发明内容
为了克服上述现有技术存在的缺点,本发明的目的在于提供一种高炉冷却壁防护方法及防护涂层,在不影响冷却壁基体能力的前提下,涂层具有硬度高、耐高温氧化、耐磨损、优良的抗热震性能等特点,可显著延长高炉冷却壁的使用寿命,并具备成本低,可应用于冷却壁的现场施工等优点。
本发明提供的一种高炉冷却壁的防护方法,包括如下步骤:
a).高炉冷却壁的表面预处理,清除冷却壁表面的附着物,同时使表面粗化和表面活化;
b).高炉冷却壁表面喷涂打底合金层;所述打底合金层的合金元素包括Al、Fe、Ni、稀土元素,且质量百分比为:Al:3-10%,Fe:2-5%,Ni:80-90%,稀土元素:2-5%;
c).在打底合金层表面喷涂工作合金层,所述工作合金层的合金元素包括Co、Cr、Mo、W、Ni、稀土元素;且质量百分比为:Co:1-3%,Cr:18-30%,Mo:10-20%,W:2-6%,稀土元素:2-5%,其余为Ni;
d).对所述工作合金层、打底合金层进行后续封孔处理。
进一步的:
步骤b中,喷涂打底合金层时,采取的是超音速电弧喷涂,工艺条件是:电弧电压30-40V,工作电流:160-260A,压缩空气:0.6-0.8MPa;
步骤c中,喷涂工作合金层时,采取的也是超音速电弧喷涂,工艺条件是:电弧电压28-32V,工作电流:180-220A,压缩空气:0.6-0.8MPa。
进一步的:所述打底合金层的厚度为0.2-0.4mm;所述工作合金层的厚度为0.6-1.0mm。
优选的:所述工作合金层的厚度为0.6-0.8mm。
进一步的:步骤a中冷却壁表面预处理采用喷6-10目SiC砂进行清洁粗化和表面活化。
进一步的:步骤d所述后期封孔处理采用有机硅耐高温涂料将涂层的空隙进行密封,防止高温气体腐蚀基体。
本发明提供的一种高炉冷却壁防护涂层,其特征是:包括打底合金层、工作合金层;所述打底合金层喷涂在高炉冷却壁表面,所述工作合金层喷涂在所述打底合金层的表面;
所述打底合金层的合金元素包括Al、Fe、Ni、稀土元素,且质量百分比为:Al:3-10%,Fe:2-5%,Ni:80-90%,稀土元素:2-5%;
所述工作合金层的合金元素包括Co、Cr、Mo、W、Ni、稀土元素;且质量百分比为:Co:1-3%,Cr:18-30%,Mo:10-20%,W:2-6%,稀土元素:2-5%,其余为Ni。
进一步的:所述打底合金层的厚度为0.2-0.4mm;所述工作合金层的厚度为0.6-1.0mm。
优选的:所述工作合金层的厚度为0.6-0.8mm。
本发明的有益效果是:
(1)本发明提供的高炉冷却壁防护涂层,具备以下性能:
a.涂层具有优良的高温力学性能,以保证涂层在应力作用下能持继工作;
b.涂层抗高温氧化性能的提高可有效阻止氧向基体的扩散及进一步使基体发生氧化,特别是基体表面有缺陷存在时,涂层可阻止氧通过缺陷部位向基体内部渗透;
c.涂层与基体的结合强度强,耐磨性好,不易剥落。
(2)本发明提供的高炉冷却壁的防护方法优选采用电弧超音速喷涂工艺,此工艺喷涂效率高,粒子飞行速度达420米/秒,涂层与基体结合强度高,工艺中采用两层复合喷涂,涂层结合强度达到60MPa。
本发明的工艺方法及对高炉水冷壁进行喷涂形成的涂层,使水冷壁使用寿命提高3-5年,大大提高了水冷壁使用寿命,从而减少检修时间,提高经济效益,为降低吨铁成本、提高产量及节能减排做出贡献。
本发明的方法即可避免高温时涂层的脱落,又可弥补基体材料的耐高温氧化性能差、热疲劳性差等缺陷。
具体实施方式
该高炉冷却壁的防护方法,包括步骤:
a).高炉冷却壁的表面预处理,清除冷却壁表面的附着物,同时使表面粗化和表面活化;
进一步的:该步骤a中冷却壁表面预处理采用喷6-10目SiC砂进行清洁粗化和表面活化;6-10目之间的任意一个点值都可以,例如7目、8目、9目等。
b).高炉冷却壁表面喷涂打底合金层;所述打底合金层的合金元素包括Al、Fe、Ni、稀土元素,且质量百分比为:Al:3-10%,Fe:2-5%,Ni:80-90%,稀土元素:2-5%;
