СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРИСТАЛЛИЗАТОРА ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКИ Российский патент 2023 года по МПК B22D11/59 B22D11/04 

Область техники

Настоящее изобретение относится к способу изготовления кристаллизатора для непрерывной разливки, с помощью которого можно осуществлять непрерывную разливку с более высокой скоростью разливки, обладающего соответствующей термостойкостью и который имеет наплавляемый слоистый металл, заполненный металлом с низкой теплопроводностью.

Уровень техники

При способе непрерывной разливки, при котором литой сляб в качестве прокатываемого материала непрерывно изготавливается из расплавленной стали, рафинированной с помощью конвертера или электропечи, расплавленную сталь заливают в водоохлаждаемый кристаллизатор для непрерывного литья и охлаждают в кристаллизаторе для непрерывного литья с водяным охлаждением. Расплавленная сталь начинает затвердевать от поверхности контакта с кристаллизатором, а затем вся расплавленная сталь охлаждается, превращаясь в литой сляб. В случае неравномерного охлаждения в кристаллизаторе, поскольку затвердевший слой в процессе затвердевания литого сляба формируется неравномерно, затвердевший слой подвергается воздействию напряжения, вызванного усадкой и деформацией затвердевшего слоя. В случае, когда имеется высокая степень неравномерности охлаждения, такая неравномерность вызывает, например, появление продольных трещин в отлитом слябе или появление поверхностных трещин в последующем процессе.

Для уменьшения неравномерности напряжений, возникающих в процессе затвердевания, применяют способы контроля скорости охлаждения вблизи мениска в кристаллизаторе.

Например, патентная литература 1 предлагает способ, в котором создаваемое напряжение равномерно распределяется и локально накапливается путём контроля теплового потока от расплавленной стали к кристаллизатору для непрерывного литья для постоянного и циклического увеличения и уменьшения. В частности, патентная литература 1 описывает способ, при котором большое количество вогнутых частей (отверстий) диаметром 2 - 10 мм формируют с постоянным интервалом 5 - 20 мм на поверхности кристаллизатора вблизи мениска расплавленной стали в кристаллизаторе, и вогнутые части заполнены металлом, например, никелем, имеющим теплопроводность ниже, чем у меди (в настоящем описании именуемым «металлом с низкой теплопроводностью»), или керамическим материалом.

Кроме того, в патентной литературе 1 утверждается, что в случае способа, в котором большое количество вогнутых частей формируется на поверхности кристаллизатора и эти вогнутые части заполняются металлом с низкой теплопроводностью или подобным, поскольку напряжение, возникающее на поверхности кристаллизатора, рассеивается, происходит снижение деформации в каждой из частей, заполненных металлом с низкой теплопроводностью, что приводит к уменьшению вероятности появления трещин на поверхности медной пластины кристаллизатора. Кроме того, в патентной литературе 1 указано, что в случае, когда вогнутая часть имеет круглую или квазикруглую форму, поскольку граничная поверхность между заполненным металлом и медью имеет криволинейную форму, меньше вероятность того, что напряжение будет сосредоточено на граничной поверхности, что приводит к тому преимуществу, что растрескивание на поверхности медной пластины кристаллизатора менее вероятно.

В патентном документе 2 предлагается кристаллизатор для непрерывного литья, в котором слой покрытия из никеля или никельсодержащего сплава в качестве металла с низкой теплопроводностью сформирован в вогнутых участках, образованных на поверхности кристаллизатора. В частности, на вогнутых участках формируется слой покрытия из никель-кобальтового сплава (сплав Ni-Co), никель-хромового сплава (сплав Ni-Cr) или т.п. Кроме того, в патентной литературе 2 указано, что отношение термического сопротивления (λ) между медной пластиной кристаллизатора и металлом слоя покрытия, заполняющего вогнутые участки, задано таким, чтобы удовлетворять соотношению 0,5 <(λ_Cu/λ_{покрытия}< 15,0. Здесь λ_Cu обозначает теплопроводность (Вт/(м × К)) медной пластины кристаллизатора, а λ_{покрытие} обозначает теплопроводность (Вт/(м × К)) металла слоя покрытия.

В патентной литературе 2 указано, что нежелательно, чтобы отношение (λ_Cu/λ_{покрытия}) составляло 0,5 или менее, поскольку это приводит к растрескиванию поверхности отлитого сляба из-за низкого термического сопротивления слоя покрытия. С другой стороны, в патентной литературе 2 указано, что нежелательно, чтобы отношение (λ_Cu/λ_{покрытия}) составляло 15,0 или более, так как это приводит к риску того, что, например, произойдёт отслаивание слоя покрытия из-за чрезмерного увеличения температуры слоя покрытия, обусловленного высоким термическим сопротивлением слоя покрытия при непрерывном литье.

В частности, в настоящее время в процессе непрерывной разливки кристаллизатор непрерывного литья обычно устанавливается с электромагнитным перемешивающим устройством для перемешивания расплавленной стали в кристаллизаторе. В этом случае для предотвращения затухания напряженности магнитного поля, воздействующего на расплавленную сталь от электромагнитной катушки электромагнитного перемешивающего устройства, для медной плиты литейной формы используется медный сплав, обладающий пониженной электропроводностью. Как правило, в случае медного сплава теплопроводность уменьшается с уменьшением электропроводности. Следовательно, существует случай, когда используется медная пластина литейной формы из медного сплава, имеющая теплопроводность около 1/2 теплопроводности чистой меди (имеющая теплопроводность около 400 Вт/(м × K)).

