CN100439885C - 热电偶复合保护套管及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及热电偶保护套管及其制造方法。一种热电偶复合保护套管，包括基管筒体和涂层，其特征是基管筒体的端部被加工成弧形曲面，基管筒体由金属制成，涂层由金属结合底层、中间过渡层和表面工作层组成，金属结合底层为与基管筒体金属性能相近的金属陶瓷材料或合金材料，表面工作层为氧化物陶瓷材料，中间过渡层为金属陶瓷材料和氧化物陶瓷材料混合物。本发明热电偶复合保护套管在液态金属锌铝液中能够同时满足耐腐蚀性能、抗热震性能、导热性能和足够机械强度。
Description
(一)技术领域
本发明涉及热电偶保护套管及其制造方法。
(二)背景技术
在热镀锌铝生产线上，锌锅用于液态金属加热与保温。采用热电偶连续测温及控温方式，是保证热镀产品质量以及降低能源和资源及材料消耗的关键因素之一。现常用的热电偶保护套管是采用不锈钢钢管材料，一端经过封堵焊接及机加工制作。热电偶是长时间浸泡在高温锌铝液中，由于锌铝液的腐蚀作用强烈，铁基材料在锌锅中会与镀液发生反应主要生成Fe2Al5等金属间化合物而造成损坏，热电偶的使用寿命通常为3～5天，最短时间仅为12小时，不仅热电偶的消耗量大，而且热电偶损坏过程中易于引起温度的较大波动，影响到对生产工艺的稳定控制。而常用的非金属热电偶保护套管如Al2O3虽然其耐蚀性能良好，但抗热震性能较差极易发生破裂损坏，石墨材料套管则由于其机械强度较低，在人工捞取锌渣作业过程中容易造成碰撞破损。中国专利CN 1062972也是在C/C复合材料或高强度石墨基体上在高温条件下，施以热解氮化硼涂层或直接制成热解氮化硼套管，同样存在机械强度问题。因此，现有热电偶保护套管由于不能同时解决耐腐蚀性能、抗热震性能和机械强度问题，在锌铝液中使用无法满足实际需求。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种热电偶复合保护套管及制作方法。该热电偶复合保护套管在液态金属锌铝液中能够同时满足耐腐蚀性能、抗热震性能、导热性能和足够机械强度。
本发明是这样实现的：一种热电偶复合保护套管，包括基管筒体和涂层，其特征是基管筒体的端部被加工成弧形曲面，基管筒体由金属制成，涂层由金属结合底层、中间过渡层和表面工作层组成，金属结合底层为与基管筒体金属性质相近的金属陶瓷材料或合金材料，表面工作层为氧化物陶瓷材料，中间过渡层为金属陶瓷材料和氧化物陶瓷材料混合物。
一种热电偶复合保护套管的制作方法，其特征是：
(1)制作一个金属基管筒体，基管筒体的端部被加工成弧形曲面，基管筒体的材料为316L不锈钢或耐蚀灰铸铁合金；
(2)喷涂前先对金属基管筒体进行除油处理和毛化处理；
(3)在经过预处理的基管筒体表面采用高速氧焰喷涂或等离子喷涂，产生保护涂层，保护涂层包括金属结合底层、中间过渡层和表面工作层，金属结合底层为与基管筒体金属性质相近的金属陶瓷材料，表面工作层为氧化物陶瓷材料，中间过渡层为金属陶瓷材料和氧化物陶瓷材料混合物，中间过渡层的喷涂是将金属陶瓷粉末和氧化物陶瓷粉末分别由两只送粉器设定金属陶瓷和氧化物陶瓷粉末送粉量的方法或事先将两种粉末按比例采用机械方法均匀混合后送粉进入喷枪，金属陶瓷粉末比例逐层减少，氧化物陶瓷粉末逐层增加，形成梯度过渡涂层。
