CN103397124A

CN103397124A - 一种高炉冷却壁防护方法及防护涂层

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Publication number: CN103397124A
Application number: CN2013103169712A
Authority: CN
Inventors: 杨德良; 吕震
Original assignee: JINAN JINCUI METALLURGY TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Shandong Jincui Metallurgical Technology Co ltd
Priority date: 2013-07-25
Filing date: 2013-07-25
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2033-07-25
Also published as: CN103397124B

Abstract

一种高炉冷却壁的防护方法，包括如下步骤：a）高炉冷却壁的表面预处理，清除冷却壁表面的附着物，同时使表面粗化和表面活化；b）高炉冷却壁表面喷涂打底合金层；所述打底合金层的合金元素包括Al、Fe、Ni、稀土元素，且质量百分比为：Al:3-10％，Fe:2-5％，Ni:80-90％，稀土元素:2-5％；c）在打底合金层表面喷涂工作合金层，所述工作合金层的合金元素包括Co、Cr、Mo、W、Ni、稀土元素；且质量百分比为：Co:1-3％,Cr:18-30％,Mo:10-20％,W:2-6％,稀土元素:2-5％，其余为Ni；d）对所述工作合金层、打底合金层进行后续封孔处理。在不影响冷却壁基体能力的前提下，涂层具有硬度高、耐高温氧化、耐磨损、抗热震性能好。

Description

一种高炉冷却壁防护方法及防护涂层

技术领域

本发明涉及高炉冷却壁技术领域，具体的说是一种高炉冷却壁防护涂层及防护方法。

背景技术

腐蚀、磨损与防护一直是工业领域中倍受关注的课题。高炉冷却壁腐蚀是冶金行业中的一个重大问题。冷却壁的更换既费时又费钱。因此各国冶金部门均将高炉冷却壁的防腐与维修作为一项重大课题来研究。

高炉冷却壁是高炉内衬的重要水冷件，安装在高炉的炉身、炉腰、炉腹、炉缸等部位，不但承受高温，还承受炉料的磨损、熔渣的侵蚀和煤气流的冲刷，必须具备良好的热强度、耐热冲击、抗急冷急热性等综合性能。冷却壁能有效地防止炉壳受热和烧红，高炉内衬砖被烧蚀后主要靠渣皮保护冷却壁本身，并维持高炉的安全生产。因此，冷却壁的材质及性能好坏决定其工作寿命乃至高炉炉身的寿命。国内外钢铁企业的生产情况证明，高炉长寿的关键之一是实现冷却壁的长寿。因而提高冷却壁的质量和使用寿命是高炉长寿的一个重要研究课题。

从20世纪70年代开始，西方一些发达国家对高炉冷却壁进行了大量的研究及材质的更新。目前国外先进高炉的寿命可达15年以上，有的达20年以上，最近大修的部分高炉已将长寿目标定为30年。我国对冷却壁的制造、应用技术研究始于20世纪80年代中期，20多年来我国高炉冷却壁技术取得了长足的进展，但高炉冷却壁的设计研究和制作工艺与高炉长寿的目标还有一定的差距。目前我国很多高炉一代炉役无中修寿命低于10年，仅少数高炉可实现10～15年。高炉寿命的总体水平与国外先进水平相差较大.

要延长冷却壁使用寿命，不但要选择合理的材质，还要对冷却壁进行有效的防护。如何提高冷却壁的寿命是摆在各钢铁厂面前的难题。如果整体更换为高合金材料或铜冷却壁，虽然可以解决上述问题，但即不利于节能减排，也不利于钢材成本的降低。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的缺点，本发明的目的在于提供一种高炉冷却壁防护方法及防护涂层，在不影响冷却壁基体能力的前提下，涂层具有硬度高、耐高温氧化、耐磨损、优良的抗热震性能等特点，可显著延长高炉冷却壁的使用寿命，并具备成本低，可应用于冷却壁的现场施工等优点。

