91精品人妻互换日韩精品久久影视|又粗又大的网站激情文学制服91|亚州A∨无码片中文字慕鲁丝片区|jizz中国无码91麻豆精品福利|午夜成人AA婷婷五月天精品|素人AV在线国产高清不卡片|尤物精品视频影院91日韩|亚洲精品18国产精品闷骚

 陸隆文1  胡  堅(jiān)2  張海鷗2  李友浩2  王  鑫3  趙  思1 鐘  毅1  王桂蘭3

（1．武漢鋼鐵集團(tuán)公司；2．華中科技大學(xué)數(shù)字制造裝備與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3．華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

摘要針對(duì)高爐風(fēng)口小套的使用情況和主要失效形式，提出了在風(fēng)口內(nèi)壁采用電弧熔覆高溫耐磨合金材料的工藝方法。提出了過(guò)渡層JSTNi6382+表層耐磨合金的材料結(jié)構(gòu)，并對(duì)熔覆層的金相組織、硬度、耐磨性和抗熱震性能進(jìn)行分析。沿熔積方向?qū)��?qiáng)化試樣進(jìn)行等距硬度測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明，試樣硬度沿熔積方向呈梯度遞增。在常溫下D450的耐磨性是紫銅的5.8倍，D600的耐磨性是紫銅的17倍；D450試樣的抗熱震性能遠(yuǎn)優(yōu)于等離子噴涂工藝。

關(guān)鍵詞高爐風(fēng)口小套；長(zhǎng)壽化；堆焊；高溫耐磨合金

中圖分類(lèi)號(hào)  TG146.1+1; TG455DOI：10. 15980/j．tzzz. 2016. 05. 007

 高爐風(fēng)口小套是高爐煉鐵生產(chǎn)時(shí)的重要部件，主要用于向高爐內(nèi)吹送熱風(fēng)和煤粉，其工作環(huán)境十分惡劣。風(fēng)口的主要失效形式為熔損、磨損、龜裂和焊縫脫落。在高爐風(fēng)口小套內(nèi)壁堆焊耐高溫耐磨材料可降低熱輸入，顯著提高風(fēng)口表面的高溫耐磨性，提高風(fēng)口表面的熔點(diǎn)和抗氧化能力等。本課題采用薄層材料，進(jìn)行了高爐風(fēng)口表面堆焊材料及工藝研究，旨在為生產(chǎn)長(zhǎng)壽命的高爐風(fēng)口小套提供參考。

1  風(fēng)口的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)

 風(fēng)口結(jié)構(gòu)主要分為空腔式風(fēng)口和貫流式風(fēng)口。貫流式在空腔體內(nèi)增加了一套冷卻裝置，對(duì)風(fēng)口高溫區(qū)域進(jìn)行冷卻，結(jié)構(gòu)緊湊，提高了冷卻效率，進(jìn)而大大降低了風(fēng)口熔損效率。流量相同時(shí)，貫流式風(fēng)口冷卻水的流速、瞬間帶走的熱量、風(fēng)口整體降溫幅度皆大于空腔式風(fēng)口，故其換熱能力強(qiáng)于空腔式風(fēng)口。風(fēng)口結(jié)構(gòu)、水壓和冷卻水純度是影響風(fēng)口壽命的主要因素。

 本課題采用貫流式風(fēng)口，材質(zhì)為紫銅，Cu含量在99. 5%以上，散熱能力好，平均使用壽命長(zhǎng)。

2試驗(yàn)材料及方案

 目前，提高風(fēng)口壽命的主要方法為等離子噴涂，但其形成的涂層與風(fēng)口基體為機(jī)械結(jié)合，致密度不高，內(nèi)部孔隙較多，使用過(guò)程中容易開(kāi)裂和剝落；且涂層厚度僅約為0.5 mm。因風(fēng)口內(nèi)壁表面受高溫高速煤粉和熱風(fēng)沖刷，摩擦磨損比較嚴(yán)重，且環(huán)境溫度約為1 2000C，所以應(yīng)熔覆一定厚度的耐磨耐熱材料，且能與銅良好結(jié)合。鎳基合金因具有良好的耐磨性，耐高溫、抗氧化性、耐腐蝕性、可焊性，同時(shí)易于熔化、與銅材熔合較好，有較好的工藝性能，因而得到廣泛應(yīng)用。

