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結(jié)晶器銅管電鍍鎳鈷鐵工藝研究

發(fā)布時間：2016-08-30 16:31:36 瀏覽：次

結(jié)晶器銅管電鍍鎳鈷鐵工藝研究摘要：Cr ，Ni-Cr, Ni—Fe。Ni-Co， Ni-Co- Fe鍍層在結(jié)晶器銅板上的開發(fā)應用，詳細闡述以上五種鍍層的優(yōu)劣，同時對結(jié)晶器銅管電鍍鎳鈷鐵的優(yōu)越性進行了詳細的闡述。引言：結(jié)晶器銅管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，最終導致設(shè)備報廢。據(jù)統(tǒng)計，一套結(jié)晶器的價格在0.7—20萬元，我國冶會企業(yè)每年銅結(jié)晶器的消耗在1o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)晶器銅管表面的耐磨性和耐熱性是提高經(jīng)濟效益和生產(chǎn)效率的根本措施，具有很好的科學研究意義和實際應用價值。尋求一種代替鉻，及代替復合鍍的工藝成為最重要的事。 1，結(jié)晶器銅管的表面處理表面處理技術(shù)，即利用各種物理的、化學的或機械的工藝方,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、電刷鍍及化學鍍技術(shù)、非金屬鍍技術(shù)、熱噴涂技術(shù)、物理與化學氣相沉積、化學熱處理、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)、化學熱處理強化結(jié)晶器銅板在國內(nèi)或國外已經(jīng)有所應用。（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，利用電鍍強化的結(jié)晶器有單鍍層銅管和復合鍍層銅管。單一鍍鉻層通鋼量最高5000噸，復合鍍達到8000噸。單一鍍層主要用鉻或鎳；現(xiàn)已開發(fā)結(jié)晶器復合鍍層銅管，如Ni—cr，Ni-Fe，Ni—Fe—w，Ni—Fe—co，Ni co，Ni—w 等效果很好。此外，還有Ni—w—P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)晶器電鍍鎳鐵，鎳鈷，鈷鎳鍍層已經(jīng)在連鑄機獲得應用。電鍍與其它表面處理技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點： 1)可以在形狀復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)易進行自動化控制。但電鍍與其它技術(shù)相比，存在以下缺點： 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鍍層克服一些因素，完全達到熱噴涂的效果。通鋼量可達10000噸以上。 4)電鍍鉻屬排污排廢環(huán)境污染項目，屬國家控制和逐步淘汰技術(shù)。Ni- Co –Fe鍍層是替代鍍鉻最理想鍍層。 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)晶器中應用還未見報道。在國外，已有文獻報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)的結(jié)晶器銅板熱噴涂Ni．cr合金層技術(shù) ，基本取代了電鍍層。但在銅管上還沒有工業(yè)應用。熱噴涂特點如下：1)焰流溫度高，熱量集中，能夠熔化高熔點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)很小； 4)工藝規(guī)范穩(wěn)定，容易操作。但還存在以下缺點：熱噴涂涂層是以機械結(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。 3，傳統(tǒng)Ni—Co合金電鍍機理電鍍Ni—Co合金的技術(shù)關(guān)鍵是鍍液配方、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”鍍槽工位進行,或在電鍍槽中進行。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，并具有可獨立調(diào)節(jié)的陽極電流密度的供電系統(tǒng)。電鍍Ni—Co合金復合鍍的工藝流程如下：拆下待修銅管一清洗一退鍍一檢查一拉拔一鍍前處理一沖洗一絕緣處理-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掛工處理一鍍面拋光一沖洗一檢查一出廠。 4，結(jié)晶器銅管鍍層的研究銅管的使用壽命主要指標為銅管的耐磨性，其耐磨性增加，使用壽命也隨之增加。為增加銅板耐磨性，近年來采用了在銅管表面鍍層的方法。一種是鍍Ni，鉻如日本連鑄機，結(jié)晶器下端450mm之內(nèi)鍍Ni(結(jié)晶器長900mm)，另一種是三層復合電鍍法，首先在銅板表面鍍一層Cr，目的在于提高銅管內(nèi)表面的光潔度，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的特殊復合鍍法。Cu、Ni、Cr 3種材料的熱膨脹系數(shù)分別為：0．165~l0～、0．167~10～、 0．084x 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。使用復合鍍層比單獨鍍Ni銅管的壽命可提高 3-5倍，比單獨鍍Cr提高約1-3倍。 