上述的热电偶复合保护套管的制作方法，所述金属结合底层材料为MoB/CrCo、WC/Co、Cr3C2-NiCr或CoCrW金属陶瓷粉末，结合底层厚度为0.10～0.35mm。表面工作层为氧化物陶瓷材料，主相是Al2O3、TiO2、Cr2O3、SiO2或它们之间的混合物，厚度为0.05～0.25mm。中间过渡层由不同重量配比的金属陶瓷和氧化物陶瓷构成渐变涂层，渐变过渡层中金属陶瓷粉末在重量百分比85％～30％范围内逐层递减，氧化物陶瓷粉末在重量百分比15％～70％范围内逐层递增，过渡层厚度为0.10～0.20mm。
本发明热电偶复合保护套管具有以下特点：
(1)选用较为耐蚀的金属材料制造热电偶基管筒体，导热性能良好，使得热电偶对温度变化的感应更为敏感，测控温精度得到保证。
(2)基管筒体机械强度较高，可避免人工捞渣等作业时碰撞造成的机械损坏，实际使用时的可靠性能提高。
(3)热电偶保护套管筒体，前端部加工成半球形结构，可避免保护涂层喷涂过程中边角效应的负面影响，有利于完整保护涂层的形成。
(4)选用金属基合金粉末，作为结合底层材料，保证了涂层与基体的结合强度，并具有良好地抗高温氧化和耐Zn-Al腐蚀性能。
(5)由于采用梯度涂层结构，中间过渡层两种粉末的配比及梯度涂层种类数可以根据需要灵活控制，较好地解决了基体金属材料和表面陶瓷工作层材料差异较大造成的涂层应力问题，涂层在温度变换情况下达到了最佳的抗热震效果，保证了涂层在使用过程中的抗剥落性能。
(6)氧化物陶瓷材料所形成的涂层，具有优良地抗高温氧化和液态金属腐蚀性能，能够有效地阻隔腐蚀介质对金属材料的侵蚀，提高涂层的防护效果。
(四)附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
图1为本发明热电偶复合保护套管结构示意图。
图中：1为金属筒体，2为金属结合底层，3为中间过渡层，4为表面工作层。
(五)具体实施方式
参见图1，一种热电偶复合保护套管，包括基管筒体1和涂层。基管筒体1的端部被加工成弧形曲面，本实施例为半球形，基管筒体1由金属制成。涂层由金属结合底层2、中间过渡层3和表面工作层4组成，金属结合底层2为与基管筒体1金属性质相近的金属陶瓷材料或合金材料，表面工作层4为氧化物陶瓷材料，中间过渡层3为金属陶瓷材料和氧化物陶瓷材料混合物。
本发明的制作过程如下：
选用316L不锈钢、耐蚀灰铸铁合金或金属钼加工制作热电偶保护套管筒体1，前端部加工成半球面形以利于形成保护涂层。
根据保护套管筒体金属性能和涂层实际使用需求，选用MoB/CrCo、WC/Co、Cr3C2-NiCr或CoCrW金属陶瓷粉末，作为金属结合层2材料，构成结合底层2或复合结合底层厚度为0.10～0.35mm。
中间过渡层3根据需要由1～3种不同重量配比的金属陶瓷和氧化物陶瓷构成渐变涂层，过渡层3厚度为0.10～0.20mm。在渐变过渡层中金属结合层2粉末在重量百分比85％～30％范围内逐层递减，氧化物陶瓷粉末在重量百分比15％～70％范围内逐层递增。
表面工作层4为氧化物陶瓷材料，主相是Al2O3、TiO2、Cr2O3、SiO2等或它们之间的混合物，厚度为0.05～0.25mm。整个涂层厚度在0.25～0.80mm。
制作陶瓷复合涂层的方法是在金属基体上采用高速氧焰喷涂或等离子喷涂技术形成涂层，喷涂前采用加热或有机溶剂清洗方法对金属基体作除油处理，以避免可能存在的油迹影响到涂层质量。随后通常采用喷砂的方法，对金属基体表面进行毛化处理，以保证涂层与基体的良好结合。在经过预处理的基体表面上喷涂金属陶瓷结合底层，厚度为0.10～0.35mm；中间过渡层的喷涂是将金属陶瓷粉末和氧化物陶瓷粉末分别由两只送粉器设定金属陶瓷和氧化物陶瓷粉末送粉量的方法或事先将两种粉末按比例采用机械方法均匀混合后送粉进入喷枪，金属陶瓷粉末比例逐层减少，氧化物陶瓷粉末逐层增加，形成梯度过渡涂层构成，过渡层厚度为0.10～0.20mm；表面工作层为氧化物陶瓷材料，厚度为0.05～0.25mm。
