新型钢坯高温动态防护涂层技术简介-2011_图文

1、钢坯高温动态防护涂层技术项目介绍中国科学院过程工程研究所一、项目背景和意义目前,全国正在开展建设节约型社会的活动,党中央、国务院将大力节约用水、原材料,推进资源综合利用,发展循环经济作为此次活动的工作重点。钢铁是我国全面建设小康社会的物质基础,国家经济建设的迅速发展给钢铁行业带来了历史性的契机,同时钢铁企业是我国能源资源消耗大户,这也给建设节约型社会带来了很大的挑战。钢铁工业是国家发展循环经济的优先切入点。由于钢铁企业是高消耗、高污染的资源密集型企业,必须通过发展循环经济,达到资源能源低消耗、经济高产出、污染低排放。我国是世界上第一大钢铁生产国,2009年中国粗钢产量超过5.6亿吨。但是,其资

2、源及能源消耗也十分惊人,提高资源能源利用水平,最大限度地减轻经济发展对生态环境造成的影响是钢铁企业可持续发展的关键所在。钢坯、钢锭在轧制前,一般都要在一定温度下含氧化性气氛的加热炉中加热或均热。钢坯在加热炉内加热时间一般在23小时甚至更长,其表面与气氛中的氧在高温下发生强烈的氧化反应而生成大量的氧化铁皮,使钢的成材率显著降低。据统计,在冶金企业的生产中,一般每加热一次,因钢材表面高温氧化而造成的氧化烧损达0.5-2.5%;在机械制造厂中,这种氧化烧损在锻造时约占毛坯重量的5%。在加热过程中,当炉气或炉温控制不当,或坯料在高温段长时间停留,特别是发生轧制故障时炉加热调整不及时,将致使钢的氧化铁皮

3、增厚,一般情况为1-5mm,严重时可达10mm,这就造成原料、能源和劳动的较大浪费,而这部分氧化铁皮和铁屑目前均以简单廉价的返回烧结矿回炉重复应用,升值空间和利用率较低(氧化铁皮照片见图1-3。高温氧化产生的氧化铁皮给钢铁生产带来了直接的产量和质量损失,同时氧化铁皮如不及时清除干净,在轧制时将会压入坯料表面,造成产品表面缺陷,严重时导致产品报废。由于氧化铁皮的生成,使精密模锻无法进行;为了清除钢坯表面的氧化铁皮,必须增加高压水冲洗、酸洗、喷丸等设备,则增加了生产工序及能源消耗;此外,在加热钢坯时生成的氧化铁皮落在炉底,不但会侵蚀炉体,影响炉子寿命,而且在清除时要增加繁重的体力劳动,有的单位采用

4、了液态排渣方法,而这又需要消耗大量的能量。因此如何降低这种废弃资源的产生、提高能源和资源利用率,一直以来都为业界所重视。图1 板坯均热过程表面生成的氧化铁皮照片图2 方坯与锻件均热过程表面生成的氧化铁皮照片 图3 锻造与热轧企业现场氧化铁皮堆场照片影响钢的高温氧化的主要因素,首先是加热温度、加热时间、炉气成分、钢的化学成分以及钢的受热面积与重量之比值等。在冶金工厂的生产中采用快速加热,控制燃气成分和惰性气体保护的方法虽在一定程度上能降低钢加热时的氧化,然而这些技术存在一定的局限性,若在大型冶金企业应用则需要较大的设备投资,可操作性不理想。采用保护涂层的方法则非常简单经济。钢坯高温防护涂层技术是

5、采用高温防护涂层喷涂在钢坯表面,在一定程度上氧化铁皮 氧化铁皮氧化铁皮 氧化铁皮大大提高了生产过程中钢铁收得率,直接提高钢材的产量和质量;同时,氧化铁皮的减少使得生产工序大大简化,生产过程中的能源消耗大大降低,也可使铁矿资源得到充分利用,达到提高产率的作用。因此钢坯的高温防护涂层技术具有很好的应用性和适用性,前景非常广阔,这一技术将为国家和社会带来可观的社会和经济效益。二、国内外高温防护涂层技术的研究现状钢坯的高温防氧化问题早在上世纪4050年代就在国际上引起了注意,由于针对加热炉本身防氧化技术的防护效果毕竟有限,而利用防氧化涂层进行钢坯高温加热过程的防护又具有许多优点,如成本低、生产工艺简单

