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热喷涂技术在钢铁行业中的应用进展

时间:2012-09-28 08:38:22  来源:第十二届国际热喷涂研讨会暨第十三届全国热喷涂年会  作者:毕 刚

  热喷涂技术在钢铁行业中的应用进展
  毕  刚
  第十二届国际热喷涂研讨会暨第十三届全国热喷涂年会
  高效连续化的现代钢铁生产机组中,主体设备几乎都处于高磨损、高载荷、高温、大冲击、腐蚀等极其恶劣的工况条件下,这些因素都易导致生产设备的表面失效。此种情况会给企业带来巨大的经济损失:一方面机组停产或减产、另一方面要储备和消耗大量的备品备件。而热喷涂涂层所具备的高硬度、耐磨损、抗高温、耐腐蚀等性能,以及极高的性价比,在钢铁工业的备件制造和再制造中发挥了重要作用;已广泛应用于原料、炼铁、炼钢、热轧和冷轧整个钢铁生产工艺流程,其中在炼钢和冷轧尤为突出。
  [摘要]主要从工程生产应用实践的角度出发,概述了热喷涂技术在钢铁行业中的最新应用现状。特别地,较为详尽的介绍了热喷涂技术在结晶器铜板、锌锅组件(沉没辊和轴套)、高温炉辊等制造和修复中最新的成功应用进展,并给出了可能的未来研究发展方向。同时,为加速绿色环保的热喷涂技术在钢铁行业中发挥巨大作用给出了几点思考。
  关键词:钢铁行业;热喷涂;结晶器铜板;沉没辊;轴套衬套;高温炉辊
  1 连铸结晶器铜板
  结晶器被称为连铸设备的" 心脏" ,直接影响铸坯品质、连铸机拉速和生产效率等指标。结晶器铜板长时间经受高温铁水冲刷,极易出现热裂纹、磨损、腐蚀等损坏形式;而表面局部损坏又往往造成整个部件失效,故铜结晶器是继轧辊之后的第二大冶金耗材。目前广泛应用的电镀技术尽管能够提高铜板使用寿命,但程度有限,远不及具有更高耐磨性和耐热性的新型热喷涂技术。
  1.1热喷涂BG-01涂层
  1.1.1 涂层性能
  热喷涂涂层比镍电镀层具有更为优异的综合性能,特别是高温性能:热喷涂涂层高温显微硬度约为镍电镀层4 倍[1];300oC 时的高温磨损性能则约为镍电镀层的 5 倍(见图 1 )。更为重要的是,热喷涂涂层与铜材结合强度良好,结合强度大于 240N/mm2(见图2 );而这是评判涂层是否具有多机组普遍适用性、以及能否长时间稳定工作的关键技术指标。同时,大量的应用实践结果表明:热喷涂涂层的使用寿命比镍电镀层延长4 倍以上。
  1.1.2 涂层可能失效形式
  尽管BG-01 热喷涂涂层比电镀层具有更为优异的耐磨性和使用寿命,但仍然可能存在如图3所示三种典型的失效方式:
  (1)剥落:常发生在弯月面区域,成因主要是涂层与钢水发生粘结而造成粘钢,并因热疲劳产生的裂纹而导致涂层的缺损和损伤。
  (2)粘钢:成因大多由于涂层材质与钢水之间存在较好的亲和性所致,甚至有个别机组在过钢量较低的情况下就出现了粘钢而影响到生产的稳定性。
  (3)磨损:多发生在铜板下口区域,成因主要是凝固钢坯、钢水静压增大以及腐蚀等因素导致。 
  1.2 热喷涂BG-02涂层
  为弥补BG-01 涂层缺憾,在深入研究失效机理基础上,开发了具有更高抗热性能的新型 BG-02涂层。同时采用自主开发的特殊评价方法,推测出涂层粘钢温度以及涂层抗粘钢性能,试验结果见图5 。容易看出:BG-02 涂层抗粘钢温度比 BG-01 涂层要高出约300℃。BG-01 涂层在400℃粘钢测试试验中,表面一部分涂层几乎完全剥落(图5a);而BG-02 涂层在700 ℃粘钢测试试验中,表面虽有局部微小剥离、但并无大的剥落。换言之,400 ℃时BG-01 涂层就已发生失效,而BG-02 涂层在700℃则仅有些许微小失效(图5b)。
