PL171965B1 - Sposób wytwarzania warstwy ochronnej na sciankach metalowychstykajacych sie z goracymi gazami, zwlaszcza gazami spalinowymi3 0 ) Pierwszenstwo:19.06.1992,DE,P4220063.6 PL PL - Google Patents

Abstract

1 Sposób wytwarzania warstwy ochronnej na sciankach metalowych stykajacych sie z goracymi gazami, zwlaszcza gazami spalinowymi, poddawa- nych oddzialywaniu temperatur z wstepnie zadanego zakresu 1 stanowiacych metalowe podloze, zwlaszcza ukladów spalania lub wymienników ciepla, w którym naklada sie za pomoca metody natryskiwania plazmo- wego na wstepnie oczyszczone, metalowe scianki pro- szek metalu, weglików, tlenków spiekanych, krzemków lub mieszanin tych materialów, znamienny tym, ze szorstkuje sie i aktywizuje powierzchnie scianek za pomoca korundu o wysokiej czystosci, a bezposrednio potem w temperaturze pokojowej i warunkach at- mosferycznych naklada sie proszek metoda natryskiwa- nia plazmowego, przy czym na sciankach z zaroodpornej stali, zwlaszcza z St35 8 i 15Mo3, nanosi sie jako warstwe ochronna proszek na bazie NiCrBSi. PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania warstwy ochronnej na ściankach metalowych stykających się z gorącymi gazami, zwłaszcza gazami spalinowymi, poddawanych oddziaływaniu temperatur z wstępnie zadanego zakresu i stanowiących metalowe podłoże, zwłaszcza układów spalania, wymienników ciepła lub podobnych urządzeń, w którym nakłada się za pomocą metody natryskiwania plazmowego na wstępnie oczyszczoną metalową ściankę proszek metalu, węglików, tlenków spiekanych lub krzemków lub mieszanin tych materiałów.

Warstwy ochronne tego typu powinny być nanoszone na przykład na ściany chłodzące kotłów na ciepło odpadowe w konwertorach stalowych. Ściany te są poddawane szczególnie wysokim obciążeniom. Na jednej stronie przepływają gorące i zawierające popiół oraz cząsteczki żużla spaliny o temperaturze około 1400° - 1800°C, podczas gdy na drugiej stronie panują ciśnienia pary nasyconej wynoszące około 20-80 barów (2000 - 8000kPa). Ściany rur chłodzących parę nasyconą mają gradient ciśnienia wewnętrznego wynoszący do 2 bar/min (200 kPa/min).

Z niemieckiego opisu patentowego nr DE 23 55 532 C2 znany jest sposób napawania proszku metali lub stopów na metalowe podłoża przygotowane za pomocą natryskiwania piaskiem i wstępnie podgrzane, w którym metalowe podłoże jest wstępnie ogrzewane do temperatury co najmniej 100 do około 650°C. Zarówno przy napawaniu za pomocą elektrody

171 965 prętowej jak też przy napawaniu proszkowym lub natryskiwaniu płomieniowym z późniejszym topieniem, podłoże przy nakładaniu warstwy ochronnej rozgrzewa się bardzo mocno, co prowadzi do niepożądanej zmiany struktury. Zwłaszcza przy natryskiwaniu płomieniowym, temperatura topienia w zależności od użytego proszku znajduje się w zakresie od 980 do 1060°C. Ze względu na wysokie pochłanianie ciepła prowadzi to do wypaczenia ścian poddanych pokrywaniu. Przy montowaniu tych ścian dochodzi jeszcze do trudności i dodatkowych kosztów związanych z niedokładnościami wymiarowymi. Jeśli warstwy ochronne zostaną naniesione tymi znanymi sposobami później, to naprężenia uwarunkowane temperaturą nie reagują w postaci wypaczeń, tylko prowadzą we wmontowanych elementach ścian do pęknięć na powierzchni, zwłaszcza w obszarze spoin spawalniczych. Przy napawaniu warstwa ochronna ma grubość od około 8 do 10 mm, a przy natryskiwaniu płomieniowym od 1 do 2 mm.

