一種薄帶連鑄結晶輥毛化表面特定形貌製備方法與流程
2023-06-06 12:15:22
本發明涉及薄帶連鑄技術領域，特別是涉及一種薄帶連鑄結晶輥毛化表面特定形貌製備方法。
背景技術：
薄帶連鑄用結晶輥表面與鋼水直接接觸，其表面形貌對其使用過程中的界面傳熱和鋼液凝固過程有重要影響，直接影響薄帶連鑄工藝和帶鋼質量，因此，在實際生產中，需要製備具有特定形貌特徵的表面形貌，而且需要根據澆注鋼種、澆鑄工藝等不同條件來調整不同的結晶輥表面形貌特徵以獲得良好的帶鋼質量。
直接在噴丸機及同類設備上轟擊產生的表面形貌不能直接應用，這是因為轟擊產生的粗糙峰比較尖銳，易於磨損，從而造成結晶輥表面形貌特徵的保持性較差，隨著磨損的進行，形貌特徵不斷變化，將極大的影響帶鋼表面質量。因此，需要根據不同的澆鑄條件來設計結晶輥形貌。
常用的毛化方法有SBT(噴丸毛化)、EDT(電火花毛化)、EBT(電子束毛化)、LT(雷射毛化)和TOPOCROM方法等。這些方法各有優劣，目前多用於軋輥表面製造。
國內外對結晶輥表面毛化技術的研究涉及多項專利，主要包括雷射毛化方法、機械毛化方法和電火花毛化方法等，這些方法歸納起來，可分為有較強規律性的表面形貌，如機械毛化(紋理製備)方法、雷射毛化方法等；隨機分布表面形貌，如噴丸毛化、噴砂毛化等；以及前兩者結合起來的複合方法等。此外，TOPOCROM方法在結晶輥上的應用尚處於探索階段，還不成熟。
美國專利US2009/0145567A1公開了一種採用金剛石雕刻技術製備結晶輥毛化表面的方法，即採用金剛石雕刻、雷射和蝕刻等技術形成規則的由凹印、凸起交替形成的陣列結構，每英寸約75-250行，所形成的凸起部分面積介於40-40000μm2,或14000-20000μm2，或900-3600μm2不等，且陣 列方向與結晶輥軸線方向傾斜角介於5°-45°之間。
美國專利5701948公開了一種結晶輥的表面形貌結構，在雙輥連鑄機上，通過具有一定深度和間距的沿圓周方向延伸的槽和脊結構，使得結晶輥表面織構化。這種經過表面毛化以後的網紋結構可提高金屬凝固期間的熱通量，從而使薄帶連鑄最優化，即達到高熱通量的同時獲得緻密的微觀結構。具體優化形貌尺寸包括脊峰到槽根部的網紋深度介於15μm-25μm之間，網紋間距在150μm-200μm範圍內。需要注意的是，該專利公開的結晶輥形貌雖然在鑄造黑色金屬時能夠達到高的凝固速度，但是其對工藝條件非常敏感，必須嚴格加以控制，否則，會產生「鱷魚皮」和「振痕」兩種鑄帶缺陷。
美國專利US6942013公開了一種結晶輥表面隨機紋理結構，採用氧化鋁、氧化矽和碳化矽等材料噴砂處理，顆粒直徑介於0.7mm-1.4mm之間。
歐洲專利EP0577833A1公開採用雷射毛化的方法進行結晶輥的表面形貌處理，所形成的轟擊坑的深度在50μm以上，直徑在500μm以下，轟擊坑之間的間距大約是轟擊坑直徑的1.05-5倍；歐洲專利EP1281458A1公開的轟擊坑形貌特徵是坑深在40-200μm，直徑在500-3000μm，同時毛化表面上還嵌套者更細小的凹坑，深度在1-50μm，直徑約為5-200μm。
中國專利公開號CN1311721A公開了鋼帶連鑄方法，指出熔融鋼水被導引至平行鑄輥間的輥隙之中，形成支撐在輥鑄造表面上的熔池，結晶輥轉動並從輥隙向下導引凝固鋼帶，其提到的鑄造表面即結晶輥表面的處理採用在基材上噴砂(Ra介於5-10之間)、然後鍍50μm鉻作為耐磨層，或是在鎳保護塗層表面直接進行噴砂。
