Дутьевая фурма доменной печи с защитным покрытием

Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к конструкциям дутьевых фурм для доменной печи. Дутьевая фурма содержит медные внутренний и наружный стаканы, по торцам соединенные фланцем и рыльной частью, защитное покрытие которой выполнено трехслойным, нанесено на наружную рабочую поверхность, получено плазменным распылением материала и содержит металлические первый и второй слои, а также третий слой, содержащий диоксид циркония. Защитное покрытие нанесено на всю наружную медную поверхность и оконечную часть внутренней поверхности со стороны рыльной части, первый слой защитного покрытия выполнен из молибдена, второй - из жаропрочного сплава на основе никеля, третий слой - из соединений алюминия и диоксида циркония, при этом каждый слой защитного покрытия имеет толщину 0,3-1,5 мм, а в качестве материала для получения каждого слоя покрытия использована проволока. При использовании изобретения обеспечивается увеличение стойкости дутьевой фурмы и срока ее службы. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к области черной металлургии, в частности, к конструкции дутьевых фурм для доменной печи, и может быть использовано для подачи дутья при выплавке чугуна.

Известна дутьевая фурма доменной печи с защитным покрытием (см. п. Украины № 49411 А, (з. РФ № 2002129285, заявл. 03.12.2001 г., опубл. 16.09.2002 г., М. Кл.⁶ С 21 В 7/16), включающая медные внутренний и наружный стаканы, по торцам соединенные фланцем и рыльной частью, покрытие которой нанесено на наружную рабочую поверхность и получено газопламенным распылением материала. Известная дутьевая форма снабжена двухслойным покрытием, при этом толщина первого слоя защитного покрытия, выполненного из оксидов или их смесей с примесью 4±0,2% диоксида титана, составляет 1-5 мм, а толщина второго слоя из диоксида циркония - 0,2 мм.

Однако известная дутьевая форма не обладает необходимой стойкостью при работе в агрессивных средах вследствие недостаточной плотности покрытия, а также прочности сцепления покрытия с медной основой. Это связано с тем, что в качестве напыляемого материала используют порошок, в котором содержится большое количество оксидов, кроме того, при газопламенном распылении порошка, состоящего из смеси частиц разного размера, однородность и плотность покрытия нарушается из-за большого различия между крупными и мелкими частицами по степени расплавления и скорости их движения в напылительной струе. В результате покрытие обладает недостаточной прочностью сцепления с основой, отслаивается, разрушается, что приводит к окислению медной поверхности дутьевой фурмы и снижению срока ее службы.

Наиболее близкой к заявляемой дутьевой фурме по технической сущности и достигаемому результату является дутьевая фурма доменной печи с защитным покрытием (см. Плазменное напыление дутьевых фурм доменных печей, Шехтер С.Я., Резницкий A.M. и др. Автоматическая сварка, № 1, 1988 г., стр.54-55, Наукова думка, Киев), включающая медные внутренний и наружный стаканы, по торцам соединенные фланцем и рыльной частью, трехслойное покрытие которой, нанесенное на наружную рабочую поверхность и полученное плазменным распылением материала, содержит металлические первый, второй слои и третий слой, содержащий оксид циркония.

Первый металлический слой защитного покрытия из никеля имеет толщину 0,2 мм, второй, оксидно-металлический слой - 0,4 мм, третий слой из диоксида циркония - 0,8 мм.

Известная дутьевая фурма снабжена покрытием, которое нанесено только на рабочую поверхность фурмы, что не обеспечивает защиту ее медной поверхности от окисления. Это связано с тем, что окисление медной поверхности происходит в первую очередь в той части фурмы, которая помещена в корпусе доменной печи, поскольку именно там происходит интенсивный нагрев медной поверхности в процессе выплавки чугуна. В результате происходит «подрыв» покрытия, нанесенного на рабочую поверхность.

