薄帶連鑄結晶輥表面處理

孫小平，呂春雷

（寶武裝備智能科技有限公司，上海 201900）

薄帶連鑄技術是冶金及材料研究領域內(nèi)的一項前沿技術，實現(xiàn)鑄軋一體化，簡化了帶鋼的生產(chǎn)工序，使鋼鐵生產(chǎn)流程更緊湊，生產(chǎn)、投資成本更低。薄帶連鑄技術不僅縮短生產(chǎn)周期，而且更節(jié)能環(huán)保。其工藝方案因結晶器的不同分為帶式、輥式、輥帶式等，其中受到廣泛關注的是雙輥薄帶連鑄技術，其工作原理如圖1所示。

目前，國外薄帶連鑄均已進入商業(yè)化階段。我國由寶鋼集團與寧波鋼鐵公司合建的年產(chǎn)50 噸鋼的薄帶連鑄工廠也已于2014 年投入生產(chǎn)。2016 年東北大學與河北敬業(yè)集團也簽訂了協(xié)議，建設薄帶連鑄工程項目［1］。

結晶輥是薄帶連鑄機中的關鍵設備之一，與傳統(tǒng)的連鑄機的結晶器作用相似。其主要作用是將注入的鋼水快速冷卻、凝固成具有一定厚度的板帶坯，并軋制形成厚度為1～5 mm 帶鋼。整個過程中，結晶輥勻速旋轉(zhuǎn)，將鋼水凝固的同時施加一定的軋制力，其自身同時需承受鋼水的熱蝕、板帶的磨損和周期性熱載荷。

圖1 雙輥薄帶連鑄機示意圖［2］Fig.1 Schematic diagram of double-roll strip continuous caster

結晶輥通常由不銹鋼芯軸和銅合金輥套組成，其結構形式如圖2 所示。為了提高結晶輥使用壽命、提高薄帶連鑄生產(chǎn)效率。與傳統(tǒng)的方坯、板坯連鑄結晶器一樣，可以在結晶輥表面鍍覆一層金屬鍍層。但是，與傳統(tǒng)結晶器不同，結晶輥要求更快速均勻傳熱，而且要滿足連鑄和軋制雙要求，因此對鍍層的要求更苛刻，鍍層需具有導熱性良好、耐磨性良好并能抗熱疲勞；同時需對結晶輥表面進行粗糙處理，形成一定的紋理，以控制熱傳導，從而控制凝固過程，實現(xiàn)均勻冷卻。另外，考慮到工業(yè)化對結晶輥周期和成本的要求，結晶輥需具有可修復性。

本文主要闡述了薄帶連鑄結晶輥的工業(yè)化應用中涉及的鍍層和輥面精密加工技術研究情況。

圖2 結晶輥結構示意圖Fig.2 Structure diagram of crystallization roller

1 結晶輥電鍍及毛化技術

結晶輥鍍層一方面可以對結晶輥本體進行保護，減輕澆鑄時產(chǎn)生的熱應力和機械應力對結晶輥的損傷，另一方面能增加表面耐磨性，保持輥型及表面形貌。在結晶輥使用一定周期后，只需重新修復鍍層即可再次上線使用，大大延長了結晶輥的整體壽命，從而降低了薄帶連鑄生產(chǎn)成本，為工業(yè)化應用奠定了基礎。

結晶輥的鍍層技術大致經(jīng)歷了鍍鎳、鍍鉻、鍍鎳+鍍鉻等3 種技術路線。由于結晶輥輥體總長度達5425 mm，直徑達800 mm，重量達8 t 左右，因此需要專用的設備進行電鍍。

1.1 結晶輥立式旋轉(zhuǎn)鍍鎳技術

為了保證結晶輥鍍層的質(zhì)量與性能，采用立式旋轉(zhuǎn)槽進行電鍍，其設計思路是通過傳動裝置和支撐承重裝置使結晶輥在電鍍槽內(nèi)垂直勻速轉(zhuǎn)動，采用氨基磺酸鍍鎳體系對結晶輥實施全浸沒式電鍍。圖3 為本工廠的立式旋轉(zhuǎn)電鍍設備，該設備能保證結晶輥鍍層的均勻性，有利于生產(chǎn)高質(zhì)量結晶輥。

