CN112030098A - 一种艾萨炉冶炼长寿命喷枪之高温合金涂层及其制备方法 - 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高温合金涂层，所述合金涂层由镍基合金、钴基合金或铁基合金中的任意一种或一种以上组合，经喷涂工艺复合于基体表面制备而成；其制备方法包括喷砂除尘、离子喷涂、火焰喷涂和热处理四步骤。本发明根据等离子喷涂制备涂层高空隙率和超音速火焰喷涂制备的合金外层高致密度的特点，发挥两者技术优势，制备高温合金涂层。降低整个涂层的热导率，以此来降低喷枪在使用过程中热烧蚀现象的出现；并能有效降低熔体与合金涂层的反应，使整个喷枪的寿命得到进一步的提升。可有效的降低了成本。热喷涂的高沉积率，可快速枪体涂层修复，提高了艾萨炉冶炼的经济效益。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之高温合金涂层及其制备方法。
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高温合金涂层，利用其优异抗氧化性能的合金涂层，降低艾萨炉喷枪在使用过程中的烧蚀和氧化，从而提升喷枪的整体使用寿命。
本发明的另一目的在于提供一种艾萨炉冶炼长寿命喷枪之高温合金涂层的制备方法。
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高温合金涂层，所述合金涂层由镍基合金、钴基合金或铁基合金中的任意一种或一种以上组合，经喷涂工艺复合于基体表面制备而成。
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高温合金涂层的制备方法，包括喷砂除尘、离子喷涂、火焰喷涂和热处理步骤，具体包括：
（1）喷砂除尘：对不锈钢质艾萨炉喷枪用喷砂磨料进行喷砂与除尘处理；
（2）离子喷涂：对除尘后的喷枪用选定的合金粉末进行等离子喷涂；
（3）火焰喷涂：在等离子制备的合金涂层上面，再采用超音速火焰喷涂再制备一层合金涂层；
（4）热处理：对制备好涂层的枪体进行高温热处理，热处理温度为1000~1300℃，保温1.5~3h，随炉升降温。
本发明利用等离子喷涂制备涂层高空隙率和超音速火焰喷涂制备的合金外层高致密度的特点，即等离子喷涂制备的合金涂层，内部有许多孔洞，孔隙率较高；而超音速火焰喷涂的合金涂层，涂层内部缺陷较少，孔隙率很低（1%以内）。本发明提供了一种艾萨炉冶炼长寿命喷枪之高温合金涂层，其中等离子喷涂形成的过渡层从而降低整个涂层的热导率，以此来降低喷枪在使用过程中热烧蚀现象的出现。而超音速火焰喷涂制备的高致密度合金外层，能有效降低熔体与合金涂层的反应，使整个喷枪的寿命得到进一步的提升。本发明正是利用不同热喷涂技术的优势，根据不同合金的使用工况，设计了一种艾萨炉冶炼长寿命喷枪之高温合金涂层。相比于整个枪体采用较为昂贵的进口不锈钢材质，本发明有效的降低了成本，同时利用热喷涂高的沉积率，能快速有效的对枪体涂层进行制备，减弱了因为喷枪失效导致的工期延误，提高了艾萨炉冶炼的经济效益。
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合金涂层结构示意图；
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~高温合金层（APS）；9~高温合金层（HVOF）。
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高温合金涂层，所述合金涂层由镍基合金、钴基合金或铁基合金中的任意一种或一种以上组合，经喷涂工艺复合于基体表面制备而成。
所述合金涂层材料由高温合金涂层XCrAlYM中的任意一种或一种以上组合，经喷涂工艺复合于基体表面制备而成，其中X=Ni，Co，Fe；M=Hf，La，Zr，Re，Si，Nb。
所述合金涂层材料由镍基合金NiCrAlYM与钴基合金CoCrAlYM、CoNiCrAlYM或FeCrAlYM中的任意两种组合，经喷涂工艺复合于基体表面制备而成。
所述合金粉末用于等离子喷涂时其粒度控制为25~75μm。
所述合金粉末用于超音速火焰喷涂喷涂时其粒度控制为15~80μm。
