用电解法为连铸薄金属带用铸辊表面镀覆金属层的工艺和设备

摘要

本发明公开了一种用于将一金属层电镀在双辊或单辊连铸薄金属带材用铸辊的铸造表面上的方法。将所述铸造表面至少部分地浸入含有待沉积的金属盐的电解液中,使它面对至少一个阳极,所述表面处于阴极的位置,并在所述铸造表面与电解液之间产生相对运动,其特征在于,在所述阳极(或多个阳极)与所述铸造表面的边缘之间插入屏蔽,从而避免电流流线集中在所述边缘上和其附近。本发明还涉及将金属层镀覆在双辊或单辊连铸薄金属带材用铸辊的铸造表面上的设备,该设备包括:内装含有待沉积的金属盐的电解液(2)的容器(1),将所述铸造表面(3)至少部分地浸入所述容器(1)中并在所述铸造表面与所述电解液之间产生相对运动的装置,至少一个置于容器(1)中并面对所述铸造表面(3)的阳极(4,4′),以及将所述铸造表面提高到阴极电位的装置,其特征在于,它包括由绝缘材料制成的屏蔽(7,7′),该屏蔽被插入所述铸造表面(3)的边缘(12)与所述阳极(4,4′)之间,用以防止电流流线集中在所述边缘(12)上。

说明书

本发明涉及对金属的连铸。更具体地说，本发明涉及对铸辊外表面的预处理，这些铸辊构成连铸金属例如钢的薄带材时结晶器的活动壁。

直接从液态金属连铸成几毫米厚的钢带的双辊连铸机的结晶器包括一个由两个绕其轴线反向旋转并保持水平的铸辊的侧表面和两个压靠铸辊端部的耐高温侧板限定的铸造空间。这些铸辊的直径可高达1500mm，它们的宽度在目前的试验性设备上约为600至800mm。但从长远观点来看，其宽度必须高达1300至1500mm以满足工业设备的生产需求。这些铸辊通常由一个钢芯构成，其周围固定有一个铜或铜合金制成的辊套，此辊套由在钢芯与辊套之间或辊套内的循环水进行冷却。

和用于传统的初轧钢坯，方坯或扁坯连铸的结晶器表面一样，将与液态金属接触的辊套的表面可被涂覆有一层通常为镍的金属层，其厚度一般为1到2mm。该镍层可以使辊套的热传导系数被调整到最佳值(该值低于金属直接与铜接触时的值)，从而使得金属在合适的冶金学条件下凝固：过快地凝固会在产品的表面上产生缺陷。这种调整通过改变镍层的厚度和结构来进行。另一方面，它还对铜构成一个保护层，以免对铜造成过大的热应力和机械应力。这种镍层会在铸辊的使用过程中逐渐磨损，必须定期地进行修复，在修复时，首先将残留的镍层部分或全部地除去，再沉积一层新的镍层，但这种修复显然比将一个磨损的铜辊套完全替换掉时的成本要低。

镍层的沉积最好按下述方式用电解方法来进行。一个由铜或铜合金，例如铜-(1％)铬-(0.1％)锆合金制成的具有为中空的圆柱体的整体形状的新辊套(即，已从其上部分地或全部地除去镍层的辊套)，安装在一个心轴上，借助该心轴可以很方便地在镀镍/除镍车间内把辊套从一个处理工段传送到另一个处理工段。在经过为了改善镍与铜的附着的各种表面预处理(抛光，去油，酸洗等)之后，将辊套运到镀镍工段。该工段包括一个装有镀镍液的电镀槽，而且心轴可被置于该槽上方的一个水平位置上，并使其绕其轴旋转。因此，辊套的下部被浸入电镀槽中，同时，例如以约10转/分的速度旋转心轴/辊套组件就可进行对整个辊套的处理。在电镀镍的过程中，辊套构成阴极，而阳极可由一个或多个浸入电镀槽中的钛阳极筐构成，这些阳极筐由薄膜封闭，并朝向辊套的表面同时内置镍球。如果还需要用镍覆盖辊套端部的大部分(在连铸过程中辊套的端部与耐高温侧板摩擦，因此容易被磨损)，则设置另外的阳极筐，使之面对这些端部。也可采用其它类型(可溶的和不可溶的)的阳极。

作为一种改型，也可以采取这样的措施，即，令辊套保持固定不动，而使电解液流经辊套。因此重要的是，在辊套和电解液之间产生相对运动，以便确保连续不断地更新它们的界面。

在铸造进行过程中，镍涂层遭受极大的应力，包括机械应力和热应力。在仅仅经过几轮铸造操作后，在铸辊的边缘附近常常可观察到镍涂层上出现裂纹。这些裂纹涉及到从辊套边棱处开始约几厘米宽的区域。它们会导致在铸品的表面上形成缺陷，这是因为这些裂纹会使铸品被不均匀地冷却。最重要的是，这些裂纹会成为脆弱点，从这些脆弱点可引发整个镍涂层很快地劣化。同时，它们甚至会将裂纹传播到镍镀层以外，这将导致整个辊套的损坏。因此，这些裂纹迫使立即并过早地停止铸辊的使用并在辊套上完全地重新生成新的涂层。由于这一操作的过程很长(数天)，因此工业上利用双辊铸钢工艺时要求有大量的辊套备用，以便确保连铸机的正常运转。由于其所使用的材料和机加工的难度，辊套是一种非常昂贵的部件，所以导致在利用这种设备时的成本升高。

