CN111926281A - 一种艾萨炉冶炼长寿命喷枪陶瓷涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种艾萨炉冶炼长寿命喷枪之陶瓷涂层及其制备方法。所述陶瓷涂层由沉积于基体之上的粘结层和粘结层之上的陶瓷层组成，所述粘结层与陶瓷层依次通过喷涂方式沉积于基体上。其制备方法，包括喷砂除尘、火焰喷涂、离子喷涂和热处理四步骤。本发明基于陶瓷涂层中稀土氧化物的添加，使得顶层陶瓷涂层具有更好相稳定性、更低烧结速率和导热系数。制备过程利用大气等离子喷涂制备陶瓷层，能有效的阻止熔体的高温扩散，进一步增加了枪体的使用寿命。本发明之陶瓷涂层既有良好的隔热效果，又有抗高温氧化及热冲击性能。而且采用的粘结层合金对合金枪体的使用寿命提升明显，能延长喷枪的使用寿命。广泛应用于冶炼铜、铅、锗、锡矿等矿产的冶炼。
Description
技术领域
本发明属于冶金领域，尤其属于艾萨炉冶炼技术领域。具体涉及一种艾萨炉冶炼长寿命喷枪陶瓷涂层及其制备方法。
背景技术
艾萨熔炼法是一种熔池熔炼法，通过喷枪把富氧空气强制鼓入熔池，使溶池产生强烈搅动加快化学反应的速度，充分利用精矿中的硫、铁氧化所放出的热量进行熔炼，同时产出高品位金属。采用艾萨熔炼法可以熔炼铜精矿产出铜锍、直接熔炼硫化精铅矿生产粗铅、熔炼锡精矿生产锡，也可以处理冶炼厂的各种渣料及再生料等。艾萨法熔炼技术的广泛使用大大提高了生产效率。
艾萨炉采用衬有耐火砖的平顶圆形炉体，由炉壳、炉衬、炉底、炉墙、炉顶、喷枪、喷枪夹持架及升降装置、加料装置、上升烟道以及熔体排放出口等组成。喷枪由炉顶插入炉内，向炉中的熔融体内的渣和金属的混合物喷射气体、氧气和燃料，形成在熔池内的熔体-炉料-气体之间造成强烈的搅拌与混合，强化了热量传递、质量传递和化学反应速率，在燃料需求和生产能力方面产生较高的经济效益。炉内熔渣溅起时在喷枪上形成挂层，保护了喷枪露出熔融体部分不受强烈腐蚀环境的损坏。艾萨炉的产品金属和渣的混合物从炉底部带有冷却水套的熔体排放出口排出，进入沉淀炉，利用冰铜和渣的不同比重分离。
艾萨熔炼法的特点在于其独特的喷枪低压旋涡器设计。艾萨炉喷枪的作业压力为80千帕左右，采用单段吹风机即可提供燃烧气体，不必使用昂贵的压缩机。喷枪固定在一个滑架上，与管路连接。滑架的各种管接头分别用金属软管与车间供油、供风管道相接。喷枪头部插入渣层的深度，根据喷吹气体压力变化由计算机自动调节。浸没在渣中的喷枪往往会被铅渣腐蚀而失效，频繁的换枪操作会严重影响整个熔炼过程，进而影响经济效益。因此，寻求一种合金涂层材料能够降低艾萨炉喷枪在使用过程中的烧蚀和氧化是解决这一问题的有效途径。
发明内容
本发明第一目的在于提供一种艾萨炉冶炼长寿命喷枪之陶瓷涂层，以期能有效降低枪体在熔炼过程中的烧损速度，提高喷枪端部抗烧穿能力。
本发明的第一目的是这样实现的，所述艾萨炉冶炼长寿命喷枪之陶瓷涂层，所述陶瓷涂层由沉积于基体之上的粘结层和粘结层之上的陶瓷层组成，所述粘结层与陶瓷层依次通过喷涂方式沉积于基体上。
本发明的另一目的是这样实现的，所述艾萨炉冶炼长寿命喷枪之陶瓷涂层的制备方法，包括喷砂除尘、火焰喷涂、离子喷涂和热处理步骤，具体包括：
（1）喷砂除尘：对不锈钢喷枪用喷砂磨料进行喷砂和除尘处理；
（2）火焰喷涂：除尘后的喷枪用合金粘结层粉末进行超音速火焰喷涂在枪体上沉积粘结层；
（3）离子喷涂：在喷涂好的合金粘结层上用稀土粉通过等离子喷涂至少沉积一层陶瓷涂层；
（4）热处理：对制备好涂层的枪体进行热处理，热处理温度为1000~1300℃，1.5~3h，随炉升降温。
