结晶器冷喷涂整体修复方法及边角处理专用夹紧装置与流程

本发明涉及一种连铸生产用的结晶器，具体说有关一种结晶器冷喷涂修复方法及其夹紧装置。

背景技术：
结晶器用于连铸生产线，起着钢液凝固和形成坯壳的作用。目前结晶器的修复方法有热喷涂、堆焊和电镀等多种方法，这些方法各有优劣：热喷涂和电镀方法只能修复结晶器的外镀层，不能修复结晶器的本体铬锆铜材料；堆焊修复过程会产生强烈的氧化问题。而冷喷涂技术有其独特的优势，适合于修复相变敏感性和温度敏感性材料，目前正应用于结晶器本体母材铬锆铜基体的修复当中。但是，如图1所示，直接在结晶器1母材铬锆铜基体即结晶器铜板1a上进行冷喷涂修复涂层1b，会产生边角1c倾斜问题；而二次边角修复处理会产生修复界面问题且增加了修复成本，不利于工业应用。现有技术中，针对冷喷涂技术本身及修复技术的专利较多。第CN00253384.7公开号的中国专利申请公开了一种超音速冷喷涂装置，主要由本体、缩放喷管、混合器、抽吸泵管和进料箱组成，仅涉及主体设备部分，并不能完成结晶器边角的处理和结晶器的整体修复工作。发明人为海恩斯和霍布斯的美国专利申请第US11/003137号公开了一种真空冷喷涂方法，该方法不涉及结晶器整体修复内容；发明人为德比卡里和海恩斯的中国专利申请第CN200510128953.7号（优先权日：2004.12.3；在先申请号：US11/003140）的技术方案是利用冷喷涂的超合金修补技术修补由超合金材料形成的部件的方法，该方法针对由超合金材料形成且具有要进行修补的缺陷的部件并且利用非氧化性载气将修补材料沉积到部件表面上，以使得修补材料在与表面碰撞后产生塑性变形且粘结到表面上，并由此覆盖缺陷。该方法未涉及材料整体修复时的边角问题，只是直接应用在局部修复上。第CN200510083138.3号中国专利申请公开了一种冷喷涂用喷嘴及使用该冷喷涂用喷嘴的冷喷涂装置；第CN200610068242.X号中国专利申请（优先权日：2005.3.23，在先申请号：US11/088380）公开了使用冷喷涂向发动机部件施加粘合层的方法，该方法在向涡轮叶片或叶轮的翼型部分施加粘合层，或向燃烧室衬套施加粘合层方面特别有用。申请人为浦项产业科学研究院的第CN200480038778.6号中国专利申请（优先权日：2003.12.24，在先申请号：KR10-2003-0096983）公开了一种具有粉末预热装置的冷喷涂设备；第CN200610151047.3号中国专利申请公开了一种铝合金热交换器导管和翘片复合钎料的冷喷涂方法；第CN200610172445.3号中国专利申请（优先权日：2005.12.21，在先申请号：US60/752061）公开了一种混合式等离子-冷喷涂方法和设备。第CN201010117519.X号中国专利申请公开了一种结晶器铜板的冷喷涂修复方法，该方法主要利用超音速硬质微粒在待修复铜板表面制备出具有自然流线型凹坑的毛化形貌，从而在保证表面满足冷喷涂修复要求的前提下，大大增加了结晶器待修复面的表面积；然后利用冷气动力喷涂技术填满上述毛化坑，形成多个结合面积增大的强化点，同时改善界面处的应力分布；最后对铜板表面进行整体喷涂修复，并进行退火和尺寸复原。采用该方法能够增大喷涂修复层与铜板表面的结合面积和结合强度，并提高了铜板修复层的热传导速率和抗交变热应力能力，从而延长了铜板的使用周期。该专利未提及结晶器的边角处理方法，而边角的处理是结晶器整体修复的关键，亦是结晶器修复结果是否可以应用的决定性步骤。第CN201010117518.5号中国专利申请公开了一种结晶辊冷喷涂修复的预处理方法；第CN201210043107.5号中国专利申请公开了一种制备金属复合梯度准晶涂层的冷喷涂装置及方法，该发明涉及表面涂层的制备领域，具体为一种制备金属复合梯度准晶涂层的冷喷涂装置及方法。该发明可以解决涂层脆性和相变等问题，可以制备多种系列的二元或多元合金准晶梯度涂层。同样，该发明不能直接用于解决结晶器冷喷涂修复的边角问题。综上所述，现有技术多集中在冷喷涂修复结晶器和结晶辊等的喷涂技术之上，均未解决冷喷涂技术修复结晶器边角问题即并未涉及结晶器边角处理方法问题。