韓國專利KR2006074635公開了帶鋼澆鑄用鑄輥，其通過噴丸處理使得結晶輥表面產生細小凹痕，從而均勻而迅速凝固鋼液的表面製備方法。Posco申請的專利WO2008/016231A1公開了一種採用光刻方法在結晶輥表面製備氣體通道，從而避免氣體膨脹造成鑄帶表面凹痕缺陷的結晶輥表面處理方法。
此外，Posco也應用雷射毛化的方法製備結晶輥表面形貌，然而，這種方法的經濟性和可實施性均不能達到薄帶連鑄產業化需求。
根據不同澆鑄材料和澆鑄工藝，結晶輥表面形貌參數需要較大範圍的 調整，然而，常規的噴丸設備不能滿足結晶輥的表面特徵需求，且電火花毛化和雷射毛化方法等技術處理的輥面又具有較強的規律性，不適宜於薄帶連鑄工藝生產，這就需要特殊的毛化裝備和工藝方法來實現。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種薄帶連鑄結晶輥毛化表面特定形貌製備方法，針對特定毛化表面，將粗糙峰拋磨成特定局域平臺形貌，並去除了毛刺及翻邊等表面缺陷，從而增強了表面耐磨性，提高了毛化形貌參數的保持性，同時可提供具有與熔池鋼液不同接觸特性的表面形貌，對於優化薄帶連鑄熔池鋼液的凝固特性具有重要意義，可為結晶輥實際應用提供保障。
為達到上述目的，本發明的技術方案是：
一種薄帶連鑄結晶輥毛化表面特定形貌製備方法，其包括，
1)採用噴丸類設備，通過氣體驅動的粉末顆粒流反覆轟擊到結晶輥表面，形成由轟擊坑重疊結構構成的隨機初始形貌；
2)針對結晶輥特定毛化表面，將表面粗糙峰磨成平臺，並去除毛刺及翻邊等表面缺陷；
3)對結晶輥表面平臺進行拋光形成由局域微平臺組成的結構形態，最終獲得的結晶輥表面形貌特徵為：
當10μm<轟擊顆粒直徑<1000μm時，最終獲得的結晶輥表面形貌特徵Ra為1μm～25μm；Rz為3～300μm，RPc為3～300/cm；
當1000μm<轟擊顆粒直徑<8000μm時，最終獲得的結晶輥表面形貌特徵為轟擊坑平均深度為20μm-900μm，轟擊坑平均直徑為100μm-5000μm，轟擊坑局域平臺平均寬度為5μm-5000μm，平均峰值密度為1～10/cm；
其中，轟擊氣體壓力為0.2～3.5MPa，氣體流量10～1000Nm3/h；氣體溫度為室溫～400℃；所述粉末顆粒直徑為1～8000μm。
進一步，所述的粉末顆粒是不鏽鋼鋼絲切丸、合金鋼丸、陶瓷或硬質合金，其硬度為HRC30～HRC65。
更進一步，所述的噴丸類設備採用噴嘴，所述的噴嘴的喉部直徑為2.5～50mm。
又，步驟3)拋光是在拋光工具機上應用碳化矽或金剛石砂帶進行拋光，其中，需要給拋光砂帶施加一預緊力，預緊力大小沿結晶輥軸向具有不同的分布，用以控制不同的表面形貌需求。
進一步，步驟3)拋光在拋光工具機上進行，工具機進給速度1mm/r～30mm/r，結晶輥轉速1r/min～120r/min，多次反覆進行拋光，拋光後工業百潔布清理。
優選的，步驟3)拋光所用碳化矽或金剛石砂帶型號為180～1200號。
另外，本發明最終結晶輥毛化表面還要鍍制一塗層，採用電鍍或噴塗鉻、鎳、鎳合金或銅合金。
本發明與其它發明相比，其不同之處和創新性如下所述：
本發明不同於採用轟擊方法調控表面形貌的方法，而是在一定的轟擊形貌下，應用拋光去除粗糙峰獲得微區平臺的製備方法，這一方法的優勢是可保證形貌隨機性和均勻性，而依靠轟擊工藝來調整形貌的方法轟擊顆粒易於集中，均勻性差，難以滿足分布均勻性要求高的條件。
本發明優選採用噴嘴，通過一定壓力的壓縮氣體加速粉末顆粒流轟擊到結晶輥表面，形成隨機形貌，關鍵是根據設計形貌對結晶輥表面進行特殊拋光處理，最終獲得具有特殊微區結構的特定表面特徵，達到控制結晶輥熔池鋼液凝固特性的目的，從而控制帶鋼表面質量。
