一體式連鑄結晶器部件及制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種一體式連鑄結晶器部件及制備方法，本結晶器部件的鋼基板與銅基板之間冶金結合，銅基板與工作涂層之間冶金結合或機械結合，鋼基板與銅基板冶金結合構成的整體結構內設有若干冷卻水道。本方法鋼基板和/或銅基板通過金屬增材打印構建實體，并且打印過程在鋼基板和/或銅基板內預留若干冷卻水道，鋼基板與銅基板之間通過金屬熔融沉積構成冶金結合，工作涂層通過金屬增材打印、電鍍或噴涂于銅基板表面，整體機械加工至產品要求尺寸，最終形成一體式結晶器部件。本結晶器部件為異種材料復合的一體式結構，確保了結晶器的應用性能，提高了使用壽命；本方法采用增材制造工藝，避免材料浪費，并使異種材料冶金結合，有效提高制備效率。
【專利說明】
一體式連鑄結晶器部件及制備方法
技術領域
[0001 ]本發明涉及一種一體式連鑄結晶器部件及制備方法。
【背景技術】
[0002]結晶器是連鑄機非常重要的部件，是一個強制水冷的無底鋼錠模，以使鋼水快速冷凝成形，稱之為連鑄設備的“心臟”。大型連鑄機，特別是板坯連鑄機廣泛采用裝配式結晶器，如圖1和圖2所示，通常裝配式結晶器是由四塊復合壁板的部件11構成，每塊部件11又由銅板12和背板13(水箱)組成，兩部分由多個雙頭螺栓14連接，中間增加密封圈15保證冷卻水密閉性，冷卻水道4分布在銅板12上，鋼液16經結晶器部件圍成的腔體冷凝成形。
[0003]目前大多結晶器的銅板原材料一般選用真空熔煉后鍛造的銅合金板坯，為保證銅板的強度其熔煉鍛造的工藝復雜且要求很高，國內生產的鍛銅坯性能普遍達不到要求，目前大部分結晶器銅板鍛坯均依賴進口，價格高且周期長。鍛銅坯后續再按技術要求機械加工成結晶器銅板，在冷卻水道加工和基面加工過程均采用減料加工方法，即通過刨削或銑削毛坯形成冷卻水道及螺紋孔等，大量的銅材需被加工掉;結晶器背板的加工與結晶器銅板的加工工序相似，均為減料加工方法，導致大量材料的浪費。
[0004]從連鑄結晶器應用的失效形式來看，由于目前的背板與銅板采用雙頭螺栓和密封圈連接組裝的方式，如果銅板在使用過程中有一個螺紋孔偏移或變形即會造成整塊銅板失效報廢;同時連鑄結晶器在澆鑄過程密封圈失效也是造成結晶器下線的一個原因。
[0005]因此從整體來看，采用目前的結晶器制造工藝存在材料浪費、工藝復雜、使用過程中易失效等諸多缺點，迫切需要研發新的產品及制造工藝。
【發明內容】
[0006]本發明所要解決的技術問題是提供一種一體式連鑄結晶器部件及制備方法，本結晶器部件克服傳統銅板與背板結晶器的缺陷，本結晶器部件為異種材料復合的一體式結構，確保了結晶器的應用性能，提高了使用壽命;本方法采用增材制造工藝，避免材料浪費，并使異種材料冶金結合，有效提高制備效率。
[0007]為解決上述技術問題，本發明一體式連鑄結晶器部件包括鋼基板、銅基板和工作涂層，所述鋼基板與銅基板之間冶金結合，所述銅基板與工作涂層之間冶金結合或機械結合，所述鋼基板與銅基板冶金結合構成的整體結構內設有若干冷卻水道。
[0008]進一步，所述若干冷卻水道設于所述鋼基板內并且貼近所述銅基板、銅基板內、銅基板內并且貼近所述鋼基板或鋼基板與銅基板的結合面之間。
[0009]進一步，所述鋼基板為不銹鋼板或碳素結構鋼板，所述銅基板為紫銅板或銅合金板，所述工作涂層為鎳基合金涂層、鈷基合金涂層、鎳基金屬陶瓷復合涂層或鈷基金屬陶瓷復合涂層。
