薄带连铸结晶辊修复方法技术

本发明专利技术涉及薄带连铸结晶辊的修复方法，具体地说是一种结晶辊表面修复及表面再生技术。采用冷气动力喷涂的方法，利用压缩气体携带金属颗粒以足够高的速度撞击结晶辊的表面，金属颗粒产生足够的变形而发生粘结，再生形成结晶辊特定几何形状的外表面。修复涂层与结晶辊基体间紧密接触，涂层均匀致密，形成良好的导热表面层；本发明专利技术采用的工艺可以实现低温状态下的金属涂层沉积，这种工艺过程对金属粉末结构几乎无热影响，基体及涂层材料不发生再结晶，喷涂中消除结晶辊表面的吸附氧，又防止了金属粉末自身的氧化。修复后结晶辊的尺寸与原设计相同，延长结晶辊的使用寿命。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及炼钢连铸领域，特别是涉及金属薄带连铸结晶辊修复技术，也特别涉及金属冷喷涂粘附技术。
技术介绍
结晶辊是金属连铸连轧机械设备中的关键部件之一，特别是金属薄带、薄板的连铸，其主要作用是将融熔金属快速冷却、凝固成具有一定凝固厚度的板带坯，经轧制形成铸带坯。其基本原理是钢水通过布流器进入有两个反向旋转的结晶辊和侧封板组成的熔池，液态金属经快速冷却在结晶辊面凝固成具有一定厚度的坯壳，经轧合后形成薄带(板)。结晶辊的基本结构主要由辊芯、辊套组成(图1)。其结晶辊辊套材料大都采用铜合金材料制造，其辊芯通常采用不锈钢制造。结晶辊的工作要求是辊面温度不超过500℃，在很短的时间内将高温液态金属凝固，同时在金属凝固过程中施加一定的轧制力，自身同时承受液态金属的浸蚀和板、带的磨损。结晶辊一面与融熔金属接触，另一面为水冷面，结晶辊要能够抗交变热疲劳应力。由于结晶辊辊面与融熔金属直接接触，高温强度和热传导性能是结晶辊套材料的最重要要求。同时由于在该工艺过程中，铸轧同时完成，结晶辊要能够承受一定的轧制力、钢水的浸蚀和磨损。结晶辊端面与侧封材料直接接触，结晶辊端部的耐磨性及其低成本修补是非常重要的。另外，结晶辊在正常使用过程中发生磨损或变形，当磨损达到一定程度不能满足使用要求时，也要对结晶辊进行修复。目前连铸结晶辊的修复方法主要有机械加工车削、堆焊和热喷涂。机械加工车削是将结晶辊受磨损的辊套车掉一层，恢复其表面状态和辊面形状。但是车削使结晶辊辊套铜板变薄，几次修复以后结晶辊辊套铜板太薄，表面与内部的冷却水缝距离太小，结晶辊报费。堆焊修补过程中往往造成铜合金的局部氧化，在修复区域与基体之间形成高含氧界面，影响结晶辊的导热性能；另外，修复过程中输入大量的热，使修复区域产生较大的热应力，影响结晶辊的使用性能。再者，堆焊技术不适用于修复结晶辊表面均匀磨损。热喷涂修复是采用高温高速氧焰或高温等离子束将修补材料喷涂沉积在待修补区域。这些技术使被修复的表面暴露在非常高的温度下，产生热应力；并且由于热喷涂过程中形成新的热处理制度而使组织不均匀，并且易于造成热变形。热喷涂过程中金属的融化和再凝固容易发生氧化，氧含量的增加会大大降低材料的热导率，而且这些氧元素在以后的加工过程中也非常难以除去。真空喷涂可以在一定程度上缓解氧化程度，但真空喷涂成本高，并且难以控制。结晶辊在使用过程中为了提高铜合金辊套与融熔金属接触面的软化温度和表面硬度，一般在结晶辊表面镀一层耐磨的Ni、Cr、Co金属或其合金。表面镀层的存在使修复工作更加困难，传统的方法是将镀层全部车掉或磨掉，然后重新制备镀层。修复工作程序复杂，工作量大，成本高。现用的许多结晶辊为了提高导热效果，与融熔金属接触的表面需要制备成特殊的波纹或曲面。增加了修复工作的难度。
技术实现思路
鉴于现有状况，本专利技术的目的在于提供一种用于连铸结晶辊修复方法，以修复结晶辊表面的磨损，再生生成结晶辊与融熔金属接触的表面，恢复结晶辊表面状态和尺寸，极大延长了结晶辊的使用寿命。保证结晶辊的材质，化学成分、结构和表面状态与结晶辊的原始设计相同，修复区无氧化，基体材料及修复材料都不发生再结晶。为达到上述目的，本专利技术采用冷气动力喷涂，即高压压缩气体驱动微小金属颗粒以足够高的速度撞击结晶辊需要修复的表面，微小颗粒发生足够的塑性变形而粘结在结晶辊的表面上形成新的表面，填充裂缝或磨损凹槽等；冷喷涂采用的金属粉末颗粒可以为铜(包括铜合金)、钢铁(包括铁合金)、钛(包括钛合金)以及镍(包括镍合金)等。