專利名稱：高爐風(fēng)口表面復(fù)合涂層及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及表面處理工程，具體地說，本發(fā)明涉及用于高爐風(fēng)口表面的復(fù)合涂層 及其制備方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的高爐風(fēng)口本體均采用高于99. 5%的純銅制造，其表面耐磨處理方法主要為 堆焊和噴涂兩種。
高爐風(fēng)口采用堆焊工藝來進(jìn)行表面處理，堆焊層硬度較高，其耐磨性較好，同時 堆焊層與風(fēng)口本體之間形成了冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度高，其抗熱震性能得到了較大的提 高和改善。由于目前風(fēng)口堆焊工藝都是鎳基焊條氬弧焊，雖然充分利用了鎳基材質(zhì)和 銅母材的浸潤性好、.堆焊較容易的特點(diǎn)，但高爐內(nèi)含有硫、鎳基合金，在高爐氣氛中 Ni和S化合在晶界生成低熔點(diǎn)的NiS網(wǎng)狀組織，從而發(fā)生熱脆，造成堆焊層表面腐蝕 失效，因此鎳基焊條堆焊風(fēng)口的使用壽命無法進(jìn)一步提高。
高爐風(fēng)口采用噴涂工藝來進(jìn)行表面處理，雖然其表面硬度可進(jìn)一步提高，但由于 噴涂層和風(fēng)口本體之間的結(jié)合強(qiáng)度較低，噴涂層材料和銅母材之間的線膨脹系數(shù)變化 梯度大，因此其抗熱震性能差，噴涂層易發(fā)生開裂剝落現(xiàn)象，不能適應(yīng)高爐強(qiáng)化冶煉 工況條件的要求。
經(jīng)檢索， 一些國內(nèi)外的高爐風(fēng)口涂層的發(fā)明思路、結(jié)構(gòu)原理各不相同。如中國 專利公開公報CN1075339公開了一種"高爐風(fēng)口表面復(fù)合合金滲透處理方法"，它是通 過風(fēng)口表面復(fù)合合金滲透處理方法形成的高強(qiáng)度陶瓷合金金屬層來提高風(fēng)口的使用壽 命，處理方法較為復(fù)雜；中國專利公開公報CN1224764公開的"高爐風(fēng)口表面保護(hù)層" 是采用粉末冶金工藝將MCrAlY系合金粉末和高硬度陶瓷粉末混合后燒結(jié)成金屬陶瓷 預(yù)制件，然后將預(yù)制件連接至風(fēng)口內(nèi)壁或外壁來提高風(fēng)口的抗熱震、抗沖蝕、抗熱腐 蝕性能，由于金屬陶瓷預(yù)制件需在真空或惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行燒結(jié)，或是采取液相燒 結(jié)，因此工藝復(fù)雜，且文中并未提到此表面保護(hù)層的抗熱震性等數(shù)據(jù)；美國專利申請 US4189130描述了一種高爐風(fēng)口處理方法，是通過在風(fēng)口表面噴涂金屬陶瓷材料來提高其耐磨性能和抗熱震性能；日本專利申請JP54158336是通過在風(fēng)口表面堆焊 CuNiMoTi合金或類似合金后，噴涂硬質(zhì)合金層來提高風(fēng)口的耐熱性能和耐磨性能；日 本專利申請JP56003608A是通過在風(fēng)口表面噴涂鋁或鋁合金來提高其耐磨性能和抗腐 蝕性能；日本公開特許公報昭53-138905公開了一種高爐風(fēng)口壁面熱噴涂涂層配方， 采用熱噴涂方法在高爐風(fēng)口壁面依次噴涂Ni基自熔合金層、Co-Ni-Mo-W-Si或Co-Ni 合金加Al203-Zr02金屬陶瓷涂層、AL03-Zr02陶瓷面層，由于內(nèi)壁涂層很易從基體剝離， 因此涂層厚度很難超過0. 5mm，風(fēng)口長期工作條件下涂層的抗沖蝕防護(hù)效果受到限制。 由于現(xiàn)行風(fēng)口本體的結(jié)構(gòu)及材質(zhì)已經(jīng)比較合理，因此可通過提高風(fēng)口前帽的使用 壽命，即提高風(fēng)口表面耐磨層的使用壽命來進(jìn)一步提高風(fēng)口的壽命。有鑒于此，本發(fā) 明者利用Ni基合金一NiCrAl合金一Zr02. Y203+A1203陶瓷作為高爐風(fēng)口表面復(fù)合涂層， 從而保證了高爐風(fēng)口的耐磨性、抗熱震性能，同時提高了其抗腐蝕性能，大大延長了 高爐風(fēng)口的使用壽命，滿足了高爐檢修模型優(yōu)化的需求，確保了高爐生產(chǎn)穩(wěn)定順行， 同時大大降低了設(shè)備維修成本。