6、、效果较好等。世界各国的科研工作者对防氧化涂层和相应的涂料展开了大量的探索性研究,部分成果已经在实际生产中得到了应用。在国内,大部分钢铁企业以粗放型生产为主,对钢坯高温防护涂层技术研究关注和起步较晚,近年来几家大型的钢铁企业和研究机构才相继对此展开了研究。在上世纪80年代,武钢研制了硅钢板坯加热用防氧化涂料,攀枝花钢铁研究院自1991年以来也开始着手研究用于连铸板坯上的防氧化涂料,鞍钢也研制了镍铬合金钢坯防高温氧化涂料,包钢研制了钢坯高温防氧化涂料涂于常温的低碳钢表面,一些科研院所也对钢坯防氧化涂层展开了一定的研究,收到了较明显的效果。这些研究均表明,适当地采取高温防护涂层技术尤其是采用高温防

7、氧化涂层技术,可在一定程度上提高生产过程中钢材收得率,直接提高钢材的产量和质量;同时,氧化铁皮的减少使得生产工序大大简化,生产过程中的能源消耗大大降低,使铁矿资源得到充分利用。国内外的研究进展表明,钢坯高温防氧化已经为国内外科研企业所重视并取得了很大的进展。但是,许多研究仍然还处在实验室阶段,部分成果的防氧化温度范围过低,多数涂料防氧化温度在1000左右;部分研究成果是针对某一种特种钢材(如不锈钢、硅钢和一些航空用特种钢材等,涂料成本较高,对于低附加值的普碳钢没有普适性;更主要的是,几乎所有的研究成果涉及到的涂料涂敷方法都局限于常温涂刷干燥成膜及静态高温防护,与实际的工艺不相吻合,因此限制了此

8、类成果的推广。我们实际考察了目前多家钢铁企业多品种钢坯的热轧前加热过程,发现大部分的品种钢热轧前加热目标温度在12001300,加热最高温度不超过1400,整个加热过程一般在2-5小时时间范围,有时由于生产的连续性差等原因,钢坯在炉内停留的时间可能会更长。随着连铸连轧工艺推广,钢坯高温热送为钢铁轧制工艺的一个发展趋势,坯体温度可以达到800左右输送。钢坯的氧化烧损在多数企业都普遍存在而且比较严重。然而,针对上述工艺过程的钢坯的钢坯高温防护涂层技术的应用仍为空白。已有的防氧化涂层技术由于防护温度低、涂层生产成本高,且涂层必须在低温或常温的钢坯表面进行涂刷,干燥后才能进入加热炉升温减少钢坯高温下的

9、氧化,现有的热送工艺不可能因为用涂层防护实现高温防氧化而使本来入炉前就有800左右的高温基体冷却到常温而后进行涂层防护。从能源浪费和钢坯下线喷涂影响生产效率的角度使得已有的常温喷涂的涂料因无法实现高温基体表面直接喷涂而不能在高温钢坯表面实施动态应用。随着人们对这种动态热输送过程钢坯防氧化问题认识的深入,研制适合当前多品种钢坯加热工艺的防氧化涂层及其喷涂工艺,已经越来越被钢铁企业所重视。中国科学院过程工程研究所(原化工冶金所自2004年开始就针对普通低碳钢、碳素结构钢、低合金钢、不锈钢等多种钢材在轧制、锻造和模锻工序前的加热以及淬火、退火和正火等热处理过程基体表面的氧化烧损和元素贫化脱碳、表面除

10、鳞性能差等问题开展了系列涂层防护研究。2004年-2006年针对低碳钢的高温防护涂层的研究取得了突破,包括对Q235、Q195、Q345和20钢等低碳钢系列涂层防护下的高温氧化烧损降低50%以上。该涂料主要针对钢坯加热炉内氧化烧损问题,先后在济钢、前进钢铁、唐山国丰钢铁、唐山电力钢铁等钢铁企业作了试验和试应用。2007-2009年主要针对38CrMo、42CrMo、60MnSi 、20CrNiMo、SPHC汽车板、20Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA等合金钢的高温加热过程中的氧化烧损和表面元素贫化及个别钢种如60Si2Mn、X80等管线钢系列的高压水除鳞难度大等问题展开功能涂层研究,减少氧