本发明基于陶瓷涂层可以明显降低基材温度、硬度高、化学稳定性好，具有防止高温腐蚀、延长部件使用寿命；而稀土氧化物的添加，使得顶层陶瓷涂层具有更好相稳定性、更低烧结速率和导热系数。通过在不锈钢枪体上依次沉积中间的合金粘结层和顶层的陶瓷层，使得枪体具备了优异的高温抗氧化性能和抗腐蚀性能。制备过程利用大气等离子喷涂制备陶瓷层，能有效的阻止熔体的高温扩散，进一步增加了枪体的使用寿命。本发明之等离子喷涂制备的涂层既有良好的隔热效果，又有抗高温氧化及热冲击性能。而且采用的粘结层合金对合金枪体的使用寿命提升明显，能延长喷枪的使用寿命，减少艾萨炉熔炼过程中因为换枪而耽误生产的影响。
附图说明
图1为本发明艾萨炉结构及喷枪状态示意图；
图2为本发明艾萨炉冶炼陶瓷涂层结构示意图；
图中：1~下料口；2~导料管；3~混合燃气；4~排烟气管道；5~喷枪；6~熔体；7~不锈钢基体；8~合金粘结层；9~陶瓷层（多层）。
具体实施方式
下面将结合附图与实施例对本发明做进一步的说明，但不以任何方式对本发明加以限制，基于本发明教导所作的任何变更或改进，均属于本发明之保护范围。
如图1、图2所示，本发明所述艾萨炉冶炼长寿命喷枪之陶瓷涂层，所述陶瓷涂层由沉积于基体之上的粘结层和粘结层之上的陶瓷层组成，所述粘结层与陶瓷层依次通过喷涂方式沉积于基体上。
所述粘结层由镍基合金粉、钴基合金粉或铁基合金粉中的一种或一种以上组合而成；所述陶瓷层由稀土氧化物掺杂的YSZ粉末、稀土铌酸盐粉末；稀土锆酸盐粉末；稀土硅酸盐粉末中的一种或一种以上组合而成。
所述粘结层的镍基合金粉为NiCr、NiCrAl或NiCoCrAl合金粉；钴基合金为CoCrNi、CoCrAl或CoNiCrAlY合金粉；铁剂合金粉为FeCrAl或FeCrAlY合金粉。
所述稀土氧化物为稀土La、Ce、Gd、Nd或Yb的氧化物。
所述陶瓷层为至少一层的复合层结构，各层厚度为50~300μm。
本发明所述艾萨炉冶炼长寿命喷枪之陶瓷涂层的制备方法，包括喷砂除尘、火焰喷涂、离子喷涂和热处理步骤，具体包括：
（1）喷砂除尘：对不锈钢喷枪用喷砂磨料进行喷砂和除尘处理；
（2）火焰喷涂：除尘后的喷枪用合金粘结层粉末进行超音速火焰喷涂在枪体上沉积粘结层；
（3）离子喷涂：在喷涂好的合金粘结层上用稀土粉通过等离子喷涂至少沉积一层陶瓷涂层；
（4）热处理：对制备好涂层的枪体进行热处理，热处理温度为1000~1300℃，1.5~3h，随炉升降温。
所述步骤（1）喷砂磨料为白刚玉砂、棕刚玉砂或金刚石砂中的一种或一种以上组合使用，砂粒粒径为0.1~1.2mm，喷砂压力为0.2~0.8MPa。
所述步骤（2）中超音速火焰喷涂工艺条件：煤油压力选择1.5MPa，流量为0~1L/min；氧气压力选择1.5MPa，流量为0~1m3/min；载气压力为0.5MPa，流量为4~12L/min；送粉压力为0.15MPa；送粉速度为0~300g/min；粉末粒径为15~150μm。
所述步骤（3）中等离子喷涂工艺条件：陶瓷粉末粒径为25~75μm。氩气流量35~60L/min；氢气流量0.25~3.0L/min；电流300~700A；电压40~60V；送粉速度50~300g/min；喷涂距离80~130mm；热枪移动速度5~300mm/s。
所述步骤（4）热处理温度为1100~1200℃，2~2.5h，随炉升降温。
实施例1
本实施例所用粘结层为NiCr合金粉末。陶瓷层44%La3Zr2O7+YSZ（质量比）。对不锈钢喷枪进行喷砂和除尘处理，喷砂处理选用棕刚玉砂，砂粒粒径为1mm，喷砂压力为0.6MPa。
利用超音速火焰喷涂制备合金粘结层，喷涂工艺条件：煤油压力选择1.3MPa，流量为0.43L/min；氧气压力选择1.8MPa，流量为0.57m3/min；载气压力为0.5MPa，流量为10.5L/min；送粉压力为0.13MPa；送粉速度为230g/min；粉末粒径为25μm。
陶瓷层选用离子喷涂，喷涂工艺条件：陶瓷粉末粒径为75μm。氩气流量：35L/min；氢气流量：0.25L/min；电流：700A；电压 60V；送粉速度265g/min；喷涂距离100mm；热枪移动速度300mm/s。
