CN101492749B - 高炉风口表面复合涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高炉风口表面复合涂层及其制备方法。所述高炉风口表面复合涂层由打底层、过渡层和表层组成，其中打底层为Ni基合金材料，采用等离子堆焊工艺；过渡层为NiCrAl合金材料，采用超音速火焰喷涂工艺；表层为ZrO2.Y2O3与Al2O3的混合物，采用等离子喷涂工艺。采用上述复合涂层进行表面处理的高炉风口，可实现涂层与铜母材之间的线膨胀系数呈梯度变化，保证高炉风口的耐磨性、抗热震性能，同时提高其抗腐蚀性能，大大延长了高炉风口的使用寿命，满足了高炉检修模型优化的需求，确保了高炉生产稳定顺行，同时大大降低了设备维修成本。
Description
技术领域
本发明涉及表面处理工程，具体地说，本发明涉及用于高炉风口表面的复合涂层及其制备方法。
背景技术
现有的高炉风口本体均采用高于99.5％的纯铜制造，其表面耐磨处理方法主要为堆焊和喷涂两种。
高炉风口采用堆焊工艺来进行表面处理，堆焊层硬度较高，其耐磨性较好，同时堆焊层与风口本体之间形成了冶金结合，结合强度高，其抗热震性能得到了较大的提高和改善。由于目前风口堆焊工艺都是镍基焊条氩弧焊，虽然充分利用了镍基材质和铜母材的浸润性好、堆焊较容易的特点，但高炉内含有硫、镍基合金，在高炉气氛中Ni和S化合在晶界生成低熔点的NiS网状组织，从而发生热脆，造成堆焊层表面腐蚀失效，因此镍基焊条堆焊风口的使用寿命无法进一步提高。
高炉风口采用喷涂工艺来进行表面处理，虽然其表面硬度可进一步提高，但由于喷涂层和风口本体之间的结合强度较低，喷涂层材料和铜母材之间的线膨胀系数变化梯度大，因此其抗热震性能差，喷涂层易发生开裂剥落现象，不能适应高炉强化冶炼工况条件的要求。
经检索，一些国内外的高炉风口涂层的发明思路、结构原理各不相同。如：中国专利公开公报CN1075339公开了一种“高炉风口表面复合合金渗透处理方法”，它是通过风口表面复合合金渗透处理方法形成的高强度陶瓷合金金属层来提高风口的使用寿命，处理方法较为复杂；中国专利公开公报CN1224764公开的“高炉风口表面保护层”是采用粉末冶金工艺将MCrAlY系合金粉末和高硬度陶瓷粉末混合后烧结成金属陶瓷预制件，然后将预制件连接至风口内壁或外壁来提高风口的抗热震、抗冲蚀、抗热腐蚀性能，由于金属陶瓷预制件需在真空或惰性气体保护下进行烧结，或是采取液相烧结，因此工艺复杂，且文中并未提到此表面保护层的抗热震性等数据；美国专利申请US4189130描述了一种高炉风口处理方法，是通过在风口表面喷涂金属陶瓷材料来提高其耐磨性能和抗热震性能；日本专利申请JP54158336是通过在风口表面堆焊CuNiMoTi合金或类似合金后，喷涂硬质合金层来提高风口的耐热性能和耐磨性能；日本专利申请JP56003608A是通过在风口表面喷涂铝或铝合金来提高其耐磨性能和抗腐蚀性能；日本公开特许公报昭53-138905公开了一种高炉风口壁面热喷涂涂层配方，采用热喷涂方法在高炉风口壁面依次喷涂Ni基自熔合金层、Co-Ni-Mo-W-Si或Co-Ni合金加Al2O3-ZrO2金属陶瓷涂层、Al2O3-ZrO2陶瓷面层，由于内壁涂层很易从基体剥离，因此涂层厚度很难超过0.5mm，风口长期工作条件下涂层的抗冲蚀防护效果受到限制。
由于现行风口本体的结构及材质已经比较合理，因此可通过提高风口前帽的使用寿命，即提高风口表面耐磨层的使用寿命来进一步提高风口的寿命。有鉴于此，本发明者利用Ni基合金-NiCrAl合金-ZrO2.Y2O3+Al2O3陶瓷作为高炉风口表面复合涂层，从而保证了高炉风口的耐磨性、抗热震性能，同时提高了其抗腐蚀性能，大大延长了高炉风口的使用寿命，满足了高炉检修模型优化的需求，确保了高炉生产稳定顺行，同时大大降低了设备维修成本。
本发明的一个目的在于提供高炉风口表面复合涂层。
本发明的另一个目的在于提供所述高炉风口表面复合涂层的制备方法。
发明内容
本发明的第一个方面提供高炉风口表面复合涂层，该高炉风口表面复合涂层由打底层、过渡层和表层组成，其中打底层为Ni基合金，厚度为2～2.5mm；过渡层为NiCrAl合金，厚度为0.1～1.15mm；表层为ZrO2.Y2O3与Al2O3按后者占40～60％比例的陶瓷材料，厚度为0.3～0.5mm。
本发明的第二个方面提供所述高炉风口表面复合涂层的制备方法，该方法包括：采用等离子堆焊工艺制备厚度为2～2.5mm的Ni基合金打底层；采用超音速火焰喷涂工艺制备厚度为0.1～0.15mm的NiCrAl合金过渡层；采用等离子喷涂工艺制备厚度为0.3～0.5mm的ZrO2.Y2O3与Al2O3按后者占40～60％比例的陶瓷材料表层。
