吕震，杨德良，刘晓斌，祝学会，赵景全

（1济南金萃冶金技术有限公司，山东济南 250109；2山东寿光巨能特钢有限公司，山东寿光 262711；3山钢股份莱芜分公司，山东莱芜 271104）

试验研究

转炉烟道电弧超音速喷涂涂层性能分析试验

吕震1，杨德良1，刘晓斌2，祝学会3，赵景全3

（1济南金萃冶金技术有限公司，山东济南 250109；2山东寿光巨能特钢有限公司，山东寿光 262711；3山钢股份莱芜分公司，山东莱芜 271104）

针对转炉烟道的工况及失效形式，为提高烟道的使用寿命，设计了一种电弧超音速喷涂工艺制备的以镍铬合金为主的3层复合涂层，金相观察、显微硬度分析、高温氧化试验及抗热震性能测试表明，复合涂层与基体结合强度高，耐磨耐蚀性能优良。

烟道防护；电弧超音速喷涂；复合涂层；热膨胀系数；抗热震性能

1 前言

转炉汽化冷却烟道运行工况随转炉冶炼工艺而周期性变化，受热面承受着固体物料的冲刷、酸性气体与盐类的腐蚀以及高温氧化，表现为烟道水管爆裂漏水等。炉口活动烟罩因接近高温金属液面，运行条件更加恶劣，极易在钢管上产生大量竹节状热疲劳裂纹、麻点直至穿孔漏水。目前，转炉上段烟道的平均寿命为2 a左右，下段烟道的寿命平均为1 a，炉口移动烟罩寿命只有0.5 a左右，寿命期内事故率很高，影响炼钢生产。为此，本研究采用电弧超音速喷涂工艺对烟道表面喷涂防护复合涂层，并对涂层性能进行分析，以期提高烟道的使用寿命。

2 电弧超音速喷涂试验

2.1 转炉烟道工况及失效分析

金属材料的抗氧化及耐腐蚀性能主要决定于金属表面是否能形成稳定、致密的金属氧化膜。普遍应用抗氧化、耐腐蚀的Cr合金，当其含量高于20%时，合金表面才会形成致密的保护性氧化膜Cr2O3［1］。

转炉烟道烟罩受热面一般由20 G低碳钢管制成，炼钢过程中产生的烟气温度高达1 100～1 400℃，最高可达1 600℃，并且含有硫及其化合物，高温渣、石灰等大量粉尘［2］。国内研究认为冷却烟道水管爆管的原因有：1）高温烟气中腐蚀性极强组分的高温腐蚀。2）由于转炉冶炼工艺操作的周期性使受热管产生周期性的热交变应力，极易造成热疲劳破坏，在水冷壁管上出现横向裂纹，直至破裂。3）由于转炉烟道烟罩的工作温度高，在上升管中不可避免地产生水蒸汽，容易发生传热恶化，造成其管壁超温工作。4）转炉烟气中含有大量的固体颗粒，对受热面管子产生摩擦而使受热管磨损。5）由于目前大部分炼钢厂都采用溅渣护炉工艺，对烟罩造成冲击，并在烟罩上挂渣，烟罩易产生麻点和穿孔，热疲劳裂纹也增多［3］。

因此，转炉烟道烟罩防护涂层必须满足以下条件：1）涂层和基体有较高的结合强度；2）涂层具有优良的耐磨性能和抗高温氧化腐蚀性能；3）涂层具有良好的导热性能和抗热震性能；4）涂层制备工艺简单并适用于现场施工操作，成本较低。

2.2 试验材料及方法

JCS-01T、JCS-02T、JCS-03T喷涂丝（主要成分为镍、铬、铝等），热膨胀系数（×10-6/K）分别为15.1、12.6、14.5；SiC砂；电弧超音速喷涂机。

工艺方案：首先对烟道表面进行喷砂处理，清洁并粗化待喷涂表面；在完成喷砂后2 h内喷涂打底丝，即JCS-01T喷涂丝。这是一种NiAl合金丝，熔融的合金液滴中Al与Fe发生铝热反应放出大量的热，使熔融的合金粒子在撞击基体表面的瞬间与其发生冶金结合，从而提高与基体的结合强度［4］；随后喷涂过渡层和工作层丝材，最后进行封孔处理。

选用20G钢管作为基体材料，热膨胀系数为11×10-6/K。分别制作JCS-01T+02T涂层（涂层1）、JCS-01T+03T涂层（涂层2）和JCS-01T+02T+03T涂层（涂层3），进行涂层金相、结合强度、显微硬度、抗热震性能以及高温抗腐蚀性能的测试分析。

3 涂层组织性能分析

3.1 金相观察

将涂层横向切开，将其截面磨光制成金相试样，抛光后腐蚀，采用光学显微镜观察喷涂层试样的显微组织结构，不同涂层材料的组织形貌见图1。

图1 不同涂层材料的组织形貌200×

由图1a、图1b对比可以看出，图1b涂层的空隙和氧化物明显减少，涂层致密度增加；图1c涂层是在图1a基础上又喷涂了一层JCS-03T丝以提高涂层的耐磨性能。

3.2 涂层的结合强度

依据GB/T 8642—2002中所规定的热喷涂—抗拉结合强度的测定方法，在垂直于基体表面的方向施加拉力，拉伸涂层，使其从基材上剥离，以此检查涂层与基体的结合强度，每种涂层拉3个试样，取其平均值。涂层厚度均为1.0 mm，各涂层的结合强度如下：涂层1，53.31（53.4、56.1、50.5）MPa；涂层2，60.77（61.2、58.8、62.3）MPa；涂层3，62.07（60.9、62.7、62.6）MPa。