[0010]進一步，所述鋼基板的厚度為70?90mm，所述銅基板的厚度為15?25mm，所述工作涂層的厚度為0.3?2mm。
[0011]進一步，所述冷卻水道的截面形狀為圓形或長腰形，所述長腰形冷卻水道的長度為1?15mm、寬度為4?8mm、弧頂直徑為4?8mm，所述若干冷卻水道間距為15?30mm。
[0012]—體式連鑄結晶器部件的制備方法，鋼基板和/或銅基板通過金屬增材打印構建實體，并且打印過程在鋼基板和/或銅基板內預留若干冷卻水道，鋼基板與銅基板之間通過金屬熔融沉積構成冶金結合，工作涂層通過金屬增材打印、電鍍或噴涂于銅基板表面，整體機械加工至產品要求尺寸，最終形成一體式結晶器部件。
[0013]進一步，在打印床上預制鋼基板和銅基板的一體式三維結構模型并且進行二維切片，根據鋼基板的二維切片熔融沉積鋼基材料，增材打印創建鋼基板實體，更換打印材料，根據銅基板的二維切片在鋼基板實體上繼續熔融沉積銅基材料，增材打印創建銅基板實體，鋼基板與銅基板之間形成冶金結合。
[0014]進一步，采用鋼板按工藝要求機加工成鋼基板，鋼基板設于打印床上，預制銅基板的三維結構模型并且進行二維切片，根據銅基板的二維切片在鋼基板上熔融沉積銅基材料，增材打印創建銅基板實體，鋼基板與銅基板之間形成冶金結合。
[0015]進一步，按工藝要求鍛造或乳制銅基板，銅基板設于打印床上，預制鋼基板的三維結構模型并且進行二維切片，根據鋼基板的二維切片在銅基板上熔融沉積鋼基材料，增材打印創建鋼基板實體，鋼基板與銅基板之間形成冶金結合。
[0016]進一步，熔融沉積采用激光或電子高能束作為掃描熱源，將金屬粉末材料或金屬絲材根據二維切片逐層熔融打印疊加而形成鋼基板和/或銅基板實體。
[0017]由于本發明一體式連鑄結晶器部件及制備方法采用了上述技術方案，即本結晶器部件的鋼基板與銅基板之間冶金結合，銅基板與工作涂層之間冶金結合或機械結合，鋼基板與銅基板冶金結合構成的整體結構內設有若干冷卻水道。本方法鋼基板和/或銅基板通過金屬增材打印構建實體，并且打印過程在鋼基板和/或銅基板內預留若干冷卻水道，鋼基板與銅基板之間通過金屬熔融沉積構成冶金結合，工作涂層通過金屬增材打印、電鍍或噴涂于銅基板表面，整體機械加工至產品要求尺寸，最終形成一體式結晶器部件。本結晶器部件為異種材料復合的一體式結構，確保了結晶器的應用性能，提高了使用壽命;本方法采用增材制造工藝，避免材料浪費，并使異種材料冶金結合，有效提高制備效率。
【附圖說明】
[0018]下面結合附圖和實施方式對本發明作進一步的詳細說明:
圖1為傳統組合式連鑄結晶器結構示意圖；
圖2為傳統組合式連鑄結晶器部件中銅板與背板的連接示意圖；
圖3為本發明一體式連鑄結晶器部件的結構示意圖；
圖4為本結晶器部件中冷卻水道設于鋼基板內并貼近銅基板的結構示意圖；
圖5為本結晶器部件中冷卻水道設于銅基板內并貼近鋼基板的結構示意圖；
圖6為本結晶器部件中冷卻水道設于銅基板內的結構示意圖；
圖7為本結晶器部件中冷卻水道設于鋼基板與銅基板之間的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0019]實施例如圖3所示，本發明一體式連鑄結晶器部件包括鋼基板1、銅基板2和工作涂層3，所述鋼基板I與銅基板2之間冶金結合，所述銅基板2與工作涂層3之間冶金結合或機械結合，所述鋼基板I與銅基板2冶金結合構成的整體結構內設有若干冷卻水道。
