CN1651581A - 三元复合材料内衬高炉布料溜槽及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于无料钟的三元复合材料内衬高炉布料溜槽及其制备工艺，特别适用于大、中型高炉的生产作业。冲击区(2)内衬层(3)是楔形环状结构，滑动区(4)内衬层(5)是等厚环状结构。耐磨内衬层(3、5)由陶瓷棒(8)、纳米结构金属丝网(9)、复合料(10)复合而成。本发明汇集了陶瓷材料高硬度、金属材料高韧性高强度等各种优点，解决了大块陶瓷在冲击下的碎裂、单一金属材料抗腐蚀性和抗磨性相对较差的难题。本发明耐磨层实现一体化设计制作，楔形环状结构分散了矿石的冲击力，有效地减小冲击磨损量。本发明使用寿命比现有各种材质、结构的溜槽提高3倍以上，减少了高炉停产检修的次数，保证高炉长期连续生产。

Description

三元复合材料内衬高炉布料溜槽及其制备工艺

技术领域

本发明涉及无料钟高炉布料溜槽的装置及其制备工艺，特别涉及一种复合型高炉布料溜槽及其制备工艺。

背景技术

在炼铁工业中，常用高炉布料溜槽往高炉中加物料，此种布料器溜槽布置在高炉炉顶的中间可绕高炉的垂直轴线回转，并可绕一水平轴线倾动，使得炉内加料均匀。所加物料按计量好的重量从一个料斗经过中心给料喉管下落至布料器溜槽上，现代大型高炉，每天要将上万吨由矿石、焦炭、烧结矿等组成的炉料由布料溜槽布入炉中，这些炉料硬度高、棱角尖锐、流速大、冲击力强，加之炉顶温度高，首先在溜槽的冲击区内以相当大的冲击能量撞击布料溜槽，然后高速从溜槽的滑动区滚落。由此可见，布料溜槽受到非常严重冲击磨损和磨料磨损，致使溜槽磨损严重、使用寿命短，穿孔、断裂事故时有发生，严重影响布料系统，乃至整个高炉的正常运行。

为延长溜槽的使用寿命，国内外各厂家从改进材质、结构及制造工艺等方面，做了大量尝试，研制出多种形式的布料溜槽。在无料钟布料溜槽的现有技术中，主要有整体型和嵌衬型结构，嵌衬型结构中又有内置衬板型和安装孤立硬质合金块型。中国专利CN-94115753.9，发明名称是“用于散装物料的布料器溜槽”公开了一种设置挡料腔的整体结构布料溜槽，该发明用被阻挡在料盒内的散料来承受冲击和磨损，以提高溜槽的使用寿命，但是挡料腔的隔板不可避免地受到冲击磨损和磨料磨损，且隔板厚度较薄，在磨损工况下很快高度下降，特别是在受冲击区，隔板失效更为迅速，不能有效地构成挡料腔贮存散料，使高处下落的炉料直接冲击到底面而使溜槽穿孔报废。中国专利CN-91222239.5，发明名称是“无料钟高炉布料溜槽衬板”，公开了一种由衬板基体和镶嵌在衬板基体上的块状硬质合金组成的耐磨衬板，在其衬板的基体上按一定间隔加工出沟槽，在沟槽内镶嵌块状硬质合金，使衬板的耐磨性得以提高。但由于该镶嵌工艺需进行大量的沟槽精密机加工，工艺复杂、难度较大，由于硬质合金属于硬脆物质，当某些块状硬质合金受到较大冲击而碎裂时，溜槽中相邻的块状硬质合金将失去彼此支持而导致其它硬质合金成片剥落，缩短了衬板的使用寿命，其次，由于硬质合金与衬板基体耐磨程度不同，使用过程中衬板基体被选择性磨损后，也会出现块状硬质合金剥落而影响衬板的使用寿命，再者，分段衬板由于变形、压块松动等原因，经常出现衬板移位，导致物料直接冲击或磨损到外壳导致穿孔报废。中国专利ZL96225684.6、ZL94238974.3和ZL96238231.0分别公开了三种不同位置排布组合方式的合金凸块通过焊接或螺栓联接到外壳基体上的布料溜槽，通过合金块的耐磨特性来提高溜槽的使用寿命，但是工艺复杂且稳定性差，合金块间隙处的基体直接受物料磨损作用，合金块与基体联接经常会松动、脱落，导致溜槽整体寿命差。

