呂震，楊德良，劉曉斌，祝學(xué)會，趙景全

（1濟南金萃冶金技術(shù)有限公司，山東濟南 250109；2山東壽光巨能特鋼有限公司，山東壽光 262711；3山鋼股份萊蕪分公司，山東萊蕪 271104）

試驗研究

轉(zhuǎn)爐煙道電弧超音速噴涂涂層性能分析試驗

呂震1，楊德良1，劉曉斌2，祝學(xué)會3，趙景全3

（1濟南金萃冶金技術(shù)有限公司，山東濟南 250109；2山東壽光巨能特鋼有限公司，山東壽光 262711；3山鋼股份萊蕪分公司，山東萊蕪 271104）

針對轉(zhuǎn)爐煙道的工況及失效形式，為提高煙道的使用壽命，設(shè)計了一種電弧超音速噴涂工藝制備的以鎳鉻合金為主的3層復(fù)合涂層，金相觀察、顯微硬度分析、高溫氧化試驗及抗熱震性能測試表明，復(fù)合涂層與基體結(jié)合強度高，耐磨耐蝕性能優(yōu)良。

煙道防護(hù)；電弧超音速噴涂；復(fù)合涂層；熱膨脹系數(shù)；抗熱震性能

1 前言

轉(zhuǎn)爐汽化冷卻煙道運行工況隨轉(zhuǎn)爐冶煉工藝而周期性變化，受熱面承受著固體物料的沖刷、酸性氣體與鹽類的腐蝕以及高溫氧化，表現(xiàn)為煙道水管爆裂漏水等。爐口活動煙罩因接近高溫金屬液面，運行條件更加惡劣，極易在鋼管上產(chǎn)生大量竹節(jié)狀熱疲勞裂紋、麻點直至穿孔漏水。目前，轉(zhuǎn)爐上段煙道的平均壽命為2 a左右，下段煙道的壽命平均為1 a，爐口移動煙罩壽命只有0.5 a左右，壽命期內(nèi)事故率很高，影響煉鋼生產(chǎn)。為此，本研究采用電弧超音速噴涂工藝對煙道表面噴涂防護(hù)復(fù)合涂層，并對涂層性能進(jìn)行分析，以期提高煙道的使用壽命。

2 電弧超音速噴涂試驗

2.1 轉(zhuǎn)爐煙道工況及失效分析

金屬材料的抗氧化及耐腐蝕性能主要決定于金屬表面是否能形成穩(wěn)定、致密的金屬氧化膜。普遍應(yīng)用抗氧化、耐腐蝕的Cr合金，當(dāng)其含量高于20%時，合金表面才會形成致密的保護(hù)性氧化膜Cr2O3［1］。

轉(zhuǎn)爐煙道煙罩受熱面一般由20 G低碳鋼管制成，煉鋼過程中產(chǎn)生的煙氣溫度高達(dá)1 100～1 400℃，最高可達(dá)1 600℃，并且含有硫及其化合物，高溫渣、石灰等大量粉塵［2］。國內(nèi)研究認(rèn)為冷卻煙道水管爆管的原因有：1）高溫?zé)煔庵懈g性極強組分的高溫腐蝕。2）由于轉(zhuǎn)爐冶煉工藝操作的周期性使受熱管產(chǎn)生周期性的熱交變應(yīng)力，極易造成熱疲勞破壞，在水冷壁管上出現(xiàn)橫向裂紋，直至破裂。3）由于轉(zhuǎn)爐煙道煙罩的工作溫度高，在上升管中不可避免地產(chǎn)生水蒸汽，容易發(fā)生傳熱惡化，造成其管壁超溫工作。4）轉(zhuǎn)爐煙氣中含有大量的固體顆粒，對受熱面管子產(chǎn)生摩擦而使受熱管磨損。5）由于目前大部分煉鋼廠都采用濺渣護(hù)爐工藝，對煙罩造成沖擊，并在煙罩上掛渣，煙罩易產(chǎn)生麻點和穿孔，熱疲勞裂紋也增多［3］。