  进一步生产应用实践结果也表明:BG-01 涂层在某机组使用 80 炉后表面即出现粘钢缺陷,粘钢区域中可发现微裂纹和细小剥落(图6a)。而改用 BG-02 涂层后,使用700 炉后涂层表面完好(图6b),粘钢现象基本杜绝。
  1.3热喷涂技术发展方向
  (1)在结合强度高、导热性好的基础上,新型涂层应同时兼具高耐磨性能和高抗热性能。
  (2)结晶器长边铜板的热喷涂技术。目前已取得突破性进展(图7) ,正在进行产业化推进。
  (3)开发和应用结晶器铜板表面涂层的计算机仿真模拟技术。
  2 热镀锌锅组件
  锌锅组件是连续热镀锌(CGL) 机组关键部件,工况条件极其恶劣:高速、大张力、高温、磨损、熔融锌腐蚀等;因此,锌锅组件始终是CGL 机组的技术难点和焦点,更是提升热镀锌带钢表面品质、提高生产效率的瓶颈所在。而热喷涂技术应用在锌锅组件是一个系统工程,与带钢产品定位、缺陷品控、生产工艺、备件周转等密切相关。 
  2.1 沉没辊热喷涂技术
  2.1.1 热喷涂涂层
  沉没辊热喷涂涂层通常兼具四方面的特性:(1)与辊基材热膨胀匹配性良好,具有优良的结合强度;(2)与熔融锌液难以发生化学反应,以及优异的抗锌渣粘附能力;(3)具有良好的耐磨性能和摩擦张力保持能力;(4)具有优良的抗冲击载荷性能。 由于单一涂层难以同时达到上述要求,必须进行体系设计优化。为兼顾工程生产便捷性和稳定可靠性,热喷涂涂层通常采用2-3 层体系:合金过渡层/( 金属陶瓷过渡层)/ 金属陶瓷或陶瓷工作层。以下将简述几种具有工程应用可能和有报道生产实绩的热喷涂涂层。
  Dong等研究[2]表明:热喷涂ZrO 2/Ni-Al 梯度涂层结构精细,无宏观裂纹且仅有非连接空洞,故耐熔融锌腐蚀性能非常好,平均寿命约28天;而普通ZrO 2 热喷涂层寿命仅为7 天。同样的,热喷涂MgA12 O4 陶瓷和NiCrA1Y 形成的梯度涂层,与熔融锌液既不润湿、也不发生化学反应,涂层使用寿命提高3 -4倍[3]。
  热喷涂WC/Co涂层具有良好抗熔融锌液腐蚀能力(见图8) ,而锌液成分又严重影响涂层的抗锌蚀能力(图9) ;故Kazumi等[5]利用此原理使铝在WC/Co涂层中优先扩散沉积,形成富铝的薄层阻碍锌进入扩散,再喷涂WC/Co涂层,腐蚀性能比单独喷涂WC/Co要好。此外,Berget 等[6]发现:涂层中添加Cr元素,当含量从5.0%增加到8.5%,WC/CoCr涂层的抗腐蚀和抗侵蚀性能进一步增强。
  2.1.2 超高等级带钢用沉没辊热喷涂技术
  事实上,前述常规热喷涂技术通常只能生产中高档带钢板材,而难以应用于超高等级板材(如顶级热镀锌汽车外板百米长度内微点缺陷必须少于3 个)的生产。主要原因是其容易出现宽窄印、流锌槽印、小点等带钢缺陷。
  (1)宽窄印:由于未过钢辊面粘锌,使得带钢从窄带向宽带切换时带钢边部区域容易出现。
  (2)流锌槽印:成因是沉没辊沟槽( 特别是粗沟槽)中积聚锌渣,锌渣过多或排出不畅时非常容易发生。
  (3)小点缺陷:通常由辊面小区域范围的锌渣粘附或涂层剥落物等导致。 为此,超高等级板材用沉没辊热喷涂技术进行综合体系优化,已突破原有单纯热喷涂范畴。可将原有沉没辊辊面的粗沟槽型式变更为细沟槽型式(见图11 ),一方面能够减少小区域范围内存在过多锌渣积聚,另一方面能够改善热镀后的锌层表面色差。 可选用新型涂层材质并改进喷涂工艺。图12给出了新型热喷涂涂层BJ-03显微组织,进一步的热镀锌模拟对比试验(图13)和实际生产应用结果(图14)均表明:新型涂层表明粘锌很少,比原有涂层具有更好的抗锌粘附能力。