本发明的目的是改善辊套的金属镀层在抗热机械应力方面的性能，尽可能地减缓甚至避免在边缘区出现裂纹，以便延长辊套在其镀层的两次修复之间的平均使用时间。

本发明的主题是提供一种用电解法将一金属层涂覆在双辊或单辊连铸薄金属带材时所用铸辊的铸造表面上的工艺，在该工艺中所述铸造表面至少部分地浸入一种含有待沉积的金属盐的电解液中，从而使该表面面向至少一个阳极，所述表面则作为阴极置于电解液中，同时在所述铸造表面与所述电解液之间产生相对运动，其特征在于，在所述的一个阳极或多个阳极与所述铸造表面的边棱之间插入绝缘屏蔽，所述绝缘屏蔽可防止电流流线集中到所述边棱上及其附近处。

本发明的主题还在于提供一种用电解法向双辊或单辊连铸薄金属带材时所用铸辊的铸造表面涂覆金属层的设备，这种类型的设备包括：内装含有待沉积的金属盐的电解液的电解槽，用于将所述铸造表面至少部分地浸入所述电解槽中并在所述铸造表面与所述电解液之间产生相对运动的装置，至少一个设置在电解槽中从而面向所述铸造表面的阳极，以及用于将所述铸造表面提高到阴极电位的装置，其特征在于，该设备包括用绝缘材料制成的屏蔽，该屏蔽插在所述铸造表面的边棱和所述的一个或多个阳极之间，所述屏蔽防止电流的流线集中到所述边棱上。

所述屏蔽一般最好具有呈圆弧的形状，该圆弧的曲率中心最好等于它们所面对的铸造表面边棱的曲率中心，并具有两个平行的边，每一个边位于所述边棱的延长部分上，这两个边与所述边棱具有相同的距离“d”并由一个拐角形切口相连，切口的边相互垂直。

可以理解，本发明的关键在于，通过在辊套边缘附近设置绝缘屏蔽来进行金属镀层的电镀。这些屏蔽被设计成在辊套的边缘区域获得均匀的电流流线分布，下面将描述它的一个优选实例。这将按照所要求的额定厚度在这些区域中使镀层具有均匀的厚度。

发明人发现，在辊套边缘区的镍镀层中出现裂纹的速度与在同一区域特别是与边棱一致的区域中该镀层的厚度均匀性有关。在没有特别设计的用于防止这一现象的任何装置的情况下，发现在辊套边棱的附近以及与这些边棱本身一致的镍镀层的厚度过厚。例如，如果在辊套表面的主要部分上，镀层的额定厚度为2mm，有时会发现与边棱一致处的厚度大于7mm。这种超标的厚度是由于在边棱近旁电流流线的集中而造成的。即使这种集中现象仅存在于辊套的非常有限的部分内，它们也似乎足以引起上述裂纹的快速出现。这是由于它们可能会造成氢气的生成，而这会在所形成的沉积层中产生气体包裹体。另外，这种集中会使在辊套的边棱和其余部分之间的镍镀层的晶体结构、从而也使它的硬度和它的组织结构不均匀。

降低镀层的这种过厚的厚度的一种措施包括使边棱具有约几毫米的曲率半径以取代尖锐的边棱。但是，在实践当中，该曲率半径不能超过1到2mm，否则会极大地增加液态金属从铸辊的端部与耐高温侧板之间渗漏的危险。

另外一种公知的措施包括利用称作“限流阴极”(current robbers)的装置使电流的流线偏转。这些“限流阴极”是金属导体，将它们设置在边棱的附近并与边棱平行，电流通过它们流过。它们使一部分电流流线向着它们偏转，如果没有它们，这些电流流线将会集中在辊套的边棱上及其附近处。但是，单独采用这种解决方案也是不能令人满意的。此外，必须十分谨慎地确定这些限流阴极的位置和操作参数，因为不然的话，除了在边棱处仍然存在超厚的问题之外，有时会发现，相反地，在有些部位镍层的厚度低于额定的厚度，这表明电流的流线在相应的区域被过度地偏转。此外，随着电镀的进行，会有相当量的镍沉积在限流阴极上。因此需要回收这些镍，同时为向该限流阴极上沉积镍所消耗的电流则相当于纯粹的损失。但更重要的是，这种镍的沉积会使限流阴极的尺寸变化，而且还是一种非常不规则的变化。因此，随着操作过程的进行，限流阴极的作用会发生很大的变化，使得很难对它们进行控制。实际上，对于所要求的2mm的镀层厚度，在最好的情况下观察到边棱处的镀层厚度为2.5mm，这对于满意地解决所提出的问题而言仍然是太厚了。因此，对于这种应用来说，特别是对于连铸铸辊的镀层来说，限流阴极不能可靠地获得镍沉积的令人满意的均匀性。