不同的鋼種和澆鑄條件下需要不同的結晶輥表面形貌，製備工藝中所需的特製噴嘴就需要相應改變，所述噴嘴的喉部直徑為2.5～50mm。通過不同的噴嘴，將氣體驅動的粉末顆粒流，反覆轟擊到結晶輥表面，形成由轟擊坑重疊結構構成的隨機初始形貌，再利用本發明方法製備特定形貌，即針對轟擊產生的結晶輥表面形貌，還需要對結晶輥表面進行細微拋光形成由局域微臺階組成的結構形態。其中，轟擊氣體壓力為0.2～3.5MPa，氣體流量10～1000Nm3/h；氣體溫度為室溫～400℃。
轟擊顆粒直徑為1～8000μm，材質是鋼絲切丸、合金鋼丸、陶瓷或硬質合金，其硬度為HRC30～HRC65；當轟擊顆粒直徑介於10μm與1000μm之間時，最終獲得的結晶輥表面形貌特徵Ra為1μm-25μm；Rz為 3-300μm，RPc為3-300/cm；當轟擊顆粒直徑介於1000μm與8000μm時之間，最終獲得的結晶輥表面形貌特徵為轟擊坑平均深度為20μm-900μm，轟擊坑平均直徑為100μm-5000μm，轟擊坑局域平臺平均寬度為5μm-5000μm，平均峰值密度為1-10/cm。
拋光方法是在拋光工具機上，應用碳化矽或金剛石砂帶進行拋光，其中，需要給拋光砂帶施加預緊力，預緊力大小沿結晶輥軸向具有不同的分布，用以控制不同的表面形貌需求；此外，工具機進給速度1mm/r～速度30mm/r，結晶輥轉速1r/min～120r/min，多次反覆進行拋光，拋光後工業百潔布清理。
為了增強結晶輥表面形貌的保持性，最終表面還要鍍制一定的塗層，包括電鍍或噴塗鉻、鎳、鎳合金、銅合金等。
本發明對小粗糙度形貌，以Ra、Rz、RPc為隨機形貌表徵參數，其中，Ra與Rz均是強相關聯但又具有各自獨特的表徵意義；
本發明對大粗糙度形貌，以轟擊坑平均直徑、平均深度和微平臺平均寬度為隨機形貌表徵參數，本發明所獲得毛化表面隨機性強，可以採用粗糙度儀或形貌儀測量，選用一維參數的目的是利於實際工業測量與應用，參數通過大量數據統計方法進行評估，而其它維度的評定方法可操作性差，數據值波動大，統計性和可參考性小。因此，本發明中所涉及的表徵方法可滿足結晶輥產業化需求。
附圖說明
圖1為本發明結晶輥表面毛化形貌拋光示意圖，其中，A表示初始形貌分三次拋光(如圖中1,2,3所示)，B,C,D為逐次加深拋光以後的形貌示意圖，分別對應A中的1,2,3線所示拋光深度；
圖2為本發明結晶輥表面毛化後的初始形貌(SEM)照片；
圖3為本發明結晶輥毛化表面拋光5μm後的表面形貌照片；
圖4為本發明結晶輥毛化表面拋光20μm後的表面形貌照片；
圖5為本發明結晶輥毛化表面拋光30μm後的表面形貌照片；
圖6為本發明結晶輥毛化表面拋光50μm後的表面形貌照片。
具體實施方式
本發明的一種薄帶連鑄結晶輥毛化表面特定形貌製備方法，其特徵是，包括，
1)採用噴丸類設備，通過氣體驅動的粉末顆粒流反覆轟擊到結晶輥特定毛化表面，形成由轟擊坑重疊結構構成的隨機初始形貌；
2)針對結晶輥特定毛化表面，將表面粗糙鋒磨成平臺，並去除毛刺及翻邊等表面缺陷；
3)對結晶輥表面平臺進行拋光形成由局域微平臺組成的結構形態，最終獲得的結晶輥表面形貌特徵為：
當10μm<轟擊顆粒直徑<1000μm時，最終獲得的結晶輥表面形貌特徵Ra為1μm～25μm；Rz為3～300μm，RPc為3～300/cm；
當1000μm<轟擊顆粒直徑<8000μm時，最終獲得的結晶輥表面形貌特徵為轟擊坑平均深度為20μm-900μm，轟擊坑平均直徑為100μm-5000μm，轟擊坑局域平臺平均寬度為5μm-5000μm，平均峰值密度為1～10/cm；
