[发明专利]高炉风口内衬的高温耐磨材料及其与纯铜基材的连结方式

说明书

技术领域

本发明涉及一种高温耐磨材料与纯铜基材的连结方式，尤其涉及一种高炉风口内衬的高温耐磨材料及其与纯铜基材的连结方式。

背景技术

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2450℃，风口内所送热风温度可达l300℃，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。高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。

为了保证良好的炼铁生产条件,延长高炉风口使用寿命是必须要解决的。现在在风口内衬增加高温耐磨材料是一种比较流行的办法。而这些耐磨材料与风口纯铜基材之间的连结一般是采取堆焊、热喷涂，激光喷焊等方式。考虑到高炉风口的实际工作环境，耐磨涂层的实际应用效果不理想，其主要原因是工艺条件的限制和耐磨材料同纯铜之间巨大的热物理性质的差异。(1)工艺方面堆焊、热喷涂、激光喷焊耐磨层有其优势，也有着不可避免的缺陷。首先，在风口内表面覆盖耐磨层，耐磨层与金属基体之间通过宏观界面结合，其结合力是机械结合力，因而结合力不强，致使陶瓷涂层容易剥离脱落；其次是这些特殊的连接方式将不可避免地在涂层中产生残余应力，而残余应力是耐磨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。由于纯铜与耐磨材料的成分、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，致使耐磨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，同时也使耐磨层发生脆性破坏；由于耐磨层的导热系数较小，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，耐磨层的温降率较高，耐磨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，耐磨层和纯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。因此，从材料和工艺上降低耐磨层和纯铜基材料之间的热性能差异是实高炉风口耐磨层实用性的关键。风口不仅受热冲击的作用，还受到高温固体物料的机械摩擦。早期纯铜风口的制造技术来自德国，纯铜的耐高温、耐腐蚀、耐磨损比较差，后来为了解决上面提到的问题，使用了各种表面强化技术，虽然有一定的改进，但效果甚微，因为这些表面强化技术所使用的材料与纯铜之间始终存在一个热应变的差异，导致高温下表面强化材料的失效。由此可见，提高耐磨层与基体结合强度是目前高炉风口迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高炉风口内衬的高温耐磨材料及其与纯铜基材的连结方式，从而避免在风口使用中易发生耐磨层龟裂和剥落，以提高高炉风口套的耐磨性能和使用寿命。

为此，本发明就是把耐磨层与风口纯铜基材的连结简化为铜与纯铜的连结。这就要求先把耐磨材料与纯铜无内应力和热应力连结起来。本发明通过以下机理实现：

（1）先将把纳米级耐磨材料与高纯铜粉按不同比例均匀混合后，置入能提供高温、高压的设备中，通过高温、高压，及高温、高压下的时效作用，使金属塑性变形、熔化和扩散，制备出耐磨材料与纯铜结合起来形成的功能梯度复合材料，从而实现耐磨材料与纯铜的连结。由于制作过程中采用的是纳米材料，同时经过高温、高压的处理，使耐磨材料与纯铜之间的连结的内应力和热应力几近似乎零。

（2）将上述制成的耐磨材料片通过铸造的方法镶嵌纯铜基体中，使其熔合为一体，从而实现耐磨层与风口纯铜基体之间的连接简化为纯铜与纯铜的连结。

本发明的连接方法主要包括以下步骤：

（1）将纳米钨铜高温耐磨材料的粉末根据不同比例与纯铜粉进行混合，混合重量比例为0～100%，在模具底部先铺一层0.5mm厚的纳米钨铜高温耐磨材料，然后铺混合不同重量比例10～90%纯铜粉的粉末，铜含量逐渐增加，到表面为约0.5mm厚的纯铜粉，材料总厚度约为2.5mm；