本發(fā)明的一個目的在于提供高爐風(fēng)口表面復(fù)合涂層。 本發(fā)明的另一個目的在于提供所述高爐風(fēng)口表面復(fù)合涂層的制備方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一個方面提供高爐風(fēng)口表面復(fù)合涂層，該高爐風(fēng)口表面復(fù)合涂層由打 底層、過渡層和表層組成，其中打底層為Ni基合金，厚度為2 2. 5mm;過渡層為NiCrAl 合金，厚度為0. 1 0. 15隱；表層為Zr02.Y203與A1203按后者占40 60%比例的陶瓷 材料，厚度為0. 3 0. 5ram。
本發(fā)明的第二個方面提供所述高爐風(fēng)口表面復(fù)合涂層的制備方法，該方法包括 采用等離子堆焊工藝制備厚度為2 2. 5ram的Ni基合金打底層；采用超音速火焰噴涂 工藝制備厚度為0. 1 0. 15mm的NiCrAl合金過渡層；采用等離子噴涂工藝制備厚度為 0. 3 0. 5mm的Zr02.Y203與A1203按后者占40 60%比例的陶瓷材料表層。
高爐風(fēng)口本體與復(fù)合涂層的線膨脹系數(shù)呈一定的梯度，在高爐冶煉條件下，風(fēng)口 前端溫度場分布合理，復(fù)合涂層受熱應(yīng)力產(chǎn)生裂紋的傾向小，能大大提高高爐風(fēng)口的 抗熱震性能。
打底層選用Ni基合金材料，充分利用了鎳基材質(zhì)和銅母材的浸潤性好的優(yōu)點(diǎn)，
4采用等離子堆焊工藝可減小焊接熱影響區(qū)，同時實(shí)現(xiàn)其與銅之間的冶金結(jié)合，以保證
其與風(fēng)口本體的結(jié)合強(qiáng)度；表層采用Zr02.Y203與八1203混合而成的陶瓷材料，可充分 發(fā)揮Zr02.Y203材料耐高溫、化學(xué)性能穩(wěn)定、抗腐蝕性能優(yōu)良、導(dǎo)熱系數(shù)低等特點(diǎn)， 同時兼顧了 A1203良好的耐磨性能，因此與高爐爐氣直接接觸的表層具有良好的綜合 性能；過渡層采用NiCrAl合金材料，充分利用了其良好的韌性，可大大提高表層材料 與過渡層的結(jié)合強(qiáng)度。
本發(fā)明的有益效果為可實(shí)現(xiàn)風(fēng)口本體與打底層的熔合區(qū)約0.15 ran、堆焊層稀 釋率約6%的良好狀況，表層與過渡層之間的結(jié)合強(qiáng)度高于20MPa,復(fù)合涂層的硬度HB 高于300，保證了高爐風(fēng)口的耐磨性、抗熱震性能，同時提高其抗腐蝕性能，大大延 長了高爐風(fēng)口的使用壽命，滿足了高爐檢修模型優(yōu)化的需求，確保了高爐生產(chǎn)穩(wěn)定順 行，同時大大降低了設(shè)備維修成本。


圖l是高爐風(fēng)口結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是圖1中A部分的結(jié)構(gòu)放大示意圖。
其中，l為高爐風(fēng)口本體，2為復(fù)合涂層，3為打底層，4為過渡層，5為表層。
具體實(shí)施例方式
以下用實(shí)施例結(jié)合附圖對本發(fā)明作更詳細(xì)的描述。這些實(shí)施例僅僅是對本發(fā)明最 佳實(shí)施方式的描述，并不對本發(fā)明的范圍有任何限制。 實(shí)施例1:
如圖1、圖2所示，高爐風(fēng)口本體1 (含有>99.5%的純銅)制造完成后，在風(fēng)口 表面采用復(fù)合涂層2進(jìn)行強(qiáng)化處理，復(fù)合涂層2設(shè)計成三層打底層3、過渡層4和 表層5。打底層3為Ni基合金材料，采用等離子堆焊工藝制備，堆焊厚度為2mm;過 渡層4為NiCrAl合金材料，采用超音速火焰噴涂工藝制備，噴涂厚度為O. 15mm;表 層5為Zr02.Y203 : A1203 =2: 3的陶瓷材料，采用等離子噴涂工藝制備，噴涂厚度 為0. 3mm。
實(shí)施例2:
實(shí)施方法同實(shí)施例1，其中打底層3的堆焊厚度為2. 5ram，過渡層4的噴涂厚度為O. lram，表層5中Zr02.Y203: A1203=1: 1，噴涂厚度為0. 4mm， 實(shí)施例3
實(shí)施方法同實(shí)施例1，其中打底層3的堆焊厚度為2mm，過渡層4的噴涂厚度為 0. lmm，表層5 +Zr02.Y203: Al203=3: 2，噴涂厚度為0. 5mm。
試驗(yàn)例1-
對本發(fā)明實(shí)施例1-3的高爐風(fēng)口表面復(fù)合涂層進(jìn)行表層抗熱震性能試驗(yàn)。
