結(jié)晶器銅板電鍍鍍層設(shè)計(jì)與控制概述

陳中輝

【摘 ?要】結(jié)晶器銅板是連鑄機(jī)的核心部件，結(jié)晶器銅板電鍍鍍層質(zhì)量對鋼廠過鋼起著至關(guān)重要作用，其鍍層性能優(yōu)劣是決定結(jié)晶器壽命的重要因素。銅板鍍層由最初鍍鉻、鎳鉻、鎳鐵合金，逐步發(fā)展廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)的鎳鈷合金。但是好的性能鍍層，如不能進(jìn)行合理的鍍層設(shè)計(jì)和控制，其優(yōu)良的使用性能也難以發(fā)揮出來，銅板噸鋼數(shù)達(dá)不到要求，給供求雙方帶來較大的經(jīng)濟(jì)損失，可見結(jié)晶器銅板鍍層合理化設(shè)計(jì)和控制是結(jié)晶器生產(chǎn)廠家提高結(jié)晶器銅板鍍層使用壽命的關(guān)鍵所在。作為一名表面處理工作者，本論文針對鎳鈷與鈷鎳合金鍍層、鍍層應(yīng)力處理、梯度鍍層等設(shè)計(jì)與控制做了深入的論述，以為我國電鍍事業(yè)的發(fā)展和完善做一點(diǎn)理論方面的探索。

【關(guān)鍵詞】鍍層設(shè)計(jì);梯度鍍層;組箱鍍;鈷鎳合金;結(jié)晶器銅板

一、結(jié)晶器銅板電鍍鍍層現(xiàn)狀

目前從各大結(jié)晶器銅板電鍍企業(yè)和鋼廠反饋統(tǒng)計(jì)上看，結(jié)晶器銅板電鍍鍍層存在很多不足之處。主要表現(xiàn)在：鍍層不耐磨、脆性大、應(yīng)力大導(dǎo)致的鍍層使用壽命周期短;效率低、施鍍周期長;施鍍金屬價(jià)格昂貴，成本高。針對結(jié)晶器銅板電鍍鍍層目前存在的諸多不足，詳細(xì)論述四種關(guān)于結(jié)晶器銅板電鍍鍍層設(shè)計(jì)與控制方面的方式方法。具體如下：

二、鎳鈷合金鍍層設(shè)計(jì)

鋼廠拉鋼數(shù)據(jù)表明，設(shè)計(jì)良好的鍍層應(yīng)該具備高強(qiáng)度、高耐磨性、抗熱疲勞、強(qiáng)耐腐蝕性能。目前國內(nèi)結(jié)晶器銅板鍍層應(yīng)用最廣的是鎳鈷合金鍍層，電鍍鎳鈷合金溶液一般為氨基磺酸鹽鍍鎳鉻溶液中加鈷鹽。溶液配方具體為：氨基磺酸鎳：400 g/L;氯化鎳：8-12 g/L;硼酸：40 g/L;PH：4-5;溫度：52-60℃。

鈷含量對鎳鈷合金的硬度有很大的影響。在生產(chǎn)中不斷探索前行中，我們不斷地對鍍槽鍍液中鈷量、鍍層鈷含量和相應(yīng)鍍層硬度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得出：一是在鍍液其它成分濃度不變情況下，鍍液鈷鹽濃度與鍍層鈷含量近乎成正比關(guān)系：鍍液Co2+為1.0g/L時(shí)，鍍層含鈷量可達(dá)8%;鍍液Co2+為3.0g/L時(shí)，鍍層含鈷量可達(dá)18%;鍍液Co2+為6.0g/L時(shí)，鍍層含鈷量可達(dá)30%以上。二是鍍層硬度隨著鈷含量增加而成增加趨勢，具有正相關(guān)性。即鍍層鈷含量在7%以下時(shí)硬度能達(dá)到250HV，鍍層鈷含量到10%時(shí)硬度能達(dá)到300 HV，當(dāng)鍍層鈷含量達(dá)到15%時(shí)硬度能達(dá)到380HV。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明在一定范圍內(nèi)鍍層的硬度隨鈷含量的增加而增加，然而鍍層硬度的增加對結(jié)晶器銅板鍍層的設(shè)計(jì)是有益的。具體硬度增加的原因分析是溶質(zhì)Co含量的增加使鎳鈷合金固溶體的強(qiáng)度增加，塑性和韌性降低，即產(chǎn)生固溶強(qiáng)化作用機(jī)理。在生產(chǎn)過程中，根據(jù)鋼廠對拉鋼量的要求保證槽液中鈷鹽濃度在一定的量，可得到成分均勻的鍍層，達(dá)到鍍層設(shè)計(jì)的目的。同時(shí)考慮高鈷成本，建議可把鎳鈷合金鍍層中的鈷含量控制在15%—20%的范圍內(nèi)，可通過一定的分析設(shè)備手段對鍍槽溶液濃度給予嚴(yán)格的控制，達(dá)到對鍍層含量的準(zhǔn)確把握。

三、鈷鎳合金鍍層設(shè)計(jì)

目前，隨著煉鋼技術(shù)的發(fā)展，結(jié)晶器鍍層材料越來越向高強(qiáng)度、高耐磨性方面發(fā)展。為了進(jìn)一步提高鍍層的耐磨性，提高結(jié)晶器銅板的使用壽命，國內(nèi)相繼發(fā)展了Ni-Co鍍層和Co- Ni鍍層，Co-Ni鍍層的使用性能更好。在國內(nèi)大板坯結(jié)晶器上有使用（寶鋼板坯連鑄機(jī)寬邊銅板），一次使用壽命可過鋼20萬噸。