本发明所述艾萨炉冶炼长寿命喷枪之高温合金涂层的制备方法，包括喷砂除尘、离子喷涂、火焰喷涂和热处理四步骤，具体包括：
（1）喷砂除尘：对不锈钢质艾萨炉喷枪用喷砂磨料进行喷砂与除尘处理；
（2）离子喷涂：对除尘后的喷枪用选定的合金粉末进行等离子喷涂；
（3）火焰喷涂：在等离子制备的合金涂层上面，再采用超音速火焰喷涂再制备一层合金涂层；
（4）热处理：对制备好涂层的枪体进行高温热处理，热处理温度为1000~1300℃，保温1.5~3h，随炉升降温。
所述步骤（1）喷砂除尘用喷砂磨料为白刚玉砂、棕刚玉砂或金刚石砂，砂粒粒径为0.1~1.2mm，喷砂压力为0.2~0.8MPa。
所述步骤（2）中等离子喷涂工艺条件：氩气流量40~60L/min；氢气流量0.5~3.0L/min；电流350~700A；电压40~60V；送粉速度50~200g/min；喷涂距离80~130mm；喷枪移动速度10~300mm/s。
所述步骤（3）中超音速火焰喷涂工艺条件：煤油压力选择1.3MPa，流量为0~1L/min；氧气压力选择1.8MPa，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。
所述步骤（4）中热处理温度为1100~1200℃，保温2~2.5h。
实施例1
本实施例所用内层合金涂层材料为NiCrAlYHf，外层合金涂层材料为CoNiCrAlYLa。内层等离子喷涂的NiCrAlYHf合金粉末粒度为30μm，外层超音速火焰喷涂喷涂的CoNiCrAlYLa合金粉末粒度为25μm。喷涂之前要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0.5mm，喷砂压力为0.8MPa。利用干燥的压缩空气对其表面进行洁净处理。
内层大气等离子喷涂工艺条件：氩气流量40L/min；氢气流量0.5L/min；电流550A；电压60V；送粉速度80g/min；喷涂距离100mm；喷枪移动速度100mm/s。
外层超音速火焰喷涂工艺条件：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0.6m3/min；载气压力为0.5MPa，流量为5L/min；送粉压力为0.15MPa；送粉速度为200g/min。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
本实施例所用内层合金涂层材料为NiCoCrAlYRe，外层合金涂层材料为CoCrAlYHf。内层等离子喷涂的NiCoCrAlYRe合金粉末粒度为40μm，外层超音速火焰喷涂喷涂的CoCrAlYHf合金粉末粒度为30μm。喷涂之前要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。利用干燥的压缩空气对其表面进行洁净处理。
内层大气等离子喷涂工艺条件：氩气流量50L/min；氢气流量1.2L/min；电流550A；电压： 60V；送粉速度200g/min；喷涂距离120mm；喷枪移动速度300mm/s。外层超音速火焰喷涂参数：煤油压力选择1.3MPa，流量为1L/min；氧气压力选择1.8MPa，流量为0.8m3/min；载气压力为0.5MPa，流量为5L/min；送粉压力为0.15MPa；送粉速度为180g/min。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3
本实施例所用内层合金涂层材料为NiCoCrAlYSi，外层合金涂层材料为FeCrAlYHf。内层等离子喷涂的NiCrAlYSi合金粉末粒度为50μm，外层超音速火焰喷涂喷涂的FeCrAlYHf合金粉末粒度为60μm。喷涂之前要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1mm，喷砂压力为0.6MPa。利用干燥的压缩空气对其表面进行洁净处理。
内层大气等离子喷涂工艺条件：氩气流量45L/min；氢气流量2.2L/min；电流500A；电压55V；送粉速度50g/min；喷涂距离120mm；喷枪移动速度150mm/s。外层超音速火焰喷涂参数：煤油压力选择1.3MPa，流量为0.9L/min；氧气压力选择1.8MPa，流量为0.6m3/min；载气压力为0.5MPa，流量为5L/min；送粉压力为0.15MPa；送粉速度为230g/min。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4