综上所述，目前所用布料溜槽在材质、结构和制造工艺等方面存在诸多问题，在耐冲击性、耐磨性和使用寿命方面存在诸多的缺陷和不足。

发明内容

本发明提供了一种耐冲击、耐磨损，使用寿命长，结构设计合理，耐磨内衬层由陶瓷棒、纳米结构金属丝网、复合料三元材料复合而成的高炉布料溜槽及其制备工艺。

本发明的三元复合材料内衬高炉布料溜槽是通过下述技术方案实现的：

它主要由钢套外层(1)、耐磨内衬层(3、5)组成，按物料的流动强度分为冲击区(2)和滑动区(4)。冲击区(2)内衬层(3)上表面是楔形环状结构，滑动区(4)内衬层(5)是等厚环状结构。耐磨内衬层(3、5)由陶瓷棒(8)、纳米结构金属丝网(9)、复合料(10)复合而成。在纳米结构金属丝网(9)  的网孔中镶嵌陶瓷棒(8)，复合料(10)填入纳米结构金属丝网(9)剩余缝隙中固化成型，复合制成的耐磨内衬层(3、5)与钢套外层(1)通过压块焊接或者螺栓相固定。

在上述技术方案中，冲击区(2)内衬层(3)上表面的楔形环状斜面与溜槽轴线夹角为10°～60°，冲击区(2)的长度为溜槽总长度的15％～50％。滑动区(4)内衬层(5)的厚度为5～100mm。

在上述技术方案中，钢套外层(1)前端设有环状凸棱(7)，在钢套外层(1)后端焊接有紧固压块(11)，在钢套外层(1)上边缘固定有压块(6、14)。

在上述技术方案中，耐磨内衬层(3、5)内的陶瓷棒(8)轴线方向与物料下落方向接近平行。陶瓷棒(8)直径为1～20mm，陶瓷棒(8)轴线与溜槽轴线夹角为30°～90°。陶瓷棒(8)可以选用氧化铝棒或碳化钨棒。

在上述技术方案中，耐磨内衬层(3、5)内纳米结构金属丝网(9)是紧密层叠，该纳米结构金属丝网(9)网孔尺寸为1～20mm，金属丝直径为0.1～3mm。纳米结构金属丝网(9)的材质采用纳米结构低碳钢、中碳钢、高碳钢金属丝；或者纳米结构低、中、高碳合金钢金属丝，或纳米结构锰钢亚稳材料金属丝制作。

在上述技术方案中，复合料(10)主要是由水泥、氧化铝粉组成，以水为填加剂；水泥选用铝酸盐类水泥，重量分数为20～40％；氧化铝粉的粒度为5～100um，重量分数为40～70％；水的重量分数是10～20％。

复合料(10)还可以由无机物粉料和耐热树脂组成，其重量比为1.5～3∶1；无机物粉料为氧化铝粉粉、碳化硅粉、氮化钛粉、碳化钛粉或碳化钨粉，粒度为5～100um，耐热树脂为环氧树脂或酚醛树脂。

本发明的制备工艺是通过下述技术方案实现的：其制备工艺依下述步骤进行：

a.用碳钢、合金钢制作钢套外层(1)；

b.由编网机编织纳米结构金属丝网(9)；进行酸洗处理；

c.根据耐磨层(5)的形状尺寸和陶瓷棒(8)轴线排布方向，剪切、叠合纳米结构金属丝网(9)；

d.将陶瓷棒(8)紧密镶嵌在纳米结构金属丝网(9)的网孔内；

e.制备复合料(10)，按照上述技术方案配制复合料(10)；

f.将制备好的复合料(10)，压入或通过三维震动台震动填入纳米结构金属丝网(9)剩余的缝隙中固化成型，即制作耐磨内衬层(3、5)；

g.把制作好的耐磨内衬层(3、5)放置在钢套外层(1)空腔内，将紧固压块(11)和环状凸棱(7)通过螺栓或焊接方式固定在钢套外层(1)内表面相应位置上，并将压块(6、14)固定在钢套外层(1)的上边缘。