上述合金元素的质量百分比,可为上述各元素在其各自的范围值内任意取点值形成的,例如:
Al:3%,Fe:5%,Ni:87%,稀土元素:5%;
Al:10%,Fe:2%,Ni:83%,稀土元素:5%;
Al:10%,Fe:5%,Ni:83%,稀土元素:2%;
Al:10%,Fe:5%,Ni:80%,稀土元素:5%;
Al:6%,Fe:2%,Ni:90%,稀土元素:2%;
Al:3%,Fe:2%,Ni:90%,稀土元素:5%;
Al:3%,Fe:5%,Ni:90%,稀土元素:2%;
……等。
步骤b中,喷涂打底合金层时,采取的是超音速电弧喷涂,工艺条件是:电弧电压30-40V,工作电流:160-260A,压缩空气:0.6-0.8MPa;工艺条件可以根据需要在上述参数范围内取任意点值,例如:
电弧电压30V,工作电流:160A,压缩空气:0.6MPa;
电弧电压40V,工作电流:260A,压缩空气:0.8MPa;
电弧电压35V,工作电流:210A,压缩空气:0.7MPa;
……等。
进一步的:所述打底合金层的厚度为0.2-0.4mm,其厚度可以为0.2-0.4mm之间的任意一个点值,例如0.2、……、0.25、……、0.3、……、0.32、……、0.38、……、0.4等。
喷涂打底合金层可采用现有的JCS-01T自发热丝材通过超音速电弧喷涂,热喷涂涂层的形成过程如图1的1a、1b、1c所示,热喷涂时,涂层材料即JCS-01T自发热丝材被热源加热到熔融态或高塑性状态,在外加气体或焰流本身的推力下,雾化并高速喷射向基体表面,熔融后涂层材料的粒子1与基体发生猛烈碰撞而变形、展平沉积于基体表面,同时急冷而快速凝固,颗粒这样遂层沉积而堆积成涂层3。涂层即为由无数变形粒子相互交错呈波浪式一层一层堆叠而成的层状结构。
c).在打底合金层表面喷涂工作合金层,所述工作合金层的合金元素包括Co、Cr、Mo、W、Ni、稀土元素;且质量百分比为:Co:1-3%,Cr:18-30%,Mo:10-20%,W:2-6%,稀土元素:2-5%,其余为Ni;
上述合金元素的质量百分比,可为上述各元素在其各自的范围值内任意取点值形成的,例如:
Co:1%,Cr:30%,Mo:20%,W:6%,稀土元素:5%,Ni:38%;
Co:3%,Cr:18%,Mo:20%,W:6%,稀土元素:5%,Ni:48%;
Co:3%,Cr:30%,Mo:10%,W:6%,稀土元素:5%,Ni:46%;
Co:3%,Cr:30%,Mo:20%,W:2%,稀土元素:5%,Ni:40%;
Co:3%,Cr:30%,Mo:20%,W:6%,稀土元素:2%,Ni:39%;
Co:2%,Cr:24%,Mo:15%,W:4%,稀土元素:3%,Ni:52%;
Co:2%,Cr:20%,Mo:12%,W:3%,稀土元素:3%,Ni:60%;
Co:1%,Cr:18%,Mo:10%,W:2%,稀土元素:2%,Ni:67%;
Co:3%,Cr:30%,Mo:20%,W:6%,稀土元素:5%,Ni:36%;
……等。
步骤c中,喷涂工作合金层时,采取的也是超音速电弧喷涂,工艺条件是:电弧电压28-32V,工作电流:180-220A,压缩空气:0.6-0.8MPa;工艺条件可以根据需要在上述参数范围内取任意点值,例如:
电弧电压28V,工作电流:180A,压缩空气:0.6MPa;
电弧电压32V,工作电流:220A,压缩空气:0.8MPa;
电弧电压30V,工作电流:200A,压缩空气:0.7MPa;
……等。
进一步的,所述工作合金层的厚度为0.6-1.0mm,更优选的:所述工作合金层的厚度为0.6-0.8mm。
工作合金层可采用现有的JCS-07T自发热丝材通过超音速电弧喷涂形成。
d).对所述工作合金层、打底合金层进行后续封孔处理。
进一步的:步骤d所述后期封孔处理采用有机硅耐高温涂料将涂层的空隙进行密封,防止高温气体腐蚀基体。