Список цитированных источников

Патентная литература

PTL 1: Публикация нерассмотренной заявки на патент Японии № 1-170550

PTL 2: Публикация нерассмотренной заявки на патент Японии № 2018-192530

Раскрытие сущности изобретения

Техническая проблема

Благодаря формированию большого количества вогнутых частей (отверстий) на поверхности кристаллизатора и заполнению вогнутых частей металлом с низкой теплопроводностью или подобным материалом, термическое напряжение, возникающее при затвердевании расплавленной стали, циклически и постоянно распределяется. Следовательно, можно подавлять возникновение поверхностного растрескивания литого сляба, а также можно подавлять возникновение повреждения поверхности в кристаллизаторе непрерывной разливки. Чтобы усилить такие ингибирующие эффекты, были проведены исследования кристаллизатора, количества и расположения вогнутых частей и теплопроводности металла или подобного материала для заполнения вогнутых частей. С другой стороны, для повышения производительности требуется увеличение скорости разливки и продление срока службы кристаллизатора для непрерывного литья.

В кристаллизаторе для непрерывного литья, в котором сформировано большое количество вогнутых участков (отверстий) на поверхности кристаллизатора и эти вогнутые участки заполнены металлом с низкой теплопроводностью и т.п., на граничной поверхности возникают большие напряжения между вогнутыми участками на поверхности кристаллизатора и медной пластиной кристаллизатора при литье из-за разницы термических деформаций между металлом с низкой теплопроводностью и медью. Благодаря формированию вогнутых участков, имеющих круглую форму или небольшой размер, для предотвращения возникновения напряжения из-за разницы в термической деформации, предотвращается выкрашивание и разрушение в заполненном металле с низкой теплопроводностью, а также предотвращается образование трещин на поверхности медной пластины кристаллизатора.

Кроме того, в случае увеличения скорости разливки увеличивается количество тепла, передаваемого в единицу времени от расплавленной стали к кристаллизатору. При этом происходит локальное увеличение в большей степени количества теплоты, переданной кристаллизатору, и увеличение количества тепла, аккумулированного в заливаемом металле с низкой теплопроводностью. Поэтому для предотвращения образования поверхностных трещин в литом слябе существует потребность в дополнительном повышении прочности и термостойкости медной плиты кристаллизатора и заполняемого металла.

Настоящее изобретение было сделано с учётом ситуации, описанной выше, и целью настоящего изобретения является создание способа изготовления кристаллизатора для непрерывного литья, в котором можно подавлять возникновение больших напряжений на граничной поверхности между вогнутыми поверхностями на поверхности кристаллизатора и медной пластины кристаллизатора при литье, на которых образование трещин и выкрашивание менее вероятно из-за стойкости к накоплению тепла в металле с низкой теплопроводностью, заполняющем вогнутые участки.

Решение проблемы

Для достижения цели, описанной выше, цель настоящего изобретения состоит в следующем.

[1] Способ изготовления кристаллизатора для непрерывного литья, в котором несколько вогнутых участков сформировано на внутренней поверхности медной пластины кристаллизатора из меди или медного сплава, используемого для непрерывной разливки стали, по меньшей мере, в области, включающей положение мениска расплавленной стали в процессе литья, заполненных металлом, имеющим теплопроводность, отличную от теплопроводности медной пластины кристаллизатора, в которой металл, заполняющий вогнутую часть, представляет собой слоистый материал, сформированный из двух или более слоёв таким образом что слои уложены друг на друга от дна каждой из вогнутых частей до отверстия вогнутой части в направлении, нормальном к внутренней поверхности кристаллизатора,

и в котором каждый из второго слоя и слоёв над вторым слоем представляет собой слой никеля или слой сплава на основе никеля толщиной 0,2 - 2 мм, сформированный облучением лазерным лучом при подаче порошка никеля или порошка сплава на основе никеля в место, облучаемое лазерным лучом, для плавления и отверждения порошка никеля или порошка сплава на основе никеля, и второй слой и слои над вторым слоем образуют многослойный наплавляемый слоистый металл, имеющий общую толщину 1 - 10 мм.

[2] Способ изготовления кристаллизатора для непрерывного литья по пункту [1] выше, в котором первый слой представляет собой слой покрытия из никеля или слой покрытия из кобальт-никелевого сплава, содержащего 7 - 35% масс. никеля, и остальное кобальт, толщиной 30 - 500 мкм.

[3] Способ изготовления кристаллизатора для непрерывного литья в соответствии с пунктом [1] или [2] выше, в котором после формирования слоя никелевого покрытия или слоя покрытия из кобальт-никелевого сплава в первом слое, никель-медный сплав или сплав кобальт-никель-медь, содержащий 1 - 20% масс. меди, получают путём облучения слоя никелевого покрытия или слоя покрытия из кобальт-никелевого сплава лазерным лучом для плавления слоя покрытия.

