30, Ostrava - Vítkovice, ČR,

METAL 2006 23.-25.5.2006, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________

KERAMICKÉ A SENDVIČOVÉ TERMICKY STŘÍKANÉ POVLAKY VE VÍTKOVICÍCH – ENVI, a.s Kabelka Miloslav, Ing. Tajchman Petr CSc VÍTKOVICE ENVI, a. s., Ruská 1142 / 30, 706 00 Ostrava - Vítkovice, ČR, [email protected], [email protected]

Technologická zařízení v hutních, energetických a strojírenských provozech je často vystavována v průběhu jejich funkce extrémním podmínkám namáhání. Jde o značný počet různých faktorů, které působí převážně na povrch dílu, ať už jednotlivě nebo v celém komplexu. Zpravidla se jedná o abrazi a erozi působením kovových nebo slitinových částic, vliv korozního prostředí, teplotní zatížení plynulé nebo v podobě šoků, různá mechanická zatížení otěrem a také některá kombinovaná ne zcela definovatelná zatížení. Zajistit odolnost zařízení a různých výrobků pouze cestou volby konstrukčních materiálů by bylo velmi obtížné a také ekonomicky náročné. Proto v inovačních programech nalézají uplatnění ochranné bariérové povlaky, které odolávají agresivnímu prostředí. Unikátní kombinací povlaků metalické pseudoslitiny a kompositní keramiky je vytvořen sendvičový povlak, který v kombinovaném zatížení odolává korozi za vysokých teplot, integrovanému zatížení eroze, abraze a teplotním šokům. Vzájemnou kombinací technologie nástřiku a přídavného materiálu lze vytvářet kovové, kovo-keramické a keramické povlaky s cílenými vlastnostmi. 1. Technologie žárových – termických nástřiků 1.1. Rozsah těchto technologií je velmi značný a je využíván ve všech formách realizací (tab. 1). Klasifikace je obsažena v ČSN EN 657 tabulka 1 Technologie žárového nástřiku ve Vítkovice Envi, a.s.

Technologie nástřiku Plamenem

Zařízení TOP-JET 2 METCO 5P AD-1, AD-3

Přídavný materiál plněné dráty -kordony prášky - kov, keramika dráty - kov

Elektrickým obloukem

TAFA BP 400 MOGUL-A3

dráty – kov, plněné dráty dráty – kov, plněné dráty

HVOF - vysokorychlostní

JET-KOTE II

prášky - kov, cermety

1.2. Zjednodušenou podstatou procesu žárového nástřiku je, že do tepelného zdroje je přiváděn přídavný materiál. Ten se nataví do plastického stavu a je v proudu spalin unášen různou rychlostí na připravený povrch, kde vytváří povlak s laminární strukturou. Povlak je spojen s podkladem adhezní vazbou. Základním a společným

1

METAL 2006 23.-25.5.2006, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ znakem pro technologie žárových nástřiků je, že teplota podkladu nepřekročí 150oC, takže se jedná v podstatě o proces povlakování za studena. 1.3. Proces žárového nástřiku - základní přednosti 1.3.1. proces probíhá za studena, teplota povrchu nepřekročí 150 °C 1.3.2. teplotně neovlivňuje povlakovaný materiál – bez vlivu na rozměr a strukturu základního materiálu 1.3.3. povlak jde vytvořit téměř na každý základní materiál 1.3.4. v podstatě lze vytvořit povlak z každého přídavného materiálu 1.3.5. povlakovat lze každou velikost dílu nebo jeho geometrický tvar 1.3.6. povlakovanému dílu jsou udíleny nové užitné vlastnosti 1.3.7. proces je reprodukovatelný se stálým vysokým kvalitativním standardem 2. Materiály povlakových vrstev 2.1. Základní členění povlaků dle typu přídavného materiálu 2.1.1. kovové (tab.2) - ocel Cr, Cr-Ni-Mo, Cr, Ni - barevné kovy Al, Zn, Cu, Bronzi - Cu - kompozit Ni-Cr, Ni-Al, Ni-Ti, Ni-Mo-Al, Ni-Cr-Al-Y, Ni-Cr-B-Si tabulka 2 Nejčastější kovové přídavné materiály pro sendvičové povlaky

