专利名称：高炉风口表面防护层及其制造方法
技术领域：
本发明与高炉风口有关。
高炉风口是高炉炼铁送风所必需的重要工艺设备，其寿命长短直接影响到高炉能否保持顺行、获得高产和降低炼铁成本。风口的工作环境十分恶劣，不仅所处的环境温度高(炉缸的温度就在2000℃左右，风口内送入的热风温度高达1000～1200℃)，而且风口外壁还受到液态渣铁的热冲击和掉落下的热态物料的磨损；对喷吹煤粉的高炉来讲，风口内壁常因煤粉的冲刷而破坏，常造成风口过早报废，另外风口所处气氛还常含有S等腐蚀性介质，使传统的渗层或堆焊层过早因热腐蚀破坏而失去对风口Cu基体的保护作用。以上诸因素的复合作用下，使得目前高炉风口采用的各类高温抗冲蚀表面防护层实际保护效果并不理想。
日本公开特许公报昭64-36175号公开的一种风口前端内外壁面堆焊硼化物系耐磨层的方法，该法将金属粉末(Ni基自熔合金)和硼化物陶瓷粉末的混合物一起喷焊到风口表面形成堆焊层，该法形成的堆焊层与母材结合强度较高，不易剥离，与以往单纯地堆焊Ni基自熔合金表面防护层相比，由于该法形成的堆焊层含有较大体积百分数的硬质陶瓷相，耐磨损性会有所改善。但是由于堆焊过程中存在焊接应力，堆焊层很难避免焊接裂纹，另外堆焊层中的Ni基自熔合金的抗高温氧化和抗热腐蚀性能不佳，使用中很快会出现热脆现象，其原因是S易在Ni基自熔合金晶界形成低熔点脆性NiS-Ni共晶化合物，在工作时冷热循环及高温渣铁的热冲击下，表面层易龟裂失效，甚至出现掉块现象。
首钢曾试验过风口内壁镶嵌陶瓷衬套的方案，该衬套为Si3N4、SiC等陶瓷烧结制成，然后镶到风口内壁，实际使用中陶瓷衬套很易开裂、掉块、剥落，主要原因是风口内温度场不均匀，陶瓷衬套内存在热应力，加上陶瓷材料较脆，抵抗裂纹扩展的能力较差，因此易出现大而危险的裂纹，在煤粉冲刷叠加作用下，裂纹也易扩展，产生掉块，实际上陶瓷衬套在高温场合抗冲蚀性能并不理想；另外陶瓷与Cu风口很难形成冶金结合，二者结合强度较低，加上二者膨胀系数相差较大，这样冷热循环时衬套易剥落。
“九五”期间我国钢铁冶金行业，为降低炼铁成本，正大力推广高炉喷煤技术，而大量喷吹煤粉，对风口造成的冲蚀破坏比较严重，因此急需研制出一种满足风口正常工作条件下的可靠表面防护层，该表面防护层应具有较高的高温抗氧化、抗热腐蚀、抗热震、抗冲蚀、抗剥落性能。为了克服现有技术的上述缺陷，特提出本发明。
本发明提出了高炉风口表面防护层的材料及其制造方法。表面防护层是由高温抗氧化、抗热腐蚀性能、抗热疲劳性能较高的MCrAlY系合金(M指Ni或Co或Ni+Co)和高硬度的陶瓷颗粒组成的，其组织结构为典型的金属陶瓷结构，陶瓷颗粒弥散分布于金属粘结体中，陶瓷相所占体积百分比在20-80％范围内，陶瓷为高硬度的Al2O3、TiB2、ZrB2、Si3N4、Sialon中的一种或几种的混合物；表面防护层是这样制造的，首先采用粉末冶金工艺将MCrAlY系合金粉末和陶瓷粉末的混合物烧结成预制件，然后将加工后的预制件与风口Cu基体连接在一起形成的。
本发明提出的表面防护层的材料配方中的MCrAlY系合金粉末(M指Ni或Co或Ni+Co)是实现本发明的基本物质之一，进一步提高该系列合金的抗氧化、抗热腐蚀性能，可向其中添加Ta、Co、Si、Hf等元素，典型的合金成分如下(重量％)Ni17Cr6Al0.5Y,Ni22Cr10Al1.0Y,Ni25Cr6Al0.4Y,Ni31Cr11Al0.6Y,Ni23Co20Cr8.5Al4Ta0.6Y等，适当改变其中Cr、Al、Co、Ta、Y等元素的含量不违背本发明的宗旨。MCrAlY系合金粉末粒度在20目以下，以-80+400目为佳。
本发明提出的表面防护层中的陶瓷粉末粒度为-20目，以-35+60目为佳，为降低防护层表面温度，陶瓷粉末从导热率高的ZrB2、TiB2、Si3N4中选择为佳。
金属陶瓷预制件是采用粉末冶金工艺制造的，一般采用热压烧结较易得到较高致密度的预制件，预制件致密度不低于85％，最好大于95％；烧结中为避免金属的氧化，烧结最好在真空或惰性气体保护下进行。
金属陶瓷预制件也可采用液相烧结工艺进行，此时，金属粉末中至少应含有一种低熔点金属粉末，如Ni基自熔合金，Ni基高温钎料；陶瓷粉末表面为改善润湿性，可采用化学镀Ni、Co、Cu等处理，也可PVD Al、Ti、Cr等膜层。
金属陶瓷预制件连接到风口表面可以采用热镶、镶铸、扩散焊、钎焊等工艺完成，其中以真空扩散焊为最佳，这样金属陶瓷预制件中的金属与Cu或Cu合金基体可形成冶金结合。