其中，轟擊氣體壓力為0.2～3.5MPa，氣體流量10～1000Nm3/h；氣體溫度為室溫～400℃；所述粉末顆粒直徑為1～8000μm。
進一步，所述的粉末顆粒是不鏽鋼鋼絲切丸、合金鋼丸、陶瓷或硬質合金，其硬度為HRC30～HRC65。
所述的噴丸類設備採用噴嘴，所述的噴嘴的喉部直徑為2.5～50mm。
步驟3)拋光是在拋光工具機上應用碳化矽或金剛石砂帶進行拋光，其中，需要給拋光砂帶施加一預緊力，預緊力大小沿結晶輥軸向具有不同的分布，用以控制不同的表面形貌需求。
步驟3)拋光在拋光工具機上進行，工具機進給速度1mm/r～30mm/r，結晶輥轉速1r/min～120r/min，多次反覆進行拋光，拋光後工業百潔布清理。
步驟3)拋光所用碳化矽或金剛石砂帶型號為180～1200號。
另外，本發明最終結晶輥毛化表面還要鍍制一塗層，採用電鍍或噴塗鉻、鎳、鎳合金或銅合金。
參見圖1～圖6，圖1為本發明結晶輥表面毛化形貌拋光示意圖；圖2為本發明結晶輥表面毛化後的初始形貌(SEM)照片；從圖中可以看出， 顆粒流反覆轟擊結晶輥表面所形成的轟擊坑重疊形貌，轟擊坑的邊緣有翻邊、毛刺等缺陷。
圖3為本發明結晶輥毛化表面拋光5μm後的表面形貌照片，圖中可以觀察到拋光5um以後，表面有微平臺出現，轟擊坑深度相應減小。
圖4為本發明結晶輥毛化表面拋光20μm後的表面形貌照片，從圖中可以觀察到，相比於圖3，微平臺寬度進一步增加，轟擊坑深度進一步減小。
圖5為本發明結晶輥毛化表面拋光30μm後的表面形貌照片，從圖中可以觀察到，相比於圖4，微平臺寬度進一步增加，轟擊坑深度進一步減小。
圖6為本發明結晶輥毛化表面拋光50μm後的表面形貌照片，從圖中可以觀察到，相比於圖5，微平臺寬度進一步增加，轟擊坑深度進一步減小。
實施例1
薄帶連鑄所用結晶輥表面進行毛化處理，採用噴嘴(喉徑為3.5mm)，轟擊氣體壓力為1.5MPa，氣體流量80Nm3/h；氣體溫度為120℃，轟擊顆粒直徑30μm，材質鑄鋼丸；
然後在拋光工具機上，採用300#砂帶拋光，並給拋光砂帶施加一定的預緊力，車床進給速度5mm/r，結晶輥轉速50r/min，一個來回，拋光後百潔布清理，最終獲得隨機形貌參數均值：Ra為3μm，Rz為18μm，RPC為44/cm，顯微分析表明轟擊坑邊緣光滑，無毛刺、翻邊和異物嵌入等缺陷。
實施例2
薄帶連鑄所用結晶輥表面進行毛化處理，採用噴嘴(喉徑為3.0mm)，轟擊氣體壓力為1.0MPa，氣體流量80Nm3/h；氣體溫度為280℃，轟擊顆粒直徑450μm，材質鋼絲切丸；
然後在拋光工具機上，採用400#砂帶拋光，並給拋光砂帶施加一定的預緊力，車床進給速度15mm/r，結晶輥轉速8r/min，1個來回，拋光後百潔布清理，最終獲得隨機形貌參數均值：Ra為18μm，Rz為95μm，RPC為 33/cm，顯微分析表明轟擊坑邊緣光滑，無毛刺、翻邊和異物嵌入等缺陷。
實施例3
薄帶連鑄所用結晶輥表面進行毛化處理，採用噴嘴(喉徑為2.7mm)，轟擊氣體壓力為0.5MPa，氣體流量50Nm3/h；氣體溫度為170℃，轟擊顆粒平均直徑500μm，材質不鏽鋼鋼絲切丸；
然後在拋光工具機上，採用180#砂帶拋光，並給拋光砂帶施加一定的預緊力，車床進給速度8mm/r，結晶輥轉速30r/min，一個來回，拋光後百潔布清理，最終獲得隨機形貌參數均值：Ra為9μm，Rz為71μm，RPC為38/cm，顯微分析表明轟擊坑邊緣光滑，無毛刺、翻邊和異物嵌入等缺陷。