表面工程在钢铁冶金行业的应用

         

一、概述

在钢铁企业中,大量设备工件处于高温、高速、重载荷或腐蚀环境工况条件下运行,由于周围环境的影响会遭到不同形式的破坏,其中最常见的破坏形式是断裂、磨损和腐蚀。提高设备的使用性能、延长设备使用寿命便成为钢铁工业为提高企业经济效益及增强企业在商品市场中的竞争能力而急待解决的问题。

因而,表面工程技术在钢铁企业的应用越来越广泛,主要技术有堆焊技术、激光表面强化技术、热喷涂技术。本文将介绍表面工程在钢铁行业各个生产工艺流程中的应用,就表面工程的热点问题及发展趋势做简要论述。

二、堆焊技术在钢铁行业的应用

堆焊作为“复活”备件的一项先进技术,包括埋弧堆焊、明弧堆焊,具有如下优点:堆焊后的备件使用寿命普遍提高一倍以上;堆焊后的备件具有良好的抗裂性、耐磨性、耐冷热疲劳性。

在矿石挖掘、运输、粉碎、选矿、烧结等工序,大量设备运行时处于冲击负荷、磨粒磨损、腐蚀的工况下,磨损失效比较严重,关键备件更换频繁,需要及时修复强化,提高服役寿命。

烧结破碎辊,一般采用铸钢件生产,施加表面淬火工艺,使用寿命比较低。根据其磨损类型,选用高碳高铬堆焊药芯焊丝,匹配合适的焊剂,进行堆焊强化,表面硬度可以达到HRC60左右,寿命比铸钢件提高2倍以上(如图1)。炼铁厂上料系统的皮带轮、料仓减速板、布料溜槽一般采用堆焊强化提高其耐磨损性能。

1 破碎辊堆焊修复强化

炼钢系统的连铸辊是连铸设备的核心部件,其使用性能直接影响连铸设备的作业率、炼钢的生产成本和铸坯的质量,不仅承受着局部高温加热和水冷的交变冷热应力、氧化与腐蚀反复作用,还受到板坯鼓肚力和静压力等机械应力的作用,使用一段时间后,除了产生辊体弯曲变形外,辊面则出现不同程度的网状裂纹、氧化腐蚀、磨损等损伤破坏,尤其是热疲劳裂纹在上述应力的作用下不断扩展,形成沿连铸辊环向的主疲劳裂纹,当裂纹的深度和长度超过极限时,就会发生失稳断辊事故。

堆焊是一种低成本地提高连铸辊使用寿命的有效方法,主要是通过堆焊改进连铸辊辊面工作层的组织成分,提高其耐高温和氧化腐蚀的性能,降低生产成本。使用结果表明:堆焊复合连铸辊的一次使用寿命比低合金整体锻钢辊提高3倍以上,因此,目前国内外大型钢铁企业的连铸辊广泛应用堆焊修复连铸辊,如图2。

图2堆焊修复的连铸辊

中厚板轧钢厂支撑辊在使用过程中存在辊面局部剥落现象,为了不影响轧钢精度,降低新辊采购费用,需要对其进行修复。通过车削疲劳层、制定合理的预热、保温、缓冷工艺,选择合适的打底层、中间层、工作层的堆焊金属成分,来保障支撑辊修复后的使用性能,修复后的热轧支撑辊达到了恢复原值的效果(图3)。

中厚板轧机辊端扁头、辊端叉头是轧辊的重要动力传动零件。辊端扁头、辊端叉头之间经常受到冲击载荷,在高应力相对运动的影响下,发生磨损,造成配合间隙过大,影响传动精度,使用药芯焊丝堆焊来修复其尺寸,并对表面进行强化后,服役寿命提高3倍以上(图4)。

3 热轧支撑辊的堆焊修复

4轧机辊端扁头的堆焊强化

三、热喷涂技术在钢铁行业的应用

热喷涂是这样的一系列过程:以某种形式的热源将喷涂材料加热,受热的材料形成熔融或半熔融状态的微粒,这些微粒以一定的速度冲击并沉积在基体表面上,形成一定性能和功能的涂层,使工件表面获得不同硬度、耐磨、耐腐蚀、耐热、抗氧化、隔热、绝缘、导电等各种特殊物理化学性能。主要技术有等离子喷涂、超音速喷涂、火焰喷涂、火焰喷焊等。

1.转炉烟罩电弧喷涂

转炉烟罩是转炉炼钢的重要设备之一,烟罩的水冷壁由20G无缝钢管拼焊而成。转炉吹炼生产过程中会产生具有腐蚀性的高温炉气和大量粉尘,常造成烟罩水冷壁的磨损、侵蚀;烟罩还由于处于冷热交替工作条件而产生疲劳裂纹;另外,溅渣护炉工艺使一些高温液态渣和少量钢水喷溅到烟罩靠近炉口的水冷壁表面上,产生黏渣烧蚀,易造成局部过热、变形、侵蚀减薄、开裂等故障。