因此，轉(zhuǎn)爐煙道煙罩防護(hù)涂層必須滿足以下條件：1）涂層和基體有較高的結(jié)合強度；2）涂層具有優(yōu)良的耐磨性能和抗高溫氧化腐蝕性能；3）涂層具有良好的導(dǎo)熱性能和抗熱震性能；4）涂層制備工藝簡單并適用于現(xiàn)場施工操作，成本較低。

2.2 試驗材料及方法

JCS-01T、JCS-02T、JCS-03T噴涂絲（主要成分為鎳、鉻、鋁等），熱膨脹系數(shù)（×10-6/K）分別為15.1、12.6、14.5；SiC砂；電弧超音速噴涂機。

工藝方案：首先對煙道表面進(jìn)行噴砂處理，清潔并粗化待噴涂表面；在完成噴砂后2 h內(nèi)噴涂打底絲，即JCS-01T噴涂絲。這是一種NiAl合金絲，熔融的合金液滴中Al與Fe發(fā)生鋁熱反應(yīng)放出大量的熱，使熔融的合金粒子在撞擊基體表面的瞬間與其發(fā)生冶金結(jié)合，從而提高與基體的結(jié)合強度［4］；隨后噴涂過渡層和工作層絲材，最后進(jìn)行封孔處理。

選用20G鋼管作為基體材料，熱膨脹系數(shù)為11×10-6/K。分別制作JCS-01T+02T涂層（涂層1）、JCS-01T+03T涂層（涂層2）和JCS-01T+02T+03T涂層（涂層3），進(jìn)行涂層金相、結(jié)合強度、顯微硬度、抗熱震性能以及高溫抗腐蝕性能的測試分析。

3 涂層組織性能分析

3.1 金相觀察

將涂層橫向切開，將其截面磨光制成金相試樣，拋光后腐蝕，采用光學(xué)顯微鏡觀察噴涂層試樣的顯微組織結(jié)構(gòu)，不同涂層材料的組織形貌見圖1。

圖1 不同涂層材料的組織形貌200×

由圖1a、圖1b對比可以看出，圖1b涂層的空隙和氧化物明顯減少，涂層致密度增加；圖1c涂層是在圖1a基礎(chǔ)上又噴涂了一層JCS-03T絲以提高涂層的耐磨性能。

3.2 涂層的結(jié)合強度

依據(jù)GB/T 8642—2002中所規(guī)定的熱噴涂—抗拉結(jié)合強度的測定方法，在垂直于基體表面的方向施加拉力，拉伸涂層，使其從基材上剝離，以此檢查涂層與基體的結(jié)合強度，每種涂層拉3個試樣，取其平均值。涂層厚度均為1.0 mm，各涂層的結(jié)合強度如下：涂層1，53.31（53.4、56.1、50.5）MPa；涂層2，60.77（61.2、58.8、62.3）MPa；涂層3，62.07（60.9、62.7、62.6）MPa。

3 種涂層雖然主要結(jié)合方式都是機械結(jié)合，但由于噴涂了一層打底的NiAl合金層，形成了一些彌散分布的微冶金結(jié)合點，能顯著提高提高涂層與基體的結(jié)合強度［5］。3種涂層與基體的結(jié)合強度相差不大，說明涂層內(nèi)部的結(jié)合強度遠(yuǎn)大于涂層與基體的結(jié)合強度，且其與基體的結(jié)合強度主要取決于打底層與基體的結(jié)合強度。因此打底層材料的選擇和噴涂質(zhì)量的好壞對涂層的性能至關(guān)重要。

3.3 涂層的顯微硬度

由于噴涂工藝的影響，涂層硬度和噴涂材料的硬度有差別。當(dāng)工藝條件改變時，涂層的組織結(jié)構(gòu)、致密度、相組成等都發(fā)生變化，因此硬度也不同。由于涂層很薄，因此測量涂層的顯微硬度。試驗載荷300 g，加載時間10 s，基體和各涂層的顯微硬度如下（HV）：基體，195（194、189、206、196、187）；涂層1（厚1.1 mm），381（387、346、411）；涂層2（厚1.2 mm），583（568、602、580）；涂層3（厚1.2 mm），715（711、738、696）。

