Mo liwo ci zwi kszenia odporno ci na cieranie wy o e ogniotrwa ych metod spawania ceramicznego

Transkrypt

1 MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 64, 1, (2012), Mo liwo ci zwi kszenia odporno ci na cieranie wy o e ogniotrwa ych metod spawania ceramicznego JERZY CZECHOWSKI Instytut Ceramiki i Materia ów Budowlanych Oddzia Materia ów Ogniotrwa ych w Gliwicach, ul. Toszecka 99, Gliwice j.czechowski@icimb.pl Streszczenie Spawanie ceramiczne jest technik stosowan do regeneracji cian baterii koksowniczych oraz napraw wanien szklarskich. Polega ono na natryskiwaniu mieszanki zawieraj cej ziarna ogniotrwa e i egzotermiczne dodatki na gor c powierzchni wy o enia ogniotrwa ego. Scharakteryzowano proces. Przedstawiono wyniki bada nad zastosowaniem metody spawania ceramicznego do nanoszenia warstw na ogniotrwa y beton niskocementowy w celu poprawy jego odporno ci na cieranie. Porównano w asno ci warstwy krzemionkowej i korundowo-baddeleitowej. Stwierdzono, e w celu poprawy odporno ci erozyjnej istotny jest zarówno sk ad napawanej warstwy jak równie jej rozszerzalno cieplna, która powinna by zbli ona do rozszerzalno ci cieplnej pod o a. Zastosowanie korundowo-baddeleitowej warstwy napawanej umo liwi o 3-krotne zwi kszenie odporno ci na cieranie w stosunku do badanego betonu. S owa kluczowe: odporno na cieranie, wy o enie ogniotrwa e, spawanie ceramiczne IMPROVEMENT POSSIBILITIES OF REFRACTORY LINING WEAR RESISTANCE BY CERAMIC WELDING The ceramic welding technique is applied for regeneration of coke battery walls and also for glass tanks repairing. It consists in spraying a mix, containing the refractory grains and exothermic additives, on a hot surface of refractory lining. The process was characterized in the paper. The results of investigations on application of the ceramic welding method for forming the layers on refractory cement castable to improve its wear resistance have been presented. The properties of silica and corundum zirconia layers were compared. It has been found that the composition and thermal expansion of the layer were important for improving the wear resistance. The latter feature should be similar to the thermal expansion of a material on which the layer is deposited. The corundum zirconia layer showed three times higher wear resistance than the castable one. Keywords: Wear resistance, Refractory lining, Ceramic welding 1. Wprowadzenie Materia y ogniotrwa e w przypadku szeregu zastosowa nara one s na oddzia ywania erozyjne. Istotnym zatem jest, aby w tych przypadkach charakteryzowa y si one obok odpowiednich w asno ci wysokotemperaturowych równie wysok odporno ci na cieranie. W ród sposobów wp ywania na wzrost odporno ci na cieranie materia ów ogniotrwa ych mo na wyró ni : wprowadzenie do tworzywa sk adników o wysokiej odporno ci na cieranie; ograniczenie porowato ci i zwi kszenie zawarto ci materia u poprzez dobór uziarnienia, warunków formowania i wypalania lub drog impregnacji; zastosowanie pow ok w postaci nanoszonych na powierzchni materia u wilgotnych lub suchych mieszanek ziarnistych, które po wypaleniu stanowi warstw o wi kszej odporno ci na cieranie w stosunku do materia u pod o a. Poni ej przedstawiono badania nad mo liwo ci zwi kszenia odporno ci materia ów ogniotrwa ych na erozj metoda spawania ceramicznego. Spawanie ceramiczne nale y do technik torkretowania p omieniowego, tj. regeneracji wy o e ogniotrwa ych, która polega na nanoszeniu na uszkodzone powierzchnie ziarnistej mieszanki ogniotrwa ej, niekiedy z palnymi dodatkami sta ymi, za pomoc strugi palnego gazu (tlenu) [1, 2]. W wyniku spalania zastosowanego paliwa lub reakcji egzotermicznej nast puje nadtopienie lub stopienie sk adników i ich zespolenie z regenerowan powierzchni wy o enia ceramicznego. W przypadku spawania ceramicznego wykorzystuje si efekt cieplny zwi zany z utlenianiem glinu, i/lub