  2.1.3 热喷涂技术发展方向
  (1) 加强基础研究,特别是有关失效机理和评价检验方法。
  (2) 开发新型超高抗粘锌热喷涂涂层、技术和工艺。
  2.2 沉没辊轴套和衬套
  随着热镀锌沉没辊涂层技术的发展,辊面使用寿命已得到很大程度的提高;而轴套和衬套就成为了影响机组长寿命运行的瓶颈所在。 
  2.2.1 轴套和衬套型式选用
  目前热镀锌机组使用的轴套衬套主要有两种型式(见表1) 。型式 I 特点是轴套磨损为主,同时大尺寸的陶瓷衬套非常容易热冲击等碎裂,从而造成合金轴套异常严重磨损(见图15);故有两个潜在缺憾:其一是因轴套磨损严重易出现恶劣的断辊事故,其二是沉没辊进入锌锅后需要很长时间才能保证机组稳定运行。为提高机组运行可靠性,可考虑:陶瓷轴套/ 金属陶瓷衬套的匹配型式。此外,从国内热镀锌机组统计数据来看,不论带钢品质高低、带钢张力大小、机组速度快慢、沉没辊大小长短等是否变化,型式I 的FOEN 公司轴套和衬套尺寸规格、材质均固定不变;显而易见,这是非常值得商榷的。为此,很多日本钢铁公司和宝钢都使用了型式 II 。型式 II 特点是衬套磨损为主,从而弥补了型式I 的潜在缺憾。兼之轴套和衬套的结构型式可灵活变化、价格较低,现已逐渐在国内钢企中推广使用,是大力研发方向。
  2.2.2 轴套和衬套应用开发
  应用开发关键之一是材质体系研究,可归纳为三类:钴基合金(如St4,St6,Tr800 )、金属陶瓷(碳化物或硼化物钴基复合材料)、陶瓷(如 Sialon,MgO-ZrO2 )。 Nakagawa.等[7]以Sialon 陶瓷为摩擦副,对金属、金属陶瓷、陶瓷涂层在熔融锌液中腐蚀和摩擦磨损特性进行了系统研究,发现 WC/Co和Mo2 NiB 金属陶瓷与锌反应、陶瓷不被锌蚀;含碳陶瓷有低的摩擦系数和磨损,而不含碳时摩擦系数和磨损高。同样的,Kim 等[8]研究WC、TiC、NbC 和Cr3 C 2 陶瓷增强钴基(St6 、Tr800) 在熔融锌液中摩擦磨损特性,结论几乎相同:同种材料摩擦系数大、磨损严重,异种材料有较低的摩擦系数(0.03-0.06) 。唯一的例外是 Cr3 C2/St6 对磨Cr3 C2/St6 时却有低的摩擦系数0.01-0.05 。此外,有关WC/Co涂层对磨 MgO-ZrO2 陶瓷研究[9]发现:摩擦系数在0.15-0.4之间震荡;同时有WC粒子成为磨损碎片被磨下,磨粒磨损导致MgO-ZrO2 摩擦副的磨损加速。 开发关键之二是摩擦副轴套和衬套之间的匹配性;虽不能一言以蔽之,但常理是同种材料匹配磨损大、异种材料匹配磨损少。 而为能够满足大批量实际生产应用,关键在于保持产品稳定的重现性和良好的可加工性。尽管等离子喷焊和激光工艺有良好的能量集中和低稀释率,但一方面工艺的不稳定易导致组织和性能的不均匀,另一方面后机加工处理较难;因此相对而言,粉末火焰喷涂方法是不错的选择。 
  2.2.3 发展方向
  (1)  新型轴套和衬套涂层技术、工艺和体系的研发。
  (2)  有效的产品品质稳定性检验方法和规范。
  3 连退高温炉辊
  高温炉辊是连续退火炉机组带钢传送的主要设备,数量通常在50根以上。由于退火后要求带钢表面必须无划痕和轻微伤痕等缺陷,故炉辊表面喷涂涂层品质状态至关重要。同时,为提高连退机组生产效率和适应多品种生产,炉辊涂层必须能够承受更高退火温度、更高锰含量和更高强度的钢板。因此,连退高温炉辊表面热喷涂涂层的应用,能够显示钢铁企业所生产钢铁制品的品质水平。 