实施例1：
采用316L不锈钢材料加工制作成φ22×450mm，壁厚≥5mm的热电偶保护套管筒体，喷涂前先用有机清洗剂除去待喷基体表面可能存在的油渍，用20目棕刚玉砂对金属筒体进行粗化处理，使其表面达到适当的粗糙度，随后分别喷涂厚度约0.10mm的Cr3C2-NiCr和0.15mm的MoB/CrCo金属结合底层以及0.20mm的复合(MoB/CrCo-Al2O3)梯度过渡层，最后喷涂0.15mm的Al2O3保护涂层。
实施例2：
采用耐蚀灰铸铁合金材料加工制作成φ28×450mm，壁厚≥8mm的热电偶保护套管筒体，喷涂前先用有机清洗剂除去待喷基体表面，用棕刚玉砂对金属筒体进行粗化处理，随后分别喷涂厚度约0.20mm的MoB/CrCo金属结合底层以及0.20mm的复合(MoB/CrCo-Al2O3)梯度过渡层，最后喷涂0.20mm的Al2O3保护涂层。
将上述热电偶复合保护套管实际应用于热镀锌铝生产线上，连续使用寿命超过一个月，甚至两个月以上，大大超出了原有热电偶5天的使用寿命。
Claims (5)
1.一种热电偶复合保护套管，包括基管筒体和涂层，其特征是基管筒体的端部被加工成弧形曲面，基管筒体由金属制成，涂层由金属结合底层、中间过渡层和表面工作层组成，金属结合底层为与基管筒体金属性质相近的金属陶瓷材料或合金材料，表面工作层为氧化物陶瓷材料，中间过渡层为金属陶瓷材料和氧化物陶瓷材料混合物。
2.一种热电偶复合保护套管的制作方法，其特征是：
(1)制作一个金属基管筒体，基管筒体的端部被加工成弧形曲面，基管筒体的材料为316L不锈钢或耐蚀灰铸铁合金；
(2)喷涂前先对金属基管筒体进行除油处理和毛化处理；
(3)在经过预处理的基管筒体表面采用高速氧焰喷涂或等离子喷涂，产生保护涂层，保护涂层包括金属结合底层、中间过渡层和表面工作层，金属结合底层为与基管筒体金属性质相近的金属陶瓷材料，表面工作层为氧化物陶瓷材料，中间过渡层为金属陶瓷材料和氧化物陶瓷材料混合物，中间过渡层的喷涂是将金属陶瓷粉末和氧化物陶瓷粉末分别由两只送粉器设定金属陶瓷和氧化物陶瓷粉末送粉量的方法或事先将两种粉末按比例采用机械方法均匀混合后送粉进入喷枪，金属陶瓷粉末比例逐层减少，氧化物陶瓷粉末逐层增加，形成梯度过渡涂层。
3.根据权利要求2所述的热电偶复合保护套管的制作方法，其特征是金属结合底层材料为MoB/CrCo、WC/Co、Cr3C2-NiCr或CoCrW金属陶瓷粉末，结合底层厚度为0.10～0.35mm。
4.根据权利要求2所述的热电偶复合保护套管的制作方法，其特征是表面工作层为氧化物陶瓷材料，主相是Al2O3、TiO2、Cr2O3、SiO2或它们之间的混合物，厚度为0.05～0.25mm。
5.根据权利要求3或4所述的热电偶复合保护套管的制作方法，其特征是中间过渡层由不同重量配比的金属陶瓷和氧化物陶瓷构成渐变涂层，渐变过渡层中金属陶瓷粉末在重量百分比85％～30％范围内逐层递减，氧化物陶瓷粉末在重量百分比15％～70％范围内逐层递增，过渡层厚度为0.10～0.20mm。
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