发明人发现，在辊套的边棱上及其附近获得十分均匀的镍沉积层的最可靠的方法是在距离边棱不远处放置最好具有预定构形的绝缘屏蔽，并发现，在这些条件下，可以消除在辊套边缘区域的镀层上过早地出现裂纹的现象。

通过下面的描述并参考以下的附图，将对本发明有一个更清楚的了解，其中：

-图1是沿Ⅰ-Ⅰ线的端视剖面示意图，概略地表示被设计成用于实施根据本发明的工艺对双辊铸辊辊套涂覆镀层的设备；

-图2是表示同一设备沿Ⅱ-Ⅱ线的剖视图，用以说明根据本发明的屏蔽的优选结构。

图1以剖视图的形式示出了一个根据本发明的设备，切面位于装有主要成份为镍盐的电解液2的电解槽1中，但在作为阴极放置的铜辊套3和设置在电解槽1底部的两个阳极4,4′的前方。外形为圆柱形、外径为1500mm的辊套3安装在心轴5上，在电镀操作过程中，由图中未示出的装置使心轴5的轴6转动。至少辊套3的下部浸入电解液中。在所给出的例子中，阳极4,4′是可溶性的阳极，由填充有镍团粒的弧形钛阳极筐构成。但这仅仅是一个实施例的例子，可以采用不同数目的阳极和其它结构(例如，不可溶的阳极)。阳极4,4′在切面之后延伸，其跨越的宽度大于辊套3的宽度。面对辊套3的边缘设置有屏蔽7，7′(只有7可在图中看到)，它们由例如聚合物的绝缘材料制成，其作用是防止来自阳极4,4′的电流流线直接到达辊套3的边缘区和边棱处，以避免这些部分上的镍镀层过厚。屏蔽7,7′相对于辊套3的位置可用由可动棒8象征性地表示的定位装置进行调整。

屏蔽7，7′的确切结构表示在图2中。在图示的例子中，它们为具有近似正方形或矩形横截面的细长体，并具有一个为圆弧形的总体形状，其曲率中心与它们所面对的辊套3边棱的曲率中心相同。屏蔽发挥作用的最靠近辊套边缘的上边缘具有拐角形切口9,9′，拐角形切口的两个侧面10,10′相互垂直并具有大致相同的长度，例如约5mm。屏蔽7,7′借助于棒8以如下方式设置，即，切口9,9′的外边缘11,11′被分别放置在距它们所面对的辊套3的边棱12大致相同的距离“d”处。当想要沉积厚度为2至3mm的镍层时，该距离“d”开始时约为5mm。另一方面，在本发明的这一实施例中，垂直于辊套3的每个屏蔽7,7′的侧边13,13′必须具有50mm的最小长度。在这些条件下，屏蔽7,7′可以足够地偏转电流流线，使它们在辊套3的边缘区中具有最佳化的均匀分布。

作为一种选择方案，可以令屏蔽7,7′随着镍镀层厚度的增加逐渐地远离辊套3。这种移动可以是分步进行的，也可以是连续进行的。这样就可以确保在屏蔽与镀层之间总能保持有足够的空间以便允许镍镀层的生长。

根据阳极4,4′和屏蔽7,7′的精确结构，将在辊套3端部表面的一个较大或较小的部分上对其均匀地进行镀覆。为了增大这一部分，可以像已经提到过的现有技术中所做的那样，在电解槽1中放置面对辊套3的端部的类似于阳极4,4′的竖直阳极21,21′,21″，例如装满镍粒的阳极筐。

很清楚，屏蔽的结构可以不同于作为例子刚刚给出的屏蔽的结构，只要它们能够获得所需要的镀层厚度的均匀性即可。特别是，它们可以不由具有正方形、矩形或其它横截面的细长体构成，而是可由板状体或板的组合体构成，这些板状体或板的组合体面朝辊套的表面最好具有和上述实施例中的细长体相同的构造。换句话说，该表面必须最好包括两个平行的边缘，每个边缘位于辊套边棱的延伸部分上，距边棱相同的距离“d”并由一个拐角形切口连接，切口的侧边相互垂直。

为了增强和进一步改善屏蔽的作用，本发明并不排除永久性或间歇性地使用限流阴极的可能性，它们或与屏蔽联合使用或独立使用。

当然，本发明也可用于向辊套沉积除镍以外的其它金属。同样，进行过这种镀敷的铸辊不仅可用于薄金属带材(钢或其它材料)的双辊连铸机，同样也可用于单个旋转的铸辊擦过金属熔池表面的薄带材连铸机(单辊连铸)。此外，它还可用于镀敷整体铸辊的铸造表面的情况，在这种情况下，辊套和辊芯只构成一个单一且相同的部件。同时也可以很容易地将本发明移置到辊套或整体铸辊完全浸入电解液槽内的情形中。最后，如前面提到的那样，辊套与电解液之间的相互运动可以通过保持辊套不动而令电解液绕其运动来实现。特别地，如果使辊套全部浸入电解液中并用适当取向的喷嘴产生电解液的运动从而使电解液在阳极或多个阳极之间绕辊套循环，则可以实现刚刚提到的这种做法。