專利名稱：用電解法為連鑄薄金屬帶用鑄輥表面鍍覆金屬層的工藝和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對金屬的連鑄。更具體地說，本發(fā)明涉及對鑄輥外表面的預(yù)處理，這些鑄輥構(gòu)成連鑄金屬例如鋼的薄帶材時結(jié)晶器的活動壁。
直接從液態(tài)金屬連鑄成幾毫米厚的鋼帶的雙輥連鑄機的結(jié)晶器包括一個由兩個繞其軸線反向旋轉(zhuǎn)并保持水平的鑄輥的側(cè)表面和兩個壓靠鑄輥端部的耐高溫側(cè)板限定的鑄造空間。這些鑄輥的直徑可高達1500mm，它們的寬度在目前的試驗性設(shè)備上約為600至800mm。但從長遠觀點來看，其寬度必須高達1300至1500mm以滿足工業(yè)設(shè)備的生產(chǎn)需求。這些鑄輥通常由一個鋼芯構(gòu)成，其周圍固定有一個銅或銅合金制成的輥套，此輥套由在鋼芯與輥套之間或輥套內(nèi)的循環(huán)水進行冷卻。
和用于傳統(tǒng)的初軋鋼坯，方坯或扁坯連鑄的結(jié)晶器表面一樣，將與液態(tài)金屬接觸的輥套的表面可被涂覆有一層通常為鎳的金屬層，其厚度一般為1到2mm。該鎳層可以使輥套的熱傳導(dǎo)系數(shù)被調(diào)整到最佳值(該值低于金屬直接與銅接觸時的值)，從而使得金屬在合適的冶金學(xué)條件下凝固過快地凝固會在產(chǎn)品的表面上產(chǎn)生缺陷。這種調(diào)整通過改變鎳層的厚度和結(jié)構(gòu)來進行。另一方面，它還對銅構(gòu)成一個保護層，以免對銅造成過大的熱應(yīng)力和機械應(yīng)力。這種鎳層會在鑄輥的使用過程中逐漸磨損，必須定期地進行修復(fù)，在修復(fù)時，首先將殘留的鎳層部分或全部地除去，再沉積一層新的鎳層，但這種修復(fù)顯然比將一個磨損的銅輥套完全替換掉時的成本要低。
鎳層的沉積最好按下述方式用電解方法來進行。一個由銅或銅合金，例如銅-(1％)鉻-(0.1％)鋯合金制成的具有為中空的圓柱體的整體形狀的新輥套(即，已從其上部分地或全部地除去鎳層的輥套)，安裝在一個心軸上，借助該心軸可以很方便地在鍍鎳/除鎳車間內(nèi)把輥套從一個處理工段傳送到另一個處理工段。在經(jīng)過為了改善鎳與銅的附著的各種表面預(yù)處理(拋光，去油，酸洗等)之后，將輥套運到鍍鎳工段。該工段包括一個裝有鍍鎳液的電鍍槽，而且心軸可被置于該槽上方的一個水平位置上，并使其繞其軸旋轉(zhuǎn)。因此，輥套的下部被浸入電鍍槽中，同時，例如以約10轉(zhuǎn)/分的速度旋轉(zhuǎn)心軸/輥套組件就可進行對整個輥套的處理。在電鍍鎳的過程中，輥套構(gòu)成陰極，而陽極可由一個或多個浸入電鍍槽中的鈦陽極筐構(gòu)成，這些陽極筐由薄膜封閉，并朝向輥套的表面同時內(nèi)置鎳球。如果還需要用鎳覆蓋輥套端部的大部分(在連鑄過程中輥套的端部與耐高溫側(cè)板摩擦，因此容易被磨損)，則設(shè)置另外的陽極筐，使之面對這些端部。也可采用其它類型(可溶的和不可溶的)的陽極。
作為一種改型，也可以采取這樣的措施，即，令輥套保持固定不動，而使電解液流經(jīng)輥套。因此重要的是，在輥套和電解液之間產(chǎn)生相對運動，以便確保連續(xù)不斷地更新它們的界面。
在鑄造進行過程中，鎳涂層遭受極大的應(yīng)力，包括機械應(yīng)力和熱應(yīng)力。在僅僅經(jīng)過幾輪鑄造操作后，在鑄輥的邊緣附近常?？捎^察到鎳涂層上出現(xiàn)裂紋。這些裂紋涉及到從輥套邊棱處開始約幾厘米寬的區(qū)域。它們會導(dǎo)致在鑄品的表面上形成缺陷，這是因為這些裂紋會使鑄品被不均勻地冷卻。最重要的是，這些裂紋會成為脆弱點，從這些脆弱點可引發(fā)整個鎳涂層很快地劣化。同時，它們甚至?xí)⒘鸭y傳播到鎳鍍層以外，這將導(dǎo)致整個輥套的損壞。因此，這些裂紋迫使立即并過早地停止鑄輥的使用并在輥套上完全地重新生成新的涂層。由于這一操作的過程很長(數(shù)天)，因此工業(yè)上利用雙輥鑄鋼工藝時要求有大量的輥套備用，以便確保連鑄機的正常運轉(zhuǎn)。由于其所使用的材料和機加工的難度，輥套是一種非常昂貴的部件，所以導(dǎo)致在利用這種設(shè)備時的成本升高。