高炉风口本体与复合涂层的线膨胀系数呈一定的梯度，在高炉冶炼条件下，风口前端温度场分布合理，复合涂层受热应力产生裂纹的倾向小，能大大提高高炉风口的抗热震性能。
打底层选用Ni基合金材料，充分利用了镍基材质和铜母材的浸润性好的优点，采用等离子堆焊工艺可减小焊接热影响区，同时实现其与铜之间的冶金结合，以保证其与风口本体的结合强度；表层采用ZrO2.Y2O3与Al2O3混合而成的陶瓷材料，可充分发挥ZrO2.Y2O3材料耐高温、化学性能稳定、抗腐蚀性能优良、导热系数低等特点，同时兼顾了Al2O3良好的耐磨性能，因此与高炉炉气直接接触的表层具有良好的综合性能；过渡层采用NiCrAl合金材料，充分利用了其良好的韧性，可大大提高表层材料与过渡层的结合强度。
本发明的有益效果为：可实现风口本体与打底层的熔合区约0.15mm、堆焊层稀释率约6％的良好状况，表层与过渡层之间的结合强度高于20MPa，复合涂层的硬度HB高于300，保证了高炉风口的耐磨性、抗热震性能，同时提高其抗腐蚀性能，大大延长了高炉风口的使用寿命，满足了高炉检修模型优化的需求，确保了高炉生产稳定顺行，同时大大降低了设备维修成本。
附图说明
图1是高炉风口结构示意图。
图2是图1中A部分的结构放大示意图。
其中，1为高炉风口本体，2为复合涂层，3为打底层，4为过渡层，5为表层。
具体实施方式
以下用实施例结合附图对本发明作更详细的描述。这些实施例仅仅是对本发明最佳实施方式的描述，并不对本发明的范围有任何限制。
实施例1：
如图1、图2所示，高炉风口本体1(含有＞99.5％的纯铜)制造完成后，在风口表面采用复合涂层2进行强化处理，复合涂层2设计成三层：打底层3、过渡层4和表层5。打底层3为Ni基合金材料，采用等离子堆焊工艺制备，堆焊厚度为2mm；过渡层4为NiCrAl合金材料，采用超音速火焰喷涂工艺制备，喷涂厚度为0.15mm；表层5为ZrO2.Y2O3∶Al2O3＝2∶3的陶瓷材料，采用等离子喷涂工艺制备，喷涂厚度为0.3mm。
实施例2：
实施方法同实施例1，其中打底层3的堆焊厚度为2.5mm，过渡层4的喷涂厚度为0.1mm，表层5中ZrO2.Y2O3∶Al2O3＝1∶1，喷涂厚度为0.4mm，
实施例3
实施方法同实施例1，其中打底层3的堆焊厚度为2mm，过渡层4的喷涂厚度为0.1mm，表层5中ZrO2.Y2O3∶Al2O3＝3∶2，喷涂厚度为0.5mm。
试验例1：
对本发明实施例1-3的高炉风口表面复合涂层进行表层抗热震性能试验。
试验方法：将试样(规格：50×35mm)放入950℃的马弗炉内，保温15min后取出，快速投入室温清水中，如此反复。将第一次发现宏观裂纹的次数定为宏观起裂次数，当涂层表面剥离面积达到1/3时，其热震次数定为涂层失效次数。
试验结果：实施例1的高炉风口表面复合涂层的热震次数为9次，实施例2的复合涂层的热震次数为8次，实施例3的复合涂层的热震次数为7次。
从上述试验数据表明，本发明的高炉风口表面复合涂层的抗热震性能良好。
试验例2：
对本发明实施例1-3的高炉风口表面复合涂层进行表层抗高温氧化性能试验。
试验方法：将试样(规格：15×20mm)放入950℃的马弗炉内，保温20h后随炉冷却，观察试样的增重情况。
试验结果：实施例1的高炉风口表面复合涂层增重≤0.14g，实施例2的复合涂层增重≤0.08g，实施例3的复合涂层增重≤0.09g。
上述试验数据表明，本发明的高炉风口表面复合涂层具有良好的抗腐蚀性能。
采用本发明的复合涂层对高炉风口进行表面处理，可实现风口本体与打底层的熔合区约0.15mm、堆焊层稀释率为6％，表层与过渡层之间的结合强度高于20MPa，复合涂层的硬度HB为360～380，保证了高炉风口的耐磨性、抗热震性能，同时提高其抗腐蚀性能，大大延长了高炉风口的使用寿命，满足了高炉检修模型优化的需求，确保了高炉生产稳定顺行，同时大大降低了设备维修成本。
Claims (2)
1.一种高炉风口表面复合涂层，由打底层、过渡层和表层组成，其特征在于，打底层为Ni基合金，厚度为2～2.5mm，采用等离子堆焊工艺制备；过渡层为NiCrAl合金，厚度为0.1～0.15mm，采用超音速火焰喷涂工艺制备；表层为ZrO2.Y2O3与Al2O3按后者占40～60％比例的陶瓷材料，厚度为0.3～0.5mm，采用等离子喷涂工艺制备。
2.权利要求1所述的高炉风口表面复合涂层的制备方法，其特征在于，采用等离子堆焊工艺制备厚度为2～2.5mm的Ni基合金打底层；采用超音速火焰喷涂工艺制备厚度为0.1～0.15mm的NiCrAl合金过渡层；采用等离子喷涂工艺制备厚度为0.3～0.5mm的ZrO2.Y2O3与Al2O3按后者占40～60％比例的陶瓷材料表层。
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