本发明的优点在于：

1、本发明耐磨内衬层是由耐高温、耐冲击和耐磨损的三元复合材料制作，这种复合材料充分利用了陶瓷高硬度、抗磨损的特性，又克服了大块陶瓷在冲击下碎裂的难题，陶瓷棒起着直接承受物料载荷的作用，由于其高硬度，阻止了物料尖角的压入与划动造成的磨损，大大减少了耐磨层材料的损失。纳米结构金属丝网与复合在丝网和陶瓷棒的间隙中的复合料共同起着牵连陶瓷棒和传递应力波的作用，使作用在陶瓷棒上的应力瞬间传递到周围区域，避免了局部应力集中造成的对材料的破坏，而且纳米结构金属丝网既有高强度，又有高韧性，其本身是一种优良的抗磨材料。因此该材料的耐冲击和耐磨损性比其他材料高出3倍以上。

2、本发明的受物料冲击区楔形环结构，把物料的冲击力分散成垂直于楔形斜面和平行于楔形斜面两个方向，减小了对耐磨层的垂直冲击力，有效地降低物料对溜槽的直接冲击能量，从而减小了冲击区耐磨层的冲击磨损量，并可同时防止物料向溜槽外飞溅，提高布料均匀性。

3、本发明的冲击区的楔形环结构可实现布料溜槽各部位的等寿命服役，大大延长了设备的检修周期，保证炼铁高炉长期连续作业。

4、本发明实现一体化整体制造，使它与钢套外层的联结紧密，避免了其它分段衬板结构由于其中一块或几块衬板松动、移位导致的物料流动反常及直接冲击、磨损溜槽外套等缺陷，保证工作稳定性。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详细说明：

图1是实施例1的纵向剖视图；

图2是图1A-A横截面剖视图；

图3是图1B-B横截面剖视图；

图4是图1I局部放大图；

图5是实施例2的纵向剖视图；

图6是图5A-A横截面剖视图；

图7是实施例3的纵向剖视图；

图8是图7B-B横截面剖视图；

图9是图7I局部放大图；

图10是实施例1、2、3的工艺流程图。

具体实施方式如下所述，但本发明不限于以下实施例。

实施例1

一种三元复合材料内衬高炉布料溜槽，参见图1、图2、图3和图4。它主要由钢套外层1、楔形环状耐磨内衬层3、等厚环状结构耐磨内衬层5、紧固压块11、紧固压块6、环状凸棱7、固定臂12和支撑架13组成。布料溜槽可以做成半圆形或U型横截面。在物料冲击区2安装有楔形环状结构耐磨内衬层3，在物料滑动区4安装有等厚环状结构耐磨内衬层5，耐磨内衬层3上表面的楔形环状斜面与溜槽轴线夹角一般为10°～60°，最佳夹角为25°～45°；耐磨内衬层3的长度为溜槽总长度的15％～50％。耐磨内衬层5的厚度根据工况确定，一般为5～100mm。楔形环3斜面倾角和长度由高炉布料操作过程中物料冲击落点统计规律确定，以保证楔形环3所起的分散物料直接冲击力的作用。

参见图4。两种形状的耐磨内衬层均由陶瓷棒8、纳米结构金属丝网9和复合料10复合而成。在纳米结构金属丝网9的网孔中镶嵌陶瓷棒8，复合料10填入纳米结构金属丝网9剩余缝隙中固化成型。陶瓷棒8轴线与布料溜槽轴线夹角可根据实际高炉布料操作过程中溜槽沿水平方向倾角范围确定，陶瓷棒8轴线最佳方向是尽可能接近平行于物料下落方向。陶瓷棒8轴线与溜槽轴线夹角一般为30°～90°。陶瓷棒8直径为1～20mm，材质可以选用氧化铝棒或碳化钨棒，或其它硬质材料等。陶瓷棒8在三元复合材料中的体积分数为30％～60％。

参见图4。楔形环状结构耐磨内衬层3和等厚环状结构耐磨内衬层5内的纳米结构金属丝网9均是紧密层叠，其平面与陶瓷棒8轴线相垂直。该纳米结构金属丝网9网孔尺寸为1～20mm，金属丝直径为0.1～3mm。材质可以选用纳米结构低碳钢、中碳钢、高碳钢金属丝；或者纳米结构低、中、高碳合金钢金属丝，或纳米结构锰钢亚稳材料金属丝制作。纳米结构金属丝网9在三元复合材料中的体积分数为20％～40％。

复合料10还可以由无机物粉料和耐热树脂组成，其重量比为1.5～3∶1；无机物粉料为氧化铝粉粉、碳化硅粉、氮化钛粉、碳化钛粉或碳化钨粉，粒度为5～100um，耐热树脂为环氧树脂或酚醛树脂。复合料10在三元复合材料中的体积分数为20％～30％。

