[发明专利]耐磨复合材料、其在用于冶金炉的冷却元件中的应用及其制造方法

说明书

一种耐磨材料，用于具有由第一金属组成的主体的冶金炉冷却元件诸如冷却壁或风口冷却器的工作面。该耐磨材料包括包含耐磨颗粒的宏观复合材料，耐磨颗粒以基本重复的工程构造排布，被基体的第二金属熔渗，颗粒具有的硬度大于第二金属的硬度。一种用于冶金炉的冷却元件，具有由第一金属组成的主体，该主体具有包括耐磨材料的面层。一种方法，包括：将耐磨颗粒的工程构造定位在模具型腔内，并使该工程构造位于该模具型腔限定面层的区域中；并将熔融金属导入型腔内，该熔融金属包括冷却元件主体的第一金属。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2016年2月18日提交的美国临时申请No.62/296,944的优先权和权益，该申请的内容通过引用结合到本文中。

技术领域

本发明大体上涉及用于冶金炉的冷却元件，例如用于高炉的冷却壁(stavecoolers)和风口冷却器，并且具体地涉及具有设置有一层复合材料的工作面的冷却元件，该复合材料层包括排布在热导金属基体中的耐磨颗粒。

背景技术

各种类型的冶金炉被用于生产金属。该工艺通常涉及高温，其产品为熔融金属和工艺副产品(一般为炉渣和气体)。炉壁可以衬有冷却元件，其通常包括铜或铸铁，并且可以包括用于冷却剂(通常为水)循环的内部流动通道。例如，高炉的壁通常衬有水冷的冷却元件，例如冷却壁和/或风口冷却器。

冷却壁受到由于与存在于炉内的磨料、热量接触而导致的磨损。例如，在高炉中，冷却壁与向下下降的进料炉料接触，该进料炉料包括焦炭、石灰石助熔剂和铁矿石。下降的炉料是热的，包含各种尺寸、重量和形状的颗粒，并且其硬度高于通常用于制造冷却壁的材料的硬度。因此，冷却壁往往会磨损，并且磨损的冷却壁通常停止工作，这意味着没有冷却发生，该冷却壁彻底恶化。这会导致炉壳过热，其进而可能导致壳体破裂。

风口冷却器由于夹带气体的碳基固体而内壁受到腐蚀；由于与未燃烧的碳基固体和熔融金属滴接触而外壁受到磨蚀与腐蚀。因此，风口冷却器是极易磨损的，而导致漏水。磨损的风口冷却器停止工作并必须更换，因为损坏的风口降低了炉的生产率并扭曲了热空气喷射的周向对称性。这导致了生产损失和通过其他风口的吞吐量增加，这增加了故障的可能性并可能导致由于生产损失引起的经济损失。

已经作出改进冷却壁的磨损性能的尝试。例如，提出了用旋转摩擦焊接的方式将耐磨元件附连在铜壁的工作面上，或在工作面上沉积耐磨涂层。

还提出了在冷却器的整个体积中分散硬化颗粒(例如在JP 2001-102715 A中)。然而，由于硬化颗粒的成本相对较高，这种方法可能是不经济的，因为它将大多数耐磨颗粒放在冷却器不受磨损的区域中。另外，由于颗粒小并分散在整个冷却元件中，很难对它们是否以足够浓度存在于工作面进行无损评估。

还提出了在铸造冷却壁之前在模子的底部插入耐磨材料(WO 79/00431 Al)。建议的材料包括硬集料，诸如烧结的(cemented)碳化钨或不锈钢多孔金属网(stainless steelexpanded-metal mesh)。

然而，仅将耐磨材料放置在模子的底部不保证它能以足够的浓度可靠地定位于冷却器的工作面，使得生产跨整个工作面上都具有一致耐磨性的冷却元件是困难的。虽然这对板式冷却器是可接受的，其可以很容易地从高炉的外部替换，但这对冷却壁是不可接受的，冷却壁无法在不长时间停工的情况下替换。

仍然需要具有改进的磨损性能的炉冷却元件，以改进炉操作的效率并且最小化停工时间，同时保持冷却元件的低成本和制造性。

发明内容

在一个方面，本发明为冶金炉提供了一种冷却元件。该冷却元件具有包括第一金属的主体，该主体具有至少一个表面，沿该至少一个表面设有面层。该面层包括复合材料，其中，复合材料包括排布在第二金属的基体中的耐磨颗粒，该耐磨颗粒的硬度大于第一金属的硬度并大于第二金属的硬度。