本發(fā)明的目的是改善輥套的金屬鍍層在抗熱機械應(yīng)力方面的性能，盡可能地減緩甚至避免在邊緣區(qū)出現(xiàn)裂紋，以便延長輥套在其鍍層的兩次修復(fù)之間的平均使用時間。
本發(fā)明的主題是提供一種用電解法將一金屬層涂覆在雙輥或單輥連鑄薄金屬帶材時所用鑄輥的鑄造表面上的工藝，在該工藝中所述鑄造表面至少部分地浸入一種含有待沉積的金屬鹽的電解液中，從而使該表面面向至少一個陽極，所述表面則作為陰極置于電解液中，同時在所述鑄造表面與所述電解液之間產(chǎn)生相對運動，其特征在于，在所述的一個陽極或多個陽極與所述鑄造表面的邊棱之間插入絕緣屏蔽，所述絕緣屏蔽可防止電流流線集中到所述邊棱上及其附近處。
本發(fā)明的主題還在于提供一種用電解法向雙輥或單輥連鑄薄金屬帶材時所用鑄輥的鑄造表面涂覆金屬層的設(shè)備，這種類型的設(shè)備包括內(nèi)裝含有待沉積的金屬鹽的電解液的電解槽，用于將所述鑄造表面至少部分地浸入所述電解槽中并在所述鑄造表面與所述電解液之間產(chǎn)生相對運動的裝置，至少一個設(shè)置在電解槽中從而面向所述鑄造表面的陽極，以及用于將所述鑄造表面提高到陰極電位的裝置，其特征在于，該設(shè)備包括用絕緣材料制成的屏蔽，該屏蔽插在所述鑄造表面的邊棱和所述的一個或多個陽極之間，所述屏蔽防止電流的流線集中到所述邊棱上。
所述屏蔽一般最好具有呈圓弧的形狀，該圓弧的曲率中心最好等于它們所面對的鑄造表面邊棱的曲率中心，并具有兩個平行的邊，每一個邊位于所述邊棱的延長部分上，這兩個邊與所述邊棱具有相同的距離“d”并由一個拐角形切口相連，切口的邊相互垂直。
可以理解，本發(fā)明的關(guān)鍵在于，通過在輥套邊緣附近設(shè)置絕緣屏蔽來進行金屬鍍層的電鍍。這些屏蔽被設(shè)計成在輥套的邊緣區(qū)域獲得均勻的電流流線分布，下面將描述它的一個優(yōu)選實例。這將按照所要求的額定厚度在這些區(qū)域中使鍍層具有均勻的厚度。
發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在輥套邊緣區(qū)的鎳鍍層中出現(xiàn)裂紋的速度與在同一區(qū)域特別是與邊棱一致的區(qū)域中該鍍層的厚度均勻性有關(guān)。在沒有特別設(shè)計的用于防止這一現(xiàn)象的任何裝置的情況下，發(fā)現(xiàn)在輥套邊棱的附近以及與這些邊棱本身一致的鎳鍍層的厚度過厚。例如，如果在輥套表面的主要部分上，鍍層的額定厚度為2mm，有時會發(fā)現(xiàn)與邊棱一致處的厚度大于7mm。這種超標(biāo)的厚度是由于在邊棱近旁電流流線的集中而造成的。即使這種集中現(xiàn)象僅存在于輥套的非常有限的部分內(nèi)，它們也似乎足以引起上述裂紋的快速出現(xiàn)。這是由于它們可能會造成氫氣的生成，而這會在所形成的沉積層中產(chǎn)生氣體包裹體。另外，這種集中會使在輥套的邊棱和其余部分之間的鎳鍍層的晶體結(jié)構(gòu)、從而也使它的硬度和它的組織結(jié)構(gòu)不均勻。
降低鍍層的這種過厚的厚度的一種措施包括使邊棱具有約幾毫米的曲率半徑以取代尖銳的邊棱。但是，在實踐當(dāng)中，該曲率半徑不能超過1到2mm，否則會極大地增加液態(tài)金屬從鑄輥的端部與耐高溫側(cè)板之間滲漏的危險。
