钢坯加热防氧化涂料的研究

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1、钢坯加热防氧化涂料的研究熊星云 武钢技术中心武汉 430080摘要取向硅钢加热用防氧化陶瓷涂层以工业镁砂和三氧化二铬为主要原料，添加少量铬铁、硅铁合 金；镍铬低合金钢加热用防氧化涂料以 MgO的质量分数为 97一 98的电熔镁砂为主要原料，加入一 定数量的含锂矿物原料和硅酸盐矿物原料。两种涂料调制成液态涂料时均均加入硅酸盐和磷酸盐结合剂。结果表明，取向硅钢涂覆 1 Omm左右的涂料，在 1150 1450。 Cx5h的加热条件下，可使钢材的氧 化烧损量由 35 40kg m2降低到 0 4 o 5kg m2；镍铬低合金钢涂覆涂 1 2 l， 5ram层，经 1320Cx5h长 时间高温加热，钢

2、材的氧化烧损量只有 0 10 2ram，可降低烧损 90，防止了因粘滞氧化铁皮的轧八 而产生结疤等缺陷。关键词取向硅钢坯 镍铬低合金钢坯氧化烧损涂料I引言钢坯在轧制加热过程中的氧化烧损是难于避免的，对于普通钢材米说，生产厂家对于 1 3的氧 化烧损率并不是很在意。但是对于某些低合金钢米说，氧化烧损不仅仅是降低成材率的问题，而且还会 对轧制板 (卷 )材的表面质量和机械性能产生不良影响。低合金钢中通常含有小于 5 (质量分数 )的台金元素，在钢坯轧制加热过程中，由于某些合金元 素的选择性氧化，会造成钢材表面台金元素的贫化，从而导致钢材的机械性能劣化。此外，某些含有 Ni、 Mn、 Mo、 Si、

3、 V、 Ti等元素的低合金钢，加热过程中所形成的氧化层与钢坯粘附十分牢同，虽经 高压水冲刷和除鳞装置除鳞，氧化层仍不能剥离。氧化铁皮的压入，常常造成轧制的板材表面产生麻面 和深坑，需要进行打磨修整，严重时会造成所轧制的板材报废。含有硅的原子分数为 3左右的取向硅钢加热时，钢坯表面的氧化层熔化为液态，一是导致钢材烧 损严重，烧损量高达 4一 6 (为普通钢材的几倍 )，二是液态氧化渣从钢坯上淌 F后，沉积在炉底达 到一定厚度就得停炉清渣和对加热炉进行检修，严重地降低了加热炉的作业率，限制了取向硅钢产量的 进一步提高，被称为制约取向硅钢生产的瓶颈。有的生产厂家为了减少氧化烧损，也曾采取种种措施，如

4、控制加热炉内的气氛、提高高压水的压力、 在钢坯上包铁皮等，但效果并不理想。采用防氧化涂料来防止钢材加热过程中的氧化烧损是一种较好的方法，在金属热处理行业应用也较 为普遍。这类涂料应用条什较为苛刻 ”12，往往需要对下件表面进行喷砂打磨和溶剂清洗，使用温度一 般为 900一 1100 。但是，钢坯加热的状况完全不同于金属工件的热处理，如果在钢坯加热时应用防氧熊星云：男， 1947 年生，教授级高工， _T学博十；从事陶瓷与耐火材料的研究；通讯地址：武汉市青山区冶金大道 28 号，邮编： 430080 ， IU话： 027-86487685化涂料，很难进行表面处理。一是钢坯加热量火，采用清洗、喷丸

5、等方法进行表面处理的工作量太大。 二是某些钢坯通常要存放在 300C左右保温坑中，无法进行表面清理。此外，钢坯轧制加热的温度比金 属热处理温度要高得多，有的钢坯加热温度高达 1300 1400C，冈此，传统的金属热处理用防氧化涂料 不适合于某些钢材的轧制加热。为了防止某些钢坯加热过程中的氧化烧损，对取向硅钢和含镍的低合金 钢加热用防氧化涂料进行了研究。2实验21取向硅钢加热用防氧化涂料的制备 试验用取向硅钢硅的原子分数为 3 15 3 4。取向硅钢防氧化涂料以电熔镁砂、中档镁砂和 Ch03为主要原料，约占涂料总量的 90左右。为了提高涂层防氧化性能，加入一定数量铬、硅铁合金。所有的原料均应加工