[4] Способ изготовления кристаллизатора для непрерывного литья по пункту [3] выше, в котором после формирования сплава никель-медь или сплава кобальт-никель-медь, содержащего 1 - 20% масс. меди в первом слое за счёт диффузии меди из медной пластины кристаллизатора, или при формовании сплава никель-медь или сплава кобальт-никель-медь, содержащего 1 - 20% масс. меди в первом слое за счёт диффузии меди из медной пластины кристаллизатора, формируют многослойный наплавляемый слоистый металл, содержащий слои никеля или слои сплава на основе никеля, посредством облучения лазерным лучом при подаче порошка никеля или порошка сплава на основе никеля, расплавления и отверждения порошка никеля или порошка сплава на основе никеля с образованием второго слоя и слоёв выше второго слоя, при этом формирование указанного слоистого металла осуществляют таким образом, что указанный слоистый металл имеет градиент химического состава, при котором содержание меди постепенно уменьшается от 1 - 20% масс. в первом слое к самому внешнему слою.

Положительные эффекты изобретения

В соответствии с изобретением в соответствии с пунктом [1] выше, поскольку наплавляемый металл представляет собой наплавляемый слоистый металл, сформированный из двух или более слоёв таким образом, что слои накладываются друг на друга от нижней части вогнутой части к открытой вогнутой части в направлении, нормальном к внутренней поверхности кристаллизатора, в котором каждый из второго слоя и слоёв над вторым слоем представляет собой слой никеля или слой сплава на основе никеля, имеющий толщину 0,2 - 2 мм сформированный путём облучения лазерным лучом при подаче порошка никеля или порошка сплава на основе никеля для расплавления и отверждения порошка, а второй слой и слои над вторым слоем образуют многослойный наплавляемый слоистый металл, имеющий общую толщину 1 - 10 мм, увеличивается прочность сцепления между слоями, что приводит к преимуществам, заключающимся в том, что меньше вероятность возникновения больших напряжений на граничной поверхности между вогнутой частью на поверхности кристаллизатора и медной пластиной кристаллизатора, когда выполняется литье, и что растрескивание и выкрашивание менее вероятны из-за стойкости к теплу, накопленному в металле с низкой теплопроводностью, заполняющем вогнутые участки.

Согласно изобретению в соответствии с пунктом [2] выше, поскольку в качестве первого слоя в вогнутых участках медной пластины кристаллизатора меди или медного сплава сформирован слой покрытия из никеля или слой покрытия из кобальт-никелевого сплава, преимущество изготовления медной пластины кристаллизатора состоит в том, что можно достичь хорошей прочности сцепления между медной пластиной кристаллизатора и наплавленным металлом.

Согласно изобретению в соответствии с пунктом [3] выше, поскольку после образования первого слоя, то есть слоя никелевого покрытия или слоя покрытия из кобальт-никелевого сплава, никель-медный сплав или кобальт-никель-медный сплав, содержащий 1 - 20% масс. меди, получают путём диффузии меди из медной пластины кристаллизатора путём облучения слоя никелевого покрытия или слоя покрытия из кобальт-никелевого сплава лазерным лучом для расплавления слоя покрытия. Таким образом, происходит диффузия компонентов между первым слоем, то есть слоем покрытия, и медной пластиной кристаллизатора, и преимущество состоит в том, что можно увеличить прочность сцепления.

Согласно изобретению в соответствии с пунктом [4] выше, поскольку многослойный наплавляемый слоистый металл, образованный слоями никеля или слоями сплава на основе никеля, формируется путём облучения лазерным лучом при подаче порошка никеля или порошка сплава на основе никеля для расплавления и затвердевания порошка никеля или порошка сплава на основе никеля, можно эффективно использовать энергию лазерного луча для расплавления порошка, описанного выше, в результате возникает эффект снижения термической деформации медной пластины кристаллизатора, уменьшения теплового воздействия на медную плиту кристаллизатора. Кроме того, поскольку образуется наплавляемый слоистый металл с градиентом химического состава, при котором содержание меди постепенно уменьшается от 1 - 20% масс. в первом слое к самому внешнему слою, можно обеспечить существенную собственную теплостойкость никеля и сплава на основе никеля в самом внешнем слое, в котором тепловая нагрузка велика, что даёт преимущество, заключающееся в том, что вероятность растрескивания и выкрашивания в самом внешнем слое снижается.

Осуществление изобретения

В способе непрерывной разливки стали используется кристаллизатор с водяным охлаждением с медной пластиной кристаллизатора, выполненной из меди или медного сплава, на стороне поверхности, контактирующей с расплавленной сталью. В процессе непрерывной разливки, когда расплавленная сталь заливается в кристаллизатор для непрерывной разливки, расплавленная сталь непрерывно разливается за счёт отвода тепла от расплавленной стали через поверхность медной пластины кристаллизатора, задняя поверхность которой охлаждается охлаждающей водой для затвердевания расплавленной стали для формирования внешней оболочки литого сляба. Расплавленная сталь начинает затвердевать вблизи мениска, расположенного в верхней части кристаллизатора, а толщина затвердевшего слоя увеличивается к нижней части кристаллизатора. Литой сляб, имеющий затвердевшую внешнюю оболочку и незатвердевшую внутреннюю часть, т.е. расплавленную сталь, охлаждают во вторичной зоне охлаждения, расположенной под кристаллизатором, после того, как ее извлекают из кристаллизатора, так что центральная часть в направлении толщины литого сляба затвердевают для изготовления литого сляба. Здесь термин «мениск» обозначает положение верхней жидкой поверхности расплавленной стали в кристаллизаторе.