本发明提供的一种高炉冷却壁的防护方法，包括如下步骤：

a）．高炉冷却壁的表面预处理，清除冷却壁表面的附着物，同时使表面粗化和表面活化；

b）．高炉冷却壁表面喷涂打底合金层；所述打底合金层的合金元素包括Al、Fe、Ni、稀土元素，且质量百分比为：Al:3-10％,Fe:2-5％,Ni:80-90％,稀土元素:2-5％；

c）．在打底合金层表面喷涂工作合金层，所述工作合金层的合金元素包括Co、Cr、Mo、W、Ni、稀土元素；且质量百分比为：Co:1-3％,Cr:18-30％,Mo:10-20％,W:2-6％,稀土元素:2-5％，其余为Ni；

d）．对所述工作合金层、打底合金层进行后续封孔处理。

进一步的：

步骤b中，喷涂打底合金层时，采取的是超音速电弧喷涂，工艺条件是：电弧电压30-40V，工作电流：160-260A,压缩空气：0.6-0.8MPa；

步骤c中，喷涂工作合金层时，采取的也是超音速电弧喷涂，工艺条件是：电弧电压28-32V，工作电流：180-220A,压缩空气：0.6-0.8MPa。

进一步的：所述打底合金层的厚度为0.2-0.4mm；所述工作合金层的厚度为0.6-1.0mm。

优选的：所述工作合金层的厚度为0.6-0.8mm。

进一步的：步骤a中冷却壁表面预处理采用喷6-10目SiC砂进行清洁粗化和表面活化。

进一步的：步骤d所述后期封孔处理采用有机硅耐高温涂料将涂层的空隙进行密封，防止高温气体腐蚀基体。

本发明提供的一种高炉冷却壁防护涂层，其特征是：包括打底合金层、工作合金层；所述打底合金层喷涂在高炉冷却壁表面，所述工作合金层喷涂在所述打底合金层的表面；

所述打底合金层的合金元素包括Al、Fe、Ni、稀土元素，且质量百分比为：Al:3-10％,Fe:2-5％,Ni:80-90％,稀土元素:2-5％；

所述工作合金层的合金元素包括Co、Cr、Mo、W、Ni、稀土元素；且质量百分比为：Co:1-3％,Cr:18-30％,Mo:10-20％,W:2-6％,稀土元素:2-5％，其余为Ni。

优选的：所述工作合金层的厚度为0.6-0.8mm。

本发明的有益效果是：

（1）本发明提供的高炉冷却壁防护涂层,具备以下性能:

a．涂层具有优良的高温力学性能,以保证涂层在应力作用下能持继工作；

b．涂层抗高温氧化性能的提高可有效阻止氧向基体的扩散及进一步使基体发生氧化,特别是基体表面有缺陷存在时,涂层可阻止氧通过缺陷部位向基体内部渗透；

c．涂层与基体的结合强度强,耐磨性好，不易剥落。

（2）本发明提供的高炉冷却壁的防护方法优选采用电弧超音速喷涂工艺，此工艺喷涂效率高，粒子飞行速度达420米/秒，涂层与基体结合强度高，工艺中采用两层复合喷涂，涂层结合强度达到60MPa。

本发明的工艺方法及对高炉水冷壁进行喷涂形成的涂层，使水冷壁使用寿命提高3-5年，大大提高了水冷壁使用寿命，从而减少检修时间，提高经济效益，为降低吨铁成本、提高产量及节能减排做出贡献。

本发明的方法即可避免高温时涂层的脱落，又可弥补基体材料的耐高温氧化性能差、热疲劳性差等缺陷。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明：

图1为热喷涂涂层形成过程示意图；

图2为喷涂涂层200倍金相照片；

图中：1熔融后的粒子，2基体，3涂层。

具体实施方式

该高炉冷却壁的防护方法，包括步骤：

进一步的：该步骤a中冷却壁表面预处理采用喷6-10目SiC砂进行清洁粗化和表面活化；6-10目之间的任意一个点值都可以，例如7目、8目、9目等。

上述合金元素的质量百分比，可为上述各元素在其各自的范围值内任意取点值形成的，例如：

Al:3％,Fe:5％,Ni:87％,稀土元素:5％；

Al:10％,Fe:2％,Ni:83％,稀土元素:5％；

Al:10％,Fe:5％,Ni:83％,稀土元素:2％；

Al:10％,Fe:5％,Ni:80％,稀土元素:5％；

Al:6％,Fe:2％,Ni:90％,稀土元素:2％；

Al:3％,Fe:2％,Ni:90％,稀土元素:5％；

Al:3％,Fe:5％,Ni:90％,稀土元素:2％；

……等。

步骤b中，喷涂打底合金层时，采取的是超音速电弧喷涂，工艺条件是：电弧电压30-40V，工作电流：160-260A,压缩空气：0.6-0.8MPa；工艺条件可以根据需要在上述参数范围内取任意点值，例如：

