1、結(jié)晶器銅板結(jié)晶器銅板電鍍鎳鈷鐵工藝研究電鍍鎳鈷鐵工藝研究主講人：鄧文主講人：鄧文結(jié)晶器銅板電鍍鎳鈷鐵工藝研究 摘要：Ni-Cr, NiFe，Ni-Co， Ni-Co- Fe鍍層在結(jié)晶器銅板上的開發(fā)應(yīng)用，詳細(xì)闡述以上四種鍍層的優(yōu)劣，同時對結(jié)晶器銅板電鍍鎳鈷鐵的優(yōu)越性進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。 引言：結(jié)晶器銅板在工作過程中由于長時間經(jīng)受高溫鐵水的沖刷，存在較嚴(yán)重的摩擦和磨損，其損壞的主要形式 是產(chǎn)生熱裂紋、磨損和腐蝕；表面的局部損壞又往往造成整個部件失效，最終導(dǎo)致設(shè)備報(bào)廢。據(jù)統(tǒng)計(jì)，一套結(jié)晶器的價格在7120萬元，我國冶會企業(yè)每年銅結(jié)晶器的消耗在2o億元以上，是除了軋輥之外的第二大冶金耗材；而且銅及銅合金的

2、資源緊缺，近期來價格又有不斷上漲的趨勢；因此提高結(jié)晶器銅板表面的耐磨性和耐熱性是提高經(jīng)濟(jì)效益和生產(chǎn)效率的根本措施，具有很好的科學(xué)研究意義和實(shí)際應(yīng)用價值。結(jié)晶器銅板電鍍鎳鈷鐵工藝研究 一、結(jié)晶器銅板的表面處理 表面處理技術(shù)，即利用各種物理的、化學(xué)的或機(jī)械的工藝方法使材料表面獲得特殊的成分、組織結(jié)構(gòu)與性能，以提高其耐磨抗蝕性能，延長其使用壽命的技術(shù)，也可稱為表面加工等。常用的表面技術(shù)有：堆焊技術(shù)、熔結(jié)技術(shù)、電鍍、電刷鍍及化學(xué)鍍技術(shù)、非金屬鍍技術(shù)、熱噴涂技術(shù)、物理與化學(xué)氣相沉積、化學(xué)熱處理、激光表面處理、電子束技術(shù)相變硬化、離子注入等。其中，利用電鍍、熱噴涂技術(shù)、化學(xué)熱處理強(qiáng)化結(jié)晶器銅板在國內(nèi)或國外

3、已經(jīng)有所應(yīng)用。結(jié)晶器銅板電鍍鎳鈷鐵工藝研究 1、電鍍 在表面處理技術(shù)中，電鍍是最有效的方法之一。電鍍是指在含有欲鍍金屬的鹽類溶液中，在直流電的作用下，以被鍍基體金屬為陰極，以欲鍍金屬或其它惰性導(dǎo)體為陽極，通過電解作用，在基體表面上獲得結(jié)合牢固的金屬膜的表面工程技術(shù)。 目前，利用電鍍強(qiáng)化的結(jié)晶器有單鍍層銅板和復(fù)合鍍層銅板。 單一鍍層主要用鉻或鎳； 現(xiàn)已開發(fā)結(jié)晶器復(fù)合鍍層銅板，如Nicr，Ni-Fe，NiFew，NiFeco，Ni co，Niw 等 效果很好。此外，還有NiwP鍍層 等。另外為降低生產(chǎn)成本，優(yōu)化我國冶金技術(shù)設(shè)備，國內(nèi)已有人進(jìn)行電鍍鎳及其合金的研究 ，其中，以銅鉻鋯為材質(zhì)的結(jié)晶器電鍍

4、鎳鐵，鎳鈷，鈷鎳鍍層已經(jīng)在板坯連鑄機(jī)獲得應(yīng)用 。結(jié)晶器銅板電鍍鎳鈷鐵工藝研究電鍍與其它表面處理技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1)可以在形狀復(fù)雜的零部件表面上獲得合金鍍層； 2)控制電鍍液組分和工藝條件，可得到任意成分的合金鍍層； 3)消耗能量低、方法簡便、可規(guī)模生產(chǎn)； 4)易進(jìn)行自動化控制。電鍍與其它技術(shù)相比，存在以下缺點(diǎn)： 1)涂層與基材之間為物理結(jié)合而非冶金結(jié)合，在結(jié)晶器澆注時頻繁的冷熱疲勞、鋼水及鋼坯的沖擊和摩擦經(jīng)常引起涂層起皮剝落； 2)涂層內(nèi)部存在電鍍過程中形成的針孔、針狀疏松等缺陷，降低涂層的抗氧化和磨損性能； 3)鍍層硬度低，耐磨性差；工藝不好掌握，但Ni- Co Fe鍍層克服一些因