Z niemieckiego opisu patentowego nr DE-AS 26 30 507 znany jest ponadto sposób wytwarzania warstw ochronnych na półwyrobach dla ochrony przed korozją pod wpływem gorących gazów i/lub mechanicznym zużyciem, w którym nakłada się na półwyrób proszek pokrywający, składający się z różnych stopów, za pomocą natryskiwania plazmowego w próżni. W tym sposobie natryskiwania próżniowego trzeba w kosztowny sposób wytwarzać próżnię w niedostępnych z zewnątrz komorach obróbczych i tam przeprowadzać pokrywanie. Nie jest to możliwe przy dużych wmontowanych ścianach, np. w kotłach na ciepło odpadowe.

Celem wynalazku jest zaproponowanie takiego sposobu wytwarzania warstw ochronnych, w którym nie występuj ą wymienione problemy, a zwłaszcza wypaczanie obrabianych elementów i dzięki któremu wyeliminowane zostaną naprężenia powodujące występowanie pęknięć w materiale podłoża.

Sposób wytwarzania warstwy ochronnej na ściankach metalowych stykających się z gorącymi gazami, zwłaszcza gazami spalinowymi, poddawanych oddziaływaniu temperatur z wstępnie zadanego zakresu i stanowiących metalowe podłoże, zwłaszcza układów spalania lub wymienników ciepła, w którym nakłada się za pomocą metody natryskiwania plazmowego na wstępnie oczyszczone, metalowe ścianki proszek metalu, węglików, tlenków spiekanych, krzemków lub mieszanin tych materiałów według wynalazku charakteryzuje się tym, że szorstkuje się i aktywizuje powierzchnię ścianek za pomocą korundu o wysokiej czystości, a bezpośrednio potem w temperaturze pokojowej i warunkach atmosferycznych nakłada się proszek metodą natryskiwania plazmowego, przy czym na ściankach z żaroodpornej stali, zwłaszcza z St35.8 i 15Mo3, nanosi się jako warstwę ochronną proszek na bazie NiCrBSi.

Korzystnie, naniesiona warstwa ma końcową grubość od 0,1 do 0,5 mm, korzystniej 0,15 do 0,25 mm.

Korzystnie, warstwę ochronną nanosi się za pomocą urządzenia do natryskiwania plazmowego o mocy 80 KW z wewnętrznym doprowadzeniem proszku.

Korzystnie do nakładania warstwy ochronnej stosuje się proszek o wielkości ziarna mniejszej niż 75 pm, korzystnie 20 do 40 pm.

Korzystnie warstwę ochronną wytwarza się w co najmniej dwóch operacjach.

Korzystnie powierzchnię ścian ogrzewa się jedynie do około 40°C maksymalnie 60°C.

Korzystnie pokrywanie plazmowe w warunkach atmosferycznych przeprowadza się najpóźniej po 45 min., korzystnie po 30 min. od aktywizacji powierzchni ściany.

W sposobie według wynalazku przed nałożeniem proszku za pomocą metody atmosferycznego natryskiwania plazmowego nie tylko szorstkuje się powierzchnię zewnętrzną ścianki, ale materiał podłoża ścianki także aktywizuje się za pomocą korundu o wysokiej czystości w ten sposób, że wytwarza się zakłócenia w siatce metalicznej, dzięki czemu podwyższa się siły adhezji. Bezpośrednio potem, zanim te zakłócenia w siatce znowu zostaną zniesione, nanosi się na ścianki proszek metodą natryskiwania plazmowego w warunkach atmosferycznych, a powierzchnia ścian ma temperaturę otoczenia. Do szorstkowania i aktywizowania można stosować przy tym naturalny korund, zwłaszcza biały naturalny korund o wysokiej czystości.

