CN112008199A - 垃圾焚烧炉炉排片耐高温磨蚀复合材料堆焊涂层及其制备 - Google Patents

垃圾焚烧炉炉排片耐高温磨蚀复合材料堆焊涂层及其制备 Download PDF

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Abstract

本发明属于表面工程技术领域，涉及一种垃圾焚烧炉炉排片耐高温磨蚀复合材料堆焊涂层，该涂层为TiCW基Ni增韧的高致密度复合材料堆焊涂层，其致密程度接近该材料轧制态的致密度，该高温防磨蚀堆焊涂层与炉排片表面可形成冶金结合，与基体结合强度高，且具有优良的高温耐磨蚀性能，可满足垃圾焚烧炉中恶劣的服役条件，提高炉排片的服役周期。本发明还提供一种上述垃圾焚烧炉炉排片高温防磨蚀堆焊涂层的制备方法，该方法简单，成本低廉，可一次性快速生成金属陶瓷涂层，具有节约能源、快速高效等优点。

Description

垃圾焚烧炉炉排片耐高温磨蚀复合材料堆焊涂层及其制备
技术领域
本发明属于表面工程技术领域，涉及一种垃圾焚烧炉炉排片耐高温磨蚀复合材料堆焊涂层及其制备方法。
背景技术
垃圾焚烧炉炉排片在炉内的高温、腐蚀性气体和摩擦磨损条件下输送燃烧着的垃圾，与垃圾接触的表面磨蚀严重。国产化垃圾焚烧炉炉排片使用寿命短(7-10个月)，影响焚烧炉的长周期稳定使用，迫切需要通过设计、材料、工艺等方面的改进，提高炉排片的服役周期。
发明内容
本发明的目的之一在于克服上述不足，提供一种垃圾焚烧炉炉排片高温防磨蚀堆焊涂层，该高温防磨蚀堆焊涂层与炉排片表面可形成冶金结合，与基体结合强度高，且具有优良的高温耐磨蚀性能，可满足垃圾焚烧炉中恶劣的服役条件，提高炉排片的服役周期。
本发明的目的之一在于提供一种上述垃圾焚烧炉炉排片高温防磨蚀堆焊涂层的制备方法，该方法简单，成本低廉，可一次性快速生成金属陶瓷涂层，具有节约能源、快速高效等优点。
为此，本发明第一方面提供了一种垃圾焚烧炉炉排片耐高温磨蚀复合材料堆焊涂层，其为TiCW基Ni增韧的高致密度复合材料堆焊涂层。
根据本发明，所述耐高温磨蚀复合材料堆焊涂层的致密程度接近该材料轧制态的致密度。
本发明中，所述耐高温磨蚀复合材料堆焊涂层能够与炉排片形成冶金结合。
本发明第二方面提供了如本发明第一方面所述的复合材料堆焊涂层的制备方法，其包括：
步骤A，将C粉末、Ti粉末和W粉末混合均匀后，再与水玻璃进行混合，造粒晾干，过筛，获得TiCW预置复合化球形粉末；
步骤B，采用平板自动堆焊机的送粉装置将TiCW预置复合化球形粉末送向炉排片表面；
步骤C，Ni丝引弧，在炉排片表面进行自动堆焊，堆焊过程中用惰性气体保护，且在熔池处于半固态状态进行辊压加工，在炉排片表面制备出TiCW基Ni增韧的高致密度复合材料堆焊涂层。
根据本发明方法，在步骤A中，所述C粉末与Ti粉末的原子比为1∶1，所述W粉末的用量为C粉末和Ti粉末总重量的8wt％-10wt％，所述水玻璃的用量为TiCW总重量的15wt％-20wt％。
在本发明的一些实施例中，所述过筛为过60-80目筛。
本发明第三方面提供了一种耐高温磨蚀垃圾焚烧炉炉排片，其包括炉排片基体，和包覆于炉排片表面的如本发明第一方面所述的耐高温磨蚀复合材料堆焊涂层或如本发明第二方面所述的方法制备的耐高温磨蚀复合材料堆焊涂层。
根据本发明，所述耐高温磨蚀复合材料堆焊涂层炉排片表面为冶金结合。
本发明的有益效果是：
