[发明专利]高温纳米防渗碳材料、涂层及其应用

说明书

技术领域

本发明披露了一种高温纳米防渗碳材料、涂层及其应用，属于耐高温材料技术领域。

背景技术

高炉铸铁冷却壁属于高炉炉体冷却设备，其构造为预埋低碳无缝钢管的铸铁件，它担负冷却炉体以保护炉壳及钢结构、支撑耐火材料以及维护合理炉形的重要任务。高炉铸铁冷却壁的冷却原理是炉内热量依次传给耐火材料衬里、冷却壁铸铁基体、无缝钢管壁，最终由钢管中的循环冷却水把热量带出炉外。由此可见，高炉铸铁冷却壁的主要任务是起冷却散热作用。

在铸铁冷却壁浇铸过程中，铸铁中的碳原子在高温下往往会通过扩散过程而进入冷却壁的冷却水钢管的管壁中，冷却水管一般是用低碳钢制作而成，当冷却水管渗碳后，珠光体含量增加，严重时会出现游离态碳化物，如图1所示，图1-a显示的为冷却壁冷却水管无渗碳的原始金相组织，图1-b是显示渗碳后的珠光体增加的金相照片。当冷却水管渗碳后，随着珠光体含量的逐步增加，韧性逐渐下降，导致冷却壁工作状态下抵抗热波动的能力变差，缩短其使用寿命。

目前，解决此设备问题主要有如下几个方面：

（a） 把低碳钢管干脆换成高档不锈钢材料；

（b）通过热喷涂在冷却壁水管上喷涂一层合金材料或氧化物；

（c） 涂刷一层涂料以防止渗碳。

在以上描述的三种解决方法中，当然（a）是最好的方法，也是最昂贵，其中（b）也是技术上可行的，但同样是造价昂贵,（c）的解决方法是最经济的，涂料需要满足如下条件：

涂料固化后，变成涂层要能与冷却壁冷却水管有较好的结合力；

涂层的表面同时还要能与铁水熔合浸润以能达到良好的导热效果；

涂层有较好的热导率；

涂层能有防渗碳效果。

目前市面上能见到的产品有KC-202涂料和锆英粉为基体材料的涂料等。在这些商业涂料中，以KC-202涂料的应用效果为最好且最广泛，其它的防渗碳效果都较差。目前世林公司所使用的比较成功的涂料也是KC-202涂料。此涂料最早的应用是以抗氧化防脱碳为主而开发的，后来延伸到防渗碳应用。如其成分的氧化锆、氧化铝等都是热导率很差的材料，影响了冷却壁的冷却性能。除热导率不能满足应用要求外，此涂料当转化成涂层后与基体的结合力也很差，经常导致涂料脱落的现象。涂层的表面与铁水接触的部分也存在着较差的浸润性，这样造成了此涂料产品的使用质量差，导致冷却壁的机械性能差及应用寿命短等问题。

在铸铁冷却壁铁水浇铸和铸铁冷却过程中，冷却壁铸铁基体与钢管由于热胀冷缩条件不同产生的间隙大于0.1mm，行业内称之为气隙。通过做冷却壁热态实验和传热学计算分析，0.1mm气隙产生的热阻大于1850mm厚的铸铁本体，因此，高炉内热量不能有效地通过冷却水传递出去，冷却壁热面长期工作在高温状态下，造成冷却壁机械性能大大下降，冷却壁铸铁基体破损，同时冷却水管在高温热交变应力作用下，开裂漏水，造成冷却壁设备失效，影响高炉24小时连续顺行生产。

另外，大型钢铁零件/锻模的锻造加热、热处理加热，因其加热周期长，会引起钢铁零件/锻模氧化脱碳现象，影响性能, 氧化脱碳严重时会产生报废。目前有条件的工厂采取的措施是可控气氛加热，但加热成本较高；有采用商业KC-202涂料的，但如上所述其成分的氧化锆、氧化铝等都是热导率很差的材料，影响加热传热效率。

基于上述现有防渗碳/防脱碳涂料产品的缺点，以及其他替代产品和工艺的价格昂贵成本高等问题，研究低成本新涂料及其应用的发明是很有必要的。

发明内容

本发明是一种高温纳米防渗碳材料、涂层及其应用，用来改善目前防渗碳技术的不足。为保护高炉铸铁冷却壁冷却水管不被渗碳、适应苛刻的工作环境、并增加其使用寿命，利用纳米技术研制成功了低成本的系列高温纳米防渗碳材料及其涂层，主要解决冷却壁冷却水管在冷却壁浇铸过程中所出现的渗碳、与铁水不浸润及产生气隙的主要问题。喷涂和/或刷涂高温纳米防渗碳涂料在钢管表面上固化后形成的涂层，在高温状况下，在钢管的表面形成致密的高效长寿防渗碳涂层。

本发明体现在四个方面，包括：纳米防渗碳涂料的材料配方、利用此配方制成浆料用喷涂或涂刷的方法形成纳米防渗碳涂层、涂层的成分和结构组织也可以是一种含有双层涂层的梯度涂层以及该发明防渗碳涂层在设备/冷却壁的应用。

本发明第一个体现是形成了新的涂料配方，配方包括如下几种必要的成分：

（a）浆料中的第一部分材料成分具有防渗碳功能；

（b）浆料中的第二部分材料成分具有高热导率功能；

（c）浆料中的辅助添加剂提供低温和高温粘结剂功能；