krzemu, wprowadzanego do mieszanki ziaren ogniotrwa ych transportowanej w strumieniu tlenu na gor c, regenerowan powierzchni, na której nast puje zap on [3]. Oddzia ywanie wysokiej temperatury na ziarna zmierzaj ce do powierzchni wy o enia jest bardzo krótkie i wynosi s, poniewa odleg o dyszy u ywanej w tym procesie od ciany wynosi cm, a ziarna poruszaj si z pr dko ci m/s. Reakcja egzotermiczna generuje temperatur przekraczaj c 2500 o C, tak e najdrobniejsze ziarna mieszanki ulegaj stopieniu, a wi ksze s jedynie nadtopione. W prowadzonych wcze niej badaniach nad opracowaniem mie- 84

2 MO LIWO CI ZWI KSZENIA ODPORNO CI NA CIERANIE WY O E OGNIOTRWA YCH METOD SPAWANIA CERAMICZNEGO Tabela 1. Sk ad wyj ciowy proszków i warunki spawania. Table 1. Compositions of starting powders and welding conditions. Materia Proszek krzemionkowy (C) Proszek korundowo-baddeleitowy (K) Kruszywo korundowo-baddeleitowe Kruszywo krzemionkowe Al py Si py Aktywator Temperatura [ C] Przebieg spawania Sk ad proszku do spawania [%] Warunki spawania 1250 prawid owy prawid owy (wi kszy odpad) szanek do regeneracji cian baterii koksowniczych wykazano mo liwo kszta towania w asno ci nanoszonej warstwy materia u poprzez odpowiedni dobór sk adu ziarnowego mieszanki oraz zmiany pr dko ci regulowanej rednic dyszy wylotowej [4]. Celem niniejszej pracy by o zbadanie wp ywu rodzaju kruszywa w mieszankach egzotermicznych u ytych do wykonania warstw metod spawania na odporno na cieranie betonu ogniotrwa ego. 2. Metodyka bada Przygotowano dwa rodzaje mieszanek do spawania ceramicznego: standardow krzemionkow o sk adzie zbli onym do sk adu mieszanek opracowanych do regeneracji cian baterii koksowniczych [3, 4] oraz korundowo-baddeleitow na bazie kruszywa topionego. Sk ad fazowy kruszywa korundowo-baddeleitowego zosta dobrany specjalnie do bada prezentowanych w niniejszym artykule i obejmowa on: korund, jednosko ny ZrO 2, lady mullitu i faz amor czn. Sk ady mieszanek do spawania ceramicznego zestawiono w Tabeli 1. W obydwu przypadkach uziarnienie mieszanek by o poni ej 1,5 mm. Z ogniotrwa ego betonu niskocementowego BN 145 (Tabela 2) wykonano bloczki o wymiarach 240 mm x 120 mm x 60 mm, które umieszczono w piecu gazowym w taki sposób, e stanowi y ciank przy tylniej cianie komory pieca na wprost drzwi. Bloczki ustawiano lu no bez zaprawy. Do nanoszenia warstw spawu na powierzchni betonowych bloczków wykorzystano urz dzenie opracowane w ramach wcze niejszych prac, stosowane do regeneracji komór baterii koksowniczych. Umo liwia ono natryskiwanie proszkowej mieszanki w strumieniu tlenu na gor c powierzchni, gdzie nast puje zap on mieszanki i zespolenie jej z materia em (Rys. 1). Przed przyst pieniem do procesu spawania, piec laboratoryjny ogrzano do 1300 o C i przetrzymywano w tej temperaturze przez 30 min., po czym otwarto jego komor. W czasie nanoszenia mieszanek mierzono temperatur w komorze pieca oraz wizualnie oceniano ich przyczepno. Po naniesieniu warstw o grubo ci ok. 5 mm, piec studzono w sposób niewymuszony przy zamkni tej komorze. Nast pnie demontowano ciank z bloczków betonowych, oceniano wizualnie powierzchni oraz, po przeci ciu, otrzymany przekrój. Przeprowadzono badania odporno ci na cieranie bloczków z napawanymi warstwami oraz, dla porównania, wypalonego w tych samych warunkach betonu bez warstwy spawu. Z napawanych warstw wyci to próbki, które u yto do oznaczenia g sto ci pozornej, porowato ci otwartej, nasi kliwo ci i rozszerzalno ci cieplnej. Wykonano równie badania mikrostruktury w wietle odbitym na zg adach z próbek obejmuj cych granic mi dzy warstw spawu i betonowym pod o em. Badania odporno ci na cieranie przeprowadzono zgodnie z norm ASTM C przy u yciu urz dzenia przedstawionego na Rys. 1. Warunki pomiaru by y nast puj ce: k t padania cierniwa: 90 ; rednica szklanej dyszy: 5 mm; d ugo dyszy: 115 mm; odleg o dyszy od