本发明提供了一种垃圾焚烧炉炉排片高温防磨蚀涂层及其制备方法。该垃圾焚烧炉炉排片高温防磨蚀涂层的制备方法包括以下步骤：按自蔓延反应原理配制Ti+C+W＝TiCW自蔓延粉末材料，混合均匀，造粒。用自动平板堆焊机上的送粉系统送至炉排片表面，实心镍焊丝引弧，实现电弧热辅助自蔓延堆焊，即堆焊过程中发生自蔓延反应生成TiCNiW金属陶瓷基复合材料涂层，涂层材料凝固过程中进行辊压加工，冷却后在炉排片表面获得组织致密的金属陶瓷基复合材料涂层。本方法工艺简单，成本低廉。涂层表面质量好、组织致密、界面结合强度高。耐高温磨蚀性能优良，适合工业化批量生产。
附图说明
下面将结合附图来说明本发明。
图1为本发明中所使用的平板自动堆焊机的示意图(省去焊枪和氩气罐)。
图2为本发明中所使用的平板自动堆焊机的示意图。
图1和图2中的附图标记的含义如下：
1平板自动堆焊机；2轧辊；3焊枪；31焊丝；4惰性气体罐(氩气罐)；5炉排片。
具体实施方式
为使本发明容易理解，下面将结合附图来详细说明本发明。但在详细描述本发明前，应当理解本发明不限于描述的具体实施方式。还应当理解，本文中使用的术语仅为了描述具体实施方式，而并不表示限制性的。
除非另有定义，本文中使用的所有术语与本发明所属领域的普通技术人员的通常理解具有相同的意义。虽然与本文中描述的方法和材料类似或等同的任何方法和材料也可以在本发明的实施或测试中使用，但是现在描述了优选的方法和材料。
I、术语
本发明中所述用语“熔池”是指基体因焊弧热而熔化成池状的母材和熔融焊材的混合体。
II、实施方案
如前所述，垃圾焚烧炉炉排片与垃圾接触的表面磨蚀严重。国产化垃圾焚烧炉炉排片使用寿命短(7-10个月)，影响焚烧炉的长周期稳定使用，迫切需要通过设计、材料、工艺等方面的改进，提高炉排片的服役周期。鉴于此，本发明人对于垃圾焚烧炉炉排片防磨蚀技术进行了大量的研究。
本发明人研究设计并发现，按自蔓延反应原理配制Ti+C+W＝TiCW自蔓延粉末材料，并用自动平板堆焊机上的送粉系统送至炉排片表面，采用实心镍焊丝引弧，实现电弧热辅助自蔓延压力堆焊，即堆焊过程中发生自蔓延反应生成TiCNiW金属陶瓷基复合材料涂层，涂层材料凝固过程中进行辊压加工，冷却后可以在炉排片表面获得组织致密的金属陶瓷基复合材料涂层；该涂层具有优良的高温耐磨蚀性能，可满足垃圾焚烧炉中恶劣的服役条件，提高炉排片的服役周期；由此获得本发明。
因此，本发明第一方面所涉及的垃圾焚烧炉炉排片耐高温磨蚀复合材料堆焊涂层，其为TiCW基Ni增韧的高致密度复合材料堆焊涂层；所述耐高温磨蚀复合材料堆焊涂层的致密程度接近该材料轧制态的致密度。
本发明中，所述耐高温磨蚀复合材料堆焊涂层能够与炉排片形成冶金结合。
本发明第二方面涉及如本发明第一方面所述的复合材料堆焊涂层的制备方法，这可以理解为在炉排片表面制备所述的复合材料堆焊涂层的方法，其包括：
步骤A，将C粉末(例如石墨粉)、Ti粉末和W粉末按比例配制混合，所述C粉末与Ti粉末的原子比为1∶1，所述W粉末的用量为C粉末和Ti粉末总重量的8wt％-10wt％；混合均匀后再与水玻璃进行混合(所述水玻璃的用量为TiCW总重量的15wt％-20wt％)，造粒晾干，过60-80目筛，获得TiCW预置复合化球形粉末；
步骤B，采用平板自动堆焊机的送粉装置将TiCW预置复合化球形粉末送向炉排片表面；
步骤C，以Ni丝作为实心焊丝在钢质炉排片表面引弧，实现在炉排片表面惰性气体保护自动堆焊，在堆焊过程中预先送到炉排片表面的TiCW预置复合化球形粉末与Ni都熔化，在熔池中Ti、C、Ni三者发生自蔓延反应生成TiCNi，W熔化分散在其中；在熔池刚凝固状态时进行辊压加工，使TiCNiW触变成形，从而提高其致密度，冷却后在炉排片表面制备出TiCW基Ni增韧的高致密度复合材料堆焊涂层，本发明中也称为TiCNiW高致密度复合材料堆焊涂层。