电弧电压30V，工作电流：160A,压缩空气：0.6MPa；

电弧电压40V，工作电流：260A,压缩空气：0.8MPa；

电弧电压35V，工作电流：210A,压缩空气：0.7MPa；

……等。

进一步的：所述打底合金层的厚度为0.2-0.4mm，其厚度可以为0.2-0.4mm之间的任意一个点值，例如0.2、……、0.25、……、0.3、……、0.32、……、0.38、……、0.4等。

喷涂打底合金层可采用现有的JCS-01T自发热丝材通过超音速电弧喷涂，热喷涂涂层的形成过程如图1的1a、1b、1c所示，热喷涂时，涂层材料即JCS-01T自发热丝材被热源加热到熔融态或高塑性状态，在外加气体或焰流本身的推力下，雾化并高速喷射向基体表面，熔融后涂层材料的粒子1与基体发生猛烈碰撞而变形、展平沉积于基体表面，同时急冷而快速凝固，颗粒这样遂层沉积而堆积成涂层3。涂层即为由无数变形粒子相互交错呈波浪式一层一层堆叠而成的层状结构。

Co:1％,Cr:30％,Mo:20％,W:6％,稀土元素:5％,Ni:38％；

Co:3％,Cr:18％,Mo:20％,W:6％,稀土元素:5％,Ni:48％；

Co:3％,Cr:30％,Mo:10％,W:6％,稀土元素:5％,Ni:46％；

Co:3％,Cr:30％,Mo:20％,W:2％,稀土元素:5％,Ni:40％；

Co:3％,Cr:30％,Mo:20％,W:6％,稀土元素:2％,Ni:39％；

Co:2％,Cr:24％,Mo:15％,W:4％,稀土元素:3％,Ni:52％；

Co:2％,Cr:20％,Mo:12％,W:3％,稀土元素:3％,Ni:60％；

Co:1％,Cr:18％,Mo:10％,W:2％,稀土元素:2％,Ni:67％；

Co:3％,Cr:30％,Mo:20％,W:6％,稀土元素:5％,Ni:36％；

……等。

步骤c中，喷涂工作合金层时，采取的也是超音速电弧喷涂，工艺条件是：电弧电压28-32V，工作电流：180-220A,压缩空气：0.6-0.8MPa；工艺条件可以根据需要在上述参数范围内取任意点值，例如：

电弧电压28V，工作电流：180A,压缩空气：0.6MPa；

电弧电压32V，工作电流：220A,压缩空气：0.8MPa；

电弧电压30V，工作电流：200A,压缩空气：0.7MPa；

……等。

进一步的，所述工作合金层的厚度为0.6-1.0mm，更优选的：所述工作合金层的厚度为0.6-0.8mm。

工作合金层可采用现有的JCS-07T自发热丝材通过超音速电弧喷涂形成。

d）．对所述工作合金层、打底合金层进行后续封孔处理。

由上述防护方法中形成的一种高炉冷却壁防护涂层，包括打底合金层、工作合金层；所述打底合金层喷涂在高炉冷却壁表面，所述工作合金层喷涂在所述打底合金层的表面；

进一步的：所述打底合金层的厚度为0.2-0.4mm；所述工作合金层的厚度为0.6-1.0mm，更优选的：所述工作合金层的厚度为0.6-0.8mm。

图2为喷涂涂层200倍金相照片，显示了喷涂涂层的组织形貌结构。

可以看出基体经喷砂后，表面存在许多微小的凹凸与裂纹。喷涂打底合金层时即JCS-01T丝喷涂时，液态金属颗粒侵入这些微小缺陷中而形成机械铆钉式的结合。由图2可以看到，上面为45号钢基体，中间白色的为JCS-01T底层即打底合金层，下边灰色的为JCS-07T涂层即工作合金层。在45号钢与JCS-01T界面、JCS-01T与JCS-07T界面上，层间结合得很好。界面上的凹凸不平，有利于提高涂层的结合强度。另一方面JCS-01T的自反应特性：电弧温度高，金属粒子强烈过热，与基体形成微焊点。根据Ni-Al二元合金状态图，熔融的合金液滴在高温下会从Ni固熔体中析出Al，Al与Ni会与空气中的氧气发生反应放出大量的热量，使熔融的合金粒子温度进一步升高。熔融的合金粒子在撞击在基体表面的瞬间与基体表面发生冶金结合。虽然这种冶金结合只是分散而孤立的存在，但是与基体形成自结合，大大改善涂层的结合性能。

