一種鑄坯防氧化涂料及其噴涂方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及防氧化涂料技術領域，特別涉及一種鑄坯防氧化涂料以及在高溫下鑄坯防氧化涂料的噴涂方法。
【背景技術】
[0002]通常鑄坯或鑄錠在軋制前，都要在加熱爐中進行加熱或均熱。其加熱溫度根據鋼種和軋制工藝的不同為1000°c?1200°C，加熱時間一般控制在1?5小時之間。在加熱過程中，鑄坯表面與爐氣中的氧發生反應產生大量氧化鐵皮，使鋼的成材率顯著降低。據統計，每加熱一次，因鑄還表面氧化而造成的氧化燒損平均為1.2%左右，最聞可達到2.0 %。而在機械行業，這種氧化燒損更高達5%左右。
[0003]鑄坯的氧化不但會造成原料和能源的極大浪費，同時，也會使勞動生產率大幅度降低。而鑄坯表面的氧化鐵皮在除鱗過程中如果不能清除干凈，將導致其在軋制時壓入坯料表面，造成產品表面質量缺陷，甚至導致產品報廢。
[0004]為了減少鑄坯在加熱過程中所產生的氧化，目前已經開發了多種抗氧化方法和技術。而影響鑄坯表面氧化的主要因素有加熱溫度、加熱時間、爐氣成分、鋼的化學成分以及鑄坯受熱面積與重量之比值等，因此，縮短加熱時間、控制燃氣成分或采用惰性氣體保護，被認為是降低鑄坯表面氧化的技術措施之一，并在一些冶金企業進行了試用。雖然上述方法措施可以在一定程度上降低鑄坯在加熱過程中的氧化速度，但因其效果較低，以及設備投資較大、運營成本較高等原因，使大范圍推廣受阻。
[0005]目前市場還出現了抗氧化涂層技術，該技術是在鋼材的表面噴涂一層高溫防護涂料，使鋼材在加熱過程中盡量產生少量的氧化鐵皮。但該技術在實際使用中存在如下不足和缺陷:
[0006](1)抗氧化溫度范圍過低。目前開發的抗氧化涂料的抗氧化溫度多在1000°C或低于1000°C。對于一些特種鋼材如不銹鋼、硅鋼和一些航空用特種鋼材等，其抗氧化溫度范圍過低。
[0007](2)抗氧化效果較差。目前的抗氧化涂料僅能使鋼材的氧化燒損減少30%左右，其成材率僅能提高0.3%左右，其抗氧化效果不明顯。
[0008](3)使用效果不穩定。由于鋼種、澆注工藝以及使用條件的不同，目前的抗氧化涂料的抗氧化效果存在較大差異，使用效果不穩定，這也是鋼鐵企業最難以接受的。
[0009](4)經濟效益低。扣除涂料成本及相關費用，經濟效益較低。
【發明內容】
[0010]本發明的目的是提供一種鑄坯防氧化涂料及其噴涂方法。在對鑄坯表面涂層加熱時的變化過程、規律以及機理進行充分研究的基礎上，研制出一種由氮化硅和碳化硅及鐵為主要構成的鑄坯防氧化涂料。該涂料可以有效抑制鑄坯表面在加熱過程的氧化，顯著提高鋼材的收得率。
[0011]本發明由以下幾種技術方案構成，本發明的鑄坯防氧化涂料是由30%?90%Si3N4 (氮化硅)或30 %?90 % SiC (碳化硅)，和5 %?20 % Fe (鐵)構成，其余為A1203、Si02、Mg0以及Cr203中的至少一種。
[0012]本發明的鑄坯防氧化涂料還由30%?90% Si3N4和SiC,以及5%?20% Fe構成，其余由Al203、Si02、Mg0以及Cr203中的至少一種。
[0013]本發明提供了鑄坯防氧化涂料的噴涂方法，其特點在于采用粉體靜電方式在< 1200 V高溫下對鑄坯表面進行噴涂。
[0014]本發明的防氧化涂料能夠在鑄坯涂料表面形成低熔點玻璃相，有效抑制氧氣向涂料內部的擴散，在保護內部的氮化硅或碳化硅或氮化硅和碳化硅不被氧化的同時，又在鑄坯表面和低熔點玻璃相間形成陶瓷相，有效阻隔低熔點玻璃相對鑄坯的腐蝕。在加熱過程中使鑄坯表面形成具有雙層結構的保護層，使鑄坯表面既不被氧化又不被腐蝕，提高了防氧化涂料的使用效果和鋼材的成材率。
【具體實施方式】
[0015]以下結合示例性實施例，進一步詳細描述本發明的設計思想以及形成機理，以使本發明的技術解決方案更加清楚。
[0016]申請人在實際工作和使用中發現，目前研究工作普遍關注的是如何在鑄坯表面快速形成低熔點玻璃相，以抑制氧氣向鑄坯表面和內部的擴散。但卻忽略了形成的玻璃相對鑄坯表面所產生的腐蝕作用，這也是目前抗氧化涂料使用效果較差的主要原因。之所以存在上述問題，主要是人們對鋼材表面涂層的抗氧化行為和機理尚未充分理解和掌握，目前也未能開發出適用于鑄坯氧化行為及預防氧化機制的涂料及工藝。由此而引發本發明的研究方向以及技術方案的形成。