В случае, когда в процессе затвердевания литого сляба образуется неоднородный затвердевший слой, возникают напряжения за счёт усадки и деформации затвердевшего слоя, что приводит, например, к возникновению продольных трещин на поверхности литого сляба или поверхностное растрескивание стального изделия в последующем процессе при высокой степени неоднородности.

Таким образом, чтобы воспрепятствовать неравномерному затвердеванию литого сляба, предлагается способ, в котором путём управления тепловым потоком от расплавленной стали к кристаллизатору для непрерывного литья за счёт постоянного и циклического увеличения и уменьшения, поскольку создаваемое напряжение постоянно распределяется, подавляется локальное увеличение напряжения.

В частности, на практике была применена технология, в которой в кристаллизаторе для непрерывного литья, имеющем медную пластину кристаллизатора, выполненную из меди или медного сплава, которые являются высокоэффективными для охлаждения в результате того, что у них подходящая теплопроводность, сформировано большое количество вогнутых участков (отверстий) диаметром 2 - 10 мм через равные промежутки 5 - 20 мм по всей ширине медной пластины кристаллизатора (существуют медные пластины кристаллизатора имеющие различные размеры, и ширина медных пластин кристаллизатора составляет около 1800 - 2500 мм) на внутренней поверхности медной пластины кристаллизатора в диапазоне от положения, расположенного приблизительно на 50 мм ниже верхнего края кристаллизатора, до положения, расположенного приблизительно на 250 мм ниже верхнего края кристаллизатора, что соответствует области вблизи мениска, а сформированные вогнутые участки заполнены металлом с низкой теплопроводностью, то есть металлом с более низкой теплопроводностью чем у меди, например, никелем.

Этот особ представляет собой способ, в котором путём обеспечения равномерного распределения теплопроводности на поверхности медной пластины кристаллизатора обеспечивается равномерное распределение скорости охлаждения на поверхности литого сляба, что приводит к созданию равномерного распределенного напряжения. Кроме того, с помощью этого способа, поскольку можно контролировать чрезмерное увеличение напряжения, возможно реализовать операцию непрерывного литья, при которой на поверхности отлитого сляба не возникает растрескивания и т.п.

С другой стороны, на поверхности медной пластины кристаллизатора тепло имеет тенденцию аккумулироваться на поверхности металла с низкой теплопроводностью, заполняющего вогнутые участки, и, наоборот, тепло имеет тенденцию рассеиваться с поверхности, вокруг вогнутых частей медной пластины кристаллизатора, выполненной из меди или медного сплава, обладающего высокой теплопроводностью. Следовательно, существует разница температур между металлом с низкой теплопроводностью, заполняющим вогнутые участки, и поверхностью медной пластины кристаллизатора вокруг металла с низкой теплопроводностью. Для повышения производительности при непрерывном литье в случае, когда скорость разливки составляет 2,5 м/мин или более, происходит увеличение количества тепла, аккумулируемого на поверхности металла с низкой теплопроводностью, заполняющего вогнутые участки. Поэтому также увеличивается напряжение, возникающее на граничной поверхности между вогнутыми частями и медной пластиной кристаллизатора.

Поскольку форма вогнутых участков обычно представляет собой небольшую круглую цилиндрическую форму диаметром 10 мм или менее, такие вогнутые участки препятствуют возникновению растрескивания под напряжением из-за термической деформации, возникающей на граничной поверхности, описанной выше. Однако в случае увеличения количества тепла, аккумулируемого на поверхности металла с низкой теплопроводностью, возникает проблема растрескивания, возникающего из-за нагрева на граничной поверхности между вогнутыми участками и медной пластиной кристаллизатора на поверхности медной пластины кристаллизатора, и возникает проблема отделения металла с низкой теплопроводностью от медной пластины кристаллизатора. Кроме того, когда слой никелевого покрытия используется в качестве металла с низкой теплопроводностью, возникает проблема растрескивания внутри слоя никелевого покрытия, заполняющего вогнутую часть, и возникает проблема растрескивания или тому подобного в никелевом слое покрытия.

Способ изготовления кристаллизатора для непрерывного литья согласно настоящему изобретению предназначен для повышения прочности сцепления между наплавленным металлом и медной пластиной кристаллизатора для повышения стойкости к растрескиванию между наплавленным металлом, выполненным из металла с низкой теплопроводностью, и медной пластиной кристаллизатора при сохранении удовлетворительной теплостойкости металла с меньшей теплопроводностью заполняющего вогнутые участки.

