高炉风口上超音速火焰喷涂金属 - 陶瓷梯度层的可行性
刘 洁, 侯东华, 栾彩霞, 赵国杰
材料保护
[摘 要] 在高炉风口表面制备一层适宜的金属 - 陶瓷梯度热障涂层 ,是提高风口寿命的一种有效的方法。本文旨在验证在风口上制备金属 - 陶瓷梯度保护层 ,提高高炉风口寿命的可行性。通过大型的有限元仿真软件 AN2SYS ,模拟分析了在紫铜表面喷涂陶瓷热障层的隔热效果 ,并且探讨了 HVOF 涂层的性能。结果发现 ,仅仅 0. 4 mm厚的 ZrO2 涂层就可以使铜基体温降 200 ℃ 左右 ,而且超音速火焰喷涂打底的金属 - 陶瓷涂层的抗氧化性、 热震性优于其他喷涂方法 ,这表示能够从材料和工艺两方面解决风口喷涂陶瓷层易脱落的问题。证明了在风口上喷涂金属 -陶瓷梯度热障涂层的可行性以及利用 HVOF打底层制备金属 - 陶瓷热障层的优势。
[关键词] 金属 - 陶瓷梯度热障层; 超音速火焰喷涂; 高炉风口;热喷涂
0 前 言
高炉风口是高炉炼铁送风所必需的重要设备 ,风口通常安装于炉腹与炉底之间的炉墙中 ,前端约有 400～600mm伸入炉内 ,其工作环境十分恶劣 ,风口前端回旋区理论燃烧温度高达 2 450 ℃,风口内所送热风温度可达 1 300℃,而且其伸入炉内部分直接受到液态渣铁的热冲击和掉落下的热态物料的磨损 ,尤其是随着高炉冶炼强度的不断提高 ,喷煤等技术得到普遍应用 ,风口内壁又遭受到煤粉的冲刷侵蚀。因此 ,风口可说是高炉上损坏频率最高的元器件[1 ]。高炉风口的频繁损坏带来的是严重的后果:高炉风口成本较高 ,价格昂贵 ,频繁更换风口 ,无疑增加了炼铁设备的成本;休风停炉造成了生产的耽误以及炉渣的浪费 ,增加了原材料的费用;频繁的休风 ,还导致不稳定的生产条件 ,难以保证生铁的质量。
高炉风口工作环境极其恶劣 ,因此 ,在风口表面涂覆一层耐高温、 耐磨损、 耐腐蚀、 耐氧化、 耐熔损的表面热障层 ,将有助于通过提高高炉风口自身抗熔损、 磨损能力来延长其使用寿命。陶瓷材料以其具有高硬度、 耐高温、 耐腐蚀、耐磨损的优良性能 ,被认为是高炉风口热障涂层的最佳材料。图 1 是风口表面加陶瓷保护层和不加陶瓷保护层的温度场的分布示意图[2 ]。
从图 1 可以看出 ,由于陶瓷材料的热导率远远低于紫铜的热导率 ,在风口表面添加保护陶瓷层后(如曲线 2 所示) ,热流(温度)在通过陶瓷热障层时发生了 “折射” 现象 ,到达风口壁时温度(B 点)比直接暴露在炉腔中的风口壁的温度(A点)低。利用通用有限元软件 ANSYS6. 1 , 分析在不同的外界热源情况下 ,在壁厚 10 mm、 材质为紫铜的平板表面喷涂厚度为 0. 4 mm 的 ZrO2 陶瓷热障涂层的热障效果。图 2 就是有限元分析得出的冷却效果图。 从图中我们可以明显看出 ,在添加0. 4 mm的 ZrO2 陶瓷热障涂层后 ,基体温度下降得很多 ,而且外界热源越强烈 ,温降情况就越强烈 ,平均在 200 ℃ 左右。另外有实际试验结果表明 ,0. 35～0. 50 mm厚的 ZrO2 层 ,使基体温度下降了 100～170 ℃[3 ]。
这充分说明 ,通过在高炉风口表面喷涂陶瓷热障层来防止风口的熔损 ,效果还是十分可观的。陶瓷材料的硬度很高 ,抗磨损性能优于紫铜基体的抗磨损性能[4 ],所以喷涂陶瓷热障层在提高高炉风口的耐磨损性能上也有显著的效果。
1 风口喷涂陶瓷热障层存在的问题及原因
目前 ,尽管在应用陶瓷热障层提高高炉风口的寿命方面展开了大量的研究 ,但是喷涂陶瓷热障层在实际和试验中效果并不理想。过去曾根据风口具体所处的恶劣条件 ,在高炉风口表面上进行了陶瓷涂层的制备研究工作 ,希望能在高炉风口的铜基表面喷涂一层致密的陶瓷涂层 ,利用陶瓷的耐高温、 耐腐蚀、 耐磨损性能来改善风口的工作表面性能 ,以达到延长高炉风口使用寿命的目的 ,但效果不佳。陶瓷涂层在真正起到作用前 ,就已经从风口基体表面剥落了 ,过早的剥离 ,喷涂陶瓷热障层根本就没起到延长风口寿命的作用 ,实用性很不理想[5 ]。
考虑到高炉风口的实际工作环境 ,陶瓷涂层的实际应用效果不理想的主要原因应该是工艺条件的限制和陶瓷材料同紫铜之间巨大的热物理性质的差异。
(1)工艺方面 热喷涂陶瓷热障层有其优势 ,也有着不可避免的缺陷。首先 ,在风口表面热喷涂陶瓷热障层 ,陶瓷涂层与金属基体之间通过宏观界面结合 ,其结合力是以分子键为主的机械结合力 ,因而结合力不强 ,致使陶瓷涂层容易剥离脱落;其次是热喷涂这种特殊的连接方式将不可避免地在涂层中产生残余应力 ,而残余应力是陶瓷材料脆性剥落的直接诱因。
