高炉冷却壁防渗碳涂料研制

　　高炉冷却壁防渗碳涂料研制胡恒法（上海梅山冶金公司钢铁研究所，江苏南京210039）主商要：在铸造高炉冷却壁时，先将笔者研制的一种防碳涂料涂覆于高炉冷却壁内铸钢管表面上，浇注结果表明，该涂料防碳性能优异，管壁结合良好，材料成本仅为202涂料的1/4.高炉冷却壁壁体内要埋放蛇形无缝钢管，管内通入冷却水，以冷却高炉的壁体和外壳。冷却壁内铸钢管在铸造时受高温铁水作用，钢管表面容易渗碳而变脆，影响冷却壁的使用寿命。因此，国内各大钢铁公司和生产冷却壁的厂家对冷却水管渗碳问题都极为重视，用各种方法防止钢管渗碳引起的脆性1‘2 3〕**代防渗碳涂料是梅山公司过去使用的铝粉涂料，其导热性好，但防渗碳效果很差，经取样进行化学成分分析和金相分析，钢管表面含碳量高达0.8%以上，表层组织为珠光体加渗碳体。第二代防渗碳涂料以202涂料为代表，首先在首都钢铁公司得到使用。梅山公司曾用202涂料进行试验，防渗碳效果明显优于铝粉涂料，试样基本上没有渗碳现象。但是由于202涂料原是一种用于热处理中的抗氧化、防渗碳涂料，存在涂层剥落等现象，对冷却壁的导热性不利。同时，其价格太高，不利于推广使用。此外，首都钢铁公司和钢铁研究院合作，研制了冷却壁内铸钢管的喷涂工艺，其优点是防渗碳效果好（不渗碳、不碳），同时不影响导热性。缺点是成本太高，工件为蛇形管状，无法采用自动喷涂工艺，因此采用手工操作。在喷涂工件前，工件先要喷砂处理，去除氧化皮，用铝（铬）丝作喷涂材料，用电弧喷枪手工操作，劳动强度特别大，对人体损害和环境污染严重，大规模批量生产困难，工作效率低，不利于推广使用。

　　笔者通过对高炉冷却壁的实际使用情况及实物解剖情况进行试验分析，认为采用防渗碳涂料是一种比较有效的方法。我们对涂料配方和工艺进行了大量研究，对模拟冷却壁管子进行逐层化学成分分析，金相、力学性能试验和工业性试验，*终确定了*佳防渗碳工艺。

　　1研制过程和方法选用数种耐火材料为骨料，配以不同的粘结剂制成适宜的涂料。试样表面涂覆不同配方涂料后进行渗（1）四缸缸体缸孔壁厚受水套砂芯的尺寸精度、的缸孔中心与毛坯的缸孔中心不一致而造成y轴方向缸孔壁厚不均匀问题。

　　通过采取以上措施，达到在x轴方向上缸体壁厚差小于0.8mm，在轴方向上壁厚差控制在1mm以内，四缸缸体缸孔壁厚的均匀性得到极大提高。

　　铁水收缩率及铸件加工定位点等因素影响。

　　铁水在凝固过程中的线性收缩受砂芯影响，存在受阻收缩。

　　制定工艺缩尺时应考虑到砂芯的变化和受阻收缩，应以实际铸件尺寸修正工艺缩尺。

　　距表层距离碳试验，用金相显微镜观察试样渗碳情况。选择防渗碳方案后，用中频炉熔炼的铁水浇注模拟试样，对模拟冷却壁管子进行逐层化学成分分析，并进行金相和力学性能试验，选择合适的配方。浇注实物工件，进行解剖分析，确定*佳工艺。