采用本发明的配方及制造方法形成的高炉风口表面防护层具有以下优点①由于烧结是在高温炉中缓慢进行的，不存在堆焊工艺焊缝急冷急热造成的焊接应力，烧结成的金属陶瓷预制件几乎不存在制造裂纹；②所选用的MCrAlY系合金与堆焊工艺常用的Ni基自熔合金相比有较好的高温抗氧化、抗热腐蚀性能，工作时不会出现堆焊层常有的热脆问题，这样就不会出现因粘结金属过早失效造成对陶瓷颗粒夹持强度不足而产生的冲蚀破坏；③与纯陶瓷衬套相比，金属陶瓷衬套中陶瓷颗粒度较小(＜1mm)，在如此小的范围内，环境温度场是基本均匀的，所以如此小的陶瓷颗粒本身不会热震开裂，另外粘结金属韧性较好，形成的金属陶瓷结构抗热震性能比纯陶瓷结构高得多；④所选陶瓷硬度均在莫氏7级以上比煤粉中石英砂和黄铁矿杂质的硬度(莫氏5-6级)高，因此抗冲蚀性能较佳；⑤金属陶瓷预制件的MCrAlY系合金与风口Cu基体连接时可以采用扩散处理形成冶金结合，而纯陶瓷衬套与Cu风口之间很难形成冶金结合，所以采用本发明形成的表面防护层结合强度较高；金属陶瓷热膨胀系数与Cu基体更接近，所以二者之间因热膨胀差异形成的热应力也比较低，综上所述，本发明形成的高温抗冲蚀表面防护层与基体结合比较牢靠，可以将风口寿命提高一倍以上。
该图为一种高炉风口表面防护层的金相照片，图中白色部分为Ni25Cr6Al0.4Y粘结金属，黑色部分为Al2O3陶瓷颗粒。
实例金属粉末为商业化的AMDRY963型粉末，其成分为(重量％)Ni25Cr6Al0.4Y，粒度为-140+400目，称取40g；陶瓷粉末为白刚玉，其中Al2O3含量＞99％，粒度为-35+60目，称取20g，将二种粉末混合均匀后热压；热压规范为1200℃×25MPa×1h，热压全过程试样均在Ar气保护下，形成的金属陶瓷结构如附图所示。将热压后的金属陶瓷块与T2紫铜板进行真空扩散焊，焊接规范为900℃×14MPa×30min。
权利要求
1．高炉风口表面防护层及其制造方法，表面防护层是由高温抗氧化、抗热腐蚀性能较好的MCrAlY系合金(M指Ni或Co或Ni+Co)和高硬度的陶瓷颗粒组成的，其组织结构为典型的金属陶瓷结构，陶瓷颗粒弥散分布于金属粘结体中，陶瓷相所占体积百分比在20-80％范围内，陶瓷为Al2O3、TiB2、ZrB2、Si3N4、Sialon中的一种或几种的混合物；表面防护层是这样制造的，采用粉末冶金工艺将MCrAlY系合金粉末与陶瓷粉末的混合物烧结成预制件，然后将加工后的预制件与风口Cu或Cu合金基体内壁或外壁连接在一起形成结合牢靠的表面防护层。
2．根据权利要求1所述的MCrAlY系合金粉末，其特征在于该合金粉末为NiCrAlY系粉末，其中各元素百分比(重量％)Cr16-32,Al6-1l,Y0.1-1.0，余为Ni，典型的合金成分为(重量％)Ni17Cr6Al0.5Y,Ni22Cr10Al1.0Y,Ni25Cr6Al0.4Y,Ni31Cr11Al0.6Y，以上述合金为基础，向其中添加Co、Ta、Si、Hf、Re等元素不违背本发明的宗旨，如Ni23Co20Cr8.5Al4Ta0.6Y合金，合金粉末粒度在-20目以下，以-80+400目为佳。
3．根据权利要求1所述的陶瓷粉末，其特征在于其粒度为-20目，以-35+60目为佳。
4．根据权利要求1所述的方法，其特征在于表面防护层是采用热压烧结工艺制成金属陶瓷预制件，然后将加工后的预制件连接到风口基体上形成的。
5．根据权利要求1所述的方法，其特征在于预制件是采用液相烧结制成的。
6．根据权利要求5所述的方法，液相烧结前，对陶瓷粉末采用镀膜处理，镀膜为化学镀Ni、Co、Cu，或PVDTi、Cr、Al膜中的一种或两种，其中以化学镀Ni为最佳。
7．根据权利要求5所述的方法，此时金属粉末原料中至少有一种低熔点镍基合金粉末。
8．根据权利要求1所述的方法，其特征在于连接为热镶、扩散焊、镶铸、钎焊中的一种，其中以扩散焊为最佳。
全文摘要
高炉风口表面防护层及其制造方法:本发明与高炉风口有关,高炉风口前端内、外壁常因煤粉、渣铁等的高温冲蚀而破坏,采用粉末冶金工艺将MCrAlY系合金粉末和高硬度陶瓷粉末混合后烧结成无制造裂纹并且具有较高抗热震、抗冲蚀、抗热腐蚀性能的金属陶瓷预制件,然后将预制件连接至风口内壁或外壁形成结合牢靠的高温抗冲蚀保护层,将风口寿命延长一倍以上。
文档编号C21B7/00GK1224764SQ97121998
公开日1999年8月4日 申请日期1997年12月24日 优先权日1997年12月24日
发明者肖久梅 申请人:肖久梅