1.2 結晶輥臥式旋轉(zhuǎn)鍍鉻技術

由于硬鉻鍍層有優(yōu)良的物理特性，如其硬度可達1000 HV，其耐磨系數(shù)非常低，因此冶金行業(yè)有大量的工藝輥需要鍍鉻處理，為了增加使用壽命一般采用毛化鍍鉻技術。最早的結晶器銅板修復也是采用鍍鉻處理，但因為鍍鉻后結晶器銅板普遍存在裂紋，逐漸被鍍鎳或鎳合金取代。

圖3 結晶輥立式旋轉(zhuǎn)鍍鎳Fig.3 Vertical rotary nickel plating on crystallization roller

因此在借鑒輥類和結晶器銅板鍍鉻技術的基礎上，為了緩和裂紋情況，結晶輥表面鍍鉻采用雙層鉻進行處理。即先在結晶輥表面電鍍一層硬度低、無裂紋的乳白鉻，再在外層鍍一層耐磨損的硬鉻，其設計目的是為了緩和裂紋對結晶輥基體的影響。其中乳白鉻的鍍層厚度控制在50 μm 以內(nèi)，表面硬鉻的厚度控制在15 μm以內(nèi)。

圖4 為本工廠結晶輥鍍鉻的生產(chǎn)實例。鍍鉻結晶輥經(jīng)上線后發(fā)現(xiàn)其使用壽命較鍍鎳大幅提高，但下線后發(fā)現(xiàn)其表面存在微裂紋，并且裂紋已經(jīng)擴展至銅基體。

圖4 結晶輥鍍鉻Fig.4 Crystallization roll chromium plating

1.3 結晶輥鍍鎳+鍍鉻技術

為了減輕鍍鉻層對結晶輥基體的損傷，在結晶輥與鍍鉻層之間增加了鍍鎳層。為了消除鍍鎳層對傳熱的影響，一般控制鍍鎳層的厚度小于0.3 mm。同時為了增大結晶輥的表面積，對鍍鎳后的結晶輥進行表面噴丸毛化處理。其主要工藝路線為：結晶輥磨削—鍍鎳—磨削—噴丸毛化—鍍?nèi)榘足t—鍍硬鉻。

圖5 為結晶輥鍍鎳+鍍鉻后的表面形貌，通過Dino-Lite AM3111 手持式電子放大鏡觀察后，可以看出結晶輥表面鍍層均勻。經(jīng)上線試驗，發(fā)現(xiàn)該結晶輥使用后與鍍鎳和鍍鉻相比，既增加了過鋼量，又消除了對結晶輥基體的裂紋損傷。

圖5 鍍鎳+鍍鉻的結晶輥Fig.5 Crystallization roll with nickel and chromium coating

2 結晶輥表面精密加工技術

2.1 輥型加工

結晶輥輥型直接決定了鑄帶的成形及質(zhì)量，因此其加工精度要求極高，尤其是輥型及輥面形貌。在工業(yè)化的基礎上，本文介紹了輥型加工及形貌加工的生產(chǎn)實際。

結晶輥在鑄軋的過程中，輥面會產(chǎn)生熱變形［3］，如圖6所示，輥面產(chǎn)生一定的中凹情況，根據(jù)朱光明等［3］的研究，結晶輥冷態(tài)加工時必須做反向輥型，即形成中凸情況。圖7 為寶鋼-寧鋼薄帶連鑄機組所采用的輥型尺寸，從圖7 可以看出，輥輥局部中凸0.2 mm，并且通過精密磨削加工后，設計輥型曲線與實測輥型曲線基本吻合。

2.2 紋理加工

根據(jù)周川［5］、王成全［6］等研究表明，結晶輥形貌主要有V 形槽、噴丸毛化以及其他復合形貌。對于激光刻痕、電解、刻蝕等制作方法，因加工效率和成本問題，尚不能在工業(yè)化生產(chǎn)中使用。

2.2.1 V形槽加工

由于刀片的磨損，通過成形刀車削的方式達不到高精度的槽形［7］，特別是在鍍鎳層上加工。因此需采用滾壓刀加工，其加工方式如圖8所示。

圖6 雙輥連鑄坯截面形狀示意圖［4］Fig.6 Schematic diagram of section shape of doubleroll continuous casting billet