在烟罩排管表面电弧喷涂高铬镍基合金涂层可以显著提高它的抗高温腐蚀、抗热疲劳及抗冲蚀性能,减轻基体表面的热负荷,避免管壁减薄及破裂漏水现象的发生,对基体起到良好的保护作用,修复后的转炉烟罩如图5所示。实际使用结果表明,在延长转炉烟罩的使用寿命、减少维修工作量、充分发挥转炉产能方面效果明显。

图5 转炉烟罩喷涂修复后

2.窄边铜板超音速火焰喷涂

连铸生产中,随着拉速和连浇炉数提高,也随着在线调宽和漏钢预报技术的推广应用,使结晶器铜板的使用条件变得更加苛刻,用户对延长铜板使用寿命的要求也更加强烈。目前,结晶器铜板的更换周期、使用寿命、维修成本在很大程度上取决于窄边铜板的磨损损伤程度。

表面采用超音速火焰喷涂NiCr自熔合金涂层(图6)可以提高窄边铜板的高温硬度和耐磨性。NiCr自熔合金热喷涂涂层的成本虽然是Ni镀层的1.5倍,但使用寿命可以达到后者的6倍以上。

图6 超音速喷涂窄边涂层显微组织 100×

        3.热轧输送辊道的火焰喷焊

输送辊道是板坯连铸连轧生产线上重要备件,其表面性能牵涉到辊道使用寿命、带钢表面质量,也是一种制作难度大、附加值高的冶金生产备件。层流冷却辊承受冷热疲劳、高温磨损、含盐分水腐蚀等的影响,普通铸铁、铸钢辊的使用寿命比较低。助卷辊是粗轧助卷系统中的关键部件,直接承担钢板的助卷工作,要求强度、表面硬度高,耐磨性、耐热性能好,一般要求此类辊子本体硬度为40~45HS、表面硬度55~60HRC。

这些辊子都可以采用火焰喷涂-重熔(火焰喷焊,图7)自熔合金涂层的方式提高其使用寿命。镍基自熔性合金有优异的喷涂、喷焊工艺性能,对多种基体有较强的润湿能力,涂层有耐蚀、抗氧化、耐热、耐低应力磨粒磨损和抗粘着磨损等性能,且韧性和耐冲击性能较好。

 图7 输送辊火焰重熔

4.冷轧棍子的热喷涂强化

高档冷轧薄板表面不允许有任何的麻点、划伤、氧化物压入、辊痕等缺陷,其生产线上的辊子需要100%进行喷涂处理,热喷涂应用技术研究显得至关重要,已经是钢厂核心竞争力的一部分。

热喷涂涂层不但能达到镀铬层的镜面光洁度,而且在硬度及耐磨性能等方面还大大超过镀铬层,完全可以在冷轧工艺辊应用中取代硬铬,特别适用于存在严重磨损并有腐蚀的场合(如表1所示)。

1 热喷涂技术在工艺辊上的应用

生产线或轧机

辊  子

涂层功能

不锈钢带生产线(CPL)

1.张力辊2.转向辊

防滑、耐磨损、耐腐蚀

平整机、光轧机、连轧机

1.张力辊2.测张辊3.挤压辊4.从动轧辊

防滑、耐磨损

连续退火炉/不锈钢带连续退火炉(CAL/CAPL)

1.活套辊2.转向辊3.光整机张力辊

防滑、耐磨损

连续热镀锌(CGL)

1.顶辊2.转向辊3.抗皱辊4.标高控制辊5.活套辊

抗粘锌、耐磨损、防滑

自从汽车钢板采用合金化镀锌以来,冷轧热镀锌机组沉没辊和稳定辊的表面状态和使用寿命就成为镀锌钢板生产的关键技术难点。20世纪80年代初,开始生产Al-Zn合金钢板后,沉没辊辊面磨损加剧,更换频繁,国际上就开始研究辊面强化技术。20世纪80年代中期采用喷涂Co-Cr合金,使用寿命提高5倍。后来开发出用HVOF工艺喷涂的碳化钨-钴涂层,基本上解决了合金化镀锌钢板生产的技术难题。通过改进涂层表面通孔密封处理工艺,沉没辊的耐锌浸蚀性和耐磨性较20世纪80年代以前提高了近50倍(如图8)。

8  喷涂修复后的沉没辊

连续退火炉不同工艺段的工艺参数和工作环境对炉辊涂层性能有不同的要求。加热区要求耐热冲击性好;均热区要求耐杂质堆积——耐积瘤(自清洁涂层);冷却区则注重冷却温度均衡和耐磨损;时效区则注重耐磨损。

选择工作层主要应结合炉况、板材成分等要素,寻找抗高温、抗氧化腐蚀、高耐磨、抗剥落、抗结瘤、高韧性、与炉内气氛相匹配的诸性能的平衡点(即具有最佳参数结合)的涂层。中温段(600℃以下)以CoNiCrAlY为底层,Cr