[0020]如圖4、圖5和圖6所示，優選的，所述若干冷卻水道4設于所述鋼基板I內并且貼近所述銅基板2、銅基板2內、銅基板2內并且貼近所述鋼基板I或鋼基板I與銅基板2的結合面之間。
[0021]優選的，所述鋼基板I為不銹鋼板或碳素結構鋼板，所述銅基板2為紫銅板或銅合金板，所述工作涂層3為鎳基合金涂層、鈷基合金涂層、鎳基金屬陶瓷復合涂層或鈷基金屬陶瓷復合涂層。
[0022]優選的，所述鋼基板I的厚度為70?90mm，所述銅基板2的厚度為15?25mm，所述工作涂層3的厚度為0.3?2mm。
[0023]優選的，所述冷卻水道4的截面形狀為圓形或長腰形，所述長腰形冷卻水道的長度為10?15mm、寬度為4?8mm、弧頂直徑為4?8mm，所述若干冷卻水道4均布并且間距為15?30mm ο
[0024]—體式連鑄結晶器部件的制備方法，鋼基板和/或銅基板通過金屬增材打印構建實體，并且打印過程在鋼基板和/或銅基板內預留若干冷卻水道，鋼基板與銅基板之間通過金屬熔融沉積構成冶金結合，工作涂層通過金屬增材打印、電鍍或噴涂于銅基板表面，整體機械加工至產品要求尺寸，最終形成一體式結晶器部件。
[0025]優選的，在打印床上預制鋼基板和銅基板的一體式三維結構模型并且進行二維切片，根據鋼基板的二維切片熔融沉積鋼基材料，增材打印創建鋼基板實體，更換打印材料，根據銅基板的二維切片在鋼基板實體上繼續熔融沉積銅基材料，增材打印創建銅基板實體，鋼基板與銅基板之間形成冶金結合。
[0026]優選的，采用鋼板按工藝要求機加工成鋼基板，鋼基板設于打印床上，預制銅基板的三維結構模型并且進行二維切片，根據銅基板的二維切片在鋼基板上熔融沉積銅基材料，增材打印創建銅基板實體，鋼基板與銅基板之間形成冶金結合。
[0027]優選的，按工藝要求鍛造或乳制銅基板，銅基板設于打印床上，預制鋼基板的三維結構模型并且進行二維切片，根據鋼基板的二維切片在銅基板上熔融沉積鋼基材料，增材打印創建鋼基板實體，鋼基板與銅基板之間形成冶金結合。
[0028]優選的，熔融沉積采用激光或電子高能束作為掃描熱源，將金屬粉末材料或金屬絲材根據二維切片逐層熔融打印疊加而形成鋼基板和/或銅基板實體。其中:熔融打印的金屬增材制造工藝可采用選擇性激光燒結(SLS)、選擇性激光熔化(SLM)、激光近凈成型(LENS )或電子束熔化技術(EBM、EBSFF)。
[0029]本結晶器部件中的鋼基板主要起結構支撐作用，對應原裝配式結晶器的背板結構功能;銅基板因銅基材質具有良好的導熱性能，該部分主要起到快速導熱冷卻作用，對應于原裝配式結晶器的銅板結構功能;工作涂層為結晶器的工作層，其與鋼水和初生坯殼接觸，主要起到耐磨耐蝕抗高溫的作用。
[0030]本結晶器部件與傳統裝配式結晶器結構相比具有顯著優勢，由于銅基板與鋼基板是冶金結合連為一體的，這樣就能解決傳統裝配式結晶器制造及應用中面臨的許多難題。比如傳統裝配式結晶器制造中銅板與背板通過螺栓連接，需要先在銅板背面加工上百螺孔，因銅板強度低還需在這上百螺孔中鑲入不銹鋼螺紋套，給加工及后期維護增加了很大的難度;銅板背部需加工水槽，通過銅板貼合于背板上從而形成冷卻水道，為保證銅板與背板的緊密貼合，上百螺栓緊固必須一致且穩定可靠;此外為防止銅板與背板貼合不好導致漏水的情況，必須在銅板與背板結合面最外圈設計密封結構，而在使用過程中因使用工況惡劣密封圈很容易失效，需經常更換而導致頻繁拆裝，甚至有時會在使用過程中因密封失效而漏水，造成生產安全事故。本一體式結晶器部件結構沒有了傳統結晶器復雜的螺紋裝配結構，結構簡單，且無需密封結構，避免了傳統裝配式結晶器使用過程中因密封失效漏水的重大難題，并簡化了制造工藝。
