專利名稱：使用火焰噴涂提高石墨電極抗氧化性能的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于冶金技術(shù)及表面工程技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種冶金用電弧爐石墨電極的表面抗氧化保護技術(shù)。
背景技術(shù)：
石墨電極是電弧爐不可缺少的導(dǎo)電消耗品，在電爐冶煉技術(shù)中具有重要作用。冶金企業(yè)使用的石墨電極具有高溫性能良好、熱膨脹系數(shù)低、重量輕、易加工等特點。但是在鋼鐵冶煉的高溫和吹氧環(huán)境中，石墨電極易與氧發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生消耗。石墨電極的消耗所帶來的成本占鋼鐵冶煉總成本的1/3左右，而其主要消耗機制即為氧化。因此提高石墨電極抗氧化性能對于鋼鐵冶煉行業(yè)的成本控制至關(guān)重要。目前，工業(yè)上普遍采用的石墨電極抗氧化技術(shù)包括兩類主要技術(shù)方法一是涂料法，二是浸漬法。中國專利 200510047757. 7即公開了一種用于減少石墨電極消耗的保護涂料及制作方法，以特別設(shè)計的保護涂料涂覆于石墨電極表面，干燥后使用。盡管涂料的熱膨脹系數(shù)與石墨電極接近，但是由于氧化物保護涂層與石墨電極結(jié)合力有限，且本身的裂紋擴展不可避免，長期使用仍將帶來涂層的剝落。而中國專利200410010023. 7為代表的石墨電極抗氧化方法則是石墨電極浸漬處理法，該方法將石墨電極高壓浸漬于氧化物鹽溶液或者樹脂類溶液中，實現(xiàn)對表面和微孔的有效保護。利用該方法可以實現(xiàn)石墨電極在較低溫度區(qū)間的抗氧化保護，但是在高溫區(qū)間，特別是在750°C以上乃至1500°C以上的工作溫度區(qū)間，浸漬液的分解會導(dǎo)致其保護效果會隨著溫度上升顯著下降?；鹧鏌釃娡渴且环N表面強化技術(shù)，它利用燃燒火焰將粉末狀、顆粒狀、絲狀或棒狀的金屬或非金屬材料加熱到熔融狀態(tài)，然后借助焰流本身或壓縮空氣以一定速度噴射到預(yù)處理過的基體表面，沉積而形成表面涂層的一種技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所解決的技術(shù)問題在于提供一種提高石墨電極抗氧化性能的方法，它利用火焰噴涂的技術(shù)在石墨電極表面熱噴涂三層復(fù)合涂層，以達到石墨電極在高溫工作環(huán)境中抗氧化的目的。實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為利用火焰噴涂技術(shù)，以火焰為熱源，將噴涂材料加熱到熔融狀態(tài)，在高速氣流的推動下形成霧流，噴射到石墨電極表面上，形成總厚度 1 5mm的三層復(fù)合涂層。最內(nèi)層涂層1含有95.0 99. 9at. % (原子比)的硅，其余含有 0. 1 5. Oat. %的鉬、鎢，厚度為0. 25 2mm。中間層涂層2含有95. 0 99. 9at. %的硼酸鋁，其余含有0. 1 5. Oat. %三氧化二鉻，厚度為0. 15 1mm。最外層涂層3含有99. 0 99. 9at. %的鋁，其余含有0. 1 1. Oat. %的鎂，厚度為0. 6 2_。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)點顯著首先使用火焰噴涂的方法對石墨電極的表面進行處理，使得涂層與基體之間結(jié)合強度更高；當(dāng)石墨電極在高溫使用時，以硅為主要成分的最內(nèi)層涂層1，與石墨電極基體互相滲透結(jié)合，可形成耐高溫抗氧化的碳化硅，增強高溫區(qū)間內(nèi)涂層與基體之間結(jié)合強度，從而解決了由于熱膨脹系數(shù)的不同造成的涂層脫落現(xiàn)象；以耐火材料硼酸鋁為主要成分的中間層涂層2，能夠降低石墨基體溫度，減少石墨基體所受熱沖擊，延長石墨電極的使用壽命；以金屬鋁為主要成分的最外層涂層3，在高溫氧氣氛作用下能夠發(fā)生表面鈍化，形成致密的保護層，進一步減少使用電弧爐冶煉鋼工藝中吹氧步驟對石墨電極的消耗，同時在高溫下，最外層涂層材料的融化或軟化，可以抵消由于熱膨脹系數(shù)的差異引起的熱應(yīng)變，阻止了裂紋處可能的進一步氧化；而且隨著石墨電極工作溫度的升高，最內(nèi)層涂層1的擴散反應(yīng)以及最外層涂層3的融化和鈍化，能夠進一步閉合噴涂時形成的氣孔，實現(xiàn)保護效果的進一步提升。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述。


