DE2820699C2

DE2820699C2 - Schutzschicht auf einer Hochofenblasform

Info

Publication number: DE2820699C2
Application number: DE19782820699
Authority: DE
Inventors: Takashi Kyoto Oka; Akimune Kurashiki Sato; Shigeo Shoji; Hideto Watanabe
Original assignee: Toyo Calorizing Industry Co Ltd; Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1977-05-12
Filing date: 1978-05-11
Publication date: 1982-07-29
Also published as: GB1601747A; JPS5739311B2; BR7802975A; FR2421946B1; FR2421946A1; JPS53138905A; DE2820699A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Schutzschicht auf einer wassergekühlten Hochofenblasform aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, bestehend aus einer auf die Oberfläche der Blasform aufgesprühten metallisierten Legierungsschicht aus selbstfließender Legierung, einer auf die Oberfläche der metallisierten Legierungsschicht aufgesprühten Cermetschicht und einer auf die Oberfläche der Cermetschicht aufgesprühten keramischen Deckschicht

Im allgemeinen besteht eine Hochofenblasform aus Kupfer oder Kupferlegierung als Substrat und dient üblicherweise unter Wasserkühlung zum Einblasen von Heißluft in den Hochofen. Da jedoch das Endteil der Blasform in das Ofeninnere hineinragt und somit den strengen Ofenbedingungen ausgesetzt ist ist die Lebensdauer der Blasform relativ kurz, da sie den hohen

ίο Ofentemperaturen ausgesetzt ist, wobei der Verschleiß durch Berührung mit der Charge während des Hineinsenkens oder durch aufwirbelnde Stäube und der Auflösungsverlust durch Berührung mit geschmolzenem Eisen oder Schlacke oddgL verursacht wird. Um deshalb die Lebensdauer der Blasform zu verlängern, wurden bislang Hochofenblasformen eingesetzt (US-PS 30 69 760), die mit -einer mehrfachen Beschichtung versehen waren, die dadurch erhalten worden waren, daß eine Metallbeschichtung 2 auf ein Kupfersubstrat 1 der Blasform und außerdem eine keramische Schicht 3 auf die Metallbeschichtung 2 aufgetragen worden war, wie F i g. 1 der beigefügten Zeichnung zeigt Bei diesen Blasformen schält sich jedoch die Metallbeschichtung 2 leicht von dem Kupfersubstrat 1 ab, weil angesichts des für uie Beschichtung verwendeten Materials die Metallbeschichtung nur schwach an das Kupfersubstrat gebunden ist Außerdem haben die Metallbeschichtung 2 und die keramische Beschichtung^ 3 einen stark unterschiedlichen Wärmeexpansionskoeffizienten, so daß sich die keramische Schicht 3 bei Anwendung bei erhöhter Temperatur an der beschichten Oberfläche von der Metallbeschichtung 2 abschält Deshalb wurden solche Blasformen für die praktische Anwendung als ungeeignet erachtet

Um die vorstehend aufgezeigten Probleme der in F i g. 1 der beigefügten Zeichnung dargestellten Blasformen zu lösen, wurde bereits eine Hochofenblasform der in F i g. 2 der beigefügten Zeichnung dargestellten Art (japanische Patentanmeldung No. 22,724/77, DE-OS 24 19 584) entwickelt Diese Blasform besteht aus einem Kupfersubstrat 1, einer metallisierten Schicht 4 aus selbstfließender Legierung, die auf das Kupfersubstrat 1 aufgesprüht ist, einer Cermetschicht 5, die auf die metallisierte Legierungsschicht 4 aufgesprüht ist, und einer keramischen Schicht 3, die auf die Cermetschicht 5 aufgesprüht ist Auf diese Weise wird die Bindung der metallisierten Legierungsschicht an das Substrat verbessert, und das Abschälen der keramischen Schicht von der bedeckten Oberfläche wird in gewissem Maße verhindert, wodurch die Verlängerung der Lebensdauer der Blasform in gewissem Maße erreicht werden konnte.