另外一種公知的措施包括利用稱作“限流陰極”(current robbers)的裝置使電流的流線偏轉(zhuǎn)。這些“限流陰極”是金屬導(dǎo)體，將它們設(shè)置在邊棱的附近并與邊棱平行，電流通過它們流過。它們使一部分電流流線向著它們偏轉(zhuǎn)，如果沒有它們，這些電流流線將會集中在輥套的邊棱上及其附近處。但是，單獨采用這種解決方案也是不能令人滿意的。此外，必須十分謹(jǐn)慎地確定這些限流陰極的位置和操作參數(shù)，因為不然的話，除了在邊棱處仍然存在超厚的問題之外，有時會發(fā)現(xiàn)，相反地，在有些部位鎳層的厚度低于額定的厚度，這表明電流的流線在相應(yīng)的區(qū)域被過度地偏轉(zhuǎn)。此外，隨著電鍍的進行，會有相當(dāng)量的鎳沉積在限流陰極上。因此需要回收這些鎳，同時為向該限流陰極上沉積鎳所消耗的電流則相當(dāng)于純粹的損失。但更重要的是，這種鎳的沉積會使限流陰極的尺寸變化，而且還是一種非常不規(guī)則的變化。因此，隨著操作過程的進行，限流陰極的作用會發(fā)生很大的變化，使得很難對它們進行控制。實際上，對于所要求的2mm的鍍層厚度，在最好的情況下觀察到邊棱處的鍍層厚度為2.5mm，這對于滿意地解決所提出的問題而言仍然是太厚了。因此，對于這種應(yīng)用來說，特別是對于連鑄鑄輥的鍍層來說，限流陰極不能可靠地獲得鎳沉積的令人滿意的均勻性。
發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在輥套的邊棱上及其附近獲得十分均勻的鎳沉積層的最可靠的方法是在距離邊棱不遠處放置最好具有預(yù)定構(gòu)形的絕緣屏蔽，并發(fā)現(xiàn)，在這些條件下，可以消除在輥套邊緣區(qū)域的鍍層上過早地出現(xiàn)裂紋的現(xiàn)象。
通過下面的描述并參考以下的附圖，將對本發(fā)明有一個更清楚的了解，其中-

圖1是沿Ⅰ-Ⅰ線的端視剖面示意圖，概略地表示被設(shè)計成用于實施根據(jù)本發(fā)明的工藝對雙輥鑄輥輥套涂覆鍍層的設(shè)備；-圖2是表示同一設(shè)備沿Ⅱ-Ⅱ線的剖視圖，用以說明根據(jù)本發(fā)明的屏蔽的優(yōu)選結(jié)構(gòu)。
圖1以剖視圖的形式示出了一個根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備，切面位于裝有主要成份為鎳鹽的電解液2的電解槽1中，但在作為陰極放置的銅輥套3和設(shè)置在電解槽1底部的兩個陽極4,4′的前方。外形為圓柱形、外徑為1500mm的輥套3安裝在心軸5上，在電鍍操作過程中，由圖中未示出的裝置使心軸5的軸6轉(zhuǎn)動。至少輥套3的下部浸入電解液中。在所給出的例子中，陽極4,4′是可溶性的陽極，由填充有鎳團粒的弧形鈦陽極筐構(gòu)成。但這僅僅是一個實施例的例子，可以采用不同數(shù)目的陽極和其它結(jié)構(gòu)(例如，不可溶的陽極)。陽極4,4′在切面之后延伸，其跨越的寬度大于輥套3的寬度。面對輥套3的邊緣設(shè)置有屏蔽7，7′(只有7可在圖中看到)，它們由例如聚合物的絕緣材料制成，其作用是防止來自陽極4,4′的電流流線直接到達輥套3的邊緣區(qū)和邊棱處，以避免這些部分上的鎳鍍層過厚。屏蔽7,7′相對于輥套3的位置可用由可動棒8象征性地表示的定位裝置進行調(diào)整。
屏蔽7，7′的確切結(jié)構(gòu)表示在圖2中。在圖示的例子中，它們?yōu)榫哂薪普叫位蚓匦螜M截面的細長體，并具有一個為圓弧形的總體形狀，其曲率中心與它們所面對的輥套3邊棱的曲率中心相同。屏蔽發(fā)揮作用的最靠近輥套邊緣的上邊緣具有拐角形切口9,9′，拐角形切口的兩個側(cè)面10,10′相互垂直并具有大致相同的長度，例如約5mm。屏蔽7,7′借助于棒8以如下方式設(shè)置，即，切口9,9′的外邊緣11,11′被分別放置在距它們所面對的輥套3的邊棱12大致相同的距離“d”處。當(dāng)想要沉積厚度為2至3mm的鎳層時，該距離“d”開始時約為5mm。另一方面，在本發(fā)明的這一實施例中，垂直于輥套3的每個屏蔽7,7′的側(cè)邊13,13′必須具有50mm的最小長度。在這些條件下，屏蔽7,7′可以足夠地偏轉(zhuǎn)電流流線，使它們在輥套3的邊緣區(qū)中具有最佳化的均勻分布。