5、素，完全達(dá)到熱噴涂的效果。 4)電鍍鉻屬排污排廢環(huán)境污染項(xiàng)目，屬國家控制和逐步淘汰技術(shù)。結(jié)晶器銅板電鍍鎳鈷鐵工藝研究 2熱噴涂 熱噴涂是指將噴涂材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，用高速氣流將其霧化、加速，使其以高速噴射在lT件表面，形成噴涂層的一種金屬表面加工方法。根據(jù)熱源來分，熱噴涂有4種基本方法：火焰噴涂、電弧噴涂、等離子噴涂和特種噴涂。 在國內(nèi)，用熱噴涂技術(shù)已經(jīng)在銅合金上制造抗氧化涂層 。而且，熱噴涂技術(shù)在以紫銅為材質(zhì)的高爐渣口中已形成牛產(chǎn)線，但在結(jié)晶器中應(yīng)用還未見報(bào)道。在國外，已有文獻(xiàn)報(bào)道在銅基體上超音速噴涂鎳基合金 ；日本1996年就把熱噴涂電鍍鎳的結(jié)晶器銅板技術(shù)申請了專利 ，而且后來開發(fā)

6、的結(jié)晶器銅板熱噴涂Nicr合金層技術(shù) ，基本取代了電鍍層。結(jié)晶器銅板電鍍鎳鈷鐵工藝研究熱噴涂特點(diǎn)如下： 1)焰流溫度高，熱量集中，能夠熔化高熔點(diǎn)和高硬度的粉末材料； 2)噴涂后涂層平整、光滑，并可精確控制涂層厚度； 3)對工件表面的熱影響區(qū)很??； 4)工藝規(guī)范穩(wěn)定，容易操作。熱噴涂存在以下缺點(diǎn)： 熱噴涂涂層是以機(jī)械結(jié)合為主。由于等離子噴涂工藝所制備的涂層表面粗糙度大，耐應(yīng)變性差，從而影響高溫工作時的熱沖擊性；而且，涂層中孔隙的存在可導(dǎo)致低溫條件下涂層的失效，產(chǎn)生開裂及影響高溫工作時的熱障性和抗熱腐蝕性。結(jié)晶器銅板電鍍鎳鈷鐵工藝研究 3. 傳統(tǒng)NiCo合金電鍍機(jī)理 電鍍NiCo合金的技術(shù)關(guān)鍵是鍍

7、液配方、配制和工藝操作條件。這里采用的是以硫酸鹽為主，同時加入少量氯離子的鍍液，電鍍在具有空氣攪拌的“箱式”鍍槽工位進(jìn)行,或在電鍍槽中進(jìn)行。為便于調(diào)控Ni合金鍍層的合金成分含量，配有CO鹽槽和Ni鹽槽，分別控制鍍液中 鹽和CO鹽含量，并采用混掛式陽極，即Ni陽極和Co陽極分開混掛，并具有可獨(dú)立調(diào)節(jié)的陽極電流密度的供電系統(tǒng)。結(jié)晶器銅板電鍍鎳鈷鐵工藝研究 電鍍NiCo合金的工藝流程如下： 拆下待修銅板一清洗一矯直一刨削加工一檢查一磨光一鍍前處理(手工脫脂等)一沖洗一絕緣處理一組裝“箱式”鍍槽一檢查一堿性脫脂一上掛陽極一電解除油一卸掛一清洗一酸洗活化一清洗一上掛陽極一鍍 鎳鈷合金一回收鍍液一清洗一卸

8、掛一拆開“箱式”鍍槽一去絕緣一銅板清洗一檢查鍍層一角棱磨光一鍍面精加工處理一鍍面拋光一沖洗一檢查一出廠結(jié)晶器銅板電鍍鎳鈷鐵工藝研究 二、結(jié)晶器銅板鍍層的研究 1.結(jié)晶器銅板表面鍍層的方法 銅板的使用壽命主要指標(biāo)為銅板的耐磨性，其耐磨性增加，使用壽命也隨之增加。為增加銅板耐磨性，近年來采用了在銅板表面鍍層的方法。一種是鍍Ni，如日本大分廠的弧形板坯連鑄機(jī)，結(jié)晶器下端450mm之內(nèi)鍍Ni(結(jié)晶器長900mm)，Ni層最大厚為5mm，結(jié)晶器不調(diào)寬，銅板可6-8次，每次可使用20002500爐次。結(jié)晶器銅板電鍍鎳鈷鐵工藝研究 另一種是三層復(fù)合電鍍法。首先在銅板表面鍍一層Cr， 目的在于提高銅板內(nèi)表面的