Eine noch weitere Verbesserung der in F i g. 2 dargestellten Blasform führte zu der in Fig.3 dargestellten und aus dem japanischen Patent 839 333 bekannten Hochofenblasform. Bei dieser ist die Cermetschicht aus einer unteren Schicht 5A und einer oberen Schicht SB aufgebaut unter Verwendung eines Gemisches aus hitzebeständigen keramischen Materialien und einem Legierungsbindemittel. Die untere Schicht SA ist aus einem Gemisch mit niedrigem Mischungsverhältnis des hitzebeständigen keramischen Materials erstellt, während die obere Schicht SB aus einem Gemisch mit hohem Mischungsverhältnis des hitzebeständigen keramischen Materials erstellt ist. Somit ermöglicht diese Blasform eine weitere Verlängerung der Lebensdauer.
Aufgabe der Erfindung ist die Erstellung von

Hochofenblasformen mit gegenüber den gebräuchlichen Blasformen ausgezeichneter Wärmeschockbeständigkeit und langer Lebensdauer. Überraschenderweise wurde festgestellt, daß diese Aufgabe mittels einer Schutzschicht auf wassergekühlten Hochofenblasformen der eingangs genannten Art zu voller Zufriedenheit gelöst werden kann, wenn erffr.dungsgemäß die Cermetschicht 5Cein Gemisch aus einer Legierung, die im wesentlichen aus 5 bis 60 Gew.-% Kobalt, 5 bis 50 Gew.-% Nickel, 5 bis 25 Gew.-% Chrom, 5 bis 40 Gew.-% Molybdän, 5 bis 40 Gew.-% Wolfram, 3 bis 40 Gew.-% Silicium und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht, sowie aus einem keramischen Material mit eutektischer Struktur ist, das im wesentlichen aus 95 bis 65 Gew.-% Al₂O₃, 5 bis 30 Gew.-% ZrO₂, 2 bis 20 Gew.-% TiO₂,3 bis 30 Gew.-% SiO₂ und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht, und wenn die keramische Deckschicht besteht, wie es für die Ausbildung der Cermetschicht 5Cverwendet wird.

Es hat sich herausgestellt, daß die erfindungsgemäß mit einer Schutzschicht versehenen Hochofenblasformen gegenüber den bekannten eine beträchtlich verlängerte Lebensdauer aufweisen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnung im einzelnen erläutert In der Zeichnung sind:

F i g. 1 bis 3 fragmentarische Querschnittansichten der jeweils erläuterten konventionellen Hochofenblasformen und

F i g. 4 eine fragmentarische Querschnittansicht einer erfindungsgemäßen Hochofenwindform.

Unter Bezugnahme auf F i g. 4 besteht die erfindungsgemäße Hochofenblasform aus einem Blasformsubstrat 1 aus Kupfer oder Kupferlegierung. Auf die Oberfläche des Substrats 1 ist zur Bildung einer metallisierten Schicht 4 eine selbstfließende Legierung aufgesprüht. Die selbstfließende Legierung kann beispielsweise eine solche auf Nickelbasis, auf Nickel-Chrom-Basis oder auf Kobaltbasis sein, wobei eine jede gegebene Mengen an Bor und Silicium enthält.