В медной пластине кристаллизатора из меди или медного сплава, в котором несколько вогнутых участков сформировано на внутренней поверхности кристаллизатора, по меньшей мере, в области, включающей положение мениска расплавленной стали в процессе литья, сначала формируют в качестве первого слоя в вогнутом участке слой покрытия из никеля или слой покрытия из кобальт-никелевого сплава (содержащего 7 - 35% масс. никеля, а остальное составляет кобальт), имеющий толщину 30 - 500 мкм. Хотя первый слой покрытия имеет хорошую прочность сцепления с медной пластиной кристаллизатора, между слоем покрытия и медной пластиной кристаллизатора отсутствует составляющая диффузия. При этом диаметр таких вогнутых частей предпочтительно составляет 2 - 10 мм и вогнутые части расположены на внутренней поверхности кристаллизатора для непрерывного литья с постоянным интервалом 5 - 20 мм.

В настоящем изобретении для повышения прочности сцепления между первым слоем покрытия и медной пластиной кристаллизатора допускается диффузия компонентов между первым слоем покрытия и медной пластиной кристаллизатора. В качестве конкретного примера можно привести диффузионное соединение, при котором путём облучения первого слоя покрытия лазерным лучом с длиной волны 900 - 1020 нм для нагрева первого слоя покрытия до температуры 1400°С или выше первый слой покрытия плавится и медь диффундирует из кристаллизатора в первый слой покрытия. Содержание меди в слое никель-медного сплава или слое кобальт-никель-медного сплава, сформированного диффузией, составляет 1 - 20% масс.

Затем, облучая вогнутые участки тем же лазерным лучом в атмосфере аргона, путём подачи порошка никеля или порошка сплава на основе никеля в место, облучаемое лазерным лучом с образованием расплава порошка в каждом из вогнутых участков и за счёт затвердевания образующегося расплава формируется наплавленный слоистый материал, на который нанесён первый слой покрытия. То есть в настоящем изобретении вогнутую часть заполняет слоистый материал, сформированный из двух или более слоёв металла. При использовании такого способа формирования слоёв с использованием способа наплавки лазерным лучом формируется слоистый материал, обладающий подходящей термостойкостью. Толщина каждого из составляющих слоёв наплавляемого слоистого материала задаётся равной 0,2 - 2 мм, и формируется многослойный наплавляемый слоистый металл, имеющий общую толщину 1 - 10 мм. Температура плавления никеля или сплава на основе никеля составляет около 1400°С, что приблизительно на 300°С выше температуры плавления меди. Поскольку многослойный наплавляемый слоистый металл формируется путём плавления и отверждения составляющих слоёв, между составляющими слоями происходит диффузия, включая слой сплава, образованный между первым слоем покрытия и медной пластиной кристаллизатора, что приводит к увеличению прочности межслойной адгезии.

Первый слой покрытия и каждый из второго слоя и слоёв над вторым слоем, которые сформированы с использованием метода наплавления, накладываются друг на друга от нижней части вогнутой части до поверхности вогнутой части в направление нормали к внутренней поверхности кристаллизатора. Медь, которая смешивается с первым слоем покрытия при выполнении диффузионного соединения с использованием лазерного луча, диффундирует во второй слой и слои над вторым слоем при последующем выполнении процесса наплавки лазерным лучом. Контролируя энергию и время облучения лазерным лучом, можно регулировать величину диффузии между слоями. Однако в случае, когда энергия облучения чрезмерно велика, поскольку происходит увеличение размера кристаллических зёрен в отвержденном наплавляемом слоистом материале, происходит ухудшение термостойкости и прочности. Поэтому нежелательно, чтобы энергия облучения была чрезмерно высокой.

Кроме того, в случае повышения содержания меди происходит ухудшение термостойкости и коррозионной стойкости сплава на основе никеля. Поэтому предпочтительно, чтобы количество меди, содержащейся в металле с низкой теплопроводностью, заполняющем вогнутую часть, уменьшалось по направлению к самому внешнему составляющему слою. То есть предпочтительно, чтобы был сформирован наплавляемый слоистый металл, имеющий градиент химического состава, в котором содержание меди постепенно уменьшается от первого слоя к самому внешнему слою. Можно даже создать градиент химического состава, при котором содержание меди во внешнем слое составляет около 1/10 содержания меди во внутреннем слое, регулируя условия плавления с помощью лазерного луча. Например, формируя три слоя с использованием метода наплавки лазерным лучом, можно сформировать наплавляемый слоистый металл, самый внешний слой которого имеет почти нулевое содержание меди (0). Следовательно, в качестве самого внешнего слоя можно сформировать слой, изготовленный из известного сплава на основе никеля, такого как хастеллой, сплав инконель и т.п., который обладает подходящей коррозионной стойкостью и стойкостью к истиранию при высокой температуре, с помощью способа наплавления.

Примеры способа наплавки металла включают способ с использованием сварочного электрода и способ, в котором плавится пластина из сплава. Однако в случае этих способов, поскольку большее количество тепловой энергии рассеивается от сварочного электрода и пластины из нерасплавленного сплава за счёт теплопроводности, чем в случае способа с использованием порошка, трудно контролировать количество тепла и приходится подводить чрезмерно большую энергию извне. Поэтому медная пластина кристаллизатора испытывает сильное воздействие, что может привести к возникновению больших тепловых деформаций.