6、成 325日的粉料。加入硅酸盐和磷酸盐结合剂调制成液态涂料。为确保液态涂料具有 良好的悬浮性、流动性等，还加入少量聚丙稀酸盐等有机物。液态涂料采用雾化性能怠好的喷嘴直接喷 涂到温度为 300C左右的板坯上，涂层厚度为 0 81， Omm，涂料籍板坯温度迅速干燥，然后推入步进梁 式加热炉，加热制度为1200 1450Cx300min 。22镍铬低合金钢加热用防氧化涂料的制备用丁镍铬低台金钢的防氧化涂料以 MgO的质量分数为 97舻 98的电熔镁砂超细粉体为主要原 料，为了使涂层在 900C左右就能烧结致密而产生保护作用，需要加入一定数量的低熔点的含锂矿物原 料和硅酸盐矿物原料。调制液态涂料时加入

7、硅酸盐和磷酸盐复合结合剂，涂层涂覆厚度为1，215mm。钢坯的加热制度为 900 1300Cx300min。3结果与分析3 1取向硅钢涂层的防氧化烧损效果与机理311试验结果取向硅钢的加热条件为 1200 1400Cx300 min，但在实际加热热过程中，板坯局部加热温度可能超 过 1450。 C。因此，所制各的涂料应该有突出的耐热性能。试验室条件 F模拟加热制度为：1150 1230 106min1230 1320 68min1320 1450 66min1450 60min累计加热时间 300min涂层厚度为 1mm左右，涂覆涂层的试样氧化烧损量为 0 4 0 5kg m2，无涂层试样的氧

8、化烧损量为35 40kg m。312防氧化烧损机理取向硅钢加热时生成以铁橄榄石 (2FeOSi02) 为主要成分的氧化铁皮，其熔点为 12050，而普通 钢材加热时所生成的氧化铁皮是 FeO、 Fe203、 Fe304的复合结构，轧制加热温度下基本上不产生液相。 传统的金属热处理用防氧化涂料一般含有较多的玻璃组分，故其耐高温性能有限。更为主要的是，取向 硅钢板坯表面附着二次氧化层，在高温下铁橄榄石液相对酸性、中性陶瓷或耐火材料的侵蚀性很强，更 不用说普通的玻璃相了。因此，传统的热处理防氧化涂料应用于取向硅钢加热时，当加热温度达到12501300(2时涂层就会遭到硅钢熔渣的侵蚀而破坏，起不到保护

9、作用。 以镁砂原料为主要成分的取向硅钢涂层防氧化烧损机理不同于传统的金属加热用防氧化涂料，它不是靠涂层本身的烧结致密而阻止氧化性气氛的侵入。因为取向硅钢板坯的入炉温度就达 1200 左右，此 时，钢坯表面的二次氧化铁皮中就有液相出现，并与涂层发生高温物化反应，从而形成致密的保护层。 如图 1所示，该涂层加热后分为三个层带。左边是与钢材接触的第一层，其厚度为 0 02mm左右。图 2 为第一层放大后的显微结构。图1 硅钢陶瓷涂层的显微结构反光， 200x 图 2涂层第一层带的显微结构反光， 630x该层带的基质为玻璃相，白色点状物为含有 A1203、 Cr203、 Si02、 Na20和 P20

10、5等成分较复杂的结晶 相，其中的多边形晶体为 Mg(Cr、 AI、 re)204尖晶石固溶体。该层的形成是由于涂层与钢坯表面的液态 氧化渣相互扩散、渗透发生物理化学作用的结果。第一层很致密，因此能有效地隔绝氧化气氛对钢坯 的氧化烧损作用。随加热时间的延长，液态氧化渣继续向涂层扩散形成第二层。此层的基质为镁铁橄榄石相，熔点较高，含量也较少，主晶相是 Mg(Fe、 Cr、 A1)204固溶体。冈此，该层的耐高温性能较好， 能够有效地阻止铁橄榄石液相进一步向涂层扩散。第三层为原始涂层，在长达 6个小时的加热过程中，1mm厚度涂层的侵蚀量只有 0 2mm左右。32镍铬低合金钢涂层的防氧化烧损效果与机理

11、321试验结果与分析 实验室条件下进行了 2h、 4h和 6h的模拟加热试验，加热温度为 1320 ，试验结果表明，无涂层试样随加热时间的延长，氧化层厚度不断增加，而有涂层试样随加热时间的延长，氧化层厚度变化甚微。 这对于某些特殊钢的加热有重要意义，因为有的钢坯在 1300D高温下加热时间 K=达 30余小时。图 3为 无图层试样经 1000 1300x300min 加热后氧化层的形貌，图左端为可剥离层，其厚度为 2mm左右， 不可剥离层的厚度约 2 5mm。可剥离层成分为氧化铁，不可剥离层的成分主要是铁、硅、铬、镍氧化物。试样加热后经冷水冲刷只有氧化铁层可剁落，剩余的氧化层与钢材粘附极牢固。