　　2研制结果及分析研制防渗碳涂料时，要求涂料涂挂性好，涂层均匀、强度较高，防渗碳效果好，价格低。选择了锆英粉、三氧化二铬、铬铁矿粉、铝钒土、氧化铝为不同的耐火骨料，以水、糖浆、醇基、磷酸盐和无机硅酸盐为粘结剂，选择不同配方的涂料涂刷在20钢的表面并烘干。试验时发现，以水为粘结剂涂料涂挂性和干强度都很差，性能达不到要求；糖浆粘结剂涂挂性很好，但烘干温度大于250C后，糖浆因碳化而失去粘性。由于工件浇注前，要随砂型放在烘型炉里烘干，温度超过400因此，糖浆涂料也不适用；醇基、磷酸盐和无机硅酸盐为粘结剂的涂料涂挂性和干强度都很好，醇基、磷酸盐粘结剂价格太高，超过50元/kg无法投入工业应用。为此，笔者调整了硅酸盐粘结剂中二氧化硅的含量，再加少量添加剂，来提高涂层性能和耐火度，解决了普通无机硅酸盐粘结剂工艺性较差的技术难题。热处理工艺试验结果如表1所示。结果显示，3、4、5号涂料具有优异的防渗碳性能，202涂料防渗碳性能也相当好。这是因为它们能在试样的表面形成一厚度为0.02mm~0.03mm的致密层，阻碍了碳的扩散。其他刷涂料试样表面存在微小间隙，在高温下，活泼的碳原子通过微小的间隙从试样表面向心部扩散。未涂涂料时，碳原子更容易通过试样表面向心部扩散，渗碳现象是*严重的。

　　由于3号涂料，涂挂性好，干强度高，价格远低于5号涂料，因此选用3号、4号涂料配方。同时，笔者在1200C下进行渗碳试验，对涂料配方进行优化和完善，*终选定涂料的配方和工艺。

　　表1热处理工艺试验结果试样编号涂料骨料组成热处理工艺渗碳层厚度/mm表层组织F+P少量S七K F+P少量202涂料F+P少量未涂L一铝研土，Y?氧化铝，K一锆英粉，G?铬铁矿粉，T一碳化硅，S?三氧化二铬，P?珠光体，F?铁素体Cem?渗碳体在浇注冷却壁的过程中，管子一方面接受高温铁水中碳的扩散，同时还受到高温铁水的冲刷作用。热需浇注模拟试块。为了较好地模拟实际工件的冷却条件，笔者选用保温材料制作内径400mm，高500mm的型腔，钢管表面车光，上面分别涂不同的涂料并烘干，把管子放置在保温套内，用电炉化铁浇注试样。

　　试样重量480kg，浇注温度控制在1240~1300C之间。第二天开箱时，温度仍超过600Q较好地模拟了工件的冷却情况。试样加工后取出管子，进行逐层化学分析、金相分析和力学性能试验。化学分析试样从钢管外表向里逐层车削取样，每层厚度为0.25mm；力学性能试样按GB6397 86的规定，采用短标距试样，每根管子取3个试样，测定的抗拉强度和伸长率取平均值，试验结果见表2、表3.表2试验室阶段含碳量分析结果未涂试验，202涂料，新涂料一1新涂料一1新涂料一2表3力学性能测试结果试样编号初始状态浇注温度/C抗拉强度/MPa伸长率未涂202涂料新涂料一1新涂料一2原管化学分析和金相检验的结果表明，管子不刷涂料时，渗碳*严重，表层为全珠光体。刷涂料后试样表层渗碳轻微，表层和心部组织接近，以铁素体为主，加少量珠光体。力学性能试验结果显示，原管的抗拉强度和伸长率*高，力学性能*好。浇注后，未涂涂料试样抗拉强度下降不多，伸长率急剧降低，这是表面渗碳后，材料韧性下降，断口呈明显的脆性断裂。

