摘要 连续退火炉炉底辊表面涂层技术已在工业中被广泛应用。介绍了炉底辊的一般制作方法与基体材料，重点阐述了炉底辊的各种热喷涂方法、涂层材料以及有关炉底辊涂层材料的发明专利，为炉底辊涂层材料的优化和进一步发展提供了有益的参考。
关键词 炉底辊 超音速喷涂 热喷涂 涂层
1 引言
1) 在冷轧连续退火生产线( CAL) 、冷轧连续退火酸洗线( CAPL) 和连续镀锌生产线( CGL) 上使用了大量的炉底辊，其使用寿命和表面质量直接影响生产产品的作业率和质量。过去较低温度使用的炉底辊一般采用合金钢辊，在较高温度使用的炉底辊一般在保护气氛下采用石墨辊。目前随着高性能陶瓷涂层技术的发展，越来越多地采用陶瓷涂层炉底辊。
2) 典型的连续退火炉机组一般由加热炉、均热炉、冷却炉、时效炉几个炉室组成。对炉底辊表面性能的要求是:
( 1) 必须有较好的抗热震性，以防止在生产过程中炉子升温和降温时涂层剥落;
( 2) 必须有较好的耐磨性，以保证长期连续生产的需要;
( 3) 必须有较好的抗结瘤性，防止炉底辊表面产生缺陷影响钢板质量;
( 4) 必须具备良好的化学稳定性，保持其使用性能在一定气氛中不衰退。
根据炉底辊表面性能的要求，炉底辊表面涂层技术的发展非常迅速。
2 炉底辊的制作方法与基体材料
连续退火炉炉底辊的制作方法有: 耐热合金钢整体铸辊、石墨套辊( 碳套辊) 、全陶瓷炉辊、陶瓷芯喷涂辊、合金钢喷涂辊。连续退火炉炉底辊的制作及使用特性见表 1［1］。
炉底辊基体在高温条件下承受载荷，并且受到各种气氛的侵蚀。因此它的主要失效形式表现为高温蠕变，氧化、磨损和腐蚀。对于耐热钢辊筒，常用材料为 4Cr25Ni20Si2、4Cr25Ni35Nb、3Cr24Ni7N、3Cr24Ni7NRe。3Cr24Ni7N、3Cr24Ni7NRe是国内研制的节 Ni 新钢材。这种钢在 900℃ ～1050℃ 范围内使用具有良好的抗氧化性和高温强度，时效脆性倾向小，耐激冷激热优于前者［2 －4］。
3 炉底辊涂层材料的发展
国际上热喷涂技术发达国家，如美国、日本等在炉底辊涂层制备工艺技术中常采用等离子喷涂、超音速火焰喷涂、爆炸喷涂等工艺方法。研究开发了陶瓷合金材料，如 Co 基氧化物碳化物，Cr3C2－ 20NiCr 等; 超合金材料，如CoNiCrAlY，CoNiCrAlY － Al2O3等; 陶瓷材料，如 ZrO2－ SiO2，Al2O3－ Cr2O3等各种喷涂材料广泛而成功地应用于炉辊表面涂层的制备。由于这些涂层材料分别具有良好的耐热震性、耐磨性以及抗积瘤性，不仅大幅度地提高了炉辊的使用寿命，而且也极大地提高了带钢的品质。对涂层的性能要求取决于连续退火炉工艺参数和工作环境。最常用的涂层材料有［5］: MCrAlY、Cr3C2－ NiCr 以及MCrAlY + Al2O3等。国外开发的新涂层材料有CoNiCrAlTaY、Al2O3－ Cr2O3、ZrO2－ SiO2、CoCrA-lY － CrB2/ Y2O3、纳米粉末涂层、自清理涂层等。