powierzchni próbki: 203 mm; cierniwo: SiC 36 w ilo ci 1 kg; ci nienie spr onego powietrza: 0,45 MPa; podci nienie zasysania cierniwa: -0,5 bar. 3. Omówienie wyników Rys. 1. Stanowisko laboratoryjne do spawania ceramicznego. Fig. 1. A laboratory stand for ceramic welding. Powierzchnie napawanych warstw ró ni y si istotnie. W przypadku mieszanki krzemionkowej powierzchnia by a stosunkowo g adka, natomiast w przypadku mieszanki korundowo-baddeleitowej by a szorstka, gruze kowata (Rys. 2). Na przekroju poprzecznym przez bloczek z napawan warstw mo na stwierdzi bardzo dobre zespolenie z betonem warstwy korundowo-baddeleitowej (Rys. 3b), natomiast w przypadku spawu krzemionkowego uwidacznia si nieci g e p kni cie biegn ce w obr bie spawu przy grani- MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 64, 1, (2012) 85

3 J. CZECHOWSKI Tabela 2. Podstawowe w asno ci betonu i napawanych warstw. Table 2. Primary properties of refractory concrete and welded layers. W asno Beton BN 145* Spaw krzemionkowy (C) Spaw korundowo-baddeleitowy (K) G sto pozorna [g/cm 2 ] 2,12 2,05 2,63 Porowato otwarta [%] ,7 15,1 Nasi kliwo [%] n.o. 3,3 5,8 Rozszerzalno cieplna 800 C 1000 C 1200 C [%] *W asno ci betonu po jego wypaleniu w 1300 C. 0,57 0,75 0,9 0,27 0,27 0,34 0,54 0,75 0,93 Rys. 2. Powierzchnia kszta tek betonowych z naniesionymi warstwami spawu: S spaw krzemionkowy, K spaw korundowo-baddeleitowy. Fig. 2. A surface of refractory concrete blocks with welded layers: S silica weld, K corundum-zirconia weld. a) cy spaw-beton, równolegle do tej granicy, miejscami na samej granicy, przechodz ce uko nie w g b betonu (Rys. 3a). W Tabeli 2 zestawiono podstawowe w asno ci spawów i betonu. Ró nice g sto ci pozornych uwarunkowane by y g ównie ró nicami sk adu fazowego, najni sza charakteryzowa a spaw krzemionkowy, w którym dominowa y krystobalit, trydymit i szkliwo. Porowato otwarta spawu krzemionkowego by a najni sza, wynosi a 6,7%, tj. dwukrotnie mniej ni porowato otwarta betonu i ponad dwukrotnie mniej ni warstwy spawu korundowo baddeleitowego. Ró nice porowato ci napawanych warstw znajdowa y odzwierciedlenie w nasi kliwo ciach. Spaw korundowo baddeleitowy charakteryzowa si rozszerzalno ci ciepln bardzo zbli on do stwierdzonej w przypadku betonu BN 145 stanowi cego pod o e, natomiast rozszerzalno cieplne spawu krzemionkowego by a prawie trzykrotnie ni sza. Krzywe zmian wymiarów liniowych w funkcji temperatury uzyskane w badaniach przy u yciu dylatometru TMA92 r- my Setaram, przy szybko ci ogrzewania 5 C/min. wykaza- y prawie identyczny przebieg w przypadku betonu i spawu korundowo-baddeleitowego (Rys. 4) i podobne zachowanie przy studzeniu. Na rysunku przedstawiono dwie krzywe odnosz ce si do dwóch testowanych próbek betonu ogniotrwa ego w przypadku spawu krzemionkowego. Ni sza rozszerzalno cieplna warstwy spawu krzemionkowego w stosunku do betonu by a przyczyn wyst pienia b) Rys. 3. Przekroje poprzeczne przez napawane warstwy i bloczek betonowy: a) spaw krzemionkowy, b) spaw korundowo-baddeleitowy. Fig. 3. Cross sections of welded layer on refractory concrete block: a) silica weld, b) corundum-zirconia weld. napr e cinaj cych przy granicy spaw pod o e w czasie studzenia, czego efektem by o pojawienie si p kni cia stwierdzonego na przekroju materia u z naniesion warstw (Rys. 3a). Badania mikrostrukturalne wykaza y, e obydwa rodzaje napawanych warstw, w efekcie nadtopienia, zespolone by y z pod o em z betonu ogniotrwa ego. W przypadku spawu krzemionkowego (Rys. 5a), w jego obr bie uwidacznia y si uskowe sp kania podkre laj ce obecno krystobalitu i zwarte obszary bogate w szkliwo. Przy granicy z betonem nieco liczniej wyst powa y kropliste skupienia krzemu, który 86 MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 64, 1, (2012)