Кроме того, покрытие имеет низкую прочность сцепления с основой, так как первый его слой выполнен из никеля, обладающего недостаточной адгезией к материалу основы и материалу следующего слоя покрытия.

Использование в качестве материала для напыления третьего слоя покрытия порошка диоксида циркония также отрицательно сказывается на качестве покрытия. Это связано с тем, что во время нагрева диоксида циркония при температуре примерно 1200°С протекает эндотермическая реакция, сопровождающаяся усадкой слоя покрытия из-за структурных превращений в нем. Это приводит к увеличению пористости, к снижению плотности покрытия и к нарушению его целостности. Вследствие этого фурма недостаточно защищена от агрессивной среды и имеет ограниченный срок службы.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствовать дутьевую фурму доменной печи с защитным покрытием, в которой новое выполнение элементов фурмы и их геометрические параметры, а также новые материалы, из которых выполнены элементы фурмы, обеспечивают повышение плотности элементов конструкции фурмы, повышение прочности сцепления покрытия с основой и за счет этого обеспечивается увеличение стойкости дутьевой фурмы к износу и увеличивается срок ее службы.

Поставленная задача решается тем, что в известной дутьевой фурме доменной печи с защитным покрытием, содержащей медные внутренний и наружный стаканы, по торцам соединенные фланцем и рыльной частью, защитное покрытие которой выполнено трехслойным, нанесено на наружную рабочую поверхность, получено плазменным распылением материала и содержит металлические первый и второй слои, а также третий слой, содержащий диоксид циркония, согласно изобретению новым является то, что защитное покрытие нанесено на всю наружную медную поверхность и оконечную часть внутренней поверхности со стороны рыльной части, первый слой защитного покрытия выполнен из молибдена, второй - из жаропрочного сплава на основе никеля, третий слой - из соединений алюминия и диоксида циркония, при этом каждый слой имеет толщину 0,3-1,5 мм, а в качестве материала для получения каждого слоя покрытия использована проволока.

Новым является также то, что для получения третьего слоя защитного покрытия в качестве проволоки использована порошковая проволока.

Новым является также то, что для получения третьего слоя защитного покрытия использована проволока, содержащая соединения алюминия, диоксида циркония и диоксида кремния.

Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков устройства и достигаемым техническим результатом состоит в том, что заявляемое конструктивное выполнение дутьевой фурмы доменной печи с защитным покрытием, а именно:

- снабжение дутьевой фурмы защитным покрытием, нанесенным на всю наружную медную поверхность и оконечную часть внутренней поверхности со стороны рыльной части;

- выполнение первого слоя покрытия из молибдена;

- выполнение второго слоя покрытия из жаропрочного сплава на основе никеля;

- выполнение третьего слоя покрытия из соединений алюминия и диоксида циркония;

- оптимизация толщины покрытия;

- использование проволоки для получения каждого слоя покрытия, в совокупности с известными признаками, обеспечивает повышение прочности сцепления покрытия с основой и за счет этого достигается увеличение стойкости дутьевой фурмы, а также увеличивается срок ее службы.

Достижению указанного технического результата способствует также то, что для получения третьего слоя защитного покрытия в качестве проволоки использована порошковая проволока.

Достижению указанного технического результата способствует также то, что для получения третьего слоя защитного покрытия использована проволока, содержащая соединения алюминия, диоксида циркония и диоксида кремния.

Одновременное снабжение дутьевой фурмы защитным покрытием, нанесенным на всю наружную медную поверхность и оконечную часть внутренней поверхности со стороны рыльной части, выполнение защитного покрытия трехслойным из молибдена, жаропрочного сплава на основе никеля и соединений алюминия и диоксида циркония с толщиной каждого слоя 0,3-1,5 мм, а также получение покрытия плазменным распылением проволоки позволяет получить качественное защитное покрытие, обеспечить стойкость дутьевой фурмы от износа и увеличить срок ее службы.