Dann wird auf die Oberfläche der metallisierten Legierungsschicht 4 ein Gemisch aus Legierung und keramischem Material zur Bildung einer Cermetschicht 5C aufgesprüht. Erfindungsgemäß wurde das Material des Gemisches für die Ausbildung der Cermetschicht 5C auf das Erfordernis hin untersucht, daß die Cermetschicht 5 C fest an die metallisierte Legierungsschicht einerseits und an eine keramische Schicht ZC andererseits bindet, die in einer nachfolgenden Stufe ausgebildet wird. Als Ergebnis dieser Studien wurde gefunden, daß ein Gemisch am besten für die Ausbildung der Cermetschicht 5C geeignet ist, das aus einer Legierung aus im wesentlichen 5 bis 60 Gew.-% Co, 5 bis 50 Gew.-% Ni, 5 bis 25 Gew.-% Cr, 5 bis 40 Gew.-% Mo, 5 bis 40 Gew.-% W, 3 bis 40 Gew.-% Si und unvermeidbaren Verunreinigungen sowie aus einem keramischen Material aus im wesentlichen 95 bis 65 Gew.-% Al₂O₃,5 bis 30 Gew.-% ZrO₂,2 bis 20 Gew.-% TiO₂, 3 bis 30 Gew.-°/o SiO₂ und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht und eine eutektische Struktur hat Die Legierung mit der vorstehend definierten Zusammensetzung ist in bezug auf Verschleißbeständigkeit bei hoher Temperatur besser als Ni-Cr-Legierung und als Ni-Al-Legierung und in bezug auf Auflösungsverlust besser als die selbstfließenden Legierungen auf Ni-Basis und auf Co-Basis. Das keramische Material der vorstehend definierten Zusammensetzung hat eine verbesserte Bindefähigkeit gegenüber der Legierung als Al₂O₃ mit einer Reinheit von mehr als 90% oder als ZrO₂ mit einer Reinheit von mehr als 90%. Außerdem wurde sichergestellt, daß ein Gemisch aus einer Legierung und aus einem keramischen Material, deren beider Zusammensetzung außerhalb der vorstehend definierten Grenzen liegt, nicht den vorstehend genannten Anforderungen genügt und deshalb nicht für die Ausbildung der Cermetschicht 5Cgeeignet ist

Dann wird auf die Oberfläche der Cermetschicht 5C zur Ausbildung einer keramischen Schicht 3C als äußerste Deckschicht ein keramisches Material aufgesprüht In diesem Fall muß das für die Ausbildung der keramischen Schicht 3C verwendete Material dieselbe Zusammensetzung haben wie das keramische Material des Gemisches, wie es für die Ausbildung der Cermetschicht 5C verwendet wurde. Im anderen Fall kann das keramische Material nicht den an es gestellten Anforderungen genügen.

Die Herstellung der Hochofenblasformen gemäß der Erfindung wird nachstehend anhand von Fig.4 der Zeichnung erläutert:

1) Die Oberfläche des Kupfersubstrats t wird zuvor durch mechanische Maßnahmen aufgerauht, um so seine Bindefähigkeit zu verbessern, und dann gereinigt

2) Eine selbstfließende Legierung wird auf die Oberfläche des Kupfersubstrats 1 zur Ausbildung einer metallisierten Legierungsschicht 4 aufgetragen. Als selbstfließende Legierung wird vorzugsweise eine solche auf Nickelbasis, die aus 65 bis 90 Gew.-% Ni, 10 bis 35 Gew.-% Cr, 1,5 bis 4,5 Gew.-% Si, 1,5 bis 4,5 Gew.-% B und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht, oder eine solche auf Kobaltbasis, die aus 40 bis 60 Gew.-% Co, 19 bis 21 Gew.-% Cr, 24 bis 28 Gew.-o/o Ni, 1,5 bis 4,5 Gew.-% Si, 1,5 bis 4,5 Gew.-% B und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht, verwendet. Eine solche selbstfließende Legierung wird zur Ausbildung der metallisierten Legierungsschicht 4 in einer Dicke von 50 bis 150 μΐη mittels einer Sprühvorrichtung unter Verwendung einer Plasmadüse oder einer Sauerstoff-Acetylen-Flamme als Wärmequelle aufgesprüht

3) Auf die metallisierte Legierungsschicht 4 wird zur Bildung der Cermetschicht SC ein Gemisch aus Legierung und keramischem Material aufgesprüht. Das bevorzugte keramische Material besteht im wesentlichen aus 5 bis 30 Gew.-% ZrO₂,65 bis 95 Gew.-% Al₂O₃, 2 bis 20 Gew.-% TiO₂, 3 bis 30 Gew.-% SiO₂ und unvermeidbaren Verunreinigungen und hat eine eutektische Struktur. Die bevorzugte Legierung, die als Bindemittel wirkt, besteht im wesentlichen aus 5 bis 60 Gew.-% Co, 5 bis 50 Gew.-% Ni, 5 bis 25 Gew.-% Cr, 5 bis 40 Gew.-% Mo, 5 bis 40 Gew.-% W, 3 bis 40 Gew.-% Si und unvermeidbaren Verunreinigungen. Bei einem solchen Gemisch beträgt das Mischungsverhältnis von Legierung zu keramischem Material 3 :7 bis 7 :3. Die Dicke der Cermetschicht 5Cbeträgt 50 bis 250 μπι.