 由于在紫銅上直接熔覆耐磨耐熱金屬的難度較大，且兩者熱膨脹系數(shù)相差較大，在風(fēng)口實(shí)際使用環(huán)境中容易開(kāi)裂脫落，所以必須使用過(guò)渡層。JSTNi6382鎳合金焊絲是一種良好的鎳基合金焊絲，含適量的M n、N b元素，抗裂性較好，弧柱形態(tài)穩(wěn)定，飛濺較小，易脫渣，常用于銅合金與異種鋼的焊接，也可用作過(guò)渡層堆焊材料，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。

 根據(jù)風(fēng)口使用工況，選擇了D600和D450兩種堆焊合金作為表層材料，其主要元素為Cr、Ni、W、V、N b、B等，D450合金中Cr和Ni的存在，大大提高了堆焊層的抗開(kāi)裂和抗脫落性能。為了適應(yīng)高溫環(huán)境，加入了N b元素，N b在堆焊層中會(huì)形成N bC硬質(zhì)相，其熔點(diǎn)高達(dá)3 200℃，具有很好的耐熱性。

 本課題采用以鎳基焊絲為過(guò)渡層材料，在風(fēng)口內(nèi)壁表層堆焊高溫耐磨材料的工藝方法。考慮到試樣數(shù)量多，難以都做成風(fēng)口小套形式，故采用了常見(jiàn)的板狀銅試樣進(jìn)行工藝試驗(yàn)。

 經(jīng)過(guò)對(duì)預(yù)熱溫度、焊接速度以及搭接率的優(yōu)化，得出過(guò)渡層(JSTNi6382)和表層材料(D600、D450)的焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表2，保護(hù)氣氛為A r。

3  風(fēng)口強(qiáng)化層組織及性能

3.1  強(qiáng)化層宏觀形貌

 利用焊機(jī)在Cu板上堆焊一層JSTNi6382過(guò)渡層，宏觀形貌見(jiàn)圖1。測(cè)得單道焊縫長(zhǎng)約為75 mm，寬約為12 mm，高約為2.5 mm，與銅結(jié)合良好，表面無(wú)氣孔、裂紋等缺陷。采用相同的工藝參數(shù)，搭接率為30%，將整個(gè)Cu板熔覆。

3.2  過(guò)渡層微觀組織形態(tài)

 圖2為Cu與JSTN16382熔合線區(qū)域的金相組織。從圖2a可看出，在熔合線下方的Cu晶粒明顯比底部要粗大，這是因?yàn)樘幱谌酆暇�附近的Cu被迅速加熱至熔融狀態(tài)，但Cu冷卻速度比其上的過(guò)渡層慢，所以Cu再結(jié)晶后晶粒變大；熔合線附近的Cu中有深灰色的細(xì)小晶粒，顏色與過(guò)渡層相近，可知過(guò)渡層有部分元素溶入Cu基體中，說(shuō)明過(guò)渡層和Cu基體結(jié)合良好，是冶金結(jié)合，而等離子噴涂為機(jī)械結(jié)合。

 圖3為過(guò)渡層組織形貌�？梢钥闯�，各區(qū)域晶粒大小和形態(tài)差異較大，從熔合線到過(guò)渡層頂部組織呈梯度變化。由圖3a可以看出，焊層熔合線處的晶粒粗大，這是因?yàn)樵诤附舆^(guò)程中，過(guò)渡材料發(fā)生熔化，并與局部的純銅基體形成液一固界面，晶核沿整個(gè)界面法線方向快速長(zhǎng)大。由圖3b～圖3d可以看出，過(guò)渡層底部為較粗的胞狀結(jié)構(gòu)；過(guò)渡層中部為較細(xì)小的胞狀結(jié)構(gòu)；過(guò)渡層頂部組織呈樹(shù)枝狀和柱狀晶。這是因?yàn)樵诤附舆^(guò)程中，熔池中的溫度梯度很大，在過(guò)渡層底部近熔合區(qū)的溫度梯度(G)很大，而冷卻速度(R)很小。隨著焊接厚度的增加，溫度梯度減小而冷卻速度加快，在近表面區(qū)G／R趨近于0，導(dǎo)致過(guò)渡層出現(xiàn)明顯的組織梯度。