通過調(diào)整進刀量和機床轉(zhuǎn)速，在表1 的滾壓工藝參數(shù)下，分別在硬度為HV180～220 和HV300～400的材料表面進行滾壓試驗。通過Surftest SJ-210對表面粗糙度進行測量，以Rv 評定溝槽深度，結果顯示，全輥面四千多條紋理溝槽深度均勻一致，誤差小于5 μm。圖9為通過Dino-Lite AM3111手持式電子放大鏡觀察的形貌。

2.2.2 噴丸毛化

結晶輥噴丸毛化技術主要通過噴鋼丸毛化在輥面上加工出不連續(xù)，隨機分布的凹凸形貌。其工作原理為：砂或鋼丸等，在以壓縮空氣為動力的作用下形成高速射流束，使丸粒獲得相當?shù)膭幽?，并以高速噴射到需處理的工件表面，使得工件外表面的淺層外表發(fā)生塑性變形，從而達到毛化工件表面的目的。丸粒對工件表面的沖擊作用，可使工件表面獲得一定的清潔度和不同的粗糙度，同時還可以使工件表面的機械性能得到強化。

圖7 結晶輥輥型的設計和實測Fig.7 Design and measurement of crystallization roll shape

圖8 紋理加工示意圖Fig.8 Schematic diagram of texture processing

表1 滾壓參數(shù)Tab.1 Parameters of roll extrusion

圖9 滾壓紋理放大照片（200×）Fig.9 Texture zoom photos after roll extrusion（200×）

國外對薄帶連鑄結晶輥輥面噴丸的處理方法有很多，如美國專利U7159641B2［8］采用噴丸處理的方法對結晶輥表面進行毛化處理，處理成平均直徑0.3 mm，深10～50 μm 的凹坑。根據(jù)周川等［5］的研究表明，輥面粗糙度增大能提高傳熱，但是當粗糙度過大，氣隙熱阻增加反而影響傳熱。

本節(jié)匯總了生產(chǎn)過程中槍距、工件轉(zhuǎn)速和行走速度對表面形貌的影響，并通過粗糙度儀Surftest SJ-210 對表面粗糙度進行測量，以粗糙度Ra，微觀不平度高度Rz對凹坑形貌的高度進行評價，峰值密度Rpc對凹坑的分布量進行評價。

通過表2 分析可以發(fā)現(xiàn)，控制不同的槍距和行走速度，粗糙度變化很大，根據(jù)寶鋼—寧鋼薄帶連鑄傳熱模型的要求，在生產(chǎn)實際中要嚴格控制Ra=8～10 μm，Rz=50±5 μm，Rpc=30±5 個·cm-1。結晶輥經(jīng)噴丸毛化后通過Dino-Lite AM3111手持式電子放大鏡觀察其表面形貌，如圖10 可以看出，經(jīng)過噴丸毛化，輥面的微觀形貌均勻一致。

表2 粗糙度數(shù)據(jù)Tab.2 Data of roughness

圖10 結晶輥噴丸之后的表面形貌（200×）Fig.10 Surface morphology of crystallization roll after shot blasting（200×）

3 結論

結晶輥表面處理技術是雙輥薄帶連鑄技術實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化成功的關鍵，本文概括論述了寶鋼—寧鋼生產(chǎn)線結晶輥工業(yè)化生產(chǎn)實際，并在實際工業(yè)化生產(chǎn)中得出以下結論：

（1）結晶輥表面需要進行表面處理，否則將嚴重影響結晶輥的整體壽命，通過工業(yè)化試驗，應選用鍍鎳+鉻鍍層，并需嚴格控制鍍層厚度，該工藝既能保護銅基體又不影響傳熱效率。

（2）滾壓V形槽形貌和噴丸毛化形貌，在實際使用時，均可以獲得優(yōu)良的表面形貌，但因鍍層的選型，在生產(chǎn)實際中以噴丸毛化為主。

（3）采用磨削方式可以得到高精度的曲線輥型，為了抵消其工作狀態(tài)的熱變形，在冷態(tài)加工時應進行反向加工，即將輥面加工成中凸形式，通過高精度磨削，可以完全制造符合理論要求的輥型。