試驗(yàn)方法將試樣(規(guī)格50X35ram)放入950。C的馬弗爐內(nèi)，保溫15min后取出， 快速投入室溫清水中，如此反復(fù)。將第一次發(fā)現(xiàn)宏觀裂紋的次數(shù)定為宏觀起裂次數(shù)， 當(dāng)涂層表面剝離面積達(dá)到1/3時，其熱震次數(shù)定為涂層失效次數(shù)。
試驗(yàn)結(jié)果實(shí)施例1的高爐風(fēng)口表面復(fù)合涂層的熱震次數(shù)為9次，實(shí)施例2的復(fù) 合涂層的熱震次數(shù)為8次，實(shí)施例3的復(fù)合涂層的熱震次數(shù)為7次。
從上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，本發(fā)明的高爐風(fēng)口表面復(fù)合涂層的抗熱震性能良好。
試驗(yàn)例2:
對本發(fā)明實(shí)施例1-3的高爐風(fēng)口表面復(fù)合涂層進(jìn)行表層抗高溫氧化性能試驗(yàn)。
試驗(yàn)方法將試樣(規(guī)格15X20mm)放入950°C的馬弗爐內(nèi)，保溫20h后隨爐冷 卻，觀察試樣的增重情況。
試驗(yàn)結(jié)果實(shí)施例1的高爐風(fēng)口表面復(fù)合涂層增重《0. 14g，實(shí)施例2的復(fù)合涂層 增重《0.08g，實(shí)施例3的復(fù)合涂層增重《0. 09g。
上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，本發(fā)明的高爐風(fēng)口表面復(fù)合涂層具有良好的抗腐蝕性能。
采用本發(fā)明的復(fù)合涂層對高爐風(fēng)口進(jìn)行表面處理，可實(shí)現(xiàn)風(fēng)口本體與打底層的熔 合區(qū)約0.15 mm、堆焊層稀釋率為6%，表層與過渡層之間的結(jié)合強(qiáng)度高于20MPa，復(fù) 合涂層的硬度HB為360 380，保證了高爐風(fēng)口的耐磨性、抗熱震性能，同時提高其 抗腐蝕性能，大大延長了高爐風(fēng)口的使用壽命，滿足了高爐檢修模型優(yōu)化的需求，確 保了高爐生產(chǎn)穩(wěn)定順行，同時大大降低了設(shè)備維修成本。
權(quán)利要求
1、一種高爐風(fēng)口表面復(fù)合涂層，由打底層、過渡層和表層組成，其特征在于，打底層為Ni基合金，厚度為2～2.5mm；過渡層為NiCrAl合金，厚度為0.1～0.15mm；表層為ZrO2·Y2O3與Al2O3按后者占40～60％比例的陶瓷材料，厚度為0.3～0.5mm。
2、 權(quán)利要求l所述的高爐風(fēng)口表面復(fù)合涂層的制備方法，其特征在于，采用等離 子堆焊工藝制備厚度為2 2. 5ram的Ni基合金打底層；采用超音速火焰噴涂工藝制備 厚度為0. 1 0. 15隨的NiCrAl合金過渡層；采用等離子噴涂工藝制備厚度為0. 3 0. 5mm的Zr02.Y203與A1203按后者占40 60%比例的陶瓷材料表層。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種高爐風(fēng)口表面復(fù)合涂層及其制備方法。所述高爐風(fēng)口表面復(fù)合涂層由打底層、過渡層和表層組成，其中打底層為Ni基合金材料，采用等離子堆焊工藝；過渡層為NiCrAl合金材料，采用超音速火焰噴涂工藝；表層為ZrO₂.Y₂O₃與Al₂O₃的混合物，采用等離子噴涂工藝。采用上述復(fù)合涂層進(jìn)行表面處理的高爐風(fēng)口，可實(shí)現(xiàn)涂層與銅母材之間的線膨脹系數(shù)呈梯度變化，保證高爐風(fēng)口的耐磨性、抗熱震性能，同時提高其抗腐蝕性能，大大延長了高爐風(fēng)口的使用壽命，滿足了高爐檢修模型優(yōu)化的需求，確保了高爐生產(chǎn)穩(wěn)定順行，同時大大降低了設(shè)備維修成本。
文檔編號C21B7/00GK101492749SQ20081003298
公開日2009年7月29日 申請日期2008年1月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月24日
發(fā)明者宋家齊, 張龍來, 王天球, 巨 袁, 譚興海 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司;上海寶鋼設(shè)備檢修有限公司寶鋼機(jī)械廠