Получение первого слоя защитного покрытия плазменным распылением молибденовой проволоки обеспечивает соединение напыляемого покрытия с основой в первую очередь за счет механического сцепления напыляемых частиц с выступами и впадинами на поверхности основы, образованными предварительной обработкой.

Кроме того, при напылении расплавленных частиц молибдена в момент соударения с поверхностью основы происходит сплавление частиц молибдена с металлом основы с образованием металлических связей. Частицы молибдена при столкновении вызывают плавление основного металла и глубоко внедряются в него с образованием интерметаллических соединений. Молибденовый слой повышает жаропрочность покрытия, а также является подслоем для нанесения следующего слоя покрытия, так как молибден обладает повышенной адгезией как к металлу основы, так и к материалу следующего слоя защитного покрытия - жаропрочного сплава на основе никеля, который наносится на первый слой плазменным распылением проволоки. Жаропрочные стали, относящиеся к аустенитным сталям, способные сохранять высокие механические свойства при нагревании до значительных температур, обладают высокой химической и термической устойчивостью, имеют высокую коррозионную стойкость. Качество защитного покрытия улучшается также за счет выполнение третьего слоя плазменным распылением порошковой проволоки, все компоненты которой имеют температуру плавления, превышающую 2000°С, а также получают покрытие, не смачивающееся или ограниченно смачивающееся жидким чугуном и жидким доменным шлаком, не вступающее в химическое взаимодействие с газовой фазой.

Защитное покрытие, третий слой которого получен плазменным распылением порошковой проволоки, обладает большой стойкостью к тепловым ударам, плотностью и прочностью сцепления. Это обеспечивается за счет того, что при высоких температурах оксиды кальция и алюминия, входящие в состав порошковой проволоки, подавляют структурные превращения, происходящие вследствие эндотермических реакций, сопровождающих нагрев диоксида циркония. Таким образом, исключается усадка покрытия.

Наличие диоксида кремния в составе проволоки, используемой для нанесения третьего слоя покрытия, обеспечивает получение карбида кремния под действием плазмы и рабочих температур во время эксплуатации дутьевой фурмы, что придает защитному покрытию высокую плотность и жаростойкость.

При сцеплении частиц между собой внутри покрытия действуют те же механизмы, что и при взаимодействии покрытия с поверхностью основного металла. В частности, взаимодействие частиц между собой достигается путем их механического сцепления, а также за счет диффузии, эпитаксии и физической связи под действием вандерваальсовых сил. При сцеплении частиц между собой действуют все эти механизмы, что обеспечивает повышение плотности покрытия и прочности сцепления его с основой.

Снабжение дутьевой фурмы защитным покрытием, нанесенным на всю наружную медную поверхность и оконечную часть внутренней поверхности со стороны рыльной части, также обеспечивает повышение прочности сцепления покрытия с основой. Это связано с тем, что покрытие защищает от окисления не только рабочую часть фурмы, но и ту ее часть, которая размещена в корпусе доменной печи, поскольку эта часть фурмы окисляется и оттуда начинается «подрыв» защитного покрытия в случае, если она не защищена.

Экспериментально установлено, что оптимальная толщина каждого слоя защитного покрытия составляет 0,3-1,5 мм. Дутьевые фурмы доменных печей с защитным покрытием, толщина каждого слоя которого менее чем 0,3 мм при эксплуатации подвергаются разрушению вследствие окисления медной поверхности. В покрытии, толщина каждого слоя которого превышает 1,5 мм, прочность сцепления значительно снижается, что отрицательно сказывается на качестве покрытия и снижает эксплуатационные свойства дутьевой фурмы.

Дутьевые фурмы доменных печей, защитное покрытие которых получено плазменным распылением проволоки, имеют повышенную плотность, а также прочность сцепления покрытия с основой, поскольку плазменное распыление проволоки позволяет непрерывно подавать и равномерно распределять материал покрытия по факелу струи плазмы. В результате проволока равномерно нагревается в потоке плазмы, расплавляется, и материал каждого слоя покрытия равномерно распределяется по поверхности. Благодаря этому получается плотное покрытие, обладающее повышенной прочностью сцепления. Кроме того, использование проволоки упрощает введение напыляемого материала в плазменную струю, повышает коэффициент использования материала.