本发明第三方面提供了一种耐高温磨蚀垃圾焚烧炉炉排片，其包括炉排片基体，和包覆于炉排片表面的如本发明第一方面所述的耐高温磨蚀复合材料堆焊涂层或如本发明第二方面所述的方法制备的耐高温磨蚀复合材料堆焊涂层。
根据本发明，所述耐高温磨蚀复合材料堆焊涂层炉排片表面为冶金结合。
本发明还提供了本发明第三方面所述的耐高温磨蚀垃圾焚烧炉炉排片的制备方法，这可以理解为垃圾焚烧炉炉排片耐高温磨蚀的方法，其包括：
步骤A，将C粉末(例如石墨粉)、Ti粉末和W粉末按比例配制混合，所述C粉末与Ti粉末的原子比为1∶1，所述W粉末的用量为C粉末和Ti粉末总重量的8wt％-10wt％；混合均匀后再与水玻璃进行混合(所述水玻璃的用量为W粉末、C粉末和Ti粉末总重量的15wt％-20wt％)，造粒晾干，过60-80目筛，获得获得合适粒度和组元均匀分布的TiCW预置复合化球形粉末；
步骤B，采用平板自动堆焊机的送粉装置将TiCW预置复合化球形粉末送向炉排片表面；
步骤C，以Ni丝作为实心焊丝在钢质炉排片表面引弧，实现在炉排片表面惰性气体(例如氩气、氮气等)保护自动堆焊，在堆焊过程中预先送到炉排片表面的TiCW预置复合化球形粉末与Ni都熔化，在熔池中Ti、C、Ni三者发生自蔓延反应生成TiCNi，W熔化分散在其中；在熔池刚凝固状态时进行辊压加工，使TiCNiW触变成形，从而提高其致密度，冷却后在炉排片表面制备出TiCNiW高致密度复合材料堆焊涂层。
上述步骤C中，在熔池刚凝固状态时进行辊压加工，使TiCNiW触变成形是在实现自蔓延堆焊后，立即对半固态堆焊层进行触变辊压加工(相当于进行半固态轧制)，使其在凝固中变形，在变形中破碎枝晶、细化晶粒、减少纤维缺陷，改善堆焊层表面质量。冷却后堆焊层为大变形组织，大幅度地提高堆焊层的致密程度，使堆焊层与基体表面之间产生残余压应力，将显著地提高堆焊层的内聚强度、界面结合强度和硬度，可以提高到或接近堆焊材料的轧制态性能。
本发明中对于平板自动堆焊机没有特别的限制，可以采用本领域中常规的平板自动堆焊机，并根据本发明需要进行加装轧辊的改进，如图1所示(1为平板自动堆焊机，2为轧辊，为便于理解图1中省去了焊枪和氩气罐)，轧辊前面有焊枪，如图2所示，所述焊枪3与轧辊2同步运动，可以实现在堆焊后立即辊压。优选地，可以在焊枪两侧各设置一个轧辊(图中未示出)，在熔池刚凝固状态时进行来回交替辊压加工，可以提高工作效率。
本发明人研究发现，碳化钛(TiC)是金属陶瓷，具有很高的高温化学稳定性，与盐酸、硫酸几乎不起化学反应，极耐腐蚀，是炉排片表面防磨蚀涂层的最佳选择。碳化钛(TiC)原子间以很强的共价键结合，涂层内聚强度高，用做炉排片涂层具有很强的抗磨蚀能力。具有类似金属的若干特性，如金属光泽。具有高的熔点、沸点和硬度，硬度仅次于金刚石，有良好的导电性，可当作电焊条与金属焊接或在金属表面堆焊成涂层。碳化钛是典型的过渡金属碳化物。它是由离子键、共价键和金属键混合在同一晶体结构中，晶体的结构决定了其具有高硬度、高熔点、耐磨损以及导电性等基本特征。以往TiC被广泛用于制造金属陶瓷、耐热合金、硬质合金、抗磨材料、高温辐射材料以及其它高温真空器件，用做炉排片耐高温磨蚀涂层是本项目一个创新。