涂層硬度與噴涂材料的性質(zhì)是分不開的，但涂層硬度與噴涂材料硬度有區(qū)別，即使是同一種噴涂材料，涂層硬度通常也是不同的。涂層內(nèi)含有氣孔和孔隙，涂層的組織結(jié)構(gòu)具有非均一性，因而造成涂層硬度的非均一性。其中涂層3的硬度最高，其次是涂層2，涂層1最低，這是由于涂層3采用3層復(fù)合涂層工藝，與涂層2相比，工作涂層硬度明顯提高。

3.4 涂層的抗熱震性能

通過熱循環(huán)應(yīng)力試驗測試涂層的抗熱震性能，即測定在反復(fù)加熱冷卻狀態(tài)下，涂層抗熱應(yīng)力剝離能力。試樣選用直徑25 mm、長200 mm的20G鋼管。試驗溫度500℃、700℃，在箱式電爐中加熱，保溫10 min，水冷，記錄其涂層剝落時的熱震次數(shù)。3種涂層試樣的抗熱震性能試驗結(jié)果見表1。

表1 各涂層不同溫度下的熱震次數(shù)

由表1可以看出，JCS-01T+02T+03T噴涂涂層（涂層3）的熱震值在500℃和700℃時均為最大，JCS-02T絲噴涂層（涂層1）與JCS-01T+02T絲噴涂涂層（涂層2）差距不大，JCS-02T絲噴涂層最差，隨著溫度的升高，涂層的抗熱震性能急劇下降，700℃涂層的抗熱震性能只有58～86次。隨著溫度的升高，基體和涂層的膨脹加劇，溫度越高，體積膨脹量越大。冷卻過程中基體和涂層的體積迅速收縮，由于受到頻繁的交變熱應(yīng)力的作用，而涂層與基體之間的熱膨脹系數(shù)不一致，在交變熱應(yīng)力的作用下涂層承受很大的殘余應(yīng)力。在體積反復(fù)膨脹、收縮過程中，涂層和基體間的結(jié)合強度逐漸下降，直至最后脫落。加熱溫度越高，體積變化量越大，產(chǎn)生的殘余應(yīng)力越大，抗熱震性能下降越明顯。

為解決由于熱物理性能的差異而在冷熱循環(huán)應(yīng)力作用下產(chǎn)生過大的殘余應(yīng)力，設(shè)計了一種梯度復(fù)合涂層，在滿足耐磨、耐腐蝕等性能的前提下，涂層的抗熱震性能大為提高。

3.5 高溫抗腐蝕性能

通過高溫涂鹽試驗測試涂層的高溫抗腐蝕性能［6-7］。噴涂后的試件涂層表面未做任何機械加工處理。粘結(jié)底層的厚度約為0.10 mm，工作涂層厚度0.35～0.40 mm。采用45#鋼作為對比材料，其試件尺寸與噴涂試件基體尺寸相同。

試驗選用重量比為8∶5的Na2SO4+K2SO4飽和鹽水刷涂于試件涂層表面，刷涂鹽膜5～8 mg/cm2，該鹽層的組成是取其中K2O、Na2O平均值的摩爾比確定的。箱式電爐加熱，溫度650℃±5℃。一般認(rèn)為卻冷壁管外的溫度為500℃左右，但考慮到由于管內(nèi)壁氧化形成Fe3O4將降低水冷壁的熱效率，引起管外壁升溫，復(fù)合硫酸鹽對奧氏體合金的腐蝕溫度在552～704℃，在650℃附近達(dá)到最大，因此，以650℃為試驗溫度，以增加涂層耐腐蝕試驗的可靠性。試驗忽略了還原性氣體對涂層的腐蝕，總腐蝕時間為60 h。熱腐蝕試驗過程為：噴砂—噴涂—清洗烘干—秤重—敷鹽—腐蝕—清洗烘干—秤重。高溫腐蝕試驗中，分別測量了JCS-02T絲涂層、JCS-03T絲涂層和45#鋼在650℃試樣的單位面積失重隨時間變化的規(guī)律（見圖2）。