12、试样单面的氧化烧 损量是 3mm左右。图 5为涂覆涂层试样经 1320。 Cx6h加热后的形貌，阻左端的氧化铁层极薄，整个氧 化层的厚度只有O4mm左右，试样单面烧损量只有0I02ram。图6为涂层加热后的形貌，涂层和钢样 之间有很薄的一层氧化铁层，冷却后可自行剥落。涂层进入加热炉后很快就可烧结致密，基质为镁铁橄 榄石，包裹着来反虑完全的方镁石晶体。由于是喷涂的涂层，故涂层中有不连续的气孔存在。图 3镍铬低合金钢氧化层形貌 图 4氧化层的 EDAX 分析结果 镍铬低合金钢加热用防氧化涂层的防 lE氧化烧损盼机理与取向硅钢加热州防氧化涂层有所不同，钢材在加热过程中氧化铁皮呈固态，氧化层不具有阻

13、Ih氧化气氛向钢材扩散的能力，随加热时间的延长，图 5涂覆涂层镍铬低合金钢加热后的形貌 图 6加热后陶瓷涂层的显微结构 氧化层不断增厚。以氧化镁为主要成分的涂层要达到烧结致密，需要很高的温度，涂层中加入一定数擐的低熔点含锂矿物和硅酸盐矿物原料后，能在1000C左右产生液相，促进涂层烧结。随加热温度的上升， 涂层中的 MgO组分参加反应，形成高熔点相。故能确保涂层在 1000 1300C的较宽加热温度区间都具 有良好的保护作用。而含有较多玻璃组分的传统热处理防氧化涂料，使用温度范围通常较窄，很难做到 低、高温防氧化性能兼顾。3 2 2涂料生产应用结果镍的原子分数为 o 7 -3 o的钢材生产难点

14、之一就是轧制加热过程中氧化铁皮很难去掉，成材率较 低。为此，生产厂家常常采用火焰清理、包覆铁板等措施来防止氧化铁皮的生成，但效果并不理想，而 且相当麻烦。钢坯出炉后还采片 j撒盐、铺竹条等办法去除氧化铁皮。尽管如此，轧制后的板材还要进行 打磨、喷砂等 jL艺进行修整。低合金钢加热防氧化涂料应用十分方便，板坯表面不需作任何清理就可涂覆涂料。板坯从加热炉中抽出后经高压水冲刷，就可开裂、剥落，经过除鳞装置后涂层可完全去除。虽 然钢坯上有 O 4ram左右的氧化层，但轧制成板材后基本上没有影响，省却了较为繁重的修整工艺，成材 率大幅度提高。4结论(1)取向硅钢板坯加热用防氧化涂料的保护作用，是通过钢坯

15、加热过程中，表面形成的以铁橄榄石为主 要成分的液态氧化层与以氧化镁为主要成分的涂层在高温下通过扩散、渗透，形成致密的保护层， 能有效地降低钢坯的氧化烧损。(2)镍铬低合金钢加热用防氧化涂料是通过涂层本身的烧结而产生保护能力，涂层在在 900 6C 1300 温度加热过程中，通过涂层组分之间的物理化学反应。产生不同温度下的烧结相，兼具低、高温防 止氧化烧损的效果。(3)与传统防氧化涂料不同之处是，取向硅钢和镍铬低台金钢涂料组分中不含玻璃相，且以 MgO为主 要成分的涂层抗 FeO侵蚀能力强，因而适合于表面有二次氧化铁皮的钢坯加热使用，耐热温度高， 使用温度范围宽。参考文献C C索采夫， A t图曼诺夫着，金属加热用保护涂层陆索，北行，乐而伯译北京：机械工业 fJl版社， 1979，546I杨国清，热处理保护涂料的发展金属热处理， 1984， (10)： 4950小田岛毒男，北山寅，田中漯臣加，方向性琏秦钢C：扣I寸否天于7加熟畴。酸化防止技衍。明骚菇E镧，19957l(15) ： 11811817方向性建素娴。叉于歹加熟方法川崎制镶 (株 ) 日 特明昭 60-262919，