选择Ni丝为引弧实芯焊丝的原因是Ni参与Ti与C自蔓延高温合成反应，反应产物为Ni增韧TiC基复合材料。Ti-C-Ni自蔓延高温合成(SHS)的机理为溶解析出机制，镍粉与钛粉的固态扩散导致低熔点TiNi溶液形成，Ti、Ni、C粉粒逐渐向TiNi溶液中溶解，当TiNiC溶液中的Ti和C浓度饱和时，从中析出TiC颗粒，同时形成粘结TiC颗粒的Ni3Ti基体。高温下W熔融并与TiCNi焊合形成与TiCNiW。采用电弧辅助自蔓延堆焊有很多优点；(1)节能：自蔓延反应充分利用化学反应本身放出的热量，在合成过程中温度可达1500-4000℃，与电弧热叠加可节省能源；(2)高效：因自身放热，加快了热量从外部传递到物料的过程，反应速度一般为0.1-20cm/s；(3)质量高：在合成过程中，燃烧前沿温度极高，可蒸发掉挥发性的杂质，因而产物通常是高纯度的；(4)成本低：原材料廉价、设备简单、工艺节能、生产人员少、厂房面积小，采用反应热压法可实现少或无切削加工，材料利用率高，机加工费用低。(5)易于从试验转入规模生产；(6)自蔓延反应产生的金属陶瓷耐冲刷性能突出；(7)设备小、精度高、质量好：反应后的一段时间内产物具有触变性，流动性好，成形设备吨位小、产品质量好；(8)材料可设计：可通过加入填料改性，使堆焊材料具有可设计性。金属陶瓷基复合材料具有优良的高温耐磨蚀性能。可满足垃圾焚烧炉中恶劣的服役条件。堆焊可形成冶金结合，堆焊层与基体结合强度高。传统平板堆焊工艺下，涂层金属自由结晶，制备的堆焊涂层组织是铸造态，存在枝晶、缩孔、偏析、夹杂等诸多缺陷。堆焊过程中产生的热应力和冷却后的残余拉应力没有消除。实现自蔓延堆焊后，立即对半固态堆焊层进行触变辊压加工，使其在凝固中变形，在变形中破碎枝晶、细化晶粒、减少纤维缺陷，改善堆焊层表面质量。冷却后堆焊层为大变形组织，大幅度地提高堆焊层的致密程度，使堆焊层与基体表面之间产生残余压应力，将显著地提高堆焊层的内聚强度、界面结合强度和硬度，可以提高到或接近堆焊材料的轧材态性能。采用这种工艺，还可大幅度降低堆焊材料成本，堆焊材料还可用低成本的原料在堆焊过程中自蔓延燃烧合成，且堆焊材料配方调整灵活，可适应不同的基体材料。压力堆焊时，可通过改变轧辊表面的粗糙度，初步满足对堆焊层粗糙度的需要。后续可根据需要经平面磨床磨削加工达到表面粗糙度要求。该方法简单，成本低廉，可一次性快速生成金属陶瓷涂层，具有节约能源、快速高效等优点。此外，用平板自动堆焊机制备涂层可实现自动化和机械化，可实现大规模产业化，为企业带来巨大的经济效益。
实施例
为使本发明更加容易理解，下面将结合实施例来进一步详细说明本发明，这些实施例仅起说明性作用，并不局限于本发明的应用范围。本发明中所使用的原料或组分若无特殊说明均可以通过商业途径或常规方法获得。
本发明中炉排片抗磨蚀性能直接利用生产中的实际消耗率来进行检测。
实施例1：
(1)石墨(C粉)、钛和钨粉末按化学计量设计比例称量(C粉末与Ti粉末的原子比为1∶1，W粉末的用量为C粉末和Ti粉末总重量的10wt％)混合均匀后进行球磨细化，然后混入适量的水玻璃(水玻璃的用量为TiCW总重量的20wt％)进行混合粘结，造粒晾干，过60目筛，获得60目且组元均匀分布的TiCW预置复合化球形粉末；
(2)用平板自动堆焊机的送粉器送TiCW球形粉末颗粒到炉排片表面；
(3)以Ni丝作为实心焊丝在钢质炉排片表面引弧，实现在炉排片表面惰性气体(氩气)保护自动堆焊，在堆焊过程中预先送到炉排片表面的TiCW预置复合化球形粉末与Ni都熔化，在熔池中Ti、C、Ni三者发生自蔓延反应生成TiCNi，W熔化分散在其中；在熔池刚凝固状态时进行辊压加工，使TiCNiW触变成形，从而提高其致密度，冷却后在炉排片表面制备出TiCNiW高致密度复合材料堆焊涂层。