参见图1和图3。楔形环状结构耐磨内衬层3和等厚环状结构耐磨内衬层5与钢套外层1通过焊接压块和环状凸棱相固定。钢套外层1前端设有环状凸棱7，前端上边缘固定有压块6，在其后端焊接有紧固压块11。该压块11可以是环状压块，也可以均匀固定4～6块。使耐磨内衬层固定在钢套外层1内，而不发生位移。

本发明实施例1的制备工艺步骤如下，参见工艺流程图10。

a、制作钢套外层1和其它辅助零件同常规工艺；

制作耐磨内衬层的工艺步骤如下：

b、由编网机编织纳米结构金属丝网9；进行酸洗处理；

c、根据耐磨内衬层3、5的形状尺寸和陶瓷棒8轴线排布方向，剪切、叠合纳米结构金属丝网9；

d.将陶瓷棒8紧密镶嵌在纳米结构金属丝网9的网孔内；

e.制备复合料10；复合料10由水泥、氧化铝粉和水组成，水泥选用铝酸盐类水泥，氧化铝粉的粒度为5～100um。水泥、氧化铝粉和水的重量比是：20～40％∶40～70％∶10～20％。

f.将制备好的复合料10压入或通过三维震动台震动填入纳米结构金属丝网9剩余的缝隙中，固化成型；即制成耐磨内衬层。

g.组合装配固定；把制作好的耐磨内衬层放置在钢套外层1空腔内，将紧固压块11和环状凸棱7焊接在钢套外层1内表面相应位置上，并将压块6焊接固定在钢套外层1前端上边缘。

实施例2

一种三元复合材料内衬高炉布料溜槽，参见图5、图6、图3和图4。本实施例的楔形环状结构耐磨内衬层3与等厚环状结构耐磨内衬层5加工成各自独立的两部分。楔形环状结构耐磨内衬层3与钢套外层1通过后端压块11和冲击区2上边缘压块14焊接固定。耐磨内衬层5与钢套外层1通过前端固定的环状凸棱7和其在上边缘固定的压块6、压块14焊接固定。使楔形环状结构耐磨内衬层3与耐磨内衬层5固定在钢套外层1内，而不发生位移。其它结构同实施例1。

本发明实施例2的制备工艺步骤如下，参见工艺流程图10。

a、制作钢套外层1和其它辅助零件同常规工艺；

制作耐磨内衬层的工艺步骤如下：

b、由编网机编织纳米结构金属丝网9；进行酸洗处理；

c、根据楔形环状结构耐磨内衬层3和等厚环状结构耐磨内衬层5的形状和厚度尺寸，以及陶瓷棒8轴线排布方向，剪切、叠合纳米结构金属丝网9；

d.将陶瓷棒8紧密镶嵌在纳米结构金属丝网9的网孔内；

e.制备复合料10；复合料10由无机物粉料和耐热树脂组成，无机物粉料选用氧化铝粉，也可用碳化硅粉、氮化钛粉、碳化钛粉或碳化钨粉，粒度为5～100um；耐热树脂选用酚醛树脂，也可选用环氧树脂。无机物粉料和耐热树脂的重量比为：1.6∶1。

f.将制备好的复合料10压入或通过三维震动台震动填入纳米结构金属丝网9剩余的缝隙中，固化成型；即制成楔形环状结构耐磨内衬层3和等厚环状结构耐磨内衬层5。

g.组合装配固定；把制作好的楔形环状结构耐磨内衬层3和等厚环状结构耐磨内衬层5放置在钢套外层1空腔内，将紧固压块11和环状凸棱7焊接在钢套外层1内表面相应位置上，将压块6焊接固定在钢套外层1前端上边缘，将压块14焊接固定在钢套外层1中部边缘楔形环状结构耐磨内衬层3和等厚环状结构耐磨内衬层5结合点的位置上。

实施例3

一种三元复合材料内衬高炉布料溜槽，参见图7、图8、图9和图2。本实施例的楔形环状结构耐磨内衬层3和等厚环状结构耐磨内衬层5与钢套外层1也可以通过螺栓15相固定。在楔形环状结构耐磨内衬层3和耐磨内衬层5内合适位置预埋在螺母16，在钢套外层1相应位置设有螺孔，用螺栓15相固定。其它结构同实施例1。本发明实施例4的制备工艺步骤同实施例1，参见工艺流程图10。

