JPH08501350A - 熱ガス、特に煙道ガスにさらされる金属壁上に保護層を製造する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 熱ガスにさらされ、所定の温度範囲内にあり、金属および所定の基材からなる、燃焼装置、熱交換器または類似の装置の壁上に保護層を製造する方法であり、プラズマ溶射技術を用いて金属の壁に金属、炭化物、酸化物セラミックまたは珪化物の材料またはこれらの材料の混合物からなる粉末を被覆する。本発明により、（ａ）壁の表面を粗面化し、（ｂ）壁の基材を活性化し、かつ（ｃ）その後直ちに室温で、雰囲気条件下でプラズマ溶射技術により粉末を被覆し、その際（ｄ）粉末の組成を、基材と被覆した層の移行領域に対して、基材と種々の粉末から製造された試験材料の熱膨張率を用いて決定した応力が、無負荷状態で（室温で）、温度の関数として５０〜８００Ｎ／ｍｍ²、有利には５００〜８００Ｎ／ｍｍ²の引張り応力を有し、この応力が特定の温度範囲で実質的に０に低下するかまたは低い圧縮応力を有するように予め選択する。

Description

【発明の詳細な説明】 熱ガス、特に煙道ガスにさらされる金属壁上に保護層を製造する方法 本発明は、燃焼装置、熱交換器または類似の装置の、熱ガス、特に煙道ガスに さらされる、所定の温度範囲内にある金属および所定の基材からなる壁上に保護 層を製造する方法に関し、この方法はプラズマ溶射技術を用いて予め浄化された 金属の壁上に保護層を形成するために金属、炭化物、酸化物セラミックまたは珪 化物の材料またはこれらの材料の混合物からなる粉末を被覆する。 そのような保護層はたとえば鋼製の転炉内の復熱容器の冷却壁上に被覆すべき である。これらの冷却壁はきわめて高い圧力にさらされる、それというのも壁の 一方の面に沿つて流動する煙道ガスがほぼ１４００〜１８００℃の温度を有し、 灰およびスラグ粒子を負荷しており、これに対して他方の面を支配する飽和蒸気 圧はほぼ２０〜８０バールであり、これにより飽和蒸気で冷却した管の壁は２バ ール／分までの内部圧勾配を有する。 ドイツ連邦共和国特許第２３５５５３２号明細書から、サンドブラストし、か つ予熱した金属表面上に金属および合金粉末を溶射する方法が公知であり、この 方法においては前記の金属表面は最低１００℃〜約６５０℃の温度に予め加熱さ れている。棒状電極を用いて溶射する場合も粉末溶射またはフレーム溶射して引 き続き溶融する場合も、基材に保護層を被覆する際に基材がきわめて高い温度に 加熱され、好ましくない構造変化を生じる。特にフレーム溶射の場合は溶融温度 が使用される溶射粉末に依存して９８０℃〜１０６０℃である。更に高い熱の導 入により被覆すべき壁のひずみを生じる。この場合にこれらの壁の構造に問題を 生じ、寸法の不正確さのために付加的な費用を生じる。この公知の方法で後から 保護層を被覆する場合は、高い温度に起因した応力はひずみの形で反応せずに、 組み込まれた壁の表面に、特に溶接領域に亀裂を生じる。溶射の場合は保護層は 約８〜１０ｍｍおよびフレーム溶射の場合は１〜２ｍｍの厚さを有する。 更にドイツ連邦共和国特許出願公開第２６３０５０７号明細書から、材料上に 熱ガス腐食および／または機械的摩滅に対する保護層を製造する方法が公知であ り、この方法においては真空中でプラズマ溶射により種々の合金からなる被覆粉 末を材料上に被覆する。被覆を実施するために、この真空溶射法は外部から到達 できない処理空間を必要とし、真空をかなりの経費をかけて製造しなければなら ない。従ってこの方法はたとえば復熱装置に設置されるような大きな壁に適用で きない。 本発明の課題は、前記の問題を生じることがなく、特に材料のひずみおよび基 材の応力亀裂を回避する方法を提供することであった。 本発明の課題は請求の範囲１の特徴部分に記載の方法により解決され、請求の 範囲２以下には有利な補足的な製造工程が記載されている。 本発明の方法により、雰囲気プラズマ溶射技術により粉末を被覆する前に壁の 表面が粗面化されるだけでなく、金属格子内の撹乱を生じ、これにより付着力が 高まるような方法で壁の基材が活性化される。そのような活性化の直後に、すな わち金属格子内のこの撹乱が再び消失する前に、雰囲気条件下でプラズマ溶射技 術により粉末を壁に被覆し、その間壁の表面をほぼ室温に保つ。 粉末の組成はそれぞれの基材および将来の作動条件、特に所定の温度範囲によ り選択する。本発明により、基材と被覆した保護層の移行領域は無負荷状態で、 すなわち室温で、５０〜８００Ｎ／ｍｍ²、有利には５００〜８００Ｎ／ｍｍ²の 引張り応力を有するべきであり、この応力は特定の温度範囲内で実質的にゼロに 低下するかまたは少ない圧縮応力を有する。この応力の状態（図面を参照）は一 方では基材の熱膨張率を用いて計算することにより、他方では種々の粉末から製 造された試験材料の熱膨張率により算定する。その際、この算定はＤＩＮ５０１ ２１により追跡することがで きる。 本発明による方法を用いて、たとえば燃焼装置および熱交換器、特に鋼製の転 炉の復熱装置の平面またはアーチ形の壁上に、熱衝撃に強く、容易に修復できる 、熱ガス腐食および／または機械的摩滅に対する保護層を製造することができる 。 従来可能であったよりも著しく長い時間にわたってかなりの摩滅を阻止するた めに、０．１〜０．５ｍｍ、有利には０．１５〜０．２５ｍｍの最終層厚さがす でに十分であることが判明した。そのような保護層を被覆するために、内部粉末 供給装置を有する８０ＫＷプラズマ溶射装置が特に適していることが判明した。 この場合に７５μｍ未満、有利には２０〜４０μｍの粒度を有する粉末を使用す る。特にこの粉末を用いて、熱衝撃に強く、熱ガス腐食に対して安定の条件を満 足し、製造に起因した薄片状の層構造に起因する高い内部応力を回避したきわめ て薄い層を被覆することができる。全部の保護層を少なくとも２つの移行部分で 製造するのが最も有利である。 プラズマ溶射の前に壁の処理すべき表面を溶融アルミナ、有利には高純度の白 色の溶融アルミナで粗面化し、かつ活性化することができる。 更に、本発明による方法において、表面をプラズマ溶射およびこれに溶融した 粉末粒子により、約４０℃から最高６０℃にのみ加熱することが有利であると判 明した。これにより特に壁の平面のひずみを排除することができる。 ニッケル合金を有する粉末を使用するのが有利である。 雰囲気プラズマ溶射を、壁の表面を活性化後４５分、有利には３０分をこえな いで実施すべきであることが判明した。 最終的に保護層で処理された壁の負荷温度は３００〜１８００℃、有利には６ ００〜１０００℃の範囲内であることができる。 図面に示された圧力／温度グラフは、典型的に０℃からほぼ１２００℃の温度 範囲内の基材と保護層との移行帯域での応力特性を示す。このグラフは２つの材 料の測定した平均線熱膨張率にもとづく。無負荷状態では転炉復熱装置の被覆し た壁は基材と被覆材料との移行帯域で６００Ｎ／ｍｍ²より高い引張り応力を示 す。 復熱装置が作動している場合は、壁の保護層は急激に転炉から噴出する鋼溶融 物およびスラグの高い温度にさらされる。グラフはこの経過を応力の変化にもと づいて示す。中立領域は約７００℃であり、７００℃をこえると保護層の破断ま たは亀裂を阻止する圧縮応力が移行帯域で形成される。一般的な水冷した復熱装 置壁の管により、負荷後引張り応力の状態は徐々に回復する、すなわちこのグラ フにおいては応力の変化を 示すプロットした線が反対方向に進行する。図は典型的な応力の変化のみを温度 の関数として示す。ほかの応力領域に関しては、いわゆるゼロ状態は７００℃の 代りに４００℃または８００℃で存在することができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヘーゼン，ヴィルヘルム ドイツ連邦共和国 Ｄ―4130 メールス アインシュタインシュトラーセ 46 (72)発明者 ヘルムゼン，ヨハネス ドイツ連邦共和国 Ｄ―4100 ドゥイスブ ルク 17 ハーレナーシュトラーセ 46