В случае способа наплавки с помощью лазерного луча согласно настоящему изобретению, когда процесс наплавки с помощью лазерного луча выполняют путём подачи металлического порошка, предназначенного для использования, через форсунку для лазерного облучения вместе с лазерным лучом, в то время как поверхность медной пластины кристаллизатора сканируется форсункой, так как энергию лазерного луча можно использовать только для расплавления подаваемого металлического порошка, это наиболее эффективно. Кроме того, управляя и контролируя размер и температуру пятна расплавленного металла, сформированного с помощью энергии лазерного луча, можно достичь удовлетворительной адгезии между медной пластиной кристаллизатора и границей раздела наплавляемого слоистого материала благодаря соответствующей диффузии металла, когда формируется наплавляемый слоистый металл. В результате можно изготовить кристаллизатор для непрерывной разливки, слои которого заполнены металлом с низкой теплопроводностью, обладающим подходящими адгезивными свойствами, термостойкостью, коррозионной стойкостью и стойкостью к истиранию.

Предпочтительно содержание меди в медьсодержащем слое покрытия в сформированной вогнутой части в качестве первого слоя, составляет 1 - 20% масс. В случае, когда содержание меди в первом слое составляет менее 1% масс., из-за недостаточного диффузионного соединения между слоем покрытия в качестве первого слоя и медной пластиной кристаллизатора происходит снижение прочности сцепления между слоем покрытия в качестве первого слоя и медной пластины кристаллизатора. С другой стороны, имеется достаточная степень диффузии меди из медной пластины кристаллизатора в случае, когда содержание меди составляет 20% масс. или менее, и в случае, когда содержание меди составляет более 20% масс., поскольку происходит снижение скорости поглощения энергии лазерного луча, имеющего длину волны 900 - 1020 нм, затруднено повышение температуры, что приводит к увеличению времени, необходимого для плавления.

Кроме того, предпочтительно толщина слоя покрытия в качестве первого слоя составляет 30 - 500 мкм. В случае, когда толщина слоя покрытия в качестве первого слоя менее 30 мкм, так как происходит увеличение содержания меди в слое покрытия в качестве первого слоя, при соединении с использованием диффузии меди осуществляется облучением лазерного луча, происходит уменьшение скорости поглощения энергии лазерного луча. С другой стороны, нежелательно, чтобы толщина была более 500 мкм, так как это приводит к увеличению отношения толщины первого слоя, у которого хуже жаропрочность, чем термостойкость сплава на основе никеля типичным примером которого является хастеллой или подобный, к общей толщине металла с низкой теплопроводностью, заполняющего вогнутую часть.

Толщина каждого из второго слоя и слоёв над вторым слоем, сформированных с использованием метода наплавки, устанавливается равной 0,2 - 2 мм. В случае, когда толщина слоя, сформированного методом наплавки, составляет менее 0,2 мм, необходимо, чтобы размер частиц используемого металлического порошка был достаточно мал. Использование такого мелкодисперсного порошка нежелательно с точки зрения рабочей среды и производительности. В случае, когда толщина слоя, формируемого методом наплавки, более 2 мм, необходимо, чтобы количество расплавленного металла в вогнутой части было достаточно большим. Не желательно, чтобы количество расплавленного металла было большим, так как это приводит к значительному отклонению химического состава слоя, сформированного методом наплавки, от заданного химического состава, обеспечивающего подходящую термостойкость, из-за сложности контроля количества меди, поступающей из основы (медной пластины кристаллизатора).

Общая толщина многослойного наплавляемого слоистого материала, образованного из второго слоя и слоёв над вторым слоем, составляет 1 - 10 мм. В случае, когда общая толщина составляет менее 1 мм, поскольку имеет место повышенная неравномерность затвердевания литого сляба из-за недостаточной толщины слоя металла с низкой теплопроводностью, имеет место тенденция к образованию трещин на поверхности литого сляба. С другой стороны, в случае, когда общая толщина составляет более 10 мм, поскольку происходит увеличение термических напряжений на поверхности медной пластины кристаллизатора из-за чрезмерного увеличения количества тепла, аккумулируемого на поверхности слоя металла с низкой теплопроводностью, существует повышенный риск повреждения не только части металла с низкой теплопроводностью, но и медной пластины кристаллизатора.

Примеры известного сплава на основе никеля, обладающего особенно высокими показателями термостойкости и коррозионной стойкости, включают жаропрочный сплав на основе никеля. Примеры жаропрочного сплава на основе никеля включают Хастеллой C276 (57% масс. Ni, 16% масс. Mo, 15% масс. Cr, 5% масс. Fe, 2,5% масс. Co, 4% масс. W), Инконель 600 (72% масс. Ni, 14% масс. Cr, 6% масс. Fe), Ni-Cr (50% масс. Ni, 50% масс. Cr), NiCoCrAlY (47,9% масс. Ni, 23% масс. Co, 20% масс. Cr, 8,5% масс. Al, 0,6% масс. Y), Waspaloy (58% масс. Ni, 19% масс. Cr, 14% масс. Co, 4,5% масс. Mo, 3% масс. Ti) и т.п. Предпочтительно, чтобы порошок одного из этих жаропрочных сплавов на основе никеля использовался в качестве порошка сплава на основе никеля для формирования слоя сплава на основе никеля для второго слоя и слоёв над вторым слоем, сформированных с использованием метода наплавки.