4. Dasselbe keramische Material, wie es für die Ausbildung der Cermetschicht 5C verwendet wurde, wird nun zur Ausbildung der keramischen Schicht 3Cin einer Dicke von 100 bis 300 pm auf die Cermetschicht 5C aufgesprüht Das bevorzugte keramische Material besteht im wesentlichen aus 5 bis 30 Gew.-% ZrO₂, 70 bis 95 Gew.-% Al₂O₃, 2 bis 20 Gew.-% TiO₂, 3 bis 30 Gew.-% SiO₂ und unvermeidbaren Verunreinigungen und hat eine eutektische Struktur.

Auf diese Weise kann eine Hochofenblasform mit verbesserter Wärmeschockbeständigkeit und Verschleißfestigkeit bei hoher Temperatur erhalten werden.

Das nachfolgende Beispiel dient der weiteren Erläuterung der Erfindung.

Beispiel

Je drei Hochofenblasformen gemäß dem Stand der Technik bzw. gemäß der Erfindung wurden zur Ermittlung der Lebensdauer einer Wärmeschockprüfung unterzogen. Die Ergebnisse zeigt die folgende Tabelle 1.

Bei der Wärmeschockprüfung wurde jeder Probekörper in Eisenschmelze getaucht, die bei 1500° C in einen Hochofentrog floß. Das Eintauchen erfolgte in Intervallen von 10 Sekunden, und zwar so lange, bis ein meßbarer Auflösungsverlust auftrat Je größer die Anzahl der Tauchvorgänge ist, desto besser ist die Lebensdauer der Blasformen.

In Tabelle 1 sind die Probekörper 1 bis 3 Blasformen der herkömmlichen Art, wobei der Probekörper 1 die in F i g. 1 dargestellte Struktur, der Probekörper 2 die in F i g. 2 dargestellte Struktur und der Probekörper 3 die in Fig.3 dargestellte Struktur hat, während die Probekörper 4 bis 6 Blasformen nach der Erfindung mit der in Fig.4 dargestellten Struktur sind, wobei die jeweils für die metallisierte Legierungsschicht und die Cermetschicht verwendeten Zusammensetzungen im einzelnen jeweils in den Tabellen 2 bis 4 angegeben sind und wobei die keramische Schicht jeweils aus demselben keramischen Material besteht, wie es für die Ausbildung der Cermetschicht verwendet wurde.

15

Tabelle 1

Probe	Substrat	Metall	Cermetschichl	2. Schicht	3. Schicht	Kera	Anzahl
körper	(Stab von	schicht				mische	der
Nr.	300 mm 0				Schicht	Tauch
	x 200 mm)		1. Schicht			vor
						gange

Stand der	Technik:	60% Ni- 15% Cr-Fe, Mn	50% (Ni-Cr) 50% Al₂O₃
1	Reines Cu	Selbst- fließende Legierung Ni-Basis	75% (Ni-Cr)
2	desgl.	desgl.	25% Al₂O₃
3	desgl.
			50% (Co+Ni)
Erfindung		desgl.	50% (Al₂O₃-ZrO₂)
4	desgl.		50% (Co-Ni-Mo-W-Si)
		desgl.	50% (Al₂O₃-ZrO₂)
5	desgl		50% (Co-Ni)
		desgl.	50% (Al₂O₃-ZrO₂- TiO₂-SiO₂)
6	desgl.

50% (Ni-Cr) 25% (Ni-Cr)
50% Al₂O₃ 75% Al₂O₃

Al₂O₃
Al₂O₃
Al₂O₃

Al₂O₃-ZrO₂
Al₂O₃-ZrO₂

αϊ r> _7τ-γ»

IU₂VJ^lU

TiO₂-SiO₂

10

Tabelle 2 Tabelle 3

Probekörper

Zusammensetzung der selbstfließenden Legierung aufNi-Basis (%)

60

Ni

Cr

Si

79,0
79,0
79,0

14
14
14

3,50
3,50
3,50

2,75
2,75
2,75

Andere Probekörper

0,75 ⁶⁵ 0,75

0,75 Zusammensetzung des Legierungsmaterials der
Cennetschjcht (%)

Co Ni Cr Mo W Si Andere

55 45

43 8,5 16

55 45

20 7,5 4,5 0,5

Tabelle 4

l'robekörper

Nr.