对制备好涂层的枪体进行热处理，扩散热处理温度为1200℃，2h，随炉升降温。
实施例2
本实施例所用粘结层为NiCoCrAl合金粉末。陶瓷层20%YTaO4+YSZ（质量比）。对不锈钢喷枪进行喷砂和除尘处理，喷砂处理选用白刚玉砂，砂粒粒径为0.7mm，喷砂压力为0.5MPa。
利用超音速火焰喷涂制备合金粘结层，喷涂工艺条件：煤油压力选择1.3MPa，流量为0.5L/min；氧气压力选择1.8MPa，流量为0.4m3/min；载气压力为0.5MPa，流量为4L/min；送粉压力为0.15MPa；送粉速度为100g/min；粉末粒径为130μm。
陶瓷层选用离子喷涂，喷涂工艺条件：陶瓷粉末粒径为35μm。氩气流量40L/min；氢气流量0.25L/min；电流700A；电压60V；送粉速度：115g/min；喷涂距离80mm；热枪移动速度200mm/s。
对制备好涂层的枪体进行热处理，扩散热处理温度为1200℃，2h，随炉升降温。
实施例3
本实施例所用粘结层为NiCrAl合金粉末。陶瓷层30%ZrO2+ YbTaO4（质量比）。对不锈钢喷枪进行喷砂和除尘处理，喷砂处理选用白刚玉砂，砂粒粒径为0.8mm，喷砂压力为0.8MPa。
利用超音速火焰喷涂制备合金粘结层，喷涂工艺条件：煤油压力选择1.5MPa，流量为0.6L/min；氧气压力选择1.5MPa，流量为0.72m3/min；载气压力为0.5MPa，流量为7L/min；送粉压力为0.15MPa；送粉速度为120g/min；粉末粒径为100μm。
陶瓷层选用离子喷涂，喷涂工艺条件：陶瓷粉末粒径为35μm。氩气流量35L/min；氢气流量2L/min；电流：650A；电压：60V；送粉速度50g/min；喷涂距离100mm；热枪移动速度225mm/s。
对制备好涂层的枪体进行热处理，扩散热处理温度为1300℃，1.5h，随炉升降温。
实施例4
本实施例所用粘结层为FeCrAlY合金粉末。陶瓷层35%Lu3NbO7+YSZ（质量比）。对不锈钢喷枪进行喷砂和除尘处理，喷砂处理选用白刚玉砂，砂粒粒径为0.9mm，喷砂压力为0.8MPa。
利用超音速火焰喷涂制备合金粘结层，喷涂工艺条件：煤油压力选择1.3MPa，流量为0.5L/min；氧气压力选择1.8MPa，流量为0.4m3/min；载气压力为0.5MPa，流量为5.3L/min；送粉压力为0.15MPa；送粉速度为200g/min；粉末粒径为60μm。
陶瓷层选用离子喷涂，喷涂工艺条件：陶瓷粉末粒径为35μm。氩气流量：40L/min；氢气流量：0.3L/min；电流： 680A；电压 60V；送粉速度230g/min；喷涂距离120mm；热枪移动速度200mm/s。
对制备好涂层的枪体进行热处理，扩散热处理温度为1000℃，3h，随炉升降温。
实施例5
本实施例所用粘结层为CoCrNi合金粉末。陶瓷层40%Gb2SiO7+YSZ（质量比）。对不锈钢喷枪进行喷砂和除尘处理，喷砂处理选用金刚石砂，砂粒粒径为0.5mm，喷砂压力为0.3MPa。
利用超音速火焰喷涂制备合金粘结层，喷涂工艺条件：煤油压力选择1.3MPa，流量为0.66L/min；氧气压力选择1.8MPa，流量为0.74m3/min；载气压力为0.5MPa，流量为12L/min；送粉压力为0.15MPa；送粉速度为235g/min；粉末粒径为57μm。
陶瓷层选用离子喷涂，喷涂工艺条件：陶瓷粉末粒径为50μm。氩气流量：45L/min；氢气流量：3L/min；电流：550A；电压 57V；送粉速度176g/min；喷涂距离80mm；热枪移动速度5mm/s。
对制备好涂层的枪体进行热处理，扩散热处理温度为1100℃，2h，随炉升降温。
实施例6