В случае увеличения толщины второго слоя и слоёв над вторым слоем, сформированных методом наплавки, происходит ухудшение шероховатости поверхности наплавляемого слоистого материала. Поэтому после формирования слоя с использованием метода наплавки лазерным лучом путём полировки поверхности для получения плоской поверхности с шероховатостью поверхности, представленной Ry, равной 10 мкм или менее, можно предотвратить возникновение аномального истирания наплавляемого слоистого материала. Здесь выражение «шероховатость поверхности, представленная Ry» обозначает максимальную высоту, указанную в JIS B 0601-1994.

Кристаллизатор для непрерывного литья может быть изготовлен из чистой меди, которая содержит 100% масс. меди, или из медного сплава, содержащего 90% масс. или более меди, а остальное алюминий, хром, цирконий и т.п. Теплопроводность чистой меди составляет около 400 Вт/(м × К), теплопроводность медного сплава на 20 - 30 % ниже, чем у чистой меди, теплопроводность никеля около 90 Вт/(м × К), а теплопроводность Хастеллой составляет около 11 Вт/(м × K).

Примеры

Далее настоящее изобретение будет подробно описано в соответствии с экспериментальными результатами, относящимися к настоящему изобретению.

Вогнутые участки (отверстия) диаметром 5 мм и глубиной 3 мм формируют на образце для испытаний из медного сплава (имеющего химический состав, содержащий 0,87% масс. хрома, 0,11% масс. циркония, остальное медь, шириной 30 мм, длиной 50 мм и толщиной 30 мм), и на вогнутых участках формируют слой никелевого покрытия толщиной 300 мкм. Затем сформированный слой никелевого покрытия облучают лазерным лучом (мощностью 2000 Вт) для осуществления диффузионного соединения. Затем следует процесс наплавки, при котором, когда порошок никеля или порошок сплава на основе никеля с размером частиц 40 - 120 мкм подают в вогнутую часть, лучом полупроводникового лазера с длиной волны 950 - 1070 нм облучают для формирования слоя никеля или слоя сплава на основе никеля (толщиной 0,7 мм), который проводят четыре раза для формирования четырех слоёв, так что вогнутая часть заполнена слоями никеля или слоями сплава на основе никеля. Размер частиц никелевого порошка или порошка сплава на основе никеля определяют как диаметр, соответствующий 50% в интегральной функции распределения диаметра, эквивалентного сфере, на основе объёма, полученного с использованием метода дифракционного рассеяния лазерного излучения. Кроме того, скорость подачи порошка никеля или порошка сплава на основе никеля составляет 3,3 г/мин, а скорость сканирования форсунки составляет 600 мм/мин.

При использовании чистого никеля в качестве никелевого порошка, а также при использовании порошка жаропрочных сплавов на основе никеля, то есть никель-кобальтового сплава (содержащего 17% масс. никеля, остальное составляет кобальт), Инконель 600 и Хастеллой C276 для порошка сплава на основе никеля готовят образцы 1 - 4 в качестве образцов для испытаний по настоящему изобретению. В качестве сравнительного образца готовят образец для испытаний путём пятикратного нанесения никелевого покрытия на вогнутую часть для заполнения вогнутой части слоями никелевого покрытия. Поверхность каждого из испытуемых образцов подвергают шлифованию поверхности после процесса шлифования, так что была получена шероховатость поверхности, представленная Ry, равная 6 мкм. Здесь «шероховатость поверхности, представленная Ry», обозначает максимальную высоту, указанную в JIS B 0601-1994.

Для оценки адгезивной способности медного сплава по отношению к наплавленным металлам с низкой теплопроводностью (чистый никель и сплавы на основе никеля) проводят испытание на термоудар. Результаты оценки приведены в табл. 1. Испытание на термоудар проводят таким образом, что после нагрева при температуре 950°С в течение 20 минут на воздухе производят быстрое охлаждение водой. При повторении такого цикла оценку выполняли на основе числа циклов, при котором с помощью лупы наблюдалось растрескивание на поверхности наплавляемого слоистого материала.

Таблица 1

Наплавленный металл Результат оценки Количество продиффундировавшей меди (Содержание меди, % масс.) Слой покрытия Второй слой Третий слой Четвёртый слой Внешний слой Пример образца 1 Чистый никель 15 Циклов 4,8 2,1 1,2 0,5 0,08 Пример образца 2 Никель-Кобальт 16 Циклов 5,3 2,1 1,5 0,4 0,1 Пример образца 3 Инконель 600 17 Циклов 4,5 2,4 1,1 0,6 0,04 Пример образца 4 Хастеллой C276 19 Циклов 4,4 1,9 1,1 0,3 0,1 Сравнительный образец Никель-содержащий слой 10 Циклов 0 0 0 0 0

В случае сравнительного образца растрескивание произошло на поверхности наплавленного слоя после 10 циклов. Напротив, в случае образцов примера растрескивание произошло после большего количества циклов, чем в случае сравнительного образца, что указывает на подходящие результаты. Кроме того, количество продиффундровавшей меди исследуют для каждого слоя с помощью рентгенофлуоресцентной спектрометрии, и результаты также представлены в таблице 1. Из этих результатов выяснено, что диффузия меди эффективна для улучшения адгезии и термостойкости металла с низкой теплопроводностью.