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．プラズマ溶射技術を用いて保護層を形成するために予め浄化された金属の壁 上に金属、炭化物、酸化物セラミックまたは珪化物の材料またはこれらの材料の 混合物からなる粉末を被覆することにより、所定の温度範囲内にあり、熱ガス、 特に煙道ガスにさらされる、燃焼装置、熱交換器または類似の装置の、金属およ び所定の基材からなる壁上に保護層を製造する方法において、 （ａ）前記壁の表面を粗面化し、 （ｂ）壁の基材を活性化し、かつ （ｃ）その後直ちに室温で、雰囲気条件下でプラズマ溶射技術により粉末を被覆 し、その際 （ｄ）粉末の組成を、基材と被覆した層の移行領域に対して、基材および種々の 粉末から製造された試験材料の熱膨張率を用いて決定した応力が、無負荷状態で （室温で）温度の関数として５０〜８００Ｎ／ｍｍ²、有利には５００〜８００ Ｎ／ｍｍ²の引張り応力を有し、この応力が特定の温度範囲で実質的に０に低下 するかまたは低い圧縮応力を有するように予め選択することを特徴とする、熱ガ ス、特に煙道ガスにさらされる金属の壁上に保護層を製造する方法。 ２．被覆される保護層が０．１〜０．５ｍｍ、有利に は０．１５〜０．２５ｍｍの最終厚さを有する請求の範囲１記載の方法。 ３．保護層を内部粉末供給装置を有する８０ＫＷプラズマ溶射装置を用いて被覆 する請求の範囲１または２記載の方法。 ４．保護層を被覆するために７５μｍ未満、有利には２０〜４０μｍの粒度を有 する粉末を使用する請求の範囲１から３までのいずれか１項記載の方法。 ５．保護層を少なくとも２つの移行部分の形で製造する請求の範囲１から４まで のいずれか１項記載の方法。 ６．プラズマ溶射を実施する前に、壁の表面を溶融アルミナ、有利には高純度の 白色の溶融アルミナで粗面化し、かつ活性化する請求の範囲１から５までのいず れか１項記載の方法。 ７．プラズマ溶射およびこれに溶融した粉末粒子により壁の表面を約４５℃から 最高６０℃にのみ加熱する請求の範囲１から６までのいずれか１項記載の方法。 ８．保護層を製造するためにニッケル合金を含有する粉末を使用する請求の範囲 １から７までのいずれか１項記載の方法。 ９．雰囲気プラズマ溶射を、壁の表面を活性化後４５分、有利には３０分をこえ ないで実施する請求の範囲１項記載の方法。 １０．壁の負荷温度が３００〜１８００℃、有利には６００〜１０００℃の範囲 内にある請求の範囲１記載の方法。