3 种涂层虽然主要结合方式都是机械结合，但由于喷涂了一层打底的NiAl合金层，形成了一些弥散分布的微冶金结合点，能显著提高提高涂层与基体的结合强度［5］。3种涂层与基体的结合强度相差不大，说明涂层内部的结合强度远大于涂层与基体的结合强度，且其与基体的结合强度主要取决于打底层与基体的结合强度。因此打底层材料的选择和喷涂质量的好坏对涂层的性能至关重要。

3.3 涂层的显微硬度

由于喷涂工艺的影响，涂层硬度和喷涂材料的硬度有差别。当工艺条件改变时，涂层的组织结构、致密度、相组成等都发生变化，因此硬度也不同。由于涂层很薄，因此测量涂层的显微硬度。试验载荷300 g，加载时间10 s，基体和各涂层的显微硬度如下（HV）：基体，195（194、189、206、196、187）；涂层1（厚1.1 mm），381（387、346、411）；涂层2（厚1.2 mm），583（568、602、580）；涂层3（厚1.2 mm），715（711、738、696）。

涂层硬度与喷涂材料的性质是分不开的，但涂层硬度与喷涂材料硬度有区别，即使是同一种喷涂材料，涂层硬度通常也是不同的。涂层内含有气孔和孔隙，涂层的组织结构具有非均一性，因而造成涂层硬度的非均一性。其中涂层3的硬度最高，其次是涂层2，涂层1最低，这是由于涂层3采用3层复合涂层工艺，与涂层2相比，工作涂层硬度明显提高。

3.4 涂层的抗热震性能

通过热循环应力试验测试涂层的抗热震性能，即测定在反复加热冷却状态下，涂层抗热应力剥离能力。试样选用直径25 mm、长200 mm的20G钢管。试验温度500℃、700℃，在箱式电炉中加热，保温10 min，水冷，记录其涂层剥落时的热震次数。3种涂层试样的抗热震性能试验结果见表1。

表1 各涂层不同温度下的热震次数

由表1可以看出，JCS-01T+02T+03T喷涂涂层（涂层3）的热震值在500℃和700℃时均为最大，JCS-02T丝喷涂层（涂层1）与JCS-01T+02T丝喷涂涂层（涂层2）差距不大，JCS-02T丝喷涂层最差，随着温度的升高，涂层的抗热震性能急剧下降，700℃涂层的抗热震性能只有58～86次。随着温度的升高，基体和涂层的膨胀加剧，温度越高，体积膨胀量越大。冷却过程中基体和涂层的体积迅速收缩，由于受到频繁的交变热应力的作用，而涂层与基体之间的热膨胀系数不一致，在交变热应力的作用下涂层承受很大的残余应力。在体积反复膨胀、收缩过程中，涂层和基体间的结合强度逐渐下降，直至最后脱落。加热温度越高，体积变化量越大，产生的残余应力越大，抗热震性能下降越明显。

为解决由于热物理性能的差异而在冷热循环应力作用下产生过大的残余应力，设计了一种梯度复合涂层，在满足耐磨、耐腐蚀等性能的前提下，涂层的抗热震性能大为提高。

3.5 高温抗腐蚀性能

通过高温涂盐试验测试涂层的高温抗腐蚀性能［6-7］。喷涂后的试件涂层表面未做任何机械加工处理。粘结底层的厚度约为0.10 mm，工作涂层厚度0.35～0.40 mm。采用45#钢作为对比材料，其试件尺寸与喷涂试件基体尺寸相同。

试验选用重量比为8∶5的Na2SO4+K2SO4饱和盐水刷涂于试件涂层表面，刷涂盐膜5～8 mg/cm2，该盐层的组成是取其中K2O、Na2O平均值的摩尔比确定的。箱式电炉加热，温度650℃±5℃。一般认为却冷壁管外的温度为500℃左右，但考虑到由于管内壁氧化形成Fe3O4将降低水冷壁的热效率，引起管外壁升温，复合硫酸盐对奥氏体合金的腐蚀温度在552～704℃，在650℃附近达到最大，因此，以650℃为试验温度，以增加涂层耐腐蚀试验的可靠性。试验忽略了还原性气体对涂层的腐蚀，总腐蚀时间为60 h。热腐蚀试验过程为：喷砂—喷涂—清洗烘干—秤重—敷盐—腐蚀—清洗烘干—秤重。高温腐蚀试验中，分别测量了JCS-02T丝涂层、JCS-03T丝涂层和45#钢在650℃试样的单位面积失重随时间变化的规律（见图2）。

图2 各试样腐蚀失重随时间变化规律

由图2可以看出，随腐蚀时间的增加，3组试样腐蚀失重均逐渐增大，其中JCS-03T涂层试样的耐腐蚀性能明显优于其他试样。试验30 h后45#钢出现严重的层状剥落，可以观察到45#钢基体按照腐蚀深浅程度的不同呈现层状变化，出现松脆倾向。腐蚀产物为红色的Fe2O3和黑色的Fe2O3、Fe3O4、Fe。对于喷涂涂层，镍铬含量越高，优先氧化形成的氧化膜越致密、完整，涂层抗腐蚀性能越好。

4 结论

4.1 JCS-03T喷涂丝涂层的显微组织呈典型的层状结构特征且组织致密，无粗大孔隙，在扁平颗粒之间有很薄的氧化物膜和少量气孔。

4.2 JCS-01T+02T+03T的3层复合涂层工艺，大大降低了由于热物理性能的差异而在冷热循环应力作用下产生的过大残余应力，从而延长了涂层的使用寿命。

4.3 转炉烟道防护的喷涂工艺必须采取打底层加工作层的复合喷涂工艺。

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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

吕震，男，1975年生，1997年毕业于山东工业大学金属材料与热处理专业。现为济南金萃冶金技术有限公司工程师，总工，从事热喷涂及表面工程技术工作。