Hustota g / cm3

Bod tavení °C

Tvrdost vrstvy Hv

Poréznost %

95 / 5

6,8

1 350

250

5 - 10

Ni-Cr 80 / 20

7,5

1 400

270

5 - 10

Ni-Cr-Al-Y

7,2

1 400

250 - 300

5

NiAl

2.1.2. keramické (tab 3)

Al2O3, Cr2O3, ZrO2, TiO2, SiO2, MgO, CaO modifikované dalšími prvky např. Hf, Rh, Y

2.1.3. kombinované kovo-keramické (obr.1), zvláštním typem povlaků, u kterých se střídá kovová a keramická složka vrstvy povlaku (obr. 2).

2.2. Hodnocení vlastností materiálových vrstev vytvářených povlaků je zaměřeno na 2.2.1. strukturní a mechanické vlastnosti - přilnavost povlaku k základnímu materiálu a kohézní vazba vrstev - tvrdost - mikro, makro - pórovitost - strukturní stabilita – rovnoměrnost rozložení stabilizačních prvků - četnost oxidů v povlaku 2.2.2. tepelné a fyzikální vlastnosti

2

METAL 2006 23.-25.5.2006, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ -

měrná tepelná vodivost a odpor žáruvzdornost odolnost proti korozi za vysokých teplot

Obrázek 1 sendvičový kovo-keramický povlak

Obrázek 2 sendvičový kovo-keramický povlak s gradovaným přechodem

3


tabulka 3 Základní výběr keramických přídavných materiálů pro sendvičové povlaky

Hustota

Bod tavení

Tvrdost vrstvy

Poréznost

g / cm3

°C

Hv

%

Teplotní roztažnost 10-6 / °K

Al2O3

3,6

2 050

1 100

8 - 10

7

Al2O3 3 %TiO2

3,5

2 000

1 020

6-8

7,5

Al2O3 13 %TiO2

3,6

1 990

1 010

9

7,5

Al2O3 40 %TiO2

3,6

1 860

1 000

9

7,5

Al2O3 28 %SiO2

2,8

1 850

780

6-8

5

Al2O3 30 %MgO

3

2 130

1 140

10 - 17

8,8

ZrO2 30 %CaO

3,5

2 350

675

25

11,5

ZrO2 30 %MgO

4,9

2 700

760

10 - 15

10

Cr2O3 Al2O3 SiO2

3,6

2 435

920

8 - 15

6,5

Keramické přídavné materiály

2.3. Důležitá je vhodná kombinace funkční keramické vrstvy a mezivrstvy. Mezivrstva neplní pouze funkci bariéry, ale zajišťuje i plynulý přechod a rozložení napětí ve vrstvách, vzniklá v důsledku rozdílného koeficientu teplotní roztažnosti oceli jako základního povlakovaného materiálu (a = 12-18 x 10-6 / oC) a keramického povlaku (a = 5,5 - 10 x 10-6 / oC). 3. Praktické aplikace sendvičových povlaků 3.1. v ocelárnách a hutích 3.1.1. odtahové systémy spalin (obr. 3) a kouřové kanály Společným znakem zatížení povrchu těchto dílů představují vysoké teploty a eroze prachových částic. Konstrukce jednotlivých dílů je tvořena z trubkových těles uvnitř chlazených vodou. Vnitřním prostorem jsou odváděny spaliny s významným podílem prachových částic při teplotě 1000 - 1300°C, krátkodobě dosahující teploty až 1800°C. Pro realizaci povrchové ochrany dílů se uplatňují keramické materiály povlaků na bázi Al2O3 /MgO vyznačující se vysokou odolností proti erozi spalin. Výsledným efektem je eliminace úběru základního materiálu na náporové straně chladící trubky a tím podstatné prodloužení životnosti chladícího systému. Současně enormní zvýšení bezporuchovosti agregátu, vedoucí ke snížení nákladů na provoz a údržbu.