Skład proszku określa się w odniesieniu do istniejącego materiału podłoża i późniejszych warunków eksploatacji, zwłaszcza założonych zakresów temperatury.

171 965

Stany naprężeń, dla których według wynalazku dla obszaru przejściowego między podłożem a nakładaną warstwą w stanie nieobciążonym, tj. w temperaturze otoczenia, naprężenia rozciągające powinny wynosić między 50 a 800 N/mm², zwłaszcza między 500 a 800 N/mm , a w założonym oddziaływującym zakresie temperatur zasadniczo maleją do 0 lub przechodzą w niewielkie naprężenia ściskające, są rachunkowo określane za pomocą współczynnika rozszerzalności cieplnej podłoża z jednej strony i z drugiej strony na podstawie próbek wykonanych z różnych proszków. Sprawdzenie obliczeniowego wyznaczenia można przeprowadzić według normy DIN 50121.

Okazało się, że końcowa grubość warstwy już jest wystarczająca, gdy wynosi od 0,1 do 0,5 mm, korzystnie 0,15 do 0,25 mm, aby zapobiec przez znacznie dłuższy czas niż do tej pory zauważalnemu ścieraniu.

Dzięki zastosowaniu przy tym proszku o wielkości ziarna mniejszej niż 75 gm, korzystnie 20 do 40 gm można nanosić szczególnie cienką warstwę, która spełnia wymogi odporności na szok termiczny i trwałości ze względu na korozję spowodowaną gorącymi gazami, i eliminuje wysokie naprężenia własne, warunkując poprzez wymagane przez proces laminarne nakładanie powłoki.

Dzięki temu, że powierzchnia ogrzewa się na skutek oddziaływania strumienia plazmy i wtapianych cząstek proszku jedynie od około 40°C, a maksymalnie do 60°C, zapobiega się wypaczaniu powierzchni ścian.

Za pomocą sposobu według wynalazku można otrzymać np. na płaskich lub wygiętych ścianach urządzeń do spalania, wymienników ciepła, zwłaszcza kotłów na ciepło odpadowe w konwertorach stalowych, niewrażliwą na ciepło i łatwą w naprawie warstwę ochronną przeciwko korozji powodowanej gorącymi gazami i/lub ścieraniem.

Sposób według wynalazku jest wyjaśniony poniżej w przykładzie wykonania na podstawie rysunku, który przedstawia wykres przebiegu naprężeń.

Na pracujące zazwyczaj w temperaturze około 1000°C metalowe rury kotła na ciepło odpadowe nałożono warstwę ochronną o wysokiej odporności na ścieranie, przy czym powierzchnia ścianek została najpierw zszorstkowana i zaktywizowana za pomocą korundu o wysokiej czystości. Bezpośrednio potem, w temperaturze pokojowej i warunkach atmosferycznych nałożony został metodą natryskiwania plazmowego proszek zawierający stop niklu, przy czym na rury kotła na ciepło odpadowe, wykonane głównie z St35,8 i 15Mo3 nałożone zostały metodą natryskiwania plazmowego warstwy na bazie NiCrBSi. Przykładem odpowiedniego proszku na bazie NiCrBSi jest proszek o następującym składzie w procentach wagowych: 13,5% Cr, 0,75% C, 3,0% B, 4,25% Si, 4,75% Fe, a resztę stanowi Ni.

Nawet po dłuższym czasie pracy szybkości zużycia tych powlekanych rur są znacznie nizsze niż szybkości zużycia rur niezabezpieczonych. W przypadku kombinacji warstwy NiCrBSi z jeszcze bardziej odporną na ścieranie warstwą Cr2C3 uzyskano podobne zmiany w funkcji czasu. Zwłaszcza po osiągnięciu ostatecznej grubości warstwy od 0,15 do 0,25 mm w wyjątkowo długim czasie nie zaobserwowano istotnego zmniejszenia grubości warstwy.