Таким образом, фурма, снабженная покрытием, которое обладает высокой плотностью и прочностью сцепления с основой, защищена от окисления медной поверхности, от воздействия агрессивной среды (газ, брызги металла и шлаков), а также от механического воздействия шихтующих компонентов доменной плавки.

Заявляемую дутьевую фурму доменной печи с защитным покрытием изготавливают следующим образом.

На дутьевую фурму, включающую медные внутренний и наружный стаканы, по торцам соединенные фланцем и рыльной частью, изготовленную по известной технологии, наносят трехслойное защитное покрытие. Покрытие наносят на всю наружную медную поверхность и оконечную часть внутренней поверхности со стороны рыльной части плазменным распылением проволоки. Первый слой покрытия получают распылением молибденовой проволоки, второй слой - распылением проволоки из жаропрочного сплава на основе никеля, третий слой - распылением порошковой проволоки, содержащей соединения алюминия и диоксид циркония, или проволоки, содержащей оксид кремния. Каждый слой защитного покрытия имеет толщину 0,3-1,5 мм. Проволока, которую используют для получения покрытия, является покупным изделием, полученным согласно нормативно-технической документации (проволока молибденовая - ТУ-48-19-203-85, проволока из сплава ХН78Т, ГОСТ 2246-70) и имеет диаметр 1,6-1,8 мм.

Промышленные испытания дутьевых фурм с трехслойным защитным покрытием проводились на домне №9 ОАО «Криворожсталь». Защитное покрытие получали плазменным распылением проволоки с помощью плазмотрона прямого действия мощностью 25 кВт (рабочий ток 160 А, напряжение 70 В) на предварительно обработанную медную поверхность фурмы, на всю наружную поверхность и оконечную часть внутренней поверхности со стороны рыльной части.

Для получения первого слоя защитного покрытия использовали проволоку из молибдена, для второго слоя - проволоку из сплава ХН78Т, для третьего слоя - порошковую проволоку, содержащую Al₂О₃ - 60%, AlN - 20%, ZrO₂ - 15%, CaO (MgO) - 5% в оболочке из алюминиевого сплава, или проволоку, содержащую алюминий, Al₂O₃ (50%), SiO₂, ZrO₂.

Были изготовлены дутьевые фурмы доменных печей с толщиной каждого слоя защитного покрытия от 0,1 до 2,0 мм.

Осуществляли исследование влияния толщины покрытия на качество дутьевых фурм с защитным покрытием, а именно определяли прочность сцепления покрытий с основой. Результаты исследования приведены в таблице.

В объекте по прототипу (пример № 1) защитное покрытие нанесено на рабочую поверхность дутьевой фурмы плазменным распылением порошка; первый слой покрытия выполнен из никеля толщиной 0,2 мм, второй слой, оксидно-металлический - толщиной 0,4 мм, третий слой из диоксида циркония толщиной 0,8 мм. Фурма с таким покрытием имеет недостаточную прочность сцепления покрытия с основой, в результате покрытие быстро разрушается и не обеспечивает защиту медной поверхности фурмы от окисления.

В примерах 2-6 приведены данные исследования дутьевых фурм, покрытия которых выполнены плазменным распылением проволоки и нанесены на всю наружную медную поверхность и оконечную часть внутренней поверхности со стороны рыльной части фурмы. Толщина каждого слоя покрытия составляла: 0,1 мм; 0,3 мм; 1,0 мм; 1,5 мм; 2,0 мм (примеры 2, 3, 4, 5, 6, соответственно). Первый слой покрытия выполняли из молибдена, второй - из жаропрочных сплавов на основе никеля, например, ХН78Т, 06Х15Н60М15, Х20Н80 (для всех видов проволоки из сплавов на основе никеля были получены аналогичные результаты при исследования качества покрытия), третий слой - из соединений алюминия и диоксида циркония, или слой из соединений алюминия, оксидов кремния и циркония.