[0031]冷卻水道形式可參照傳統裝配式結晶器冷卻結構，但與傳統裝配式結晶器結構相比具有明顯的改變。傳統裝配式結晶器的銅板與背板通過螺栓緊固于一起在結合面處形成的冷卻水道，因銅板上螺紋套的存在，原冷卻水道在銅板上的分布必須避開螺紋套位置，從而導致整個銅板表面工作時的同一高度上的溫度場分布不均勻，有時甚至會存在10?20°C的溫差，嚴重影響結晶器的冷卻效果，進而導致連鑄坯表面出現缺陷，影響連鑄坯產品質量。而本一體式結晶器部件因銅基板和鋼基板為一體冶金結合，故無需螺栓連接，冷卻水道也不存在避開螺紋套位置的問題，冷卻水道的分布可以更合理設計，從而獲得更加均勻的溫度場分布。
[0032]本方法與傳統裝配式結晶器制作方法和路線完全不同，傳統裝配式結晶器是由背板和帶工作涂層的銅板由螺栓裝配于一體形成，其制作方法是先分別將背板和銅板加工成各自的結構，其中背板加工主要包括背板的平面加工、孔加工及密封槽加工等;銅板加工主要包括銅板平面加工、背面水槽及螺孔加工等，然后在銅板正面制備工作涂層并將工作涂層機加工至要求尺寸;最后銅板與背板間安置密封條后螺栓緊固裝配于一體形成產品。
[0033]本結晶器部件的冷卻水道分布位置可以在銅基板內部，也可在銅基板與鋼基板的結合面、靠銅基板側或靠鋼基板側，也可是以上幾種情況的組合。冷卻水道可以通過金屬增材打印制造過程直接打印，這正是本一體式結晶器部件與傳統結晶器制造的重要區別之一。通過增材制造方法直接打印出冷卻水道從而擺脫了傳統機械加工的限制，冷卻水道可以根據生產工況需求，任意設計冷卻水道的位置、形狀及分布，這樣可以獲得比傳統設計更均勻的冷卻溫度場和更強的冷卻能力，更適應于目前的高效高速連鑄線的生產應用。此外，由于本一體式結晶器部件通過增材打印獲得，無需螺栓連接，以及冷卻水道的柔性化設計可獲得冷卻能力更強、溫度分布更均勻，從而可大大降低傳統結晶器的銅板厚度，在節省更多銅材的同時，還有利于帶電磁攬摔的連鑄機型，有利于提尚鋼鐵廣品的質量。
[0034]本方法相比傳統裝配式結晶器的制造方法更為簡便，通過增材打印完成鋼基板、銅基板、工作涂層三部分異種材質的復合整體式結構構建，然后再進行整體加工，避免了傳統裝配式結晶器各零部件間的裝配復雜、精度保障困難的問題。
[0035]綜上所述，本發明提出的一體式結晶器部件及制備方法克服了傳統結晶器制造及應用中存在的諸多問題，如傳統結晶器為保證銅板與背板連接需加工大量螺孔造成的加工難度以及在應用中容易因銅板變形螺孔錯位而導致無法裝配報廢的問題；因螺孔的存在需采用大厚度銅板造成的銅材大量浪費的問題；因銅板與背板通過螺栓連接形成冷卻水道、周邊密封圈因惡劣工況失效漏水造成安全事故的問題，具有重要的應用價值及推廣意義。
[0036]作為本方法的具體實施例之一，可采用304不銹鋼板作為一體式結晶器部件的鋼基板，不銹鋼板厚90mm，預加工出入水孔道等局部結構，表面噴砂毛化，去除表面氧化皮，置于打印床上作為打印基底;在不銹鋼板表面采用紫銅粉末材料作為增材打印粉末，粉末粒度45?65μπι，金屬增材打印工藝選擇激光選區熔化(SLM)技術，根據銅基板的二維切片實施增材打印，構建銅基板實體，銅基板內包括冷卻水道，銅基板實體的厚度為25mm;在該銅基板上繼續實施工作涂層的增材打印，只需更換增材打印粉末，選用鎳基合金M30作為工作涂層材料，工作涂層打印厚度Imm;整體結構制作完成后清理冷卻水道內粉末，并對整體結構進行退火消應力處理;最后對整體結構進行機械加工至要求尺寸，包括冷卻水道的帶砂高壓水加工處理，從而形成最終的一體式結晶器部件產品。