早在 20 世纪 70 年代，日本各钢铁公司开始对连续退火炉内辊( Hearth roll) 表面实施喷涂处理，在这一领域，最初实施喷涂加工的是 PRAX-AIR SURFACETE CHNOLOGY。公司按照 PRAX-AIR 公司的规范，采用气体爆燃喷涂方法 ( D －Gun) 对 700℃ 以下的低中温区域的钢辊喷涂镍铬碳化铬( NiCr －80% Cr3C2) 材料; 对 700℃以上的高温区域钢辊喷涂钴基高温合金( CoTaSiCrAlY+ Al2O3) 复合材料［6］。这两种喷涂材料一直被延续使用到今天，也被国内某些公司应用。
有人［7］通过调研认为，目前常用的典型炉底辊喷涂材料主要有以下 3 类，见表 2。第 1 类的爆炸喷涂是一种新兴的喷涂方法，这种喷涂方法涂层空隙小，与母材的结合强度高，但是爆炸喷涂的效率较低，一般爆炸频率不超过 4 次/s ～10 次/s，这会在辊面造成明显的条纹痕迹，这种喷涂层的炉辊只能用于生产普通的冷轧带钢，如 CQ 钢种，在表面质量要求不高的情况下使用，爆炸喷涂炉辊用于家电及汽车用钢板生产时，辊面的条纹会复制到带钢表面，无法满足高质量的带钢生产，该缺陷称为“Pop—Mark”。
第 2 类喷涂材料是一种比较古老的喷涂层，早在 20 年前就开始应用，耐热温度相对比较低，一般只适用于炉温 800℃以下的工况。随着退火炉温度的不断提高以及高强钢的生产，使用这种材料喷涂后炉辊一般在 1 个月左右就发生结瘤现象。因此该喷涂材料也逐渐被淘汰。
第 3 类喷涂材料是近几年流行的炉辊喷涂材料，但是这种喷涂方法涂层空隙比较大，喷涂后表面未做任何处理，一般使用 2 ～ 3 个月后辊面出现结瘤。结瘤主要成分为 Fe、Mn 等，并且难以手工清除去掉。此外，很多文献中叙述到在喷涂材料里添加 CrB2，CrB2的确对抗结瘤有一定帮助，但是，CrB2的熔点比较低，一般在 800℃ 左右会分解，并形成游离态的硼，这些硼随着带钢行走会粘附在后面低温段的炉辊表面，在退火炉低温段( 450℃ ～ 650℃) 时，硼与辊面的锰、铁等结合，并凝固形成 Mn － Fe － B 的化合物，该化合物牢固地粘附在辊面即为结瘤。总之，这种喷涂材料可以应用在高温段炉辊，也有较好的抗结瘤性，但是带来的负面效应是造成低温段炉辊结瘤严重。
将钢辊表面喷涂成 100% 的陶瓷材料，会进一步提高钢辊的耐结瘤性。尤其是对于结瘤物成分以铁为主的合金。国外已有采用 Y2O3或者CaO 部分稳定氧化锆涂层或者氧化铝—氧化铬涂层作为炉底辊表面喷涂材料［8］。目前这种完全陶瓷材料的涂层还仅限于使用在钢辊直径较小的水平连续退火炉内。
文献［9］选用了 MCrAlY + 氧化物复合材料，这里的 M = Co、Ni、Fe、Nb 等金属，选择材料时考虑合金中铝和铬的含量分配。耐结瘤性能方面完全可以达到钴基高温合金的水平，而耐氧化锰反应性却明显高于钴基高温合金。适用在高温区域存在氧化锰条件下使用。气体爆燃喷涂宝钢炉底辊，经过近 1 年的使用，效果良好。镍铬碳化铬涂层具有较高的高温耐磨性，在温度 700℃ ～ 800℃ 时该涂层的硬度约为 400 ～500HV。在高温下，涂层中的铬或者碳化铬容易向氧化铬转变，在涂层表面形成致密的氧化铬膜，保护钢辊不生产结瘤［10］。
钴基高温合金喷涂材料最初作为高温耐磨涂层应用在飞机发动机上，后来这种涂层被应用在连续退火炉高温段炉辊表面喷涂。表 3［11］涂层的主要成分，由气体爆燃喷涂方法形成涂层，涂层的平均硬度为 800HV，为了提高涂层的高温耐磨性，添加了 10% 的 Al2O3，经过热处理后，在涂层内部形成高硬度的 TaC 析出相，在涂层的表面形成 3μm ～ 10μm 的致密氧化铝膜，起着耐结