Na rysunku pokazany jest na wykresie naprężenia - temperatura przykładowy przebieg naprężeń w strefie przejściowej materiału podłoża i naniesionej warstwy ochronnej w zakresie temperatur między 0 a 1200°C. Podstawą są tutaj mierzalne, średnie liniowe współczynniki rozszerzalności cieplnej obu współpracujących materiałów.

W stanie nieobciążonym pokrytych powierzchni ścian kotła konwertorowego na ciepło odpadowe w strefie przejściowej między podłożem a materiałem powłoki są osiągane naprężenia rozciągające powyżej 600 N/mm².

Podczas eksploatacji pokrytych powierzchni ścian kotła na ciepło odpadowe warstwa natryskowajest nagle poddawana oddziaływaniu wysokiej temperatury tryskającej z konwertora stopionej stali i gorącego żużla. Na wykresie pokazany jest ten proces poprzez przebieg naprężeń, w którym przy temperaturze około 700°C występuje obszar neutralny naprężeń, a powyżej 700°C rosną w strefie przejściowej naprężenia ściskające, które zapobiegają odłupywaniu się powłoki lub tworzeniu się w niej rys. Dzięki zwykłym sposobem chłodzonym wodą rurom ściany kotła na ciepło odpadowe, stan naprężeń rośnie ponownie wolno po obciążeniu, tj. na wykresie

171 965 zaznaczona linia przebiegu naprężeń przechodzi w kierunku odwrotnym. Na rysunku pokazany jest jedynie przykładowy przebieg naprężeń w zależności od temperatury. Dla innych obszarów obciążeń może także tak zwany stan 0 zamiast przy 700°C znajdować się przy 400° lub przy 800°C.

171 965

600

Obszar naprężeń rozciacjcijących \

\ \

\ \

\

Linia zerowa

Obszar naprężeń ściskających

70iL T i°C ł

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 2,00 zł

Claims (7)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób wytwarzania warstwy ochronnej na ściankach metalowych stykających się z gorącymi gazami, zwłaszcza gazami spalinowymi, poddawanych oddziaływaniu temperatur z wstępnie zadanego zakresu i stanowiących metalowe podłoże, zwłaszcza układów spalania łub wymienników ciepła, w którym nakłada się za pomocą metody natryskiwania plazmowego na wstępnie oczyszczone, metalowe ścianki proszek metalu, węglików, tlenków spiekanych, krzemków lub mieszanin tych materiałów, znamienny tym, że szorstkuje się i aktywizuje powierzchnię ścianek za pomocą korundu o wysokiej czystości, a bezpośrednio potem w temperaturze pokojowej i warunkach atmosferycznych nakłada się proszek metodą natryskiwania plazmowego, przy czym na ściankach z żaroodpornej stali, zwłaszcza z St35.8 i 15Mo3, nanosi się jako warstwę ochronną proszek na bazie NiCrBSi.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że naniesiona warstwa ma końcową grubość od 0,1 do 0,5 mm, korzystnie 0,15 do 0,25 mm.
3. 3. Sposób według zastrz. 1, albo 2, znamienny tym, że warstwę ochronną nanosi się za pomocą urządzenia do natryskiwania plazmowego o mocy 80 KW z wewnętrznym doprowadzeniem proszku.
4. 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się do nakładania warstwy ochronnej proszek o wielkości ziarna mniejszej niż 75 pm, korzystnie 20 do 40 pm.
5. 5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że warstwę ochronną wytwarza się co najmniej w dwóch operacjach.
6. 6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że powierzchnię ścian ogrzewa się do około 40°C, maksymalnie 60°C.
7. 7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że pokrywanie plazmowe w warunkach atmosferycznych przeprowadza się najpóźniej po 45 min., korzystnie po 30 min. od aktywizacji powierzchni ściany.