4


Obrázek 3 Trubková stěna odtahu konvertoru USS KOŠICE

3.1.2. dymník ocelářské pece (obr. 4) – odtah spalin Výrobek patří mezi nejrozměrnější o průměru 3700 a délce 6500 mm. Celková hmotnost je cca 16 tun. Chráněn vnitřní povrch o celkové ploše 25 metrů čtverečních. Provozní zatížení teplotou 1200 °C, erozí povrchu spalinami a korozí za vysokých teplot. Povrchová ochrana provedena elektrometalizačním nástřikem v kombinaci s keramickým povlakem na bázi korundu v kombinaci s oxidem křemíku. Pórovitost povlaku eliminována speciálním žáruvzdorným penetračním nátěrem. Rovněž se výrazně zvýšila bezporuchovost velmi důležitého komponentu v systému konvertorové výroby oceli.

3.1.3. víko ocelářské pece (obr. 5) K jednotlivým faktorům namáhání povrchu dílu vysoká teplota, eroze, se připojuje vliv tepelných šoků, současně s nalepováním roztavené strusky při rozstřiku z tavby. Sendvičové kovo keramické povlaky s obsahem Al2O3 /SiO2 s Ni-Cr mezivrstvou snižují účinek tepelných šoků, zabraňují přímému rozrušování stěn víka Současně chrání proti elektrickému průrazu proudu v oblasti průchodu elektrod. Synergický efekt keramického povlaku přispěl i v době odstavení víka, omezení nalepování strusky a kovu se podstatně omezilo namáhavé a nebezpečné ruční čistění žhavých inkrustů.

5


Obrázek 4 Dymník OXYVITU - VÍTKOVICE

Obrázek 5 Víko LF Třinecké železárny

3.2. v energetice 3.2.1. vířivé vložky kotlů (obr. 6) a lopatky oběžných kol Základním faktorem namáhání povrchu lopatek zaviřovací vložky je silné erozivní působení proudu uhelného prášku. Keramický povlak na náporové straně podstatně omezil degradaci tvaru rozváděcích lopatek a tím zajistil stabilitu proudění rozváděného práškového uhlí na více než dvojnásobnou dobu.

6


Obrázek 6 Stacionární zaviřovací vložka hořáku PRUNÉŘOV

3.2.2. Stěny výsypky spalovacího kotle (obr. 7) K4, K5 Sendvičový kovo-keramický povlak proveden na skluzových plochách stěny výsypky elektrárenských spalovacích kotlů. Kotel spaluje hnědé uhlí, které mimo vysokou abrazi popílku s teplotou cca 800 °C zatěžuje povrch korozí způsobenou minoritním podílem obsahu Cl a SO2. Po hodnocení tří-letého provozu v 2002 – 2005, povlak nevykazoval znaky destrukce, ani výrazné úbytky tloušťky. Byl nadále schopen provozu.

Obrázek 7 stěny výsypky kotle PRUNÉŘOV

7

METAL 2006 23.-25.5.2006, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ 3.3. ve strojírenství 3.3.1. Píst hydrauliky (obr. 8) Renovace povrchu pístu průměru 300 mm a délky 1 500 mm. Původní povrch s vrstvou tvrdého chrómu nahrazen kovo-keramickým povlakem ve funkční tloušťce 600 µm a následně opracován broušením.

Obrázek 8 Pístnice hydraulického lisu

3.3.2. Těsnící kroužky válcovací stolice (obr. 9) Renovace povrchu kroužků průměru 1200 mm, jako náhrada nevyhovujícího tvrdého chromování. Jsou k hydraulickému systému válcovací stolice Kvarto 3.5. Na pracovní ploše byl proveden dvouvrstvý nástřik pseudoslitinou a následně keramickou vrstvou na bázi oxidu chrómu. Výsledný povlak byl následně opracován broušením. Povlak vykazoval vysokou tvrdost 60 HRc, s vysokou kluzností a antikorozními vlastnostmi.