 利用掃描電鏡在強(qiáng)化試樣縱截面上沿熔覆方向掃描，首先沿Cu基體到過(guò)渡層線掃描，結(jié)果見(jiàn)圖4�？梢钥闯觯�左側(cè)區(qū)域?yàn)镃u基體，右側(cè)為過(guò)渡層JST-Ni6382，中間呈亮白色縱線為熔合線。從圖4可以看出，Cu元素曲線經(jīng)過(guò)熔合線后急劇下降，說(shuō)明Cu含量明顯減少，而Ni和Cr成分明顯升高，但是在熔合線右側(cè)仍有銅存在過(guò)渡層中，可知Cu與JSTNi6382熔合良好，形成了新的固溶相。

 圖5為沿Cu基體向過(guò)渡層的面掃描結(jié)果�？梢钥闯�，掃描區(qū)域主要元素為Cu、Ni、Cr，還有少量的C、Nb、Mo，過(guò)渡層中含較多的Cr和Ni元素，而Cu基體中幾乎不含其他元素，過(guò)渡層除含大量的Ni、Cr之外，也有Cu分布，且Cu的分布比較均勻，從而可知Cu與JSTNi6382焊材能良好熔合，并形成固溶相，均勻地分布在熔合線附近的過(guò)渡區(qū)域。

3.4風(fēng)口強(qiáng)化層試樣顯微硬度

 利用HVS-1000型轉(zhuǎn)塔式維式硬度計(jì)分別在JST-Ni6382+D450強(qiáng)化試樣和JSTNi6382+D600強(qiáng)化試樣的側(cè)面從Cu基體沿著熔積方向每隔0.5 mm打點(diǎn)，載荷為50 N，保持時(shí)間為5s，得到各點(diǎn)硬度，見(jiàn)圖6。可以看出，材料硬度沿著熔積方向逐漸增大，呈現(xiàn)非線性梯度。Cu基體、過(guò)渡層、表層D450和表層D600的硬度(HV)分別約為46、200、400和480，表層的硬度較Cu基體有較大提高，而且硬度分布均勻。

3.5風(fēng)口強(qiáng)化層耐磨性

 采用MG-2000B型高速高溫磨損摩擦試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了磨損試驗(yàn)，模擬風(fēng)口磨損的條件。試驗(yàn)分3組進(jìn)行，在常溫條件下分別對(duì)D450、D600、Cu試樣進(jìn)行磨損試驗(yàn)。摩擦副為H13鋼，采用杠桿加載，每隔一段時(shí)間稱(chēng)量試樣的質(zhì)量，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)磨損量對(duì)比3種材料耐磨性能的優(yōu)劣。采用載荷為420 N，轉(zhuǎn)速為300 r／min，每組磨10 min后稱(chēng)量，連續(xù)測(cè)10組數(shù)據(jù)，

 可以看出，在常溫下，試樣連續(xù)磨損10 min，D600的平均磨損量為13.6 mg，D450的平均磨損量為40.4mg，Cu的平均磨損量為232.7 mg。D600合金的耐磨性是Cu的17倍，D450耐磨性是Cu的5.8倍。這是因?yàn)樵贒600中WC含量約為40%，WC為硬質(zhì)相，具有良好的耐磨性能；而D450中的Cr含量較高，在高溫作用下會(huì)形成Cr的氧化物和碳化物，硬度較高，因而耐磨性也較高。

3.6風(fēng)口強(qiáng)化層抗熱震性能

 高爐風(fēng)口小套環(huán)境溫度高達(dá)2 000℃，實(shí)際應(yīng)用于高爐風(fēng)口的熱障涂層，涂層要滿(mǎn)足使用及壽命的要求，其熱震次數(shù)必須超過(guò)7次以上。

 強(qiáng)化試樣尺寸為30 mm×20 mm×10 mm，放人馬弗爐內(nèi)升溫至800℃，升溫速度約為300℃/h，保溫5min，再將試樣取出進(jìn)行水冷，之后一直重復(fù)該過(guò)程，觀察試樣表層開(kāi)裂和損壞情況并做記錄，再用金相顯微鏡觀察試樣有無(wú)出現(xiàn)裂紋、結(jié)合處脫落等現(xiàn)象。