Claims (12)

1、一种三元复合材料内衬高炉布料溜槽，主要包括钢套外层(1)、耐磨内衬层(3、5)，其特征在于：冲击区(2)内衬层(3)上表面是楔形环状结构，滑动区(4)内衬层(5)是等厚环状结构；耐磨内衬层(3、5)由陶瓷棒(8)、纳米结构金属丝网(9)、复合料(10)复合而成；在纳米结构金属丝网(9)的网孔中镶嵌陶瓷棒(8)，复合料(10)填入纳米结构金属丝网(9)剩余缝隙中固化成型，复合制成的耐磨内衬层(3、5)与钢套外层(1)通过压块焊接或者螺栓相固定。

2、根据权利要求1所述的高炉布料溜槽，其特征在于：冲击区(2)内衬层(3)上表面的楔形环状斜面与溜槽轴线夹角为10°～60°，冲击区(2)的长度为溜槽总长度的15％～50％。

3、根据权利要求1所述的高炉布料溜槽，其特征在于：滑动区(4)内衬层(5)的厚度为5～100mm。

4、根据权利要求1或2所述的高炉布料溜槽，其特征在于：钢套外层(1)前端设有环状凸棱(7)，在钢套外层(1)后端焊接有紧固压块(11)，在钢套外层(1)上边缘固定有压块(6、14)。

5、根据权利要求1所述的高炉布料溜槽，其特征在于：耐磨内衬层(3、5)内的陶瓷棒(8)轴线方向与物料下落方向接近平行。

6、根据权利要求1或5所述的高炉布料溜槽，其特征在于：陶瓷棒(8)直径为1～20mm，陶瓷棒(8)轴线与溜槽轴线夹角为30°～90°。

7、根据权利要求1所述的高炉布料溜槽，其特征在于：耐磨内衬层(3、5)内纳米结构金属丝网(9)是紧密层叠，该纳米结构金属丝网(9)网孔尺寸为1～20mm，金属丝直径为0.1～3mm。

8、根据权利要求1所述的高炉布料溜槽，其特征在于：复合料(10)主要是由水泥、氧化铝粉组成，以水为填加剂；水泥选用铝酸盐类水泥，重量分数为20～40％；氧化铝粉的粒度为5～100um，重量分数为40～70％；水的重量分数是10～20％。

9、根据权利要求1所述的高炉布料溜槽，其特征在于：复合料(10)由无机物粉料和耐热树脂组成，其重量比为1.5～3∶1；无机物粉料为氧化铝粉粉、碳化硅粉、氮化钛粉、碳化钛粉或碳化钨粉，粒度为5～100um，耐热树脂为环氧树脂或酚醛树脂。

10、根据权利要求1或2所述所述的高炉布料溜槽，其特征在于：纳米结构金属丝网(9)的材质采用纳米结构低碳钢、中碳钢、高碳钢金属丝；或者纳米结构低、中、高碳合金钢金属丝，或纳米结构锰钢亚稳材料金属丝制作。

11、根据权利要求1或2所述所述的高炉布料溜槽，其特征在于：陶瓷棒(8)是氧化铝棒或碳化钨棒。

12、三元复合材料内衬高炉布料溜槽的制备工艺，其特征在于：该制备工艺依下述步骤进行：

a.由碳钢或合金钢制作钢套外层(1)；

b.由编网机编织纳米结构金属丝网(9)；进行酸洗处理；

c.根据耐磨层(3、5)的形状尺寸和陶瓷棒(8)轴线排布方向，剪切、叠合纳米结构金属丝网(9)；

d.将陶瓷棒(8)紧密镶嵌在纳米结构金属丝网(9)的网孔内；

e.制备复合料(10)，按照上述权利要求8或9配制复合料(10)；

f.将制备好的复合料(10)，压入或通过三维震动台震动填入纳米结构金属丝网(9)剩余的缝隙中固化成型，即制成耐磨内衬层(3、5)；

g.把制作好的耐磨内衬层(3、5)放置在钢套外层(1)空腔内，将紧固压块(11)和环状凸棱(7)通过螺栓或焊接方式固定在钢套外层(1)内表面相应位置上，并将压块(6、14)固定在钢套外层(1)的上边缘。

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