圖2 各試樣腐蝕失重隨時間變化規(guī)律

由圖2可以看出，隨腐蝕時間的增加，3組試樣腐蝕失重均逐漸增大，其中JCS-03T涂層試樣的耐腐蝕性能明顯優(yōu)于其他試樣。試驗30 h后45#鋼出現(xiàn)嚴(yán)重的層狀剝落，可以觀察到45#鋼基體按照腐蝕深淺程度的不同呈現(xiàn)層狀變化，出現(xiàn)松脆傾向。腐蝕產(chǎn)物為紅色的Fe2O3和黑色的Fe2O3、Fe3O4、Fe。對于噴涂涂層，鎳鉻含量越高，優(yōu)先氧化形成的氧化膜越致密、完整，涂層抗腐蝕性能越好。

4 結(jié)論

4.1 JCS-03T噴涂絲涂層的顯微組織呈典型的層狀結(jié)構(gòu)特征且組織致密，無粗大孔隙，在扁平顆粒之間有很薄的氧化物膜和少量氣孔。

4.2 JCS-01T+02T+03T的3層復(fù)合涂層工藝，大大降低了由于熱物理性能的差異而在冷熱循環(huán)應(yīng)力作用下產(chǎn)生的過大殘余應(yīng)力，從而延長了涂層的使用壽命。

4.3 轉(zhuǎn)爐煙道防護(hù)的噴涂工藝必須采取打底層加工作層的復(fù)合噴涂工藝。

［1］徐濱士，朱紹華.表面工程的理論與技術(shù)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1999：4-7.

［2］呂震，姜江，楊德良，等.熱噴焊技術(shù)在鍋爐管道防護(hù)中的應(yīng)用［J］.山東冶金，2005，27（4）：24-25.

［3］朱子新，徐濱士，徐向陽，等.電站鍋爐管道高溫沖蝕磨損和涂層防護(hù)技術(shù)［J］.中國電力，2001，34（12）：16-18.

［4］楊中元.鎳鋁復(fù)合絲和鎳鋁合金絲及其涂層［J］.材料工程，2002（2）：31-33.

［5］靳春光，呂震，楊德良，等.高速電弧噴涂技術(shù)在鍋爐水冷壁防護(hù)中的應(yīng)用［J］.山東冶金，2006，28（4）：83-84.

［6］田保紅，徐濱士，馬世寧，等.高速電弧噴涂Fe3Al/WC復(fù)合涂層高溫沖蝕行為研究［J］.中國表面工程，2000，13（1）：22-26.

［7］陳沖，費振義，呂震，等.射頻輝光放電等離子體輔助化學(xué)氣相沉積法制備類金剛石碳膜工藝與性能表征［J］.金剛石與磨料磨具工程，2009，10（5）：7-12.

Test Analysis of Coating Performance by Supersonic Velocity Electric Arc Spraying for Converter Flue

Lü Zhen1,YANG Deliang1,LIU Xiaobin2,ZHU Xuehui3,ZHAO Jingquan3

（1 Jinan Jincui Metallurgy Technology Co.,Ltd.,Jinan 250109,China;2 Shandong Shouguang Juneng Special Steel Co.,Ltd., Shouguang 262711,China;3 Laiwu Branch Company of Shandong Iron and Steel Co.,Ltd.,Laiwu 271104,China）

TAccording to the working condition and failure forms of converter flue,in order to improve the service life of the flue,3 layer composite coatings with mainly composed of Ni-Cr alloy by supersonic arc spraying were designed.Metallographic observation, micro hardness analysis,high temperature oxidation test and thermal shock resistance test for the coating showed that the composite coating has high binding strength with the substrate and excellent wear and corrosion resistance.

flue protection;supersonic velocity electric arc spraying;composite coating;thermal shock resistance

TG174.44

A

1004-4620（2015）03-0040-03

2015-03-24

呂震，男，1975年生，1997年畢業(yè)于山東工業(yè)大學(xué)金屬材料與熱處理專業(yè)?，F(xiàn)為濟南金萃冶金技術(shù)有限公司工程師，總工，從事熱噴涂及表面工程技術(shù)工作。