4 MO LIWO CI ZWI KSZENIA ODPORNO CI NA CIERANIE WY O E OGNIOTRWA YCH METOD SPAWANIA CERAMICZNEGO Tabela 3. Wyniki bada odporno ci na cieranie. Table. 3. The results of wear resistance measurements. Materia G sto Czas m 0 m 1 m m r V [g/cm 3 ] [min-s] [g] [g] [g] [g] [cm 3 ] Beton BN 145 2, , ,62 13,38 12,32 5, , ,85 11,25 Spaw C 2, , ,57 24, , ,89 20,65 22,42 10,9 Spaw K 2, , ,85 10, , ,37 8,48 9,54 3,6 a) Rys. 4. Rozszerzalno liniowa w funkcji temperatury betonu ogniotrwa ego (B) oraz spawów korundowo baddeleitowego (K) i krzemionkowego (S). Fig. 4. Linear expansion of refractory concrete (B), corundum-zirconia weld (K) and silica weld (S) as a function of temperature. nie uleg utlenieniu. Liczniejsze by y tu równie pory izometryczne, zamkni te. W stre e nadtopionego betonu pomi dzy pierwotnymi ziarnami szamotu wyst powa y bardzo zwarte obszary, w których mo na by o wyró ni anortyt i korund. W przypadku spawu korundowo-baddeleitowego (Rys. 5b), przy granicy z betonem równie liczniej wyst powa y kropliste skupienia Si i wi kszy by udzia porów ni w cz - ci spawu lub poni ej w obszarze przeobra onego betonu. W stre e granicznej mo na by o wyró ni liczne g sto upakowane listewki CA 6. Badania odporno ci na cieranie wykaza y, e beton z napawan warstw korundowo-baddeleitow charakteryzowa si najwi ksz odporno ci na cieranie. Ubytek materia u obj to ciowo by prawie dwukrotnie ni szy ni w przypadku betonu bez pow oki (Tabela 3, Rys. 6). Natomiast beton z warstw krzemionkow mia blisko dwukrotnie ni sz odporno na cieranie ni beton. Przyczyn tego by o p kni cie odspajaj ce napawan warstw od pod o a oraz resztkowe napr enia cinaj ce w miejscach, gdzie nie wyst powa y p kni cia sprzyjaj ce powstawaniu odprysków przy uderzeniu ziaren SiC u ytych b) Rys. 5. Mikrostruktury obszarów granicznych: a) spaw krzemionkowy beton, b) spaw korundowo-baddeleitowy beton. Fig. 5. Microstructures of boundary areas: a) silica weld concrete, b) corundum-zirconia concrete. Rys. 6. Porównanie ubytku masy materia u po te cie cierania. Fig. 6. Comparison of loss in material mass after the wear resistance test. MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 64, 1, (2012) 87

5 J. CZECHOWSKI w te cie cierania. Równie mikrop kni cia towarzysz ce krystobalitowi sprzyja y cieraniu materia u. O wysokiej odporno ci na cieranie betonu z napawan warstw korundowo-baddeleitow decydowa a nie tylko wysoka odporno na cieranie korundu i tlenku cyrkonu stanowi cych podstawowe sk adniki tej warstwy, ale równie jej bardzo dobre zespolenie z nadtopionym betonem ogniotrwa- ym i brak napr e cinaj cych ze wzgl du na prawie identyczn rozszerzalno ciepln napawanej warstwy i pod o a. 4. Wnioski Istnieje mo liwo zwi kszenia odporno ci na cieranie wy o enia ogniotrwa ego poprzez naniesienie warstwy technik spawania ceramicznego stosowan do regeneracji obmurzy na gor co. Osi gni cie poprawy odporno ci na cieranie poprzez napawanie wymaga zastosowania mieszanki charakteryzuj cej si obecno ci trudno cieralnych sk adników oraz zapewniaj cej utworzenie stosunkowo zwartej warstwy o rozszerzalno ci cieplnej zbli onej do pod o a. W przeprowadzonych badaniach napawanie warstwy korundowo-baddeleitowej o rozszerzalno ci cieplnej prawie identycznej jak pod o a z betonu BN 145 umo liwi o blisko dwukrotny wzrost odporno ci na cieranie. Podzi kowanie Praca zosta a wykonana ze rodków statutowych przyznawanych przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wy szego. Literatura [1] upiejko W.M., Umrichin P. W. i in.: Ognieupory, 24, (1968), [2] Meeda K.: Taikabutsu Oversears, 17, (1997), [3] Czechowski J, Gr dalska J., Czechowska K.: Regeneracja komór baterii koksowniczych metod spawania ceramicznego, Ceramika/Ceramics, tom 84, (2004), [4] Czechowski J.: Kszta towanie w asno ci spawu ceramicznego, Ceramika/Ceramics, tom 102, (2008), Otrzymano 23 wrze nia 2011, zaakceptowano 15 grudnia MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 64, 1, (2012)