11、化烧损50%以上,提高了除鳞效果,降低了表面元素贫化,间接提高了产品的性能。研究的防护涂层应用领域也得到了延伸,既包括热轧前钢坯加热过程的高温防护,也包括锻造及热处理过程的钢件加热防护。此前先后在内蒙古第一机械制造集团、上海重型机械、首钢迁钢、苏钢集团等企业现场做了试应用实验,防氧化效果、除鳞效果显著,得到了企业的认可。2006年-2008年对300、400不锈钢系列钢坯加热过程的氧化烧损及表面元素贫化问题进行了高温防护涂层研究,目前实验室可降低不锈钢基体氧化烧损80%以上,提高了产品收得率。近两年针对60Si2Mn 、45#钢、GCr15、49MnVS3b 等中高碳钢的表面脱碳、氧化烧损突出

12、等问题进行了高温功能防护涂层研究,涂层改变了氧化铁皮结构性能,提高铁皮致密性,降低了脱碳层深度30%左右,降低氧化烧损50%以上。研究的涂料已在苏州钢铁、南昌钢铁、邢台钢铁等企业做了现场实验,效果明显。目前完成科学院科技成果鉴定1项,提交申请中国发明专利8项,国际发明专利3项,授权美国发明专利1项,授权中国发明专利2项。 喷涂样品除鳞效果正常除鳞效果首钢迁安钢铁现场 图4 涂料在多家企业试应用过程和结果照片三、本技术特点与优势本技术顺应国内大力开展建设节约型社会,尤其在钢铁冶金企业大力推广节能降耗、发展循环经济的政策,解决了连铸连轧或高温热送过程中的红热钢坯在线进行涂料喷涂的问题。开发出的能在

13、800的红热多品种钢坯上直接喷涂的系列防护涂料解决了以往防氧化涂料必须常温涂刷干燥成膜防氧化的落后工艺,提升了涂料的应用价值和应用空间。动态过程钢坯高温防护涂层专用设备和工艺技术,实现了红热钢坯在线动态喷涂,喷涂设备能够实现在线监控,当钢坯进入喷涂区域时自动启动喷涂设备开始喷涂,喷涂过程结束自动停止;钢坯的各个方位均设置了喷嘴,实现了均匀喷涂;喷涂过后自动冲洗喷嘴,防止堵塞。高温在线自动喷涂装置大大提高了该技术现场应用的可行性。 图5 涂料防护应用流程图新型钢坯高温防护系列涂料具有如下特点:1、涂层能大幅度降低钢坯在炉内的高温氧化烧损,同时缓解了钢坯表面合金元素高温贫化和脱碳,克服了含硅钢种表

14、面除鳞难度大的问题,通过涂料改性氧化铁皮生成结构大大提高了钢坯出炉后高压水除鳞效果。在钢坯表面形成一层致密的行之有效的化学转移膜,隔绝了钢坯表面与炉内气体的接触,进而起到了保护钢坯的作用。2、涂层不会与钢材表面发生严重的化学反应以保证基材表面的化学成分不变;涂层在钢坯传送过程中与基材结合紧密,机械动作不致使涂层高温脱落。3、涂层体系具有合理的耐高温性能,高温后涂料对工作环境无污染,而且一直保持了涂层的致密性。4、涂层能自动愈合高温过程中自身产生的裂纹,保证了涂层的致密性和完整性。5、涂层是由水性体系直接喷涂到800左右的高温表面而形成。6、涂层的成本低廉。已有针对特种钢的防氧化涂料成本均比较昂

15、贵,而对大量应用的普通低碳钢,这些涂料均由于成本过高而不能得到实际应用。四、高温防护涂层的作用机理高温防护涂层由于要求其耐高温性,其主要组成成分是一些耐高温性能较好的金属或非金属氧化物。其常用的制备方法是料浆涂覆法,首先将涂层的各组分原料配制成悬浮性较好的料浆,再在金属基体表面上喷涂或刷涂,料浆附着在金属基体表面上形成一层料浆薄层,阴干后,料浆中的粉料通过粘结剂的粘结作用在金属基体表面形成一层粉料涂层。在涂层的原始状态下,涂层是多孔性的不致密涂层,所以在常温大气条件下,大气中的氧化性成分能通过这层多孔性的涂层扩散到金属基体表面与金属反应,致使金属氧化。由此可见,在料浆涂覆的常温原始状态下,高温