微粒的直径范围为1μm至100μm。驱动气体可以为氮气、空气、氦气或其混合气体； 气体压力大于1.0Mpa，优选为1.0MPa至5.0MPa；气体流量15～30g/s。金属微粒通过喷嘴加速达到足够高的速度，可以在撞击中发生足够的变形而粘结在结晶辊表面上。本专利技术是基于气体动力喷涂技术，其原理是利用高压气体携带粉末颗粒从轴向进入高速气流，通过缩放管(超音速喷嘴)产生超音速流，粉末颗粒经超音速喷嘴加速后在完全固态下撞击基体，通过产生足够大的塑性变形而沉积于基体表面形成粘附。喷涂沉积修复过程中，结晶辊绕自身中心轴线转动，喷枪与结晶辊中心轴线在同一水平面上，并与中心轴线相垂直，沿中心轴线水平移动，喷枪口与结晶辊辊套表面保持相同的距离。结晶辊与融熔金属接触的表面在使用中发生全部磨损的，可以在全部结晶辊与融熔金属接触的表面进行修复，使结晶辊恢复到设计尺寸。冷气动力喷涂可实现修复层成分梯度过渡，或成分渐变式过渡。本专利技术具有如下优点1.生成再生新表面。本专利技术是在结晶辊的表面沉积新的表面层，并按照结晶辊的表面形状要求进行一次性修复，修复后的结晶辊的尺寸与原设计相同。不会因车削使结晶辊表面铜板变薄。2.对薄带连铸结晶辊的化学成分和组织特征无影响。本专利技术是在远远低于金属熔点的温度下沉积修复层，对基体无热影响，不会因热输入导致基体材料和涂层自身材料的氧化而引起化学成分的改变；也不会因热输入导致基体材料和涂层自身材料组织发生转变。同时也不会因热输入导致基体发生热胀变形，保证结晶辊的结构特性。本专利技术还可以在远远低于金属熔点的温度下沉积修复层，使还原性金属或合金有效地沉积于基体表面，可以消除基体表面的吸附氧层，提高修复层与基体之间的结合力。3.修复后可以进行热处理，也可以不进行热处理。4.本专利技术在修复前不需要对结晶辊磨损表面进行处理，喷涂初期可在基体表面形成类似喷砂的效果，自动清理基体表面污染物。修复方法一次可以完成清理和修复，修复效率高。5.涂层的厚度可调节，成分可过渡。本专利技术通过调节喷涂时间可实现不同的涂层厚度。修复层致密。本专利技术是超音速颗粒撞击基体表面形成的修复层，修复层内部均匀致密。使用材料与连铸结晶辊的材料可以完全一致，也可以不同，适用的结晶辊材质包括钢质、铜或铜合金。完全满足不同结构结晶辊磨损修复的要求，保证结晶辊的导热性能。也可以制备不同成分的梯度修复层，形成基体材料与表面材料的成分过渡区，提高结合力以及热膨胀系数的匹配，提高结晶辊抗热应力能力。6.修复能力强。本专利技术修复的缺陷范围可以是裂缝、磨损凹槽、小面积磨损、整体表面磨损等。附图说明图1为本专利技术实施例1冷气动力喷涂系统结构示意图；图2为本专利技术实施例1涂层涂层表面形貌；图3为本专利技术实施例1涂层表面微观组织SEM形貌图；图4为本专利技术实施例1涂层断面SEM形貌图；图5为本专利技术实施例2涂层断面SEM形貌图；图6为本专利技术实施例3涂层断面SEM形貌图；图7为本专利技术实施例4多涂层断面SEM形貌图；具体实施方式修复的具体步骤为(1)根据结晶辊表面磨损情况和结晶辊表面设计形状，确定表面上各部分的喷涂厚度；(2)冷喷涂修复选择粉末种类，确定工艺参数，用冷喷涂对结晶辊进行修复；(3)机械加工使用中产生较大变形的结晶辊在喷涂后需要机械加工，较小的变形和磨损喷涂后不需要机械加工。对于使用中产生较大变形的结晶辊，喷涂修复凹陷处后，要对凸起处进行车削处理；(4)修复检查，确定喷涂后的结晶辊的尺寸与原设计相同。参见图1，其所示为冷气动力喷涂系统结构，压缩气体1分两路，一路进入送粉器2，作为载带气体将金属粉末引入超音速喷嘴4；另一路压缩气体通过气体加热器3使气体膨胀，提高气体流速及加热喷涂粉末，两路气流进入超音速喷嘴本文档来自技高网...

【技术保护点】
薄带连铸结晶辊修复方法，采用冷气动力喷涂的方法，通过喷枪，利用压缩气体携带金属粉末颗粒以超音速的速度撞击结晶辊的修复表面，产生足够的变形而粘结在结晶辊修复表面，形成修复层。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张俊宝，崔健，方园，宋洪伟，
申请(专利权)人：宝山钢铁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]