(2)材料方面 异种材料间的物理性能差异将会引起它们在连接和使用中潜在的危害。由于紫铜与陶瓷材料的成分、 结构、 力学性能尤其是热物理性质之间存在着巨大的差异 ,所以后果更为严重。首先 ,热膨胀系数的巨大差别 ,致使陶瓷涂层内形成很大的残余热应力;在风口高温复杂的工作条件下 ,涂层与基体的宏观界面上产生极大的热应力 ,这热应力不仅削弱了涂层与基体之间的结合力 ,同时也使陶瓷涂层发生脆性破坏;由于陶瓷涂层的导热系数较小 ,而风口的紫铜材料导热系数较大 ,在风口较强的水冷条件下 ,陶瓷涂层的温降率较高 ,涂层中的温差热应力较大。
高炉风口所处的高温环境十分复杂 ,而且处于一种动态变化中 ,形成了一种急冷急热的动态多相变化温度场。在这种情况下 ,热喷涂陶瓷涂层和紫铜基体材料之间热性能的失配 ,将会引起循环热应力的产生 ,最终在循环应力的作用下 ,陶瓷涂层疲劳失效 ,从而剥落 ,导致喷涂热障层的高炉风口失效[6～9 ]。因此 ,从材料和工艺上降低陶瓷涂层和铜基材料之间的热性能差异是实现高炉风口喷涂陶瓷热障层实用性的关键。
2 金属 - 陶瓷梯度涂层在高炉风口上应用的可行性
(1)金属 - 陶瓷梯度材料的性能 金属 - 陶瓷梯度材料是一种组分、 结构、 物性参数都呈连续变化或阶梯变化的高性能材料 ,其微观结构沿某一个或某几个特定方向呈连续变化 ,使其力学性能和热力学性质沿着特定的方向逐渐变化 ,就减弱或消除了由于金属和陶瓷物性参数相当大的差异而在材料内部产生的热应力面 ,达到缓和热应力的目的。图 3 为金属表面上的金属 - 陶瓷梯度涂层与均匀陶瓷涂层的微观结构示意图[5 ]。
由图 3 可见 ,梯度涂层接合界面呈缓慢的过渡状态。这种特殊结构使其具有均匀陶瓷涂层所没有的特性:梯度涂层与基体间的结合以强化学作用的键结合为主 ,其结合力远大于均匀陶瓷涂层与金属基体间的分子结合力;金属- 陶瓷梯度涂层内的组分与结构从金属侧到陶瓷侧呈连续变化 ,降低陶瓷与金属物性的差异而在结合面上引起的巨大热应力 ,也缓和了涂层内的热应力 ,从而大大提高了金属- 陶瓷梯度涂层的抗剥落性 ,延长了涂层的使用寿命。由此可见金属 - 陶瓷梯度涂层既有均匀陶瓷涂层的表面改性功能 ,又有金属 - 陶瓷梯度材料的热应力缓和功能[5 ]。
(2)金属 - 陶瓷梯度材料具有良好的可设计性 由于材料的宏观性能强烈地依赖于材料的微观结构 ,而金属 -陶瓷梯度材料的组分含量、 分布规律是可控的 ,因而金属 -陶瓷梯度材料具有良好的可设计性。首先通过微观结构设计确定组分的分布规律 ,其次用微观力学理论预测其材料的热力学性质和机械性能 ,再用宏观力学方法计算材料内部的温度场和应力场 ,通过调整微观结构达到缓和热应力的目的[5 ]。
可见 ,采用金属 - 陶瓷梯度涂层来延长高炉风口的使用寿命是完全可行的。当然 ,要使金属 - 陶瓷梯度涂层满足在高炉风口上应用的要求 ,在工艺实施上必须完成 3 方面的工作 ,即涂层的组分设计、 涂层的制备、 涂层性能的评价。其中涂层的制备是关键。
3 喷涂金属 - 陶瓷梯度热障层在工艺上的可行性
涂层的制备是金属 - 陶瓷梯度涂层的技术关键。几种常用的热喷涂方法都可用于陶瓷热障层的制备。超音速火焰喷涂是热喷涂技术中的一种新兴技术 ,该方法具有很高的粒子撞击速度 ,使得涂层结合强度、 硬度、 致密性、 耐磨性都得到了改善 ,它为形成高质量的涂层提供了一种可靠的手段[10 ]。随着超音速火焰喷涂技术日益趋向成熟和生产中的广泛应用 ,这种优异的热喷涂技术在工艺上更加有力地保障了陶瓷热障层的可行性[11～13 ]。表列出了几种热喷涂方法的典型特征参数[14 ]。不难看出 ,超音速火焰喷涂具有优良的综合性能。
对超音速火焰喷涂涂层性能的试验分析发现,其涂层性能明显优于其他喷涂方法[12～15 ]。对于风口应用,涂层的热震性和耐磨性是最重要的两个性能指标。试验表明,超音速火焰喷涂涂层的内聚结合强度高于其他喷涂方法,残余应力则小于其他喷涂方法[16 ],耐磨性更优于其他喷涂方法。
4 结 论
利用超音速火焰喷涂方法打底获得的金属 - 陶瓷梯度涂层 ,既有均匀陶瓷涂层的表面改性功能 ,又有金属 - 陶瓷梯度材料的热应力缓和功能 ,抗氧化能力强 ,兼具热障层和耐磨层的效用可以用来解决高炉风口喷涂陶瓷热障层容易脱落的问题 ,对于延长高炉风口的寿命是完全可行的。
[ 参 考 文 献 ]略
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