作為一種選擇方案，可以令屏蔽7,7′隨著鎳鍍層厚度的增加逐漸地遠離輥套3。這種移動可以是分步進行的，也可以是連續(xù)進行的。這樣就可以確保在屏蔽與鍍層之間總能保持有足夠的空間以便允許鎳鍍層的生長。
根據(jù)陽極4,4′和屏蔽7,7′的精確結(jié)構(gòu)，將在輥套3端部表面的一個較大或較小的部分上對其均勻地進行鍍覆。為了增大這一部分，可以像已經(jīng)提到過的現(xiàn)有技術(shù)中所做的那樣，在電解槽1中放置面對輥套3的端部的類似于陽極4,4′的豎直陽極21,21′,21″，例如裝滿鎳粒的陽極筐。
很清楚，屏蔽的結(jié)構(gòu)可以不同于作為例子剛剛給出的屏蔽的結(jié)構(gòu)，只要它們能夠獲得所需要的鍍層厚度的均勻性即可。特別是，它們可以不由具有正方形、矩形或其它橫截面的細長體構(gòu)成，而是可由板狀體或板的組合體構(gòu)成，這些板狀體或板的組合體面朝輥套的表面最好具有和上述實施例中的細長體相同的構(gòu)造。換句話說，該表面必須最好包括兩個平行的邊緣，每個邊緣位于輥套邊棱的延伸部分上，距邊棱相同的距離“d”并由一個拐角形切口連接，切口的側(cè)邊相互垂直。
為了增強和進一步改善屏蔽的作用，本發(fā)明并不排除永久性或間歇性地使用限流陰極的可能性，它們或與屏蔽聯(lián)合使用或獨立使用。
當(dāng)然，本發(fā)明也可用于向輥套沉積除鎳以外的其它金屬。同樣，進行過這種鍍敷的鑄輥不僅可用于薄金屬帶材(鋼或其它材料)的雙輥連鑄機，同樣也可用于單個旋轉(zhuǎn)的鑄輥擦過金屬熔池表面的薄帶材連鑄機(單輥連鑄)。此外，它還可用于鍍敷整體鑄輥的鑄造表面的情況，在這種情況下，輥套和輥芯只構(gòu)成一個單一且相同的部件。同時也可以很容易地將本發(fā)明移置到輥套或整體鑄輥完全浸入電解液槽內(nèi)的情形中。最后，如前面提到的那樣，輥套與電解液之間的相互運動可以通過保持輥套不動而令電解液繞其運動來實現(xiàn)。特別地，如果使輥套全部浸入電解液中并用適當(dāng)取向的噴嘴產(chǎn)生電解液的運動從而使電解液在陽極或多個陽極之間繞輥套循環(huán)，則可以實現(xiàn)剛剛提到的這種做法。
權(quán)利要求
1．一種用電解法對雙輥或單輥連鑄薄金屬帶材所用鑄輥的鑄造表面鍍覆以一金屬層的工藝，在該工藝中，使所述鑄造表面至少部分地浸入含有待沉積的金屬鹽的電解液中，從而使其面對至少一個陽極，所述鑄造表面作為陰極，并在所述鑄造表面和所述電解液之間產(chǎn)生相對運動，其特征在于，在所述陽極和多個陽極與所述鑄造表面的邊棱之間插入絕緣屏蔽，所述絕緣屏蔽防止電流流線集中在所述邊棱上或其附近。
2．如權(quán)利要求1所述的工藝，其特征在于，隨著金屬層厚度的增加，所述屏蔽逐漸遠離所述邊棱。
3．一種用電解法對雙輥或單輥連鑄薄金屬帶材用鑄輥的鑄造表面(3)鍍覆以一金屬層的設(shè)備，該設(shè)備包括裝有包含待沉積的金屬鹽的電解液(2)的電解槽(1)，用于將所述鑄造表面(3)至少部分地浸入所述電解槽(1)中并在所述鑄造表面(3)和所述電解液(2)之間產(chǎn)生相對運動的裝置(5,6)，設(shè)置在電解槽(1)中以便面對所述鑄造表面(3)的至少一個陽極(4,4′)，以及用于將所述鑄造表面提高到陰極電位的裝置，其特征在于，該設(shè)備包括由絕緣材料制成的屏蔽(7,7′)，它被插入所述鑄造表面(3)的邊棱(12)與所述陽極或多個陰極(4,4′)之間，所述屏蔽(7,7′)防止電流流線集中在所述邊棱(12)上。