3

C

2

-NiCr为工作层是最佳选择(图9);高温段(600~1100℃)以CoNiCrAlY作为工作层;1100℃以上,以CoNiCrAlY为底层,ZrO

2

-Y

2

O

3

(或其他陶瓷材料)为工作层。

图9 中温段炉底辊(喷涂MCrAlY底层CrC-NiCr面层)

四、激光表面处理技术在钢铁行业的应用

激光束是一种清洁能源,它的能量能够以精确受控的方式输送到局部区域,可以只对需改善特性的部位进行处理,激光束的高能密度和低作用时间导致快速加热和冷却,产生一个薄层热影响区,工件变形小,整体性能减损低。表面处理主要应用技术包括:激光熔覆、激光熔凝、激光合金化、激光毛化等。

1.型材轧钢厂工作辊激光合金化

型材轧钢厂工作辊一般为高镍铬铸铁材质,在热轧温度下受轧件的冲击、磨损与疲劳作用,工作温度较高,工作条件非常恶劣,辊面经常出现磨损、脱碳及碳化物分解现象,使用一段时间就会因尺寸减少而报废。采用激光束合金化的方式,将Ni基或者Co基合金粉末,在激光束的作用下与基体形成熔池,从而实现表面改性的目的,提高轧辊表面的高温硬度、提高耐磨损、耐冷热疲劳、耐腐蚀性能。

2.冷轧辊的毛化工艺

目前,为了控制和调整成品带钢的表面形貌,冷轧平整机或光整机工作辊基本上都采用毛化辊,同时为了解决粗糙度偏低或罩式退火炉内带钢粘连的问题,精轧机最后一个机架工作辊往往也采用毛化辊,因此,带钢表面形貌都是毛化辊二次传递形成的,成品机架毛化辊的表面形貌起决定性作用。

激光毛化工艺(LaserTexturing)是通过高频脉冲激光束来熔化辊面材料的一种毛化方式,毛化形貌规则分布,不受辊面硬度限制,与轧辊材质有关,粗糙度均匀性和再现性良好,毛化产生的微坑和凸包可以提高润滑条件,减少轧辊磨损和对辊面的擦伤,轧出的薄板可以减少光学干涉条纹、避免橘皮效应,有利于改善带钢的涂漆光学特性(如图10)。目前,激光毛化工艺较为成熟,用激光毛化工艺轧制的薄板已经得到了汽车、家电行业的普遍认可。

图10 激光毛化板面照片

五、表面工程研究热点问题

多种表面处理技术联合制备高炉风口热障涂层是研究的热点问题,采用等离子喷焊打底层,使得涂层与铜基体具有良好的结合强度,在急剧热冲击情况下不致脱落。过渡层:喷涂Ni-Al合金,喷涂过程中产生高热,确保涂层与打底层结合良好,可以经受冷热疲劳循环考验。中间层:喷涂以Y

2

O

3

-ZrO

2

为基础的金属陶瓷热障涂层,降低炉内环境与风口的热交换,实现节能降耗降焦比的功能。工作层:喷涂以Al

2

O

3

为基础的金属陶瓷涂层,实现热障、耐磨损、耐结瘤的功能。还需采用特制渗透封孔,降低涂层的孔隙率,提高结合强度、隔热效果。

用于高强钢薄板(HSS)生产的炉辊,工作温度更高(1100~1200℃),其高含量的锰易在高温下与化学稳定性差的陶瓷材料中的金属元素反应,化合生成结瘤物,结瘤物不但损伤钢板,而且还加快了炉辊涂层的失效和剥离。现有涂层的使用效果均不理想,因此,需要开发适用于高强钢生产的、有较长使用寿命的新型涂层。

针对热镀锌高比例Al-Zn合金的沉没辊,开发出了MoB-CoCr材料的超音速火焰喷涂涂层,此涂层在610℃的Al-Zn熔体中浸泡后,几乎不出现Al和Zn向涂层扩散或渗透现象,具有良好的抗锌铝渗透能力、优异的稳定性和极好的耐磨性。

六、总结与展望

国际一流钢铁企业在某些高强板、高档家电薄板、高档轿车用盖面板、硅钢板等产品上具有明显的垄断优势。板材表面不允许有任何的麻点、划伤、氧化物压入、辊痕等缺陷。其中,表面工程技术在各个生产流程中的广泛应用起到了至关重要的作用。

随着时代的进步,我国的钢铁工业需要大量采用自动化、高速度化及高质量化的新技术,对设备性能提出更高要求。因此,提高设备的使用性能、延长设备使用寿命成为钢铁工业提高企业经济效益、增强企业竞争能力急待解决的问题。

表面工程技术在钢铁行业的应用前景越来越广阔,需要广大钢铁从业者与表面工程业者加强沟通、发掘潜力、缩小与先进钢铁企业的差距,本着循环经济、节约型社会与科学发展观的要求为建设钢铁强国而努力。