9、光潔度，防止鋼液凝固時出現(xiàn)粘掛現(xiàn)象，同時提高其表面的耐磨能力。但由于紫銅和鉻的熱膨脹系數(shù)相差較大，使用一段時間后，Cr就開始剝離，使鑄坯表面產(chǎn)生星裂等缺陷，因此，開發(fā)了在銅板表面鍍Ni、Ni系合金和Cr的特殊復(fù)合鍍法。Cu、Ni、Cr 3種材料的熱膨脹系數(shù)分別為：0165l0、016710、0084x 10 (1)。Ni與Cu的熱膨脹系數(shù)比較接近，可防止膨脹不均而剝離。第二層的Ni系合金為鎳鈷合金層，Ni系合金在600以下的溫度范圍內(nèi)，硬度隨溫度升高而有增加的趨勢，高溫下耐磨性好。第三層為鍍鉻層。使用復(fù)合鍍層比單獨(dú)鍍Ni銅板的壽命可提高5 7倍，比單獨(dú)鍍Cr提高約l0倍。結(jié)晶器銅板電鍍鎳鈷鐵工

10、藝研究Ni-Fe合金鍍層具有耐高溫,抗熱沖擊性能好等優(yōu)點(diǎn)，鍍層的硬度可達(dá)400HV，其耐磨性為純鎳層的2倍，結(jié)晶器壽命比鎳鍍層顯著提高。但其鍍液不易控制，成品率低，并且Ni2Fe合金鍍層化學(xué)穩(wěn)定性差、脆性高且韌性低，高溫下易產(chǎn)生熱裂紋,僅適用于中低拉速連鑄機(jī)組，其平均通鋼量為80kt左右。Ni-Co合金鍍層的高溫耐磨性能與鍍鎳層相比更為優(yōu)異，三谷和久等人開發(fā)的Ni-Co合金鍍層其鍍層硬度為240HV，摩擦系數(shù)僅為Ni的1 /3,結(jié)晶器的使用壽命提高了兩倍。Ni-Co合金鍍層不僅熱穩(wěn)定性好，而且應(yīng)力較低，高溫下不易產(chǎn)生熱裂，但Ni-Co合金鍍層硬度隨溫度的升高下降明顯，當(dāng)溫度上升至600時，其鍍

11、層硬度下降為180HV，由于硬度與耐磨性相關(guān)，因此Ni-Co合金鍍層僅適用于中高拉速連鑄機(jī)組，其平均通鋼量為130kt左右。結(jié)晶器銅板電鍍鎳鈷鐵工藝研究 與w (Ni)為80%的Ni2Co合金鍍層相比, w (Co)為80%的Co2Ni鍍層性能更為優(yōu)越，研究表明, w (Co)為80%的Co2Ni合金鍍層具有六方密排結(jié)構(gòu),屬于Ni溶解在Co中的單相固溶體,與純鎳層相比, w (Co)為80%的Co-Ni合金鍍層晶粒更加細(xì)化。鍍層硬度為220HV,具有較低的摩擦 系數(shù)。w (Co)為80%的Co-Ni合金鍍層不僅具有良好的力學(xué)性能、高溫抗氧化性能及優(yōu)良的耐磨損性能,而且其硬度不隨溫度升高而下降,

12、因此其適用于高拉速連鑄機(jī)組,平均通鋼量為200kt左右。結(jié)晶器銅板電鍍鎳鈷鐵工藝研究 隨著Ni-Cr, NiFe。Ni-Co Ni-Co- Fe鍍層的開發(fā)，Ni-Cr,NiFe,Ni-Co，Ni-Co- Fe，鍍層銅板在板坯和方坯連鑄機(jī)上得到應(yīng)用。 在低速鑄造時，4種材質(zhì)的結(jié)晶器壽命相差較大。，Ni-Cr,NiFe,Ni-Co鍍層壽命相當(dāng)，但Ni-Co- Fe，鍍層明顯優(yōu)于以上三種鍍層。其中在中速鑄造時，NiFe鍍層Ni-Cr比鍍層壽命高17倍，Ni-Co比NiFe高一倍，Ni-Co- Fe比Ni-Co高2-5倍，若以澆注每噸Ni-Cr鋼所支付的銅板費(fèi)用來比較，Ni-Co- Fe在中速鑄造時方