4．如權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其特征在于，所述屏蔽(7,7′)具有為圓弧的一般形狀，該圓弧的曲率中心與它們所面對的鑄造表面(3)的邊棱(12)的曲率中心相同，所述屏蔽同時還具有兩個平行的側(cè)邊(13,13′)，每一個側(cè)邊位于所述邊棱(12)的延伸部分上且與邊棱相距同樣的距離“d”，并由一個拐角形切口(9,9′)相連接，拐角形切口的側(cè)邊(10,10′)相互垂直。
5．如權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其特征在于，所述屏蔽(7,7′)由細長體構(gòu)成。
6．如權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其特征在于，所述屏蔽(7,7′)由板狀體或板的組合體構(gòu)成。
7．如權(quán)利要求3至6中之一所述的設(shè)備，其特征在于，它包括用于隨著所述金屬鍍層厚度的增加將所述屏蔽(7,7′)逐漸移離所述邊棱(12)的裝置(18)。
8．如權(quán)利要求3至7中之一所述的設(shè)備，其特征在于，它還包括一些陽極(21，21′)，其中每一個陽極被設(shè)置成面向所述鑄造表面(3)的端部。
9．如權(quán)利要求1至8中之一所述的設(shè)備，其特征在于，它還包括限流陰極。
10．如權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其特征在于，所述限流陰極與所述屏蔽(7,7′)結(jié)合使用。
11．如權(quán)利要求3至10中之一所述的設(shè)備，其特征在于，用于在上述鑄造表面(3)與上述電解液(2)之間產(chǎn)生相對運動的所述裝置是用于轉(zhuǎn)動所述鑄造表面(3)的裝置。
12．如權(quán)利要求3至10中之一所述的設(shè)備，其特征在于，用于在上述鑄造表面(3)和上述電解液(2)之間產(chǎn)生相對運動的所述裝置是用于使所述電解液(2)圍繞所述鑄造表面(3)循環(huán)的裝置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于將一金屬層電鍍在雙輥或單輥連鑄薄金屬帶材用鑄輥的鑄造表面上的方法。將所述鑄造表面至少部分地浸入含有待沉積的金屬鹽的電解液中,使它面對至少一個陽極,所述表面處于陰極的位置,并在所述鑄造表面與電解液之間產(chǎn)生相對運動,其特征在于,在所述陽極(或多個陽極)與所述鑄造表面的邊緣之間插入屏蔽,從而避免電流流線集中在所述邊緣上和其附近。本發(fā)明還涉及將金屬層鍍覆在雙輥或單輥連鑄薄金屬帶材用鑄輥的鑄造表面上的設(shè)備,該設(shè)備包括:內(nèi)裝含有待沉積的金屬鹽的電解液(2)的容器(1),將所述鑄造表面(3)至少部分地浸入所述容器(1)中并在所述鑄造表面與所述電解液之間產(chǎn)生相對運動的裝置,至少一個置于容器(1)中并面對所述鑄造表面(3)的陽極(4,4′),以及將所述鑄造表面提高到陰極電位的裝置,其特征在于,它包括由絕緣材料制成的屏蔽(7,7′),該屏蔽被插入所述鑄造表面(3)的邊緣(12)與所述陽極(4,4′)之間,用以防止電流流線集中在所述邊緣(12)上。
文檔編號C25D7/00GK1219983SQ9719498
公開日1999年6月16日 申請日期1997年6月6日 優(yōu)先權(quán)日1996年6月27日
發(fā)明者艾爾韋·拉維爾蘭納, 克里斯蒂安·阿萊雷, 艾里克·約里維特, 讓－克勞德·卡托那, 揚恩·布雷維亞勒 申請人:于西納公司, 蒂森鋼鐵股份公司