 3種材料熱震前后的組織形貌見(jiàn)圖8。可以看出，  等離子噴涂試樣的抗熱震性能最差，D600熔覆試樣次之，D450熔覆試樣最好，其抗熱震性能達(dá)到風(fēng)口的使用要求。

  3.7堆焊復(fù)層材料的導(dǎo)熱性能  

 過(guò)渡層堆焊材料鎳鉻合金的導(dǎo)熱系數(shù)為85～95W／(m．K)，過(guò)渡層平均厚度為2．0 mm;強(qiáng)化層材料D450與D600的主要成分為Fe，導(dǎo)熱系數(shù)可參考碳鋼：48～51 W／(m．K)，強(qiáng)化層的平均厚度為2.3 mm。由多層復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算公式：H/ K=h1／k1 +h2/k2，其中，h1、h2分別為過(guò)渡層和強(qiáng)化層厚度；k1、k2分別為鎳鉻合金和D450或D600的導(dǎo)熱系數(shù)，可得堆焊復(fù)層導(dǎo)熱系數(shù)K=63 W／(m. K)。

 復(fù)層材料的厚度為4.3 mm，導(dǎo)熱系數(shù)K=63 W/ (m．K)，而貫流式風(fēng)口的平均壁厚達(dá)85 mm，紫銅的導(dǎo)熱性為377 W／(m．K)，復(fù)層材料對(duì)風(fēng)口結(jié)構(gòu)整體的導(dǎo)熱性能影響不明顯。

 4  風(fēng)口實(shí)體堆焊試驗(yàn)

 4.1試驗(yàn)準(zhǔn)備

 風(fēng)口小套的內(nèi)壁是錐度約為1: 11的錐孔，需要強(qiáng)化的部分深度約為200 mm，厚度為2～3 mm，見(jiàn)圖9。焊接采用表1和表2的參數(shù)并采用由里向外的順序。

 采用自行開(kāi)發(fā)的切片軟件進(jìn)行焊接軌跡的優(yōu)化，自動(dòng)生成機(jī)器人控制代碼，以精確控制焊槍行走速度等關(guān)鍵參數(shù)，提高焊接質(zhì)量。

4.2風(fēng)口小套實(shí)體堆焊

 焊接前，將裝夾好的風(fēng)口內(nèi)壁的氧化皮等污垢清除干凈，用中頻感應(yīng)加熱器預(yù)熱到600℃左右，再進(jìn)行恒功率保溫。用機(jī)器人對(duì)內(nèi)壁需要強(qiáng)化的區(qū)域進(jìn)行焊接，首先進(jìn)行過(guò)渡層JSTNi6382的焊接，導(dǎo)人控制代碼按順序遂道焊接。焊接過(guò)程中要時(shí)刻監(jiān)控溫度變化，保證施焊溫度在600℃左右。完成過(guò)渡層焊接后，適度加工后使其厚度約為1 mm。接著按表2的條件在過(guò)渡層上進(jìn)行表層D450的焊接，與過(guò)渡層相同順序進(jìn)行焊接且無(wú)預(yù)熱，嚴(yán)格控制焊接質(zhì)量，防止氣孔、未熔合等缺陷出現(xiàn)，保持焊接表面均勻、平整。完成表層焊接后需緩

冷，防止產(chǎn)生裂紋。

5  結(jié)  論

 (1)采用堆焊工藝，焊層之間以及與銅基體間為冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度遠(yuǎn)大于等離子噴涂工藝的，且厚度也大于等離子噴涂工藝的。

 (2)風(fēng)口強(qiáng)化層硬度測(cè)量結(jié)果顯示過(guò)渡層JST-Ni6382、表層D450、表層D600的硬度(HV)分別約為200、400、480。

 (3)風(fēng)口強(qiáng)化層耐磨性試驗(yàn)得出表層材料D450的耐磨性是銅的5.8倍；抗熱震性能試驗(yàn)中D450試樣熱循環(huán)次數(shù)為10次后未出現(xiàn)宏觀裂紋，采用熔覆工藝的抗熱震性能遠(yuǎn)優(yōu)于等離子噴涂工藝的。

 (4)過(guò)渡層JSTNi6382+表層D450材料組合的硬度、耐磨性和抗熱震性能的綜合性能最好，故可用該材料組合進(jìn)行風(fēng)口小套內(nèi)壁強(qiáng)化。