Наилучшие показатели, характеризующие дутьевую фурму и качество покрытия, получены при выполнении каждого слоя покрытия толщиной 0,3 мм, 1,0 мм, 1,5 мм (примеры 3, 4, 5, соответственно). При толщине каждого слоя покрытия 0,1 мм прочность сцепления покрытия с основой недостаточна, что приводит к разрушению покрытия и

Таблица
№ п/п	Состав покрытия	Толщина, мм	Прочность сцепления покрытия с основой, МПа
	I слой	II слой		III слой	I слой	II слой	III слой
I вариант	II вариант
1	2	3	4	5	6	7	8	9
1.	никель	оксидно-металлический	диоксид циркония	-	0,2	0,4	0,8	25
2.	молибден	ХН78Т	Al2O3, AlN,	Al, Al2O3,	0,1	0,1	0,1	18-20
ZrO2, CaO	SiO2, ZrO2
3.	молибден	ХН78Т	Al2O3, AlN,	Al, Al2O3,	0,3	0,3	0,3	40-42
ZrO2, CaO	SiO2, ZrO2
4.	молибден	ХН78Т	Al2O3, AlN,	Al, Al2O3,	1,0	1,0	1,0	43-45
ZrO2, CaO	SiO2, ZrO2
5.	молибден	ХН78Т	Al2O3,AlN,	Al, Al2O3,	1,5	1,5	1,5	40-41
ZrO2, CaO	SiO2, ZrO2
6.	молибден	ХН78Т	Al2O3, AlN,	Al, Al2O3,	2,0	2,0	2,0	29-31
ZrO2, CaO	SiO2, ZrO2

дутьевой фурмы, снижению срока службы фурмы (пример 2). Увеличение толщины покрытия снижает качество покрытия, приводит к необоснованному расходу материалов покрытия (пример 6). Исследования показали, что оптимальная толщина каждого слоя покрытия составляет 0,3-1,5 мм, поскольку фурмы с таким покрытием имеют наилучшие показатели качества.

Дутьевая фурма доменной печи с защитным покрытием может быть изготовлена на существующем оборудовании с использованием известных материалов и средств, что подтверждает промышленную применимость заявляемого устройства.

Таким образом, заявляемая дутьевая фурма доменной печи с защитным покрытием характеризуется высоким качеством, которое достигается за счет повышения плотности покрытия и прочности сцепления покрытия с основой, что в конечном итоге позволяет обеспечить защиту поверхности фурмы от агрессивной среды и увеличить срок ее службы.

1. Дутьевая фурма доменной печи с защитным покрытием, содержащая медные внутренний и наружный стаканы, по торцам соединенные фланцем и рыльной частью, защитное покрытие которой выполнено трехслойным, нанесено на наружную рабочую поверхность, получено плазменным распылением материала и содержит металлические первый и второй слои, а также третий слой, содержащий диоксид циркония, отличающаяся тем, что защитное покрытие нанесено на всю наружную медную поверхность и оконечную часть внутренней поверхности со стороны рыльной части, первый слой защитного покрытия выполнен из молибдена, второй - из жаропрочного сплава на основе никеля, третий слой - из соединений алюминия и диоксида циркония, при этом каждый слой имеет толщину 0,3-1,5 мм, а в качестве материала для получения каждого слоя покрытия использована проволока.

2. Дутьевая фурма по п.1, отличающаяся тем, что для получения третьего слоя защитного покрытия в качестве проволоки использована порошковая проволока.

3. Дутьевая фурма по п.1, отличающаяся тем, что для получения третьего слоя защитного покрытия использована проволока, содержащая соединения алюминия, диоксида циркония и диоксида кремния.