瘤作用。涂层内部的 Al 会不断的向涂层表面扩散，维持涂层致密氧化铝膜。随着涂层中铝元素扩散的枯竭，达到涂层的使用寿命。实践证明对于运行温度低于 850℃ 的高温段，使用这种涂层具有良好的耐磨性和耐瘤性，在不发生化学反应下，一般该涂层寿命可 5 年以上。
文献［12］以 Y2O3－ ZrO2陶瓷为工作层，ZrO2－ NiCr 金属陶瓷为过渡层，Ni48Cr28W5 耐热钢为基体，研制具有抗热震、高硬度、抗结瘤的新型陶瓷涂层炉底辊。对采用上述结构的陶瓷涂层炉底辊在硅钢连续退火炉中进行了现场试验，考核炉底辊总长 2700mm，工作段长 1500mm，直径 120mm。工作温度为 860℃ ～920℃，气氛为氮 － 氢还原气氛，并有不同露点。试验结果表明，陶瓷涂层炉底辊使用寿命超过 6 个月，最长达 2 年。说明涂层与辊基热匹配较好，能承受生产过程中的热冲击; 涂层稳定性好，耐磨性高、寿命长; 涂层具有强的高温抗氧化性和抗还原性，在 860℃ ～920℃高温不同露点的使用环境下不与气氛发生反应。
文献［13］开发了适合我国国情的金属陶瓷喷涂强化炉辊的新技术。采用 Ni、Mo、Al 等金属粉末和 Al、Cr、Si、Ti 等的氧化物或碳化物陶瓷粉末，它们既能用等离子喷涂又能用带侧吹装置的合金粉末喷涂枪进行喷涂。利用 3 根 230mm返修旧炉辊，先对其表面进行车削处理，由于炉辊未经矫直，车削深度达 2mm ～ 10mm。采用 5P和 SPF － 2000 型火焰喷涂枪，在辊面喷涂 0．35mm ～ 0． 5mm 厚的金属陶瓷。3 根喷涂修复试验辊，与 21 根未喷涂的新炉辊同时装入上钢五厂不锈钢管固溶处理连续式加热炉( 全炉共用 24根辊) 内进行对比使用。试验辊分别安装在使用条件最苛刻的高温段和水帘喷淋处，工作温度为1050℃ ～ 1150℃ 。使用一年，有 5 根新辊中途爆裂更换，停炉检修时，又有 11 根因表面异物粘附和侵蚀坑洼需返修。3 根试验辊经使用一年后，辊面呈光亮的釉黑色，致密光洁净，无异物粘附。
文献［7］针对传统的喷涂材料的失效原因，通过大量对比较试验和现场实际效果，开发出了新一代的炉辊喷涂材料，并通过相应的喷涂层后处理制备方法，使这一新型材料以抗铁、锰结瘤为主要特征，并有较好的耐高温性、抗氧化性，不仅能用于退火炉高温段( 炉温 850℃ ～ 1000℃) ，还特别适用于冷却段( 炉温 450℃ ～650℃) 。该喷涂材料涂层化学成分体系为 CoCrAlY －ZrB2，其成分为( 质量分数) CoCrAlY 的含量在80% ～ 85% ，ZrB2的含量在 15% ～20%。喷涂方法采用超音速( HVOF) 方法，涂层厚度在 0． 04mm～ 0． 08mm。为了提高抗铁、锰结瘤性能，在辊面喷涂完后表面实施封孔处理。封孔剂为铬酸或铬氨酸。将该溶液均匀地涂在喷涂完的辊面上，然后在 500℃ ～600℃的炉内烧制 5h ～ 7h。封孔后的涂层比较致密。为了进一步提高抗高温氧化能力及硬度，进行高温烧制，即在封孔处理后将炉温继续提高到 900℃ ～1000℃，连续烧制 30h～ 35h。这种喷涂材料加上封孔及高温烧制处理，可以较好地消除炉辊表面的结瘤。