本实施例所用内层合金涂层材料为CoCrAlYZr，外层合金涂层材料为FeCrAlYRe。内层等离子喷涂的CoCrAlYZr合金粉末粒度为25μm，外层超音速火焰喷涂喷涂的FeCrAlYRe合金粉末粒度为80μm。喷涂之前要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1.2mm，喷砂压力为0.8MPa。利用干燥的压缩空气对其表面进行洁净处理。
内层大气等离子喷涂工艺条件：氩气流量60L/min；氢气流量3L/min；电流700A；电压60V；送粉速度175g/min；喷涂距离125mm；喷枪移动速度150mm/s。外层超音速火焰喷涂参数：煤油压力选择1.3MPa，流量为0.8L/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130g/min。对制备好涂层的枪体进行热处理，扩散热处理温度为1100℃，2.3h，随炉升降温。
实施例5
本实施例所用内层合金涂层材料为CoNiCrAlYNb，外层合金涂层材料为NiCrAlYSi。内层等离子喷涂的CoNiCrAlYNb合金粉末粒度为75μm，外层超音速火焰喷涂喷涂的NiCrAlYSi合金粉末粒度为15μm。喷涂之前要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0.7mm，喷砂压力为0.2MPa。利用干燥的压缩空气对其表面进行洁净处理。
内层大气等离子喷涂工艺条件：氩气流量45L/min；氢气流量2.2L/min；电流500A；电压55V；送粉速度125g/min；喷涂距离100mm；喷枪移动速度300mm/s。外层超音速火焰喷涂参数：煤油压力选择1.3MPa，流量为0.56L/min；氧气压力选择1.8MPa，流量为0.83m3/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95g/min。对制备好涂层的枪体进行热处理，扩散热处理温度为1250℃，2h，随炉升降温。
实施例6
本实施例所用内层合金涂层材料为FeCrAlYSi，外层合金涂层材料为CoNiCrAlYZr。内层等离子喷涂的FeCrAlYSi合金粉末粒度为25μm，外层超音速火焰喷涂喷涂的CoNiCrAlYZr合金粉末粒度为44μm。喷涂之前要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0.6mm，喷砂压力为0.8MPa。利用干燥的压缩空气对其表面进行洁净处理。
内层大气等离子喷涂工艺条件：氩气流量45L/min；氢气流量2.2L/min；电流500A；电压55V；送粉速度110g/min；喷涂距离80mm；喷枪移动速度10mm/s。外层超音速火焰喷涂参数：煤油压力选择1.3MPa，流量为0.32L/min；氧气压力选择1.8MPa，流量为0.45m3/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155g/min。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
本实施例所用内层合金涂层材料为FeCrAlYZr，外层合金涂层材料为CoCrAlYRe。内层等离子喷涂的NiCrAlYSi合金粉末粒度为65μm，外层超音速火焰喷涂喷涂的FeCrAlYHf合金粉末粒度为80μm。喷涂之前要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1.1mm，喷砂压力为0.3MPa。利用干燥的压缩空气对其表面进行洁净处理。
内层大气等离子喷涂工艺条件：氩气流量60L/min；氢气流量0.5L/min；电流350A；电压40V；送粉速度200g/min；喷涂距离80mm；喷枪移动速度10mm/s。外层超音速火焰喷涂参数：煤油压力选择1.3MPa，流量为0.63L/min；氧气压力选择1.8MPa，流量为0.38m3/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70g/min。对制备好涂层的枪体进行热处理，扩散热处理温度为1200℃，2.5h，随炉升降温。
