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高能PTA系统设计及风口应用研究

作　者: 李振东
导　师: 王伟平；汪瑞军
学　校: 中国农业机械化科学研究院
专　业: 机械设计及理论
关键词: 等离子喷焊系统高炉风口 Ni25自熔合金正交优化设计 Ni基耐磨堆焊层
分类号: TF321
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

高炉风口是冶炼高炉的关键部件,服役工况恶劣,其前端受到1500℃的液态渣铁以及高速循环运动的炽热物料的冲刷并受到强烈的氧化而导致风口失效。据统计国内高炉风口的平均寿命只有150天,因此,改善风口表面的耐磨性能,提高风口的使用寿命可以有效保障高炉的正常运行,具有巨大的经济效益和工程应用价值。由于高炉风口处在高温炉缸内,需要风口材料具有良好的导热性能。在常用金属中铜的导热能力最好,常温下紫铜的热导率是碳钢的9倍,因此,高炉风口的材质选用紫铜材质是其他常用金属无法代替的。但是,紫铜不耐磨制约了风口的使用寿命,影响了冶炼质量增加了冶炼的成本,而通过铜基体表面堆焊耐磨材料能够解决紫铜基体不耐磨的问题,同时不影响其导热能力。紫铜的高热导率,致使要把紫铜焊件局部加热到熔化温度是困难的。由于紫铜中杂质的存在,容易在焊接过程中形成低熔点的共晶物,在焊接应力的作用下形成裂纹。而等离子喷焊技术(Plasma Transferred Arc)技术能够有效的解决上述缺陷。本课题针对工程应用中常见的风口磨损失效,采用PTA工艺对高炉风口表面进行强化,以提高其耐磨损性能,延长其服役寿命。通过对市售的等离子喷焊设备进行改进,增大焊接功率,使转移弧最大电流达500A；采用先进的PLC控制系统和触摸屏人机界面作为操作界面,有效提高了整个喷焊过程的可靠性、稳定性和精确性。采用正交试验方法优化了Cu基体表面等离子喷焊Ni基耐磨层的工艺参数。以耐磨层的结合和成形质量为评价标准,得出了主要影响因素有预热温度、转移弧电流、送粉量和喷焊速度。试验并确定了最佳的预热温度为500～600℃,通过正交试验优化后的喷焊工艺参数为转移弧电流200A,喷焊速度64.6mm/min,送粉量58.4g/min。采用优化后的喷焊工艺参数,在Cu基表面制备Ni基耐磨堆焊层,喷焊层稀释率小于6%,表面成形良好、无气孔、裂纹等缺陷,显微组织以枝状晶为主,硬质相由γ相固溶体、Cr23C6、Ni3Fe、Cr7C3和少量的硼化物相组成,弥散分布于基体上。其平均显微硬度达到了365HV,较铜基体的平均显微硬度(46.4HV)提高了近7倍。采用高温磨损试验测试,喷焊层的磨损失重为0.0753g,耐磨性能较铜基体提高了近3倍。优化喷焊工艺参数：预热温度为500～600℃,转移弧电流500A,送粉量79.7g/min,转台转速1.3转/min,并在高炉风口上成功制备了Ni基耐磨堆焊层,为等离子喷焊技术在高炉风口上的工程化应用奠定了基础。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-13
第一章绪论  13-29
  1.1 引言  13-14
  1.2 表面工程技术在冶金行业的应用  14-19
    1.2.1 激光表面技术  14-15
    1.2.2 热喷涂技术  15-16
    1.2.3 堆焊技术  16-19
  1.3 等离子喷焊技术的发展及现状  19-28
    1.3.1 等离子喷焊技术的基本原理  19-20
    1.3.2 等离子喷焊技术国内外发展  20-21
    1.3.3 等离子喷焊基本设备构成及发展  21-24
    1.3.4 等离子喷焊材料  24-26
    1.3.5 等离子喷焊工艺技术  26-28
    1.3.6 等离子喷焊技术在冶金行业的应用价值  28
  1.4 本文研究目的、内容及任务  28-29
第二章等离子喷焊设备的改进  29-46
  2.1 前言  29-30
    2.1.1 等离子喷焊设备的基本组成  30
  2.2 等离子喷焊设备的改进  30-31
  2.3 喷焊电源的改进  31-32
    2.3.1 200A和500A电源  31-32
  2.4 控制系统的改进  32-41
    2.4.1 控制系统结构设计  32-37
    2.4.2 主控电路I/O设计  37-38
    2.4.3 软件设计  38
    2.4.4 人机交互界面设计  38-40
    2.4.5 报警系统设计  40-41
  2.5 冷却系统的改进  41
    2.5.1 内部/外部水冷系统  41
  2.6 喷焊枪外喷嘴的改进  41
  2.7 工装系统的改进  41-45
  2.8 设备改进的喷焊铜板试验效果对比  45-46
第三章 Cu基体表面PTA耐磨层的制备工艺及优化  46-59
  3.1 引言  46
  3.2 试验材料  46-47
    3.2.1 基体材料  46
    3.2.2 喷焊材料  46-47
  3.3 试验方法  47-48
  3.4 等离子喷焊工艺  48-50
    3.4.1 喷焊工艺参数  48
    3.4.2 喷焊工艺过程  48-49
    3.4.3 喷焊工艺指标  49-50
  3.5 铜基体预热温度  50-51
  3.6 等离子喷焊工艺的正交设计  51-58
    3.6.1 正交设计方法  51
    3.6.2 试验因素  51-52
    3.6.3 试验结果  52-53
    3.6.4 试验结果极差分析  53-54
    3.6.5 各主要因素的参数优化  54-57
    3.6.6 最优参数组合选择  57-58
  3.7 本章小结  58-59
第四章 Cu基体表面Ni基耐磨层的组织与性能  59-65
  4.1 引言  59
  4.2 试样测试  59-60
    4.2.1 微观组织表征  59
    4.2.2 硬度测试  59
    4.2.3 耐磨性能  59-60
  4.3 试验结果分析  60-64
    4.3.1 宏观形貌  60
    4.3.2 耐磨层过渡区域的合金化分析  60-61
    4.3.3 耐磨层的微观组织与相结构  61-63
    4.3.4 耐磨层的显微硬度  63-64
    4.3.5 耐磨层的高温耐磨性能  64
  4.4 本章小结  64-65
第五章等离子喷焊技术在高炉风口上的应用研究  65-72
  5.1 引言  65
  5.2 喷焊耐磨层厚度计算  65-67
  5.3 风口工装设计  67-68
  5.4 风口预热  68-69
  5.5 等离子喷焊工艺参数优化  69-70
    5.5.1 试验因素  69
    5.5.2 喷焊工艺指标  69
    5.5.3 试验结果  69-70
  5.6 喷焊结果及质量检测  70-71
  5.7 本章小结  71-72
结论  72-73
参考文献  73-76
附录  76-83
致谢  83-84
个人简历、在学期间发表的学术论文和研究成果  84

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