[0037]上述實施例只是作為本方法的一種具體應用，以上描述不應該被視為對本方法的限制。
【主權項】
1.一種一體式連鑄結晶器部件，其特征在于:本結晶器部件包括鋼基板、銅基板和工作涂層，所述鋼基板與銅基板之間冶金結合，所述銅基板與工作涂層之間冶金結合或機械結合，所述鋼基板與銅基板冶金結合構成的整體結構內設有若干冷卻水道。2.根據權利要求1所述的一體式連鑄結晶器部件，其特征在于:所述若干冷卻水道設于所述鋼基板內并且貼近所述銅基板、銅基板內、銅基板內并且貼近所述鋼基板或鋼基板與銅基板的結合面之間。3.根據權利要求1或2所述的一體式連鑄結晶器部件，其特征在于:所述鋼基板為不銹鋼板或碳素結構鋼板，所述銅基板為紫銅板或銅合金板，所述工作涂層為鎳基合金涂層、鈷基合金涂層、鎳基金屬陶瓷復合涂層或鈷基金屬陶瓷復合涂層。4.根據權利要求3所述的一體式連鑄結晶器部件，其特征在于:所述鋼基板的厚度為70?90mm，所述銅基板的厚度為15?25mm，所述工作涂層的厚度為0.3?2mm。5.根據權利要求2所述的一體式連鑄結晶器部件，其特征在于:所述冷卻水道的截面形狀為圓形或長腰形，所述長腰形冷卻水道的長度為10?15mm、寬度為4?8mm、弧頂直徑為4?8mm，所述若干冷卻水道間距為15?30mm。6.—種權利要求1至5所述一體式連鑄結晶器部件的制備方法，其特征在于:鋼基板和/或銅基板通過金屬增材打印構建實體，并且打印過程在鋼基板和/或銅基板內預留若干冷卻水道，鋼基板與銅基板之間通過金屬熔融沉積構成冶金結合，工作涂層通過金屬增材打印、電鍍或噴涂于銅基板表面，整體機械加工至產品要求尺寸，最終形成一體式結晶器部件。7.根據權利要求6所述的一體式連鑄結晶器部件的制備方法，其特征在于:在打印床上預制鋼基板和銅基板的一體式三維結構模型并且進行二維切片，根據鋼基板的二維切片熔融沉積鋼基材料，增材打印創建鋼基板實體，更換打印材料，根據銅基板的二維切片在鋼基板實體上繼續熔融沉積銅基材料，增材打印創建銅基板實體，鋼基板與銅基板之間形成冶全全士么益云口 口 O8.根據權利要求6所述的一體式連鑄結晶器部件的制備方法，其特征在于:采用鋼板按工藝要求機加工成鋼基板，鋼基板設于打印床上，預制銅基板的三維結構模型并且進行二維切片，根據銅基板的二維切片在鋼基板上熔融沉積銅基材料，增材打印創建銅基板實體，鋼基板與銅基板之間形成冶金結合。9.根據權利要求6所述的一體式連鑄結晶器部件的制備方法，其特征在于:按工藝要求鍛造或乳制銅基板，銅基板設于打印床上，預制鋼基板的三維結構模型并且進行二維切片，根據鋼基板的二維切片在銅基板上熔融沉積鋼基材料，增材打印創建鋼基板實體，鋼基板與銅基板之間形成冶金結合。10.根據權利要求7、8或9所述的一體式連鑄結晶器部件的制備方法，其特征在于:熔融沉積采用激光或電子高能束作為掃描熱源，將金屬粉末材料或金屬絲材根據二維切片逐層熔融打印疊加而形成鋼基板和/或銅基板實體。
【文檔編號】B22F3/105GK106041005SQ201610566294
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月19日
【發明人】傅衛, 陳國喜, 呂春雷, 季鵬
【申請人】上海寶鋼工業技術服務有限公司