宝钢炉底辊典型的喷涂工艺是 HOVF + Co-CrAlY － ZrB2涂层。喷涂完后表面实施封孔处理。封孔剂为铬酸或铬氨酸，均匀地涂抹后在500℃ ～ 600℃ 的炉内烧制 5h ～ 7h。封孔处理后将炉温继续提高到 900℃ ～1000℃，连续烧制 30h～ 35h，这种喷涂材料加上封孔及高温烧制处理，可以较好地消除炉辊表面的结瘤。宝钢机械厂和中国农机院表面工程技术研究所［14］共同研究开发了高温段炉底辊涂层制备工艺技术，在选材和喷涂工艺方法上进行了试制，运用等离子喷涂工艺和超音速火焰( HVOF) 喷涂工艺相结合，制备了超合金 MCrAlY 涂层及其和 NiCr － 碳化物的复合涂层，从而提高炉底辊表面抗热腐蚀、耐磨损及抗积瘤的性能。引进了日本 TOCALO 炉底辊喷涂修复专利技术，辊喷涂修复技术已广泛应用于 NSC、KSC、NKK、KSL、NISSHIN、POSCO、CSC、LTV 等世界名钢铁公司的连退机组。目前工厂已为宝钢的 1420CAPL 和 1550CAL 及宁波宝新不锈钢的退火炉辊进行了喷涂修复。
4 有关炉底辊涂层材料的发明专利
上海宝钢设备检修有限公司发明了一种带钢连续退火生产线炉辊表面热喷涂金属陶瓷粉末涂层，抗积瘤作用强、耐磨损性能好。合金粉末为 MCrAlYTa 合金粉末，陶瓷粉末由 ZrB2和Cr3C2粉末组成，合金粉末和陶瓷粉末的重量百分比为: 合金粉末 89% ～75%，陶瓷粉末 11% ～25% 。在 MCrAlYTa 合金粉末中，相对于金属陶瓷粉末总重量，含有 13% ～25%的 Cr，3% ～10%的 Al，0． 1% ～ 1% 的 Y，低于 12% 的 Ta; 余量为M，M 为 Co 和 Ni 中的一种; 陶瓷粉末中，相对于金属陶瓷粉末总重量，ZrB2和 Cr3C2含量分别为10% ～ 20% 和 1% ～ 5%［15］。
宝钢新日铁汽车板有限公司发明了一种连续退火炉炉辊表面涂层及其后处理方法，涂层材料由金属混合物及 ZrB2( 陶瓷) 组成，其成分如下( 重量百分比) : 金属混合物 CoCrAlY 80% ～85% ，ZrB2( 陶瓷) 15% ～ 20%，其中 Co、Cr、Al、Y中各元素占金属混合物 CoCrAlY 的重量百分配比为: Co: 70% ～ 80%，Al: 5% ～ 10%，Cr: 10% ～20% ，Y: 0． 1% ～ 0． 8% ( Al 与 Cr 之和 ≤30% ) 。
炉辊喷涂后，对涂层空隙进行封孔处理和封孔处理后涂层继续高温烧制的方法。提高了退火炉各炉温段抗结瘤性。表面封孔处理，消除了喷涂层之间的空隙。高温烧制后在辊面涂层上形成了更致密的保护膜，提高了涂层抗铁、锰结瘤性［16］。
福吉米株式会社，东华隆株式会社发明了一种热喷涂粉末，含有 30% ～ 50wt% 的碳化铬，剩余的为含有铬、铝、镱、以及钴和镍两者中的至少一种的合。该热喷涂粉末具有 20μm ～ 60μm的平均粒径。该热喷涂粉末可以含有 20% ( 质量) 或更少的氧化镱以代替所述合金中的一部分。一种通过热喷涂该热喷涂粉末而形成的热喷涂涂层，尤其是一种通过高速火焰喷涂该热喷涂粉末而形成的热喷涂涂层适用于炉底辊［17］。