由上述防护方法中形成的一种高炉冷却壁防护涂层,包括打底合金层、工作合金层;所述打底合金层喷涂在高炉冷却壁表面,所述工作合金层喷涂在所述打底合金层的表面;
所述打底合金层的合金元素包括Al、Fe、Ni、稀土元素,且质量百分比为:Al:3-10%,Fe:2-5%,Ni:80-90%,稀土元素:2-5%;
所述工作合金层的合金元素包括Co、Cr、Mo、W、Ni、稀土元素;且质量百分比为:Co:1-3%,Cr:18-30%,Mo:10-20%,W:2-6%,稀土元素:2-5%,其余为Ni。
进一步的:所述打底合金层的厚度为0.2-0.4mm;所述工作合金层的厚度为0.6-1.0mm,更优选的:所述工作合金层的厚度为0.6-0.8mm。
图2为喷涂涂层200倍金相照片,显示了喷涂涂层的组织形貌结构。
可以看出基体经喷砂后,表面存在许多微小的凹凸与裂纹。喷涂打底合金层时即JCS-01T丝喷涂时,液态金属颗粒侵入这些微小缺陷中而形成机械铆钉式的结合。由图2可以看到,上面为45号钢基体,中间白色的为JCS-01T底层即打底合金层,下边灰色的为JCS-07T涂层即工作合金层。在45号钢与JCS-01T界面、JCS-01T与JCS-07T界面上,层间结合得很好。界面上的凹凸不平,有利于提高涂层的结合强度。另一方面JCS-01T的自反应特性:电弧温度高,金属粒子强烈过热,与基体形成微焊点。根据Ni-Al二元合金状态图,熔融的合金液滴在高温下会从Ni固熔体中析出Al,Al与Ni会与空气中的氧气发生反应放出大量的热量,使熔融的合金粒子温度进一步升高。熔融的合金粒子在撞击在基体表面的瞬间与基体表面发生冶金结合。虽然这种冶金结合只是分散而孤立的存在,但是与基体形成自结合,大大改善涂层的结合性能。
下面对利用本发明的工艺方法形成的JCS-01T喷涂打底合金层,JCS-07T喷涂工作合金层的多种参数,做如下对比试验,以证明本发明工艺方法形成的涂层的效果:
(1)涂层的结合强度:
表1涂层的结合强度
从表1可以看出,试样涂层虽然主要结合方式是机械结合,但由于喷涂了一层打底的NiAl合金层(即JCS-01T喷涂形成的打底合金层)形成一些弥散分布的微冶金结合点,能显著提高提高涂层与基体的结合强度。
2号和3号试样涂层与基体的结合强度相差不大,说明涂层内部的结合强度远大于涂层与基体的结合强度,且其与基体结合强度的大小主要取决与打底层与基体的结合强度,因此打底层材料的选择和喷涂质量的好坏对涂层的性能很重要。
(2)涂层显微硬度
所采用的试样为经打磨、抛光的金相试样,基体为45号钢,涂层厚度约为1.0mm。试验时所加载荷为300g,加载时间为10秒,基体和涂层的显微硬度结果分别见表2和表3。
表2基体的显微硬度
编号 |
1 |
1 |
3 |
4 |
5 |
平圴值 |
基体硬度(HV) |
194 |
189 |
206 |
196 |
187 |
195 |
表3涂层的显微硬度
从上表可以看出,涂层硬度与喷涂材料的性质是分不开的,但涂层硬度与喷涂材料硬度有区别,即使是同一种喷涂材料,涂层硬度通常也是不同的。涂层内含有气孔和孔隙,涂层的组织结构具有非均一性,因而造成涂层硬度的非均一性。而JCS-01T+07T的涂层显微硬度是比较高的。
(3)涂层热震性能
热震性试验:
1)将试样放在箱式电炉中加热,,保温10分钟,取出后立即浸入冷水中;
2)再次放到电炉中,加热;
3)重复执行步骤1、2,直至涂层剥落面积占涂层总面积的10%;
4)记录下从涂层开始加热到剥落时所采取水冷的次数。
试样1为JCS-02T丝喷涂涂层,试样2为JCS-07T丝喷涂涂层,试样3为JCS-01T+02T丝喷涂涂层,试样4为JCS-01T+07T丝喷涂涂层,分别用这4种试样在500℃和700℃条件下进行抗热震性能试验,试验结果如表4所示:
表4涂层热震试验数据
试验证明:JCS-01T+07T形成的涂层抗热震性能明显更好。