附圖是石墨電極表面保護層結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式結(jié)合附圖，本發(fā)明使用火焰噴涂提高石墨電極抗氧化性能的方法，包括以下步驟步驟1、石墨電極4表面預(yù)處理，包括表面磨光和清潔。步驟2、使用氧炔焰的火焰噴槍對石墨電極4進行表面噴涂，將粉末、顆粒、絲狀或棒狀的涂層材料加熱到熔融狀態(tài)后噴向石墨電極基體表面，形成最內(nèi)層涂層1，其中涂層材料成分為95. 0 99. 9at. %的硅，其余含有0. 1 5. Oat. %的鉬、鎢，厚度為0. 25 2mm。步驟3、使用氧炔焰的火焰噴槍將粉末、顆粒、絲狀或棒狀的涂層材料加熱到熔融狀態(tài)后噴涂至最內(nèi)層涂層1表面，形成中間層涂層2，其中涂層材料成分為95. 0 99. 9at. %的硼酸鋁，其余含有0. 1 5. Oat. %三氧化二鉻，厚度為0. 15 1mm。步驟4、使用氧炔焰的火焰噴槍將粉末、顆粒、絲狀或棒狀的涂層材料加熱到熔融狀態(tài)后噴涂至中間層涂層2的表面，形成最外層涂層3，其中涂層材料成分為99. 0 99. 9at. %的鋁，其余含有0. 1 1. Oat. %的鎂，厚度為0. 6 2_。下面結(jié)合實施例對本發(fā)明做進一步詳細的描述實施例1選擇直徑450mm、長2000mm的高功率石墨電極為基體，對石墨電極按以下工藝進行處理步驟1、石墨電極表面預(yù)處理清潔石墨電極的表面并磨光，再用壓縮空氣吹走殘渣。步驟2、使用氧炔焰的火焰噴槍對石墨電極進行表面噴涂，將顆粒狀的涂層材料加熱到熔融狀態(tài)后噴向石墨電極基體表面，形成最內(nèi)層涂層，其中涂層材料成分為98. 5at. % 的硅，同時含有1. Oat. %的鉬、0. 5at. %的鎢，控制噴涂時間使該層厚度為0. 25mm。步驟3、使用氧炔焰的火焰噴槍將中間層粉末狀的涂層材料加熱至熔融狀態(tài)，噴涂至石墨電極表面，涂層材料成分為95. Oat. %的硼酸鋁，同時含有5. Oat. %的三氧化二鉻， 厚度為0. 15mm。步驟4、使用氧炔焰的火焰噴槍將最外層棒狀的涂層材料加熱至熔融狀態(tài)，噴涂至石墨電極表面，涂層材料成分為99. Oat. %的鋁、1. Oat. %的鎂，厚度為0. 6mm。經(jīng)過該工藝處理過的石墨電極與未處理過的石墨電極相比，在750°C至1500°C 的工作溫度范圍內(nèi)，抗氧化性能有了顯著提高，體現(xiàn)為噸鋼電極消耗量由1.5kg下降至 1. 2:3kg，降低 18%。實施例2選擇直徑350mm、長1800mm的普通功率石墨電極為基體，對石墨電極按以下工藝進行處理步驟1、石墨電極表面預(yù)處理清潔石墨電極的表面并磨光，再用壓縮空氣吹走殘渣。步驟2、使用氧炔焰的火焰噴槍對石墨電極進行表面噴涂，將顆粒狀的涂層材料加熱到熔融狀態(tài)后噴向石墨電極基體表面，形成最內(nèi)層涂層，其中涂層材料成分為95. Oat. % 的硅，同時含有3. 5at. %的鉬、1. 5at. %的鈣，控制噴涂時間使該層厚為1mm。步驟3、使用氧炔焰的火焰噴槍將中間層粉末狀的涂層材料加熱至熔融狀態(tài)，噴涂至石墨電極表面，涂層材料成分為97. 5at. %的硼酸鋁，同時含有2. 5at. %的三氧化二鉻， 控制噴涂時間使該層厚度為0. 5mm。步驟4、使用氧炔焰的火焰噴槍將最外層棒狀的涂層材料加熱至熔融狀態(tài)，噴涂至石墨電極表面，涂層材料成分為99. 5at. %的鋁、0. 5at. %的鎂，控制噴涂時間使該層厚度為 Imm0經(jīng)過該工藝處理過的石墨電極與未處理過的石墨電極、以及用浸漬法處理過的石墨電極相比，在750°C至1500°C的工作溫度范圍內(nèi)，抗氧化性能有了顯著提高，體現(xiàn)為噸鋼電極消耗量由未處理過的石墨電極的1. Ag、浸漬石墨電極的1. 45kg,降低至1. 29kg,噸鋼電極消耗量在未處理過的石墨電極的基礎(chǔ)上降低了對％。實施例3選擇直徑600mm、長MOOmm的超高功率石墨電極為基體，對石墨電極按以下工藝進行處理步驟1、石墨電極表面預(yù)處理清潔石墨電極的表面并磨光，再用壓縮空氣吹走殘渣。步驟2、使用氧炔焰的火焰噴槍對石墨電極進行表面噴涂，將顆粒狀的涂層材料加熱到熔融狀態(tài)后噴向石墨電極基體表面，形成最內(nèi)層涂層，其中涂層材料成分為99. 9at. % 的硅，同時含有0. Iat. %的鉬，控制噴涂時間使該層厚為2mm。步驟3、使用氧炔焰的火焰噴槍將中間層粉末狀的涂層材料加熱至熔融狀態(tài)，噴涂至石墨電極表面，涂層材料成分為99. 