Промышленная применимость

Кристаллизатор для непрерывного литья в соответствии с настоящим изобретением обладает подходящими показателями термостойкости, коррозионной стойкости и стойкости к истиранию при использовании в качестве кристаллизатора для непрерывной разливки расплавленной стали и соответствия в качестве высокоэффективного кристаллизатора для непрерывного литья, эффективного для высокопроизводительных кристаллизаторов для высокоскоростного литья.

Кроме того, применяя настоящее изобретение не только к вогнутым частям на поверхности кристаллизатора, описанным выше, но также и к частям поверхности медной пластины кристаллизатора, отличным от вогнутых частей, и формируя наплавляемый слоистый металл с использованием способа наплавки слоистого материала лазерным лучом, используемого в настоящем изобретении, вместо формирования слоя никелевого покрытия или слоя кобальтового покрытия на поверхности медной пластины кристаллизатора, даже в случае обычного кристаллизатора, имеющего плоскую поверхность без вогнутых участков, возможно увеличение срока службы кристаллизатора за счёт предотвращения образования трещин из-за термического напряжения, возникающего на поверхности медной пластины кристаллизатора.

Изобретение относится к области непрерывной разливки стали. Способ изготовления кристаллизатора для непрерывной разливки включает формирование на внутренней поверхности медной пластины кристаллизатора вогнутых участков и заполнение их металлом, теплопроводность которого отлична от теплопроводности медной пластины. Металл, заполняющий вогнутые участки, является слоистым и образован из двух или более слоев, уложенных друг на друга от дна вогнутого участка до его отверстия в направлении, нормальном к внутренней поверхности кристаллизатора. Каждый второй слой и слои над вторым слоем выполнены из никеля или сплава на его основе толщиной 0,2-2 мм. Слои образуют посредством облучения лазерным лучом порошка никеля или его сплава при их подаче для расплавления и последующего затвердевания указанного порошка. Таким образом, второй слой и слои над ним образуют многослойный наплавляемый слоистый металл общей толщиной 1-10 мм. Обеспечивается уменьшение трещинообразования и выкрашивания стенки кристаллизатора за счет снижения напряжений на поверхности между упомянутой вогнутой частью и медной пластиной. 3 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ изготовления кристаллизатора для непрерывной разливки, в котором на внутренней поверхности медной пластины кристаллизатора для непрерывной разливки стали, выполненной из меди или медного сплава, формируют несколько вогнутых участков, по меньшей мере в области, включающей положение мениска расплавленной стали в процессе литья, заполняют указанные несколько вогнутых участков металлом, имеющим теплопроводность, отличную от теплопроводности указанной медной пластины кристаллизатора, при этом металл, заполняющий вогнутые участки, является слоистым и образован из двух или более слоев таким образом, что слои укладывают друг на друга от дна каждого из вогнутых участков до отверстия вогнутого участка в направлении, нормальном к внутренней поверхности кристаллизатора,

при этом каждый из второго слоя и слоев над вторым слоем представляет собой слой никеля или слой сплава на основе никеля толщиной 0,2-2 мм, образованный посредством облучения лазерным лучом при подаче порошка никеля или порошка сплава на основе никеля в место, облучаемое лазерным лучом, для расплавления и затвердевания порошка никеля или порошка сплава на основе никеля, причем второй слой и слои над вторым слоем образуют многослойный наплавляемый слоистый металл, имеющий общую толщину 1-10 мм.

2. Способ по п. 1, в котором первый слой представляет собой слой никелевого покрытия или слой покрытия из кобальт-никелевого сплава, содержащий 7-35 мас. % никеля, а остальное представляет собой кобальт, толщиной 30-500 мкм.

3. Способ по п. 1 или 2, в котором формируют слой никелевого покрытия или слой покрытия из кобальт-никелевого сплава в первом слое, после чего получают сплав никель-медь или сплав кобальт-никель-медь, содержащий 1-20 мас. % меди, путем облучения слоя никелевого покрытия или слоя покрытия из кобальт-никелевого сплава лазерным лучом для плавления слоя покрытия.

4. Способ по п. 3, в котором после формирования сплава никель-медь или сплава кобальт-никель-медь, содержащего 1-20 мас. % меди в первом слое за счет диффузии меди из медной пластины кристаллизатора, или при формовании сплава никель-медь или сплава кобальт-никель-медь, содержащего 1-20 мас. % меди в первом слое за счет диффузии меди из медной пластины кристаллизатора, формируют многослойный наплавляемый слоистый металл, содержащий слои никеля или слои сплава на основе никеля, посредством облучения лазерным лучом при подаче порошка никеля или порошка сплава на основе никеля, расплавлении и отверждении порошка никеля или порошка сплава на основе никеля с образованием второго слоя и слоев выше второго слоя, при этом формирование указанного слоистого металла осуществляют таким образом, что указанный слоистый металл имеет градиент химического состава, при котором содержание меди постепенно уменьшается от 1-20 мас. % в первом слое к самому внешнему слою.