Zusammensetzung des keramischen Materials der Cermetschicht (%)

AI₂O₃ ZrO₂ TiO₂

SiO₂

Andere

4 75,0 25,0 - - -

5 9S\) 5,0 -

6 70^0 10,0 4,5 15,0 0,5

Wie Tabelle 1 zeigt, ist die Anzahl der Tauchungen bei

den Probekörpern 4 bis 6 um etwa lOmal größer als bei dem Probekörper 1 und um etwa 2 bis 3mal größer als bei den Probekörpern 2 bzw. 3. Dies bedeutet, daß die Beständigkeit gegen Auflösung infolge von Wärmeschock gegenüber dem Stand der Technik beträchtlich verbessert ist.

Außerdem wurde sichergestellt, daß, wenn die Blasformen nach der Erfindung im Hochofenbetrieb praktisch eingesetzt werden, ihre Lebensdauer um das 2- bis 3fache länger ist als die der konventionellen, wobei kein Auflösungsverlust verursacht wird und die Dauerhaftigkeit verbessert ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schutzschicht auf einer wassergekühlten Hochofenblasform aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, bestehend aus einer auf die Oberfläche der Blasform aufgesprühten metallisierten Legierungsschicht aus selbstfließender Legierung, einer auf die Oberfläche der metallisierten Legierungsschicht aufgesprühten Cermetschicht und einer auf die Oberfläche der Cermetschicht aufgesprühten keramischen Deckschicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Cermetschicht (5c) ein Gemisch aus einer Legierung, die im wesentlichen aus 5 bis 60 Gew.-°/o Kobalt, 5 bis 50 Gew.-% Nickel, 5 bis 25 Gew.-% Chrom, 5 bis 40 Gew.-% Molybdän, 5 bis 40 Gew.-% Wolfram, 3 bis 40 Gew.-% Silicium und unvermeidbaren Verunieinigungen besteht, sowie aus einem keramischen Material mit eutektischer Struktur ist, das im wesentlichen aus 95 bis 65 Gew.-% Al₂O₃, 5 bis 30 Gew.-% ZrO₂, 2 bis 20 Gew.-% TiO₂,3 bis 30 Gew.-% SiO₂ und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht, und daß die keramische Deckschicht (3c) aus einem keramischen Material derselben Zusammensetzung besteht, wie es für die Ausbildung der Cermetschicht (Sc) verwendet wird.

2. Schutzschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung der Cermetschicht im wesentlichen aus 5 bis 60 Gew.-% Kobalt, 5 bis 50 Gew.-% Nickel, 5 bis 25 Gew.-% Chrom, 5 bis 40 Gew.-% Molybdän, 5 bis 40 Gew.-% Wolfram, 3 bis 40 Gew.-% Silicium und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht

3. Schutzschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Material der Cermetschicht im wesentlichen aus 5 bis 30 Gew.-% ZrO₂,65 bis 95 Gew.-% Al₂O₃ 2 bis 20 Gew.-o/o TiO₂, 3 bis 30 Gew.-% SiO₂ und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht

4. Schutzschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mischungsverhältnis von Legierung zu keramischem Material in dem Gemisch 3 :7 bis 7 :3 beträgt

5. Schutzschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Cermetschicht 50 bis 250 μηι beträgt

6. Schutzschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Material der keramischen Deckschicht (3c) im wesentlichen aus 5 bis 30 Gew.-% ZrO₂, 70 bis 95 Gew.-% Al₂O₃, 2 bis 20 Gew.-% TiO₂, 3 bis 30 Gew.-% SiO₂ und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht

7. Schutzschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der keramischen Deckschicht (3c) 100 bis 300 μΐη beträgt.