16、防护涂层起不到保护金属的作用。当对涂覆高温涂层的金属进行加热时,随着加热温度的升高,涂层渐渐脱水烘干,进而开始烧结,涂层厚度减薄,涂层中的气孔尺寸不断减小,孔隙率逐渐降低,透气性下降。在温度达到涂层软化温度时,涂层开始软化熔融,涂层孔隙率急剧下降,密度增大;随着温度的进一步升高,涂层熔融为液态,形成不透气的致密的液态粘附层。由此可见,料浆涂覆法制备的高温抗氧化涂层的金属基体的加热过程中经历了两种状态,即在短的加热升温时间里,涂层粉料升温与烧结,涂层处于逐渐致密化的状态;而在较长的加热升温和保温时间里,涂层粉料熔化而呈熔融状态,在金属基体表面形成致密的、不透气的液态粘附层,达到保护金属基体的目的

17、(涂料形成作用示意图见图6。 加8001300喷涂成膜涂层熔融热升温 °C °C图6 涂料形成作用过程示意图五、新型钢坯高温防护涂料系列钢坯新型高温防护涂料系列产品是中国科学院过程工程研究所在消化国外先进高温保护涂料技术的基础上研究开发的新一代耐高温保护涂料系列,适用于在钢坯入炉之前做到对钢坯表面喷涂防氧化涂料,使得其在炉内保护钢坯防止氧化,大大降低整个生产过程中的烧损比率。该涂料能够直接喷涂在800左右高温的钢坯表面,形成一层防氧化涂层,随着温度升高到1300以下均能起到防氧化作用。该涂料的应用可有效地减少钢坯高温处理工艺中造成的损失,达到节能降耗增收的目的。1.普通低碳

18、钢钢坯新型高温防氧化涂料的主要物理指标:外观:水性灰色悬浮夜密度:1.51.7g/cm3适用温度:8001300防护时间:2-6小时贮存期:3个月适用钢种普通低碳钢(45钢、Q235-B、Q195、A36等制备和应用方法动态基体(800以下直接喷涂,涂覆量0.2-0.5kg/m2机理纳米效应与熔膜屏蔽共存及氧化还原协同保护效果50%以上2.合金钢钢坯新型高温防氧化涂料的主要物理指标:外观:水性浅黄色悬浮夜密度:1.51.7g/cm3适用温度:8001350防护时间:2-50小时贮存期:3个月适用钢种各种合金钢(60Si2Mn、GCr15、38CrMo、42CrMo、X80管线钢、SPHC汽车板

19、、16MnR、20G、等、制备和应用方法动态基体低温下直接喷涂,涂覆量0.2-0.5kg/m2机理玻璃陶瓷熔膜屏蔽保护效果降低氧化烧损50%以上,有效阻止基材表面元素贫化和脱碳钢坯新型高温防护系列涂料的特点是:保护涂层是暂时性的,使用后很容易去除。它主要由冶金废弃物和廉价矿粉所组成,在毛坯入炉之前将涂料直接喷涂在常温至高温红热钢坯表面;在加热时,可在很宽的温度区间(8001350形成连续致密的耐热保护层,能有效地阻止钢的氧化烧损;在完成加热和工艺过程之后的冷却过程中,由于涂层与金属的线膨胀系数有很大不同,故很容易从钢坯的表面去除。钢坯新型高温防氧化涂料采用水基无毒无嗅成份,环境友好,喷涂操作工

20、艺简便安全。对普通碳钢和合金结构钢进行的大量试验表明,钢坯新型高温防氧化系列涂料可以使钢在1300以下的高温加热过程中降低氧化烧损30%95%,元素贫化和脱碳层减少40%90%,显著提高后期除鳞效果。六、新型钢坯防护涂料的经济效益随着我国国民经济的高速发展,对冶金产品的质量提出了越来越高的要求,尤其是对舰船钢、压力容器钢、桥梁钢及多种特殊钢材等专门用途钢,不仅对产品的表面质量,而且对尺寸精度均提出了更严格的要求。由于钢坯加热时的氧化是造成产品表面质量下降和影响产品尺寸精度的重要因素,因此,减少了钢的氧化和去除炉内一次氧化皮是十分重要的质量控制环节。一方面保护涂层可大大减少炉内一次氧化皮的生成量,另一方面,在钢表面形成的非金属涂层与钢基体之间线膨胀系数的差异使之在高压水除鳞激冷时能很容易地剥落去除,由此带来了产品表面质量和产品合格率的提高,其效益是十分可观的。与已有防氧化涂料相比,钢坯新型高温防氧化系列涂料提高了防氧化温度,更切实际地实现了高温表面喷涂,高温防氧化,改变了其他涂料需将钢坯由800左右降到室温