本实施例所用粘结层为CoCrAl合金粉末。陶瓷层23%Y3Al5O12+YSZ（质量比）。对不锈钢喷枪进行喷砂和除尘处理，喷砂处理选用金刚石砂，砂粒粒径为0.4mm，喷砂压力为0.5MPa。
利用超音速火焰喷涂制备合金粘结层，喷涂工艺条件：煤油压力选择1.3MPa，流量为0.72L/min；氧气压力选择1.8MPa，流量为0.65m3/min；载气压力为0.5MPa，流量为9L/min；送粉压力为0.15MPa；送粉速度为160g/min；粉末粒径为35μm。
陶瓷层选用离子喷涂，喷涂工艺条件：陶瓷粉末粒径为60μm。氩气流量：60L/min；氢气流量：2.1L/min；电流：560A；电压 45V；送粉速度145g/min；喷涂距离90mm；热枪移动速度70mm/s。
对制备好涂层的枪体进行热处理，扩散热处理温度为1300℃，1.5h，随炉升降温。
实施例7
本实施例所用粘结层为CoNiCrAlY合金粉末。陶瓷层45%NdTaO4+YSZ（质量比）。对不锈钢喷枪进行喷砂和除尘处理，喷砂处理选用棕刚玉砂和金刚石砂，质量比为1:1，砂粒粒径为0.7mm，喷砂压力为0.8MPa。
利用超音速火焰喷涂制备合金粘结层，喷涂工艺条件：煤油压力选择1.3MPa，流量为0.85L/min；氧气压力选择1.8MPa，流量为0.63m3/min；载气压力为0.5MPa，流量为11L/min；送粉压力为0.15MPa；送粉速度为270g/min；粉末粒径为55μm。
陶瓷层选用离子喷涂，喷涂工艺条件：陶瓷粉末粒径为65μm。氩气流量：60L/min；氢气流量：1.9L/min；电流： 700A；电压 55V；送粉速度90g/min；喷涂距离115mm；热枪移动速度85mm/s。
对制备好涂层的枪体进行热处理，扩散热处理温度为1050℃，2h，随炉升降温。
实施例8
本实施例所用粘结层为FeCrAl合金粉末。陶瓷层17%La2Ce2O7+YSZ（质量比）。对不锈钢喷枪进行喷砂和除尘处理，喷砂处理选用白刚玉砂，砂粒粒径为0.6mm，喷砂压力为0.75MPa。
利用超音速火焰喷涂制备合金粘结层，喷涂工艺条件：煤油压力选择1.3MPa，流量为0.45L/min；氧气压力选择1.8MPa，流量为0.82m3/min；载气压力为0.5MPa，流量为9.2L/min；送粉压力为0.15MPa；送粉速度为260g/min；粉末粒径为125μm。
陶瓷层选用离子喷涂，喷涂工艺条件：陶瓷粉末粒径为45μm。氩气流量：55L/min；氢气流量：1.8L/min；电流：550A；电压 50V；送粉速度175g/min；喷涂距离95mm；热枪移动速度110mm/s。
对制备好涂层的枪体进行热处理，扩散热处理温度为1150℃，2h，随炉升降温。
实施例9
本实施例所用粘结层为CoNiCrAlY合金粉末。陶瓷层设计成双层结构，内层为7YSZ，外层为30%YbTaO4+YSZ（质量比）。对不锈钢喷枪进行喷砂和除尘处理，喷砂处理选用金刚石砂，砂粒粒径为0.6mm，喷砂压力为0.7MPa。
利用超音速火焰喷涂制备合金粘结层，喷涂工艺条件：煤油压力选择1.3MPa，流量为0.68L/min；氧气压力选择1.8MPa，流量为0.55m3/min；载气压力为0.5MPa，流量为12L/min；送粉压力为0.15MPa；送粉速度为270g/min；粉末粒径为75μm。
双层结构陶瓷层选用离子喷涂，喷涂工艺条件：陶瓷粉末粒径为35μm。氩气流量：50L/min；氢气流量：1.3L/min；电流： 640A；电压 55V；送粉速度185g/min；喷涂距离90mm；热枪移动速度150mm/s。
对制备好涂层的枪体进行热处理，扩散热处理温度为1125℃，2h，随炉升降温。
实施例10
本实施例所用粘结层为NiCoCrAl合金粉末。陶瓷层设计成双层结构，内层为Gd2Zr2O7，外层为55%mullite（莫来石）+YSZ（质量比）。对不锈钢喷枪进行喷砂和除尘处理，喷砂处理选用棕刚玉砂，砂粒粒径为1mm，喷砂压力为0.64MPa。