技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种结晶器整体冷喷涂修复方法及边角处理专用夹紧装置，可有效避免直接修复产生的边角倾斜问题，从而做到一次修复，以保证修复质量。为达到上述目的，根据本发明一方面提供一种用于结晶器整体冷喷涂修复的边角处理专用夹紧装置，包括：固定框架、位于所述固定框架内的三块压紧板和三块配合衬板；所述固定框架包括顶板、底板、和左侧、右侧固定板，各所述压紧板分别设在所述固定框架与相应各所述配合衬板之间；所述的固定框架的底板和所述配合衬板与结晶器正面修复的四个侧面贴合。固定框架、三块压紧板和三块配合衬板通过固定螺栓固定。所述固定框架的底板和三块配合衬板采用难以沉积冷喷涂涂层的硬材料，较佳为碳钢、不锈钢或陶瓷制成。所述固定框架的底板和三块配合衬板采用易于沉积冷喷涂涂层的软材料，较佳为铝材或铜材制成。根据本发明另一方面提供一种结晶器整体冷喷涂修复方法，包括：提供一个夹紧装置，包括固定框架、三块压紧板和三块配合衬板；使固定框架的底板和配合衬板与结晶器正面修复的四个侧面贴合；采用边角配合直接生长方式对结晶器进行冷喷涂整体修复。所述固定框架的底板和三块配合衬板采用难以沉积冷喷涂涂层材料的硬材料，较佳为碳钢、不锈钢、陶瓷。所述固定框架的底板和三块配合衬板采用易于沉积冷喷涂涂层材料的软材料，较佳为铝材和铜材。冷喷涂的工作压力和温度分别位于2MPa～10.0MPa和50～550℃之间；粉末颗粒的速度范围一般在350-2000m/s之间；其中，夹紧配合衬板与结晶器表面的间隙宽度小于0.5mm，表面粗糙度达到为3.2um以下。各种基体上冷喷涂层包括铜合金涂层、不锈钢涂层、铝涂层、铝锌合金涂层或钛涂层。本发明的有益效果是：可有效避免直接修复产生的边角倾斜问题，从而做到一次修复，以保证修复质量，适应性强，效率高，成本低、可维护性好。附图说明图1是现有技术中直接进行结晶器冷喷涂修复产生边角倾斜的示意图；图2是本发明一个实施例的结晶器整体冷喷涂修复方法，使结晶器直接生长冷喷涂涂层的示意图；图3是本发明另一个实施例的结晶器整体冷喷涂修复方法，使结晶器先生长冷喷涂涂层再机械加工的示意图；图4是本发明一个实施例的用于结晶器整体冷喷涂修复的边角处理专用夹紧装置的示意性的主视图；以及图5是图4实施例的结晶器冷喷涂专用夹紧装置的透视图。具体实施方式为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。首先需要说明的是，本发明并不限于下述具体实施方式，本领域的技术人员应该从下述实施方式所体现的精神来理解本发明，各技术术语可以基于本发明的精神实质来作最宽泛的理解。图中相同或相似的构件采用相同的附图标记表示。图4和图5示出本发明一个实施例的一种用于结晶器整体冷喷涂修复的边角处理专用夹紧装置，包括：固定框架6、三块压紧板即上压紧板3a、左压紧板3b和右压紧板3c，和三块配合衬板即上侧衬板4a、左侧衬板4b和右侧衬板4c；固定框架包括顶板6b、底板6a、左侧固定板6c、右侧固定板6c’，底板6a和配合衬板4a～4c与结晶器正面修复的四个侧面（未标示）贴合。各压紧板3a～3c设在固定框架6与相应的配合衬板4a～4c之间，通过固定螺栓5a固定（图中仅标示其中一个）。其中固定框架6的底板6a和三块配合衬板4a～4c采用难以沉积冷喷涂涂层材料的硬材料，例如碳钢、不锈钢、陶瓷制成；或者采用易于沉积冷喷涂涂层材料的软材料，例如铝材和铜材制成。现结合图2至图5来具体说明本发明的结晶器整体冷喷涂修复方法。根据本发明的一种结晶器整体冷喷涂修复方法，包括：提供一个夹紧装置10，包括固定框架6、三块压紧板3a～3c和三块配合衬板4a～4c；使固定框架6的底板6a和配合衬板4a～4c与结晶器1正面修复的四个侧面贴合；以及采用边角配合直接生长方式对结晶器1进行冷喷涂整体修复。其中固定框架6的底板6a和三块配合衬板4a～4c采用难以沉积冷喷涂涂层材料的硬材料，较佳为碳钢、不锈钢、陶瓷；或者采用易于沉积冷喷涂涂层材料的软材料，较佳为铝材和铜材。对于底板6a和配合衬板4a～4c采用上述二种材料的修复方式将在以下详细予以说明。图2和图3示出本发明进行边角处理的两种方法：方法一：对于上述提到的固定框架底板6a和三面配合衬板4a～4c采用硬材料，如碳钢、不锈钢、陶瓷等难以沉积冷喷涂涂层的材料。