上海君山表面技术工程股份有限公司发明了应用于钢厂中冷轧钢板连续退火线、连续热镀锌线以及硅钢生产线中高温段的炉辊，由炉辊基体和炉辊表面的金属 － 陶瓷氧化物涂层构成，该炉辊基体材质为耐热铸钢; 该炉辊表面爆炸喷涂的金属 － 陶瓷氧化物涂层; 涂层中陶瓷的化学成分为 Al2O3，含量为 10% ～30% wt; 涂层中高温合金的含量为 70% ～ 90% wt。其制造方法步骤包括: 清洁辊面、预热、喷砂、喷涂、抛磨、热处理、动平衡、检验、包装。经检测，该产品的高温强度、耐积瘤性能和耐磨损性能均属于优等［18］。还发明了一种涂层粉末材料，尤其在 1100℃左右高温下，具有抗氧化、耐腐蚀及耐磨损的金属 － 陶瓷氧化物涂层材料。其材料组分包含包括: Al2O350 ～ 85; ZrO2－ Y2O3: 5 ～ 20; CrB: 5 ～ 25; Cr2O3: 2～ 10，上述均为重量百分比［19］。
美国普拉塞尔． S． T． 技术有限公司发明的表面上有陶瓷热喷涂覆层的炉辊。它是由耐热合金 MCrAlY 和与之相结合的陶瓷氧化物组成。MCrAlY 中 M 是 Fe、Ni 或 Co，Al 的含量低于 10%( 原子) ，( Al + Cr) 总量介于 13% ～ 31% ( 原子)之间，和陶瓷氧化物是选自 MgO，MgAl2O4和Y2O3组中的至少一种氧化物［20］。
武汉工业大学、武汉钢铁( 集团) 公司发明了一种硅钢连续退火炉陶瓷复合涂层炉底辊，在炉底辊辊基上喷涂有由底层，过渡层和表面层组成的陶瓷复合层，该炉底辊的生产方法是先将炉底辊辊基去油、粗化，然后用等离子喷涂技术在辊基上依次喷涂 NiCr 合金底层 NiCr 合金和 Y2O3－ ZrO2陶瓷混合的过渡层和 Y2O3－ ZrO2陶瓷表面层，最后将喷涂好的炉底辊打磨抛光。本发明所述炉底辊具耐 950℃ ～1050℃高温、抗结瘤、长期连续运行、涂层不剥落优点，主要用于硅钢连续退火炉，取代目前普遍使用的进口石墨套辊［21］。
5 结束语
1) 随着高性能陶瓷涂层技术的发展，使用合金钢陶瓷涂层炉底辊是发展趋势。
2) 对炉底辊表面性能的要求是必须有较好的抗热震性、耐磨性、抗结瘤性和化学稳定性。从炉底辊的失效形式来看，对涂层材料的主要要求是抗结瘤性好、耐脱落。
3) 炉底辊的常用基体材料为 4Cr25Ni20Si2、4Cr25Ni35Nb、3Cr24Ni7N、3Cr24Ni7NRe。其中后二者是国内研制的节 Ni 新钢材。
4) 炉底辊涂层制备工艺技术中常采用等离子喷涂、超音速火焰喷涂、爆炸喷涂等工艺方法。
最常用的涂层材料有: MCrAlY、Cr3C2－ NiCr 以及MCrAlY + Al2O3等。国外开发的新涂层材料有CoNiCrAlTaY、Al2O3－ Cr2O3、ZrO2－ SiO2、CoCrAlY－ CrB2/ Y2O3、纳米粉末涂层、自清理涂层等。近几年国际上流行的炉底辊喷涂工艺是 HOVF +CoCrAlY － CrB2涂层。
5) 宝钢炉底辊典型的喷涂工艺是 HOVF +CoCrAlY － ZrB2 涂层，可以较好地消除炉辊表面的结瘤。
参考文献略
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