实施例8
本实施例所用内层合金涂层材料为FeCrAlYSi，外层合金涂层材料为CoNiCrAlYSi。内层等离子喷涂的FeCrAlYSi合金粉末粒度为75μm，外层超音速火焰喷涂喷涂的CoNiCrAlYSi合金粉末粒度为80μm。喷涂之前要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1.2mm，喷砂压力为0.8MPa。利用干燥的压缩空气对其表面进行洁净处理。
内层大气等离子喷涂工艺条件：氩气流量60L/min；氢气流量2.8L/min；电流650A；电压60V；送粉速度50g/min；喷涂距离130mm；喷枪移动速度300mm/s。外层超音速火焰喷涂参数：煤油压力选择1.3MPa，流量为0.95L/min；氧气压力选择1.8MPa，流量为0.24m3/min；载气压力为0.5MPa，流量为10L/min；送粉压力为0.15MPa；送粉速度为280g/min。对制备好涂层的枪体进行热处理，扩散热处理温度为1000℃，1.5h，随炉升降温。
Claims (10)
1.一种艾萨炉冶炼长寿命喷枪之高温合金涂层，其特征在于所述合金涂层由镍基合金、钴基合金或铁基合金中的任意一种或一种以上组合，经喷涂工艺复合于基体表面制备而成。
2.根据权利要求1所述的一种艾萨炉冶炼长寿命喷枪之高温合金涂层，其特征在于所述合金涂层材料由高温合金涂层XCrAlYM中的任意一种或一种以上组合，经喷涂工艺复合于基体表面制备而成，其中X=Ni，Co，Fe；M=Hf，La，Zr，Re，Si，Nb。
3.根据权利要求1所述的一种艾萨炉冶炼长寿命喷枪之高温合金涂层，其特征在于所述合金涂层材料由镍基合金NiCrAlYM与钴基合金CoCrAlYM、CoNiCrAlYM或FeCrAlYM中的任意两种组合，经喷涂工艺复合于基体表面制备而成。
4.根据权利要求1或2所述的一种艾萨炉冶炼长寿命喷枪之高温合金涂层，其特征在于所述合金粉末用于等离子喷涂时其粒度控制为25~75μm。
5.根据权利要求1或3所述的一种艾萨炉冶炼长寿命喷枪之高温合金涂层，其特征在于所述合金粉末用于超音速火焰喷涂时其粒度控制为15~80μm。
6.一种根据权利要求1~5任意一项所述艾萨炉冶炼长寿命喷枪之高温合金涂层的制备方法，包括喷砂除尘、离子喷涂、火焰喷涂和热处理步骤，其特征在于具体包括：
（1）喷砂除尘：对不锈钢质艾萨炉喷枪用喷砂磨料进行喷砂与除尘处理；
（2）离子喷涂：对除尘后的喷枪用选定的合金粉末进行等离子喷涂；
（3）火焰喷涂：在等离子制备的合金涂层上面，再采用超音速火焰喷涂再制备一层合金涂层；
（4）热处理：对制备好涂层的枪体进行高温热处理，热处理温度为1000~1300℃，保温1.5~3h，随炉升降温。
7.根据权利要求6所述艾萨炉冶炼长寿命喷枪之高温合金涂层的制备方法，其特征在于所述步骤（1）喷砂除尘用喷砂磨料为白刚玉砂、棕刚玉砂或金刚石砂，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所述艾萨炉冶炼长寿命喷枪之高温合金涂层的制备方法，其特征在于所述步骤（2）中等离子喷涂工艺条件：氩气流量40~60L/min；氢气流量0.5~3.0L/min；电流350~700A；电压40~60V；送粉速度50~200g/min；喷涂距离80~130mm；喷枪移动速度10~300mm/s。
9.根据权利要求6所述艾萨炉冶炼长寿命喷枪之高温合金涂层的制备方法，其特征在于所述步骤（3）中超音速火焰喷涂工艺条件：煤油压力选择1.3MPa，流量为0~1L/min；氧气压力选择1.8MPa，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。
10.根据权利要求6所述艾萨炉冶炼长寿命喷枪之高温合金涂层的制备方法，其特征在于所述步骤（4）中热处理温度为1100~1200℃，保温2~2.5h。
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