國內(nèi)已有成型的鈷-鎳合金電鍍工藝，但是由于技術(shù)壁壘的存在，這方面鍍層技術(shù)的交流推廣還需很長時(shí)期。因鍍層鈷量在80%-95%，投入成本大，可作為一種新工藝方面的技術(shù)儲(chǔ)備滿足市場的更高需求，也可適時(shí)推入市場，市場潛力巨大。鈷-鎳合金電鍍是一種高鈷低鎳的電鍍體系，這種體系中，較高的鈷含量能大大的提高鍍層的耐磨性與抗腐蝕能力，鍍層有良好的熱硬性和低應(yīng)力，使得銅板的使用壽命大大提高。當(dāng)合金鈷含量控制在90%以上某個(gè)范圍時(shí)同時(shí)具備良好硬度和韌性，此時(shí)的鈷鎳合金適合用于結(jié)晶器銅板高硬度耐磨功能性鍍層的設(shè)計(jì)使用。通過專用鈷鎳合金鍍液配方和復(fù)合型陽極裝置電鍍出的結(jié)晶器銅板鍍層可以滿足15萬噸以上的過鋼量，所以鈷鎳合金鍍層新技術(shù)是今后應(yīng)用的一個(gè)大方向。

四、鍍層弱化應(yīng)力的設(shè)計(jì)

結(jié)晶器銅板鍍層應(yīng)力大一直是困擾鍍層質(zhì)量方面的因素。無論是小于20%的低鈷和大于80%的高鈷鍍層，均存在著應(yīng)力，即使電鍍體系中其它一點(diǎn)添加劑都不加入，在鍍鎳層引入鈷也會(huì)使合金鍍層的內(nèi)應(yīng)力增大，脆性增大。為了有效減少鍍層中的應(yīng)力可對電鍍鍍層進(jìn)行如下的設(shè)計(jì)和控制。首先，在鍍層設(shè)計(jì)時(shí)要嚴(yán)格控制好鈷含量，鈷含量控制在15%—20%的范圍內(nèi)較理想。其次，根據(jù)電鍍過程通電量與合金鍍層拉應(yīng)力之間的關(guān)系，可在電鍍開始一段時(shí)間內(nèi)不往鍍液中添加鈷，隨著電鍍通電量的增加再添加鈷，這種控制方法利于鍍層初始階段的應(yīng)力減少控制，增加鍍層的結(jié)合力。最后，經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚硎沟脩?yīng)力得以釋放，雖然通過熱處理合金硬度會(huì)有一定程度的降低，但卻在降低合金沉積層應(yīng)力的同時(shí)，使鍍層的延伸率得到提升，達(dá)到結(jié)晶器銅板鍍層設(shè)計(jì)的目的。對鎳鈷體系電鍍的銅板進(jìn)行熱處理，消除鍍層應(yīng)力熱處理?xiàng)l件：溫度250±10℃，時(shí)間2小時(shí)。

五、梯度鍍層設(shè)計(jì)

用兩塊銅板面向直接組成鍍槽（另外兩面用堵板封死）進(jìn)行的電鍍工藝稱為“組箱鍍”。根據(jù)銅板鍍層厚度的梯度要求，在電鍍生產(chǎn)過程中可采用降低液面的方式，獲得上薄下厚的鍍層，能夠滿足銅板鍍層厚度要求;同時(shí)可大大降低電鍍成本，鈷鹽的市場價(jià)比鎳鹽市場價(jià)要貴出50元/公斤。另外通過控制銅板上口鍍層厚度，也明顯減少上鍍鎳材料消耗，同時(shí)減少鍍層后續(xù)去除機(jī)加費(fèi)用，提升機(jī)加效率。

在低應(yīng)力電鍍?nèi)芤后w系電鍍可控式Ni-Co合金鍍層，采用套管裝置控制液面以此設(shè)計(jì)出上薄下厚的鍍層，上部控制在1-3mm，下部控制在2-4mm左右。如能在板材基體上數(shù)銑加工出與之配合的階梯式形狀，更有利上下鍍層厚度的控制，銅板基體的加工形狀設(shè)計(jì)在此不作贅述;隨著通電量的累積，通過提高鈷鹽滴定量使得鍍層鈷含量在銅板上有更多的沉積。達(dá)到內(nèi)少外多，上少下多的鈷含量控制，在時(shí)間和空間上均達(dá)到了不同鈷含量鍍層設(shè)計(jì)。

上部較薄的含鈷低的鍍層其硬度低、韌性好，有效防止銅板在彎月面附近產(chǎn)生熱裂紋;下部較厚的含鈷多的外部鍍層其硬度高、耐磨性好，大大提高了銅板的使用壽命。針對部位鍍層進(jìn)行不同的厚度和硬度設(shè)計(jì)，電鍍出低應(yīng)力鎳鈷合金鍍層，既提升使用性能很好地保證了質(zhì)量，又延長使用壽命，同時(shí)大大地降低了生產(chǎn)成本，面對現(xiàn)如今嚴(yán)峻的市場形勢，降本增效對企業(yè)的生成經(jīng)營將會(huì)做出積極貢獻(xiàn)。

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作者簡介：

男，1980年出生，大學(xué)本科學(xué)歷，2005年畢業(yè)于佳木斯大學(xué)金屬材料工程與科學(xué)學(xué)院，2005-2013年工作于“秦皇島首鋼長白結(jié)晶器有限責(zé)任公司表面處理廠”，目前工作于“北京美中雙合醫(yī)療器械股份有限公司”。