　　涂后试样只有少量的珠光体力学性能也有所下降，但明显优于未涂涂料试样，断口呈韧性断裂形貌。化学分析、金相分析、力学性能试验完成时还发现，管子渗碳情况比预计的要严重，虽然铁水中含碳量只有4%远低于渗碳剂中的含碳量，但浇注后的渗碳现象比热处理时还要明显。特别是当浇注温度过高后，碳现象明显，其金相组织粗化，管子有局部熔融现处理只能显示静态条件下涂料的防渗碳能力因此象生能化ed经分析aM主要有两个原因，一是浇注时高温铁水对涂料的冲刷侵蚀作用，造成涂料防渗碳能力的下降，二是浇注温度高于热处理温度，而扩散系数与温度呈指数关系：气体常数A方程式参数T绝对温度Q扩散激活能温度越高，扩散系数越大，碳越容易向心部扩散，渗碳情况越严重，甚至会引起钢管熔化现象，因此一定要严格采取低温浇注工艺。笔者先后试制了数十种配方涂料，提高其高温强度，浇注了几十个试±，*终确定了涂料配方为新涂料一3.该涂料为铬矿涂料，其性能经测试，导热性能良好，熔点为1426液化流动温度大于1600满足了浇注工艺的要求，成本仅为202涂料的1/4.在梅山公司机修厂进行六段高炉冷却壁（重1700kg）的浇注工作，壁体内部埋放6根无缝钢管，由于202涂料与钢管的结合情况不够理想，其防渗碳性能也低于笔者研制的涂料。因此我们分别用铝粉涂料、新涂料一3及不刷涂料的管子一起进行对比浇注试验工作。并对实物解剖分析。管子用刨床加工取出时发现管壁结合紧密，没有明显的间隙，情况良好。

　　试样浇注后，化学分析样从钢管外表向里逐层车削取样，每层厚度为0.5mm，每层含碳量见表4.表4工业试验阶段含碳量分析结果距表层距离/mm未涂涂料铝粉涂料新涂料一3从冷却壁水管上取未涂涂料、铝粉涂料和新涂料一3试样以及原管试样，经镶嵌制备后在金相显微镜下观察，原管试样组织为铁素体加少量珠光体（见）。新涂料一3试样防渗碳效果很好，基本不渗碳（见），表层组织以铁素体为主，加少量珠光体。

　　铝粉涂料和未涂试样渗碳情况相当严重，表层组织均为珠光体加自由渗碳体渗碳层深度达1.5mm以上（见）。力学性能试验每根管子取3个试样，测定抗拉强度和伸长率，试验结果见表5.表5力学性能试验结果试样浇注温度/°c抗拉强度/MPa伸长率未涂涂料铝粉涂料新涂料一3未涂涂料试样表层组织50X长率差别显著，未涂试样和铝粉涂料试样伸长率显著降低，这是因为表层渗碳后，断口呈明显的脆性断裂1结果显示a浇注后adg子抗拉强度变化不大uMShing状kn/所以材料的韧性下降新涂料3wl子的伸长率*高，力学性能*好，断口表现为明显韧性断口。

　　化学分析、金相分析、力学性能测试结果表明，铬矿涂料具有优异的防渗碳能力，能保证管子有足够的伸长率，对提高冷却壁的使用寿命具有重要意义。

　　涂料防渗碳机理是涂料中的组元能在钢管的表面形成致密的烧结层（涂料的固相烧结层厚度小于0.1mm），在高温铁水冷却和凝固过程中隔断或阻碍碳的扩散通道，使碳原子不能或减少向钢管表层的扩散。该涂料导热性能优于202涂料，管壁结合良好，不会对高炉冷却壁导热性及使用性能产生不利影响。

　　3结论在浇注冷却壁时，水管表面可以涂刷防渗碳涂料，来防止管子因渗碳而变脆、开裂，降低其使用寿命等问题发生。

　　3干强度大、熔点高、防渗碳效果优异是一种理想的高炉冷却壁防渗碳涂料。

　　致谢：参加本课题工作的还有刘欢、万兰凤、黄湘等，梅山公司大修办、机修厂及有关单位领导给予了很大支持，谨表感谢。

(完)