9at. %的硼酸鋁，含有0. Iat. %的三氧化二鉻，控制噴涂時間使該層厚度為1mm。步驟4、使用氧炔焰的火焰噴槍將最外層棒狀的涂層材料加熱至熔融狀態(tài)，噴涂至石墨電極表面，涂層材料成分為99. 9at. %的鋁，0. Iat. %的鎂，控制噴涂時間使該層厚度為 2mm。經(jīng)過該工藝處理過的石墨電極與未處理過的石墨電極、浸漬法處理過的石墨電極、以及涂料法處理過的石墨電極相比，在750°C至1500°C的工作溫度范圍內(nèi)，抗氧化性能有了顯著提高，體現(xiàn)為噸鋼電極消耗量由未處理過的石墨電極的l.^kg、浸漬石墨電極的1. 27kg、涂料法處理過的石墨電極1. 32kg，降低至1. 01kg，噸鋼電極消耗量在未處理過的石墨電極的基礎(chǔ)上降低了 30%。
權(quán)利要求
1.一種使用火焰噴涂提高石墨電極抗氧化性能的方法，其特征在于包括以下步驟 步驟1，石墨電極[4]表面預(yù)處理，包括表面磨光和清潔；步驟2，使用氧炔焰的火焰噴槍對石墨電極[4]進行表面噴涂，將粉末、顆粒、絲狀或棒狀的涂層材料加熱到熔融狀態(tài)后噴向石墨電極基體表面，形成最內(nèi)層涂層[1]；步驟3，使用氧炔焰的火焰噴槍將粉末、顆粒、絲狀或棒狀的涂層材料加熱到熔融狀態(tài)后噴涂至最內(nèi)層涂層[1]表面，形成中間層涂層[2]；步驟4，使用氧炔焰的火焰噴槍將粉末、顆粒、絲狀或棒狀的涂層材料加熱到熔融狀態(tài)后噴涂至中間層涂層[2]的表面，形成最外層涂層[3]。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用火焰噴涂提高石墨電極抗氧化性能的方法，其特征在于，步驟2中最內(nèi)層涂層[1]的涂層材料成分為95. 0 99. 9at. %的硅，其余含有0.1 5. Oat. %的鉬、鎢。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用火焰噴涂提高石墨電極抗氧化性能的方法，其特征在于，步驟2中形成的最內(nèi)層涂層[1]的厚度為0.25 2mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用火焰噴涂提高石墨電極抗氧化性能的方法，其特征在于，步驟3中中間層涂層[2]的涂層材料成分為95.0 99. 9at. %的硼酸鋁，其余含有0.1 5. Oat. %三氧化二鉻。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用火焰噴涂提高石墨電極抗氧化性能的方法，其特征在于，步驟3中得到的中間層涂層[2]的厚度為0.15 1mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用火焰噴涂提高石墨電極抗氧化性能的方法，其特征在于，步驟4中最外層涂層[3]的涂層材料成分為99. 0 99. 9at. %的鋁，其余含有0. 1 1.Oat. % 的鎂。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用火焰噴涂提高石墨電極抗氧化性能的方法，其特征在于，步驟4中得到的最外層涂層[3]的厚度為0.6 2mm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種使用火焰噴涂提高石墨電極抗氧化性能的方法，該方法利用火焰噴涂技術(shù)，在石墨電極的表面噴涂三層復(fù)合涂層，其主要成分從內(nèi)而外分別為硅、硼酸鋁和金屬鋁。在石墨電極的高溫使用環(huán)境下，內(nèi)層與石墨基體反應(yīng)緊密結(jié)合，中間層隔熱保護，最外層不僅表面鈍化，還熔融滲透至電極的孔隙，有效隔絕了石墨基體與氧的接觸，提升了涂層與基體的結(jié)合力。實踐表明，利用本方法對石墨電極進行表面處理能夠大幅提高電極的抗氧化性能，噸鋼電極消耗與未處理過的石墨電極相比降低18％以上。本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于鋼鐵冶金行業(yè)相關(guān)的石墨電極抗氧化技術(shù)領(lǐng)域。
文檔編號C04B41/90GK102173877SQ20111003196
公開日2011年9月7日 申請日期2011年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月28日
發(fā)明者劉明, 徐鋒, 楊曉智, 王海洋, 袁國亮 申請人:南京理工大學(xué), 南通揚子碳素股份有限公司