这样，冷喷涂生长涂层时，仅在结晶器铜板1a上沉积冷喷涂涂层，而配合衬板4a～4c上不能沉积涂层，但是改善了气流，从而使结晶器上的冷喷涂涂层消除了边角倾斜问题。这种方法的优点是如图2所示，可直接进行结晶器1的整体修复，边角处同时完成修复，不涉及二次喷涂和再机械加工问题；另外，这种方法的经济性较好。方法二：对于上述提到的固定框架底板(底部配合衬板)6a和三面配合衬板4a～4c采用软材料，如铝材和铜材等易于冷喷涂涂层的材料。这样如图3所示，冷喷涂生长涂层时，在结晶器铜板1a上沉积冷喷涂涂层2’的同时，配合衬板上也同时沉积涂层，气流的改善使结晶器1上的冷喷涂涂层消除了边角倾斜问题，然而这种方法还需要再进行机械加工去除配合衬板材料和多余的涂层，虽然增加了成本和时间，但是这种方法的优点是可提高边角处冷喷涂涂层质量。冷喷涂的工作压力和温度分别位于2MPa～10.0MPa和50～550℃之间；粉末颗粒的速度范围一般在350-2000m/s之间；其中，夹紧配合衬板与结晶器表面的间隙宽度小于0.5mm，表面粗糙度达到为3.2um以下。各种基体上冷喷涂层包括铜合金涂层、不锈钢涂层、铝涂层、铝锌合金涂层或钛涂层。冷喷涂所使用的粉末材料为纯铜粉或铜合金粉末，铜合金粉末包括铬锆铜粉、铝青铜、锡青铜、黄铜粉末材料；喷涂粉末颗粒的粒径范围1-100μm，最佳范围为5-50μm。结晶器冷喷涂修复前处理方法包括表面清理、喷砂、毛化、特殊纹理制备步骤。结晶器冷喷涂修复后处理方法包括退火与机械加工步骤，退火温度800～1120℃，保温15分钟～5小时。边角处理方法特点在于边角喷涂过渡区设置和配合方法，包括夹紧、过渡和配合，其中，夹紧的作用是固定结晶器，过渡作用在于调整喷涂过渡区长度，配合用于直接生长冷喷涂涂层。以下结合应用实例进一步说明本发明的特点和优点。实例1采用冷喷涂工艺参数，主气体和送粉载气均为氮气，包括气体压力2.0MPa，气体温度480℃，送粉率2r/min，喷涂粉末为纯铜粉，平均粒径22um，喷涂修复厚度为2mm，三个配合衬板4a～4c的厚度为10mm，夹紧固定底板6a及框架6的厚度30mm，过渡衬板即压紧板3a～3b的宽度50mm，配合衬板4a～4c之间间隙小于0.3mm，配合衬板4a～4c与结晶器1之间间隙小于0.5mm。整体修复及边角处理结果良好。实例2采用冷喷涂工艺参数，主气体和送粉载气均为氮气，包括气体压力2.5MPa，气体温度470℃，送粉率2.5r/min，喷涂粉末为铬锆铜粉，平均粒径22um，喷涂修复厚度为3mm，三个配合衬板4a～4c的厚度为15mm，夹紧固定底板6a及框架6的厚度35mm，过渡衬板即压紧板3a～3b的宽度45mm，配合衬板4a～4c之间间隙小于0.2mm，配合衬板4a～4c与结晶器1之间间隙小于0.3mm整体修复及边角处理结果良好。实例3采用冷喷涂工艺参数，主气体和送粉载气均为氮气，包括气体压力3.0MPa，气体温度450℃，送粉率3r/min，喷涂粉末为铜粉，平均粒径22um，喷涂修复厚度为5mm，三个配合衬板4a～4c的厚度为20mm，夹紧固定底板6a及框架6的厚度50mm，过渡衬板即压紧板3a～3c的宽度40mm，配合衬板4a～4c之间间隙小于0.1mm，配合衬板4a～4c与结晶器1之间间隙小于0.4mm整体修复及边角处理结果良好。本发明的方法采用边角配合直接生长方法进行冷喷涂修复，可以有效的而解决边角倾斜问题。本发明的关键在于固定框架6的底板（作为配合底板）6a和三面配合衬板4a～4c与结晶器1正面修复面四个边贴合，从而利于修复过程中涂层直接生长，使边角喷涂时存在涂层过渡区，从而避免了边角的倾斜问题。通过计算流体力学的计算可知，当有壁面阻挡冷喷涂超音速气流时，气体流场和颗粒流场均会发生变化，本发明的原理在于增加了涂层喷涂过渡区，从而避免了在边角处气流不均匀发生的边角冷喷涂涂层倾斜现象。综上所述，本发明具有以下优点：采用本发明方法和专用夹紧装置，可以有效解决大面积整体修复及同时完成边角处理，即可快速完成结晶器整体冷喷涂修复，有效避免冷喷涂修复工艺中边角处的倾斜问题，可适合于结晶器整体制造修复，效率高，成本低、效果良好、简单可行、易于制造、维护性好。应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。