直接利用生产中的实际消耗率来检测本实施例中表面具有耐高温磨蚀复合材料堆焊涂层的垃圾焚烧炉炉排片的耐高温防磨蚀性，结果表明本实施例中这种炉排片具有良好的耐高温(800-900℃)防磨蚀性，其服役寿命约为原炉排片服役寿命(国产化垃圾焚烧炉炉排片使用寿命7-10个月)的5-10倍。
实施例2：
(1)石墨(C粉)、钛和钨粉末按化学计量设计比例称量(C粉末与Ti粉末的原子比为1∶1，W粉末的用量为C粉末和Ti粉末总重量的8wt％)混合均匀后进行球磨细化，然后混入适量的水玻璃(水玻璃的用量为TiCW总重量的15wt％)进行混合粘结，造粒晾干，过60目筛，获得60目且组元均匀分布的TiCW预置复合化球形粉末；
(2)用平板自动堆焊机的送粉器送TiCW球形粉末颗粒到炉排片表面；
(3)以Ni丝作为实心焊丝在钢质炉排片表面引弧，实现在炉排片表面惰性气体(氩气)保护自动堆焊，在堆焊过程中预先送到炉排片表面的TiCW预置复合化球形粉末与Ni都熔化，在熔池中Ti、C、Ni三者发生自蔓延反应生成TiCNi，W熔化分散在其中；在熔池刚凝固状态时进行辊压加工，使TiCNiW触变成形，从而提高其致密度，冷却后在炉排片表面制备出TiCNiW高致密度复合材料堆焊涂层。
直接利用生产中的实际消耗率来检测本实施例中表面具有耐高温磨蚀复合材料堆焊涂层的垃圾焚烧炉炉排片的耐高温防磨蚀性，结果表明本实施例中这种炉排片具有良好的耐高温(800-900℃)防磨蚀性，其服役寿命约为原炉排片服役寿命(国产化垃圾焚烧炉炉排片使用寿命7-10个月)的5-8倍。
应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明做出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。

Claims (8)

1.一种垃圾焚烧炉炉排片耐高温磨蚀复合材料堆焊涂层，其为TiCW基Ni增韧的高致密度复合材料堆焊涂层。
2.根据权利要求1所述的堆焊涂层，其特征在于，所述耐高温磨蚀复合材料堆焊涂层的致密程度接近该材料轧制态的致密度。
3.根据权利要求1或2所述的堆焊涂层，其特征在于，所述耐高温磨蚀复合材料堆焊涂层能够与炉排片形成冶金结合。
4.如权利要求1-3中任意一项所述的复合材料堆焊涂层的制备方法，其包括：
步骤A，将C粉末、Ti粉末和W粉末混合均匀后，再与水玻璃进行混合，造粒晾干，过筛，获得TiCW预置复合化球形粉末；
步骤B，采用平板自动堆焊机的送粉装置将TiCW预置复合化球形粉末送向炉排片表面；
步骤C，Ni丝引弧，在炉排片表面进行自动堆焊，堆焊过程中用惰性气体保护，且在熔池处于半固态状态进行辊压加工，在炉排片表面制备出TiCW基Ni增韧的高致密度复合材料堆焊涂层。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在步骤A中，所述C粉末与Ti粉末的原子比为1∶1，所述W粉末的用量为C粉末和Ti粉末总重量的8wt％-10wt％，所述水玻璃的用量为TiCW总重量的15wt％-20wt％。
6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，所述过筛为过60-80目筛。
7.一种耐高温磨蚀垃圾焚烧炉炉排片，其包括炉排片基体，和包覆于炉排片表面的如权利要求1-3中任意一项所述的耐高温磨蚀复合材料堆焊涂层或如权利要求4-6中任意一项所述的方法制备的耐高温磨蚀复合材料堆焊涂层。
8.根据权利要求7所述的炉排片，其特征在于，所述耐高温磨蚀复合材料堆焊涂层炉排片表面为冶金结合。
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