13、坯連鑄機(jī)鍍層的結(jié)晶器比鍍層的結(jié)晶器費(fèi)用低25，板坯連鑄機(jī)低33。而且，Ni-Co- Fe鍍層隨硬化劑的含量不同，硬度(HV)可在250 800范圍內(nèi)調(diào)整， 因此，Ni-Co- Fe鍍層的結(jié)晶器在中、高速連鑄機(jī)鑄造中得到廣泛的應(yīng)用。結(jié)晶器銅板電鍍鎳鈷鐵工藝研究結(jié)晶器采用NiCr鍍層，在結(jié)晶器下部，由于凝固溶渣之間的摩擦，通常使用壽命只有300400爐次。當(dāng)結(jié)晶器下部采用Nico-Fe鍍層后，壽命比NiCr提高了34倍，而NiCofe鍍層由于Co、Fe的加入(加入量為3 lO)，提高了鍍層的強(qiáng)度和硬度，高溫強(qiáng)度(400)比NiFe鍍層還高15倍，硬度(Hv)在鍍層厚度方向，可在300 780之間調(diào)

14、整，NiCoFe的熱膨脹系數(shù)和Cu、Ni大致相等，且鍍層的結(jié)合性好，熱傳導(dǎo)率和Ni也大致相等。因此，高速鑄造(14 20mmin)時，在結(jié)晶器下部(特別是窄邊)NiCoFe鍍層取代復(fù)合鍍層，以提高鍍層的使用壽命和減少結(jié)晶器的維修費(fèi)用。電鍍NiCoFe在低速拉鋼中通鋼量可達(dá)50萬噸以上，中拉速，通鋼量可達(dá)30萬噸，高拉速，通鋼量可達(dá)10萬以上，尤其適合漏斗形高拉速結(jié)晶器要求，是任何鍍層無法比擬的。結(jié)晶器銅板電鍍鎳鈷鐵工藝研究 綜上所述，F(xiàn)e- Co- Ni 合金鍍層硬度、耐蝕性和表面光亮度接近于通常使用的硬鉻鍍層, 在一定程度上可以作為代鉻鍍層使用, 從而解決電鍍鉻的低電流效率及污染問題。結(jié)晶器

15、銅板電鍍鎳鈷鐵工藝研究鍍層材料鍍層材料硬度硬度HV熱膨脹系數(shù)【熱膨脹系數(shù)【10-6/C】熱導(dǎo)率【熱導(dǎo)率【W(wǎng)/(mK)】Cr65076066Ni14014-16.77684Ni-Fe400146388Ni-Co280147584Co-Ni220148084Ni-CoFe65014.56575Cu8517.743Ni-B500147586Ni-CoB55014.5702 .結(jié)晶器銅板鍍層參數(shù)一覽表結(jié)晶器銅板電鍍鎳鈷鐵工藝研究 圖表分析如下： 從硬度看Ni- Co Fe鍍層接近硬格層，在300時各項(xiàng)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過鍍鉻層，所以通鋼量是最好的。Ni-B 鍍層脆性大，主要應(yīng)用在結(jié)晶器銅管上。Ni- Co B

16、 鍍層鍍液穩(wěn)定性差，鍍層脆性大。Ni- Co Fe鍍層較好的解決了銅板與鍍層結(jié)合力問題。結(jié)晶器銅板電鍍鎳鈷鐵工藝研究 3.結(jié)晶器銅板電鍍鎳鈷鐵的優(yōu)越性1，耐蝕性 ： 由于微晶構(gòu)造，合金鍍層具有優(yōu)良的耐蝕性，在氯化鈉溶液體系(IS03768)中該合金鍍層的耐蝕性2.6倍于鉻鍍層。2，耐磨性 ：由于Ni3Fe和NiC03金屬互化物的硬化而產(chǎn)生高耐磨性。該合金鍍層的耐磨性2倍于鉻鍍層。3， 外觀：通過調(diào)節(jié)合金鍍層中鎳和鐵的含量，可以獲得類似于鉻層的光澤和色調(diào)。4， 硬度 鎳基固溶體中鐵和鈷可以增加合金鍍層的硬度和熱力學(xué)穩(wěn)定性，該合金具有相當(dāng)高的硬度，鍍態(tài)硬度可達(dá)750 Hv，在300500進(jìn)行熱處理，硬度將會進(jìn)一步提高。硬度為1300(Hv)，明顯高于硬鉻。結(jié)晶器銅板電鍍鎳鈷鐵工藝研究 4.結(jié)晶器銅板電鍍鎳鈷鐵工藝參數(shù) 硫酸鎳(NiS046H20)200-260gL氯化鎳(NiCl26H20)35-50gL硫酸鈷(COS047H2O)20-50gL硫酸亞鐵(FeS047H20)15-60gL添加劑dw-030a5-10 gL硬化劑dw-030b10-15 gL催化劑dw-030c3-10 gL硼酸(H3B03)35g-45L工藝條件： 基礎(chǔ)電解液為：電流密度3-5A/dm2PH:3.5-5.0鍍槽需打氣系統(tǒng)電鍍時間：根據(jù)工藝定