利用超音速火焰喷涂制备合金粘结层，喷涂工艺条件：煤油压力选择1.3MPa，流量为0.47L/min；氧气压力选择1.8MPa，流量为0.73m3/min；载气压力为0.5MPa，流量为12L/min；送粉压力为0.15MPa；送粉速度为270g/min；粉末粒径为85μm。
双层结构陶瓷层选用离子喷涂，喷涂工艺条件：陶瓷粉末粒径为50μm。氩气流量：60L/min；氢气流量：2.5L/min；电流： 680A；电压 60V；送粉速度220g/min；喷涂距离100mm；热枪移动速度145mm/s。
对制备好涂层的枪体进行热处理，扩散热处理温度为1100℃，1.5h，随炉升降温。
Claims (10)
1.一种艾萨炉冶炼长寿命喷枪之陶瓷涂层，其特征在于所述陶瓷涂层由沉积于基体之上的粘结层和粘结层之上的陶瓷层组成，所述粘结层与陶瓷层依次通过喷涂方式沉积于基体上。
2.根据权利要求1所述艾萨炉冶炼长寿命喷枪之陶瓷涂层，其特征在于所述粘结层由镍基合金粉、钴基合金粉或铁基合金粉中的一种或一种以上组合而成；所述陶瓷层由稀土氧化物掺杂的YSZ粉末、稀土铌酸盐粉末；稀土锆酸盐粉末；稀土硅酸盐粉末中的一种或一种以上组合而成。
3.根据权利要求1或2所述艾萨炉冶炼长寿命喷枪之陶瓷涂层，其特征在于所述粘结层的镍基合金粉为NiCr、NiCrAl或NiCoCrAl合金粉；钴基合金为CoCrNi、CoCrAl或CoNiCrAlY合金粉；铁基合金粉为FeCrAl或FeCrAlY合金粉。
4.根据权利要求2所述艾萨炉冶炼长寿命喷枪之陶瓷涂层，其特征在于所述稀土氧化物为稀土La、Ce、Gd、Nd或Yb的氧化物。
5.根据权利要求1或2所述艾萨炉冶炼长寿命喷枪之陶瓷涂层，其特征在于所述陶瓷层为至少一层的复合层结构，各层厚度为50~300μm。
6.根据权利要求1所述艾萨炉冶炼长寿命喷枪之陶瓷涂层的制备方法，包括喷砂除尘、火焰喷涂、离子喷涂和热处理步骤，其特征在于具体包括：
（1）喷砂除尘：对不锈钢喷枪用喷砂磨料进行喷砂和除尘处理；
（2）火焰喷涂：除尘后的喷枪用合金粘结层粉末进行超音速火焰喷涂在枪体上沉积粘结层；
（3）离子喷涂：在喷涂好的合金粘结层上用稀土粉通过等离子喷涂至少沉积一层陶瓷涂层；
（4）热处理：对制备好涂层的枪体进行热处理，热处理温度为1000~1300℃，1.5~3h，随炉升降温。
7.根据权利要求6所述的一种艾萨炉冶炼长寿命喷枪陶瓷涂层制备方法，其特征在于所述步骤（1）喷砂磨料为白刚玉砂、棕刚玉砂或金刚石砂中的一种或一种以上组合使用，砂粒粒径为0.1~1.2mm，喷砂压力为0.2~0.8MPa。
8.根据权利要求6所述的一种艾萨炉冶炼长寿命喷枪陶瓷涂层制备方法，其特征在于所述步骤（2）中超音速火焰喷涂工艺条件：煤油压力选择1.5MPa，流量为0~1L/min；氧气压力选择1.5MPa，流量为0~1m3/min；载气压力为0.5MPa，流量为4~12L/min；送粉压力为0.15MPa；送粉速度为0~300g/min；粉末粒径为15~150μm。
9.根据权利要求6所述的一种艾萨炉冶炼长寿命喷枪陶瓷涂层制备方法，其特征在于所述步骤（3）中等离子喷涂工艺条件：陶瓷粉末粒径为25~75μm，氩气流量35~60L/min；氢气流量0.25~3.0L/min；电流300~700A；电压40~60V；送粉速度50~300g/min；喷涂距离80~130mm；热枪移动速度5~300mm/s。
10.根据权利要求6所述的一种艾萨炉冶炼长寿命喷枪陶瓷涂层制备方法，其特征在于所述步骤（4）热处理温度为1100~1200℃，2~2.5h，随炉升降温。
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