[0017]本發明鑄坯防氧化涂料技術方案的組成有這幾種方式，一是由30%?90%Si3N4(氮化硅)和5%?20% Fe (鐵)構成，其余為A1203、Si02、MgO以及Cr203中的至少一種；二是由30%?90% SiC(碳化硅)和5%?20% Fe構成，其余為A1203、Si02、MgO以及Cr203中的至少一種；三是由30%?90% Si3N4和SiC,以及5%?20% Fe構成，其余由A1203、Si02、MgO以及Cr203中的至少一種；四是本發明提出了鑄坯防氧化涂料的噴涂方法，采用粉體靜電方式在〈1200 V溫度下對鑄坯表面進行噴涂。
[0018]通過對上述技術方案組成的研究分析得出，Si3N4 (氮化硅)和SiC (碳化硅)是強共價鍵化合物，具有良好的化學穩定性，耐熔渣侵蝕性好，在空氣中氧化能夠形成致密的保護膜。但是，由于氮化硅和碳化硅在空氣中的氧化要在1200°C以上才能進行，而在鑄坯加熱溫度1000°C?1200°C下難以形成致密的保護膜。為此，本發明在鑄坯涂料中添加了金屬鐵(Fe)，使其在加熱反應過程中作為催化劑，降低氮化硅和碳化硅的氧化溫度，從而使氮化硅和碳化硅在鑄坯加熱溫度100(TC?1200°C下產生氧化。
[0019]在鑄坯噴涂中的氮化硅和碳化硅氧化后，氧化層中的鐵開始氧化并與涂料構成中的Si02形成Si02-Fe0x 二元系。由于Si02-Fe0x 二元系的熔點和粘度均較低，因此，鑄坯涂料表面會很快形成低熔點玻璃相，有效地抑制氧氣向涂料內部的擴散，保護內部的氮化硅或碳化硅或氮化硅和碳化硅不被氧化，進而在鑄坯表面和低熔點玻璃相間形成隔離層。該隔離層在鑄坯表面和低熔點玻璃相之間形成一層陶瓷相，形成的陶瓷相可以有效阻隔低熔點玻璃相對鑄坯的腐蝕。因此，本發明的鑄坯防氧化涂料除了在鑄坯涂料表面形成的低熔點玻璃相之外，還在鑄坯表面和低熔點玻璃相之間形成了陶瓷相，在加熱過程中可以在鑄坯表面形成具有雙層結構的保護層，使鑄坯既不被氧化又不被腐蝕，大大提高了防氧化涂料的使用效果。
[0020]對于鑄坯防氧化涂料的噴涂方法，多采用在〈100°C常溫下噴涂，待涂料干燥成膜后再入爐加熱。但是，由于連鑄技術的進步以及節能的考慮，目前多數鋼鐵企業開始采用鑄坯紅坯入爐工藝。由于紅坯鑄坯的表面溫度在300°C?500°C以上，因此，傳統的將涂料加水混合成漿體的噴涂方式已經不能使用。為此，本發明通過改進，采用粉體靜電方式對高溫下的鑄坯進行噴涂。即將涂料加工成粉末狀，通過靜電噴涂方式將粉末狀涂料噴涂到鑄坯的表面上。由于靜電噴涂時涂料中必須有帶電顆粒，而本發明防氧化涂料構成中的鐵即可起到導電介質的作用，使靜電噴涂的操作簡單可行。
[0021]本發明鑄坯防氧化涂料是在進行了多次試驗后并且取得了成功效果的結果。本發明在試驗過程中發現，當Si3N4或SiC或Si3N4+SiC小于30%時，由于因Si3N4或SiC氧化生成的Si02量不足,難以與Fe氧化后生成的FeOx反應形成足夠的低熔點玻璃相，不能有效地抑制氧向鑄坯表面的擴散。另外，當Si3N4或SiC或Si3N4+SiC小于30%時，由于氧化后涂料中剩余的Si3N4或SiC量少，不能形成足以阻隔低熔點玻璃相的陶瓷相結構。當Fe含量低于5%時，其作為催化劑的作用不顯著，不能有效促進Si3N4或SiC在鑄坯加熱溫度下的氧化以及低熔點玻璃相的形成。另外，當Fe含量小于5%時，在高溫下對鑄坯采用粉體靜電噴涂時，其作為導電介質的作用減弱，不利于形成具有一定厚度與鑄坯結合良好的涂層。而當Fe含量高于20%時，Fe作為催化劑的效果已經不顯著，而且由FeOx與Si02所形成的低熔點玻璃相含量過高，對陶瓷相的侵蝕會加劇，從而對鑄坯表面的保護造成影響。因此，本發明的主要構成選擇為合理有效的30%?90% Si3N4或30%?90% SiC，或30%?90%Si3N4和SiC，和5%?20% Fe (鐵)構成；其余為A1203、Si02、Mg0以及Cr203中的至少一種或一種以上作為粘土等輔助用料添加。本發明還優選出45%?75% Si3N4或45%?75%SiC,或45%?75% Si3N4和SiC，以及8%?15%