Ni-Fe合金鍍層具有耐高溫,抗熱沖擊性能好等優(yōu)點[ 13, 14 ] ,鍍層的硬度可達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[ 15, 16 ] ,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,而且應力較低,高溫下不易產(chǎn)生熱裂紋,但Ni-Co合金鍍層硬度隨溫度的升高下降明顯,當溫度上升至600℃時,其鍍層硬度下降為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組,其平均通鋼量為5000t左右。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,因此其適用于高拉速連鑄機組,平均通鋼量為200kt左右。隨著Ni-Cr, Ni—Fe。Ni-Co Ni-Co- Fe鍍層的開發(fā)，Ni-Cr,Ni—Fe,Ni-Co，Ni-Co- Fe，鍍層銅板在板坯和方坯連鑄機上得到應用。在低速鑄造時，4種材質(zhì)的結(jié)晶器壽命相差較大。，Ni-Cr,Ni—Fe,Ni-Co鍍層壽命相當，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，Ni—Fe鍍層Ni-Cr比鍍層壽命高1．7倍，Ni-Co比Ni—Fe高一倍，Ni-Co- Fe比Ni-Co高2-5倍，若以澆注每噸Ni-Cr鋼所支付的銅板費用來比較，Ni-Co- Fe在中速鑄造時方坯連鑄機鍍層的結(jié)晶器比鍍層的結(jié)晶器費用低25％，板坯連鑄機低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、高速連鑄機鑄造中得到廣泛的應用。結(jié)晶器采用Ni—Cr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300～400爐次。當結(jié)晶器下部采用Ni—co-Fe鍍層后，壽命比Ni—Cr提高了3～4倍，而Ni—Co—fe鍍層由于Co、Fe的加入(加入量為3％～ lO％)，提高了鍍層的強度和硬度，高溫強度(400℃)比Ni—Fe鍍層還高1．5倍，硬度(Hv)在鍍層厚度方向，可在300～ 780之間調(diào)整，Ni—Co—Fe的熱膨脹系數(shù)和Cu、Ni大致相等，且鍍層的結(jié)合性好，熱傳導率和Ni也大致相等。因此，高速鑄造(1．4～ 2．0m／min)時，在結(jié)晶器下部(特別是窄邊)Ni—Co—Fe鍍層取代復合鍍層，以提高鍍層的使用壽命和減少結(jié)晶器的維修費用。電鍍Ni—Co—Fe在低速拉鋼中通鋼量可達50萬噸以上，中拉速，通鋼量可達30萬噸，高拉速，通鋼量可達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。 5，結(jié)晶器銅管鍍層參數(shù)一覽表鍍層材料硬度HV 熱膨脹系數(shù)【×10-6/°C】熱導率【W(wǎng)/(m．K)】 Cr ≥600 7 60～66 Ni ≥140 14～16.7 76～84 Ni-Fe ≥250 14 63～88 Ni-Co ≥280 14 75～84 Co-Ni ≥220 14 80～84 Ni- Co –Fe ≥650 14.5 65-75 Cu ≥85 17.7 43 Ni-B 500 14 75-86 從硬度看Ni- Co –Fe鍍層接近硬格層，在300°時各項性能遠遠超過鍍鉻層，所以通鋼量是最好的。Ni-B 鍍層脆性大，主要應用在結(jié)晶器銅管上。 6，結(jié)晶器銅管電鍍鎳鈷鐵的優(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穩(wěn)定性，該合金具有相當高的硬度，鍍態(tài)硬度可達750 Hv，在300～500℃進行熱處理，硬度將會進一步提高。硬度為1300(Hv)，明顯高于硬鉻。 7，結(jié)晶器銅管電鍍鎳鈷鐵工藝參數(shù) 基礎(chǔ)電解液為：硫酸鎳(NiS04•6H20) 200-260g／L 氯化鎳(NiCl2•6H20) 35-50g／L 硫酸鈷(COS04•7H2O) 20-50g／L 硫酸亞鐵(FeS04•7H20) 15-60g／L 添加劑dw-030a 5-10 g／L 硬化劑dw-030b 10-15 g／L 催化劑dw-030c 3-10 g／L 硼酸(H3B03) 35g-45／L 工藝條件：電流密度3-5A/dm2 PH:3.5-5 鍍槽需打氣系統(tǒng) 電鍍時間：根據(jù)工藝定 Ni-Co-Fe合金鍍層合金鍍層也具有優(yōu)良的性能,適用于中高拉速連鑄,而Ni-Co-Fe合金鍍層在硬度、抗氧化能力及耐磨損方面性能優(yōu)越,合金結(jié)構(gòu)致密,尤其是高溫下的自潤滑和耐蝕性能優(yōu)越。因此Ni-Co-Fe合金鍍層三元合金逐漸得到人們重視。同時,其耐磨性能也比Co-Ni鍍層強,相同條件下磨損量為Co-Ni合金鍍層的2 /3,此鍍層具有很好的應用前景, [ 參考文獻】 [1] 何躍林．功能性超厚鎳一鐵合金電鍍工藝[J]．材料保護，1997，30(5)：22—23． [2] 于金庫．氨基磺酸鹽鍍Ni—Fe合金層內(nèi)應力影響因素分析[J]．電鍍與精飾，1999，21(2)：22—24． [3] 蘭英斌，于金庫．提高連鑄結(jié)晶器耐磨耗性能的Ni—Fe合金單層技術(shù)的研究[J]．物理測試，1999，(4)：1—4． [4] 于金庫．電沉積厚層Ni—Fe合金的研究。提高連鑄機結(jié)晶器耐磨性Ni—Fe合金單層 [5]部分材料摘自濟南泰格化工有限公司網(wǎng)站，www.jinantiger.com