  3.1 热喷涂涂层积瘤
  根据工程实践以及涂层失效分析,积瘤是导致高温炉辊热喷涂涂层产生各种类型失效的根源所在。积瘤即炉面粘附金属或化合物形成的较大颗粒,形成与涂层材质及其制造方法、生产工况有很大关联性。可分为物理积瘤和化学积瘤两种形式:物理积瘤是指与辊面以机械结合方式的异物粘附,容易去除;而化学积瘤则是异物与涂层发生了化合反应,难以去除,必须加以避免或减少。 大量实践和文献[10-11]表明,锰氧化物和铁氧化物对涂层积瘤有着非常重要的影响。如早期爆炸喷涂LCO-17 (Al2 O3/CoCrAlY) 炉辊涂层一方面会造成带钢表面产生“pop-mark” 缺陷(图16);另一方面也容易积瘤,造成涂层剥落(图17);积瘤机制见化学反应[1]。
  Al2 O 3 +MnO → MnAl2 O 4                 [1]
  4/3CrB2 +O2=2/3Cr2 O3 +8/3B   Δ G(1200K)=–418kJ/mol   [2]
  Cr2 O3  +MnO → Mn1.5Cr1.5O4                         [3]
  对于前几年应用较多的HG-311(CrB2/CoCrAlY) 高温炉辊涂层,CrB 2 的加入确对抗结瘤有一定提高;但根据热力学反应计算(见化学反应[2]) 可知:CrB 2 在氧环境下稳定性也较差,易氧化生成为Cr2 O3 ;因此,既会促进化学积瘤(化学反应[3]) ,更会损伤涂层性能和导致涂层失效。积瘤物形成初期的形貌和能谱分析参见图18;涂层表面一旦出现积瘤,积瘤缺陷会逐渐加重(图19a) 、涂层质量会进一步恶化(图19b) ,到一定程度就会出现了” 粉化现象” ―在较小外力作用下涂层即粉碎脱落( 图19c) 。 
  3.2 新型热喷涂涂层
  材质及其组成是影响炉辊涂层使用寿命和使用性能的最关键因素,也是研发的热点和重点(见表2 )。宝钢在分析传统 LCO-17和HG-311高温炉辊涂层失效原因基础上,开发应用了 BM-3A新型涂层,该涂层以抗铁、锰积瘤为主要特征,并具有有良好的抗异物粘附、耐高温性和耐磨性能。 相应的热喷涂涂层微观照片(图 20)显示组织非常均匀致密,同时,进一步的积瘤模拟对比试验和实际生产应用结果(图 21 )均表明:新型涂层表明具有更好的抗积瘤能力(图 22)。目前,该种炉辊涂层在宝钢1800 连退机组已经使用3 年以上,且仍在继续使用中,满足了长寿化的大生产使用要求。
  3.3 发展方向
  (1)  从退火炉整体系统考虑,针对不同工况、不同辊位,选择涂层及其优化制造工艺。
  (2)  新型涂层体系、技术和工艺的开发。
  (3)  涂层使用管理规范,以及失效更换前的评判标准。
  4 结束语
  我国是钢铁制造大国,但并非是钢铁强国;同时资源消耗大、污染严重;因此,发展和应用高性价比、绿色、可持续发展的热喷涂制造技术是大势所趋,必将在钢铁行业中发挥巨大的应用潜力。加速实现发展的途径有:
  (1)  加强应用推广、将制造技术和使用技术有机结合,致力使其成为常规技术;
  (2)  利用后发优势,借鉴、吸收和消化先进技术和理论;
  (3)  开展深入而系统的基础研究,并在交流与协同基础上,建立健全相关体系;
  (4)  关注新型热喷涂技术的发展及其可能在钢铁行业中的应用可能。
图略
参考文献略

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