介：联系人：王华兵,助理工程师,上海(200126)上海浦东钢铁集团公司转炉炼钢厂技质科
作者单位：王华兵（上海浦东钢铁集团有限公司）
　　　　　庄秉寰（华东理工大学）

参考文献：

［1］殷瑞钰等.中国加快发展连铸的途径.钢铁,1998,(3):72～76
［2］庄秉寰等.铜及其合金的化学热处理.中国“八五”科学技术成果选,北京:科学出版社,1996,(2):176