下面对利用本发明的工艺方法形成的JCS-01T喷涂打底合金层，JCS-07T喷涂工作合金层的多种参数，做如下对比试验，以证明本发明工艺方法形成的涂层的效果：

（1）涂层的结合强度：

表1涂层的结合强度

从表1可以看出，试样涂层虽然主要结合方式是机械结合，但由于喷涂了一层打底的NiAl合金层（即JCS-01T喷涂形成的打底合金层）形成一些弥散分布的微冶金结合点，能显著提高提高涂层与基体的结合强度。

2号和3号试样涂层与基体的结合强度相差不大，说明涂层内部的结合强度远大于涂层与基体的结合强度，且其与基体结合强度的大小主要取决与打底层与基体的结合强度，因此打底层材料的选择和喷涂质量的好坏对涂层的性能很重要。

（2）涂层显微硬度

所采用的试样为经打磨、抛光的金相试样，基体为45号钢，涂层厚度约为1.0mm。试验时所加载荷为300g，加载时间为10秒，基体和涂层的显微硬度结果分别见表2和表3。

表2基体的显微硬度

编号	1	1	3	4	5	平圴值
							基体硬度(HV)	194	189	206	196	187	195

表3涂层的显微硬度

从上表可以看出，涂层硬度与喷涂材料的性质是分不开的，但涂层硬度与喷涂材料硬度有区别，即使是同一种喷涂材料，涂层硬度通常也是不同的。涂层内含有气孔和孔隙，涂层的组织结构具有非均一性，因而造成涂层硬度的非均一性。而JCS-01T+07T的涂层显微硬度是比较高的。

（3）涂层热震性能

热震性试验:

1)将试样放在箱式电炉中加热,，保温10分钟,取出后立即浸入冷水中；

2)再次放到电炉中,加热；

3)重复执行步骤1、2,直至涂层剥落面积占涂层总面积的10%；

4)记录下从涂层开始加热到剥落时所采取水冷的次数。

试样1为JCS-02T丝喷涂涂层，试样2为JCS-07T丝喷涂涂层，试样3为JCS-01T+02T丝喷涂涂层，试样4为JCS-01T+07T丝喷涂涂层，分别用这4种试样在500℃和700℃条件下进行抗热震性能试验，试验结果如表4所示：

表4涂层热震试验数据

试验证明：JCS-01T+07T形成的涂层抗热震性能明显更好。

Claims

1.一种高炉冷却壁的防护方法，包括如下步骤：

d）．对所述工作合金层、打底合金层进行后续封孔处理。

2.如权利要求1所述的高炉冷却壁的防护方法，其特征是：

3.如权利要求1所述的高炉冷却壁的防护方法，其特征是：所述打底合金层的厚度为0.2-0.4mm；所述工作合金层的厚度为0.6-1.0mm。

4.根据权利要求3所述的高炉冷却壁的防护方法，其特征是：所述工作合金层的厚度为0.6-0.8mm。

5.如权利要求1所述的高炉冷却壁的防护方法，其特征是：步骤a中冷却壁表面预处理采用喷6-10目SiC砂进行清洁粗化和表面活化。

6.如权利要求1所述的高炉冷却壁的防护方法，其特征是：步骤d所述后期封孔处理采用有机硅耐高温涂料将涂层的空隙进行密封，防止高温气体腐蚀基体。

7.一种高炉冷却壁防护涂层，其特征是：包括打底合金层、工作合金层；所述打底合金层喷涂在高炉冷却壁表面，所述工作合金层喷涂在所述打底合金层的表面；

8.根据权利要求7所述的一种高炉冷却壁防护涂层，其特征是：所述打底合金层的厚度为0.2-0.4mm；所述工作合金层的厚度为0.6-1.0mm。

9.根据权利要求8所述的一种高炉冷却壁防护涂层，其特征是：所述工作合金层的厚度为0.6-0.8mm。