8


Obrázek 9 Těsnící kroužky válcovací stolice Kvarto 3,5

4. Aplikovaný výzkum 4.1. Projekt TANDEM s názvem „Materiálové řešení povlaků pro tlakové části kotlů na spalování uhlí, biomasy a komunálního odpadu, pro zvýšení jejich životnosti a spolehlivosti“ podporovaný jako grantový program MPO ČR započal v 6 / 2004 s termínem ukončení 6 / 2007. Vítkovice Envi, a.s. Povrchové ochrany vybrán řešitelem SVÚM Praha, jako vývojové aplikační pracoviště. 4.2. V jednotlivých etapách úkolu byly prověřeny ve spolupráci s výzkumným ústavem SVÚM Praha(obr. 10), VUT Praha, VŠB TU Ostrava a Výzkumné ústavy Vítkovice fyzikální a chemické odolnosti celé řady sendvičových povlaků. 4.2.1. Jedná se zejména o sledování korozivní odolnosti v modelové atmosféře (N2 + 9 % O2 + 0,2 HCl + 0,08 % SO2 ) při teplotách v rozmezí 400 – 600 °C. 4.2.2. Provedeno spektrální hodnocení složení vstupních přídavných materiálů. 4.2.3. Dále přilnavost vrstev, metalografické hodnocení vrstvy, tvrdost, odolnost proti abrazi a erozi. 4.2.4. V současné době se rovněž provozují poloprovozní zkoušky sendvičových povlaků ve spalovnách Praha (obr. 11), Liberec, a Bratislavě. 4.3. Doposud zjištěné výsledky laboratorních zkoušek a ověření vlastností sendvičových povlaků jen potvrzují jejich výjmečnou integrovanou odolnost vůči agresivnímu prostředí kotlů na teplosměnných plochách.

9


Obrázek 10 Testovací pec korozivních zkoušek v modelové atmosféře

Obrázek 11 Stěna spalovny Praha Malešice

5. QM systém pracoviště Povrchových ochran 5.1. Ve Vítkovice – Envi, a.s. je zaveden systém managementu jakosti ISO 9001 : 2000 s certifikací dle postupu TŰV CERT od 19.11.2004. Mimo jiné i pro obor žárové nástřiky kovových a keramických povlaků.

10

METAL 2006 23.-25.5.2006, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ 5.2. Pracoviště Povrchových ochran je od 1.11. 2000 členem evropské asociace žárových nástřiků GTS EUROPE. Od roku 2001 jsme certifikovaní pro výrobu žárových nástřiků nezávislou společností SLV Mnichov. 5.3. GTS EUROPE je evropská asociace žárových nástřiků - jejímiž členy je v současnosti 144 evropských a světových podniků. Členství je dobrovolné a je zaměřeno na specifický jakostní systém žárových nástřiků směřující k dosažení vysoké standardní kvality a reprodukovatelnosti znaků jakosti.

6. Literatura 6.1. Vodárek 6.2. Vodárek 6.3. 6.4. 6.5. 6.6.

Ambrož Kudinov Chasuj Porexi

6.7. Metalizing 6.8. SVÚM 6.9. SVÚM

Metalografický rozbor vzorků po expozici v roztaveném zinku, 1998 Hodnocení povrchové ochrany trubky po provozní expozici v elektrárně 2005 Žárové nástřiky a jejich průmyslové využití, 1990 Nanášení těžkotavitelných povlaku plazmou, 1981 Technika napylenija, 1975 Vysokorychlostní nástřiky plamenem zařízením TOP-JET 2 pružnými plněnými kordy, 1998 Příručka pro žárové nástřiky Korozní odolnosti konstrukčních materiálů a povlaků Vysokoteplotní koroze kotlů, spalujících palivo s chlorem 2004

11

30, Ostrava - Vítkovice, ČR,

Recommend Documents