新型钢坯高温动态防氧化技术项目建议书

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1、钢坯高温动态防氧化技术 项目建议书 中国科学院 中北国技（北京）科技有限公司 中国科学院 中北国技（北京）科技有限公司 2 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

2、出、污染低排放。 我国是世界上第一大钢铁生产国，2007年中国粗钢产量达 4.89 亿吨，同比 增长15% 。但是，其资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，在治金企业的生产中， 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

3、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。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

4、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。 中国科学院 中北国技（北京）科技有限公司 3 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

5、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。 高温防氧化技术是采用高温防氧化涂层喷涂在钢坯表面，在一定程度上大大 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。 因此钢坯的高温防氧化技术具有很好的应 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、国内外高温防氧化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

6、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、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，对钢坯高温防氧化技术研究关 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

7、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，适当地采取高温防氧化技术尤其是采用高温防氧化涂层技 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 中国科学院 中北国技（北京）科技有限公司 4 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

8、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 此限制了此类成果的推广。 我们实际考察了目前多家钢铁企业普通低碳钢的热轧前加热过程，发现大部 分的低碳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2-3 小时时间范围， 有时由于生产的连续性等原因，钢坯在 炉内停留的时间可能会更长。 同时我们也发现连铸连轧工艺推广，使得大部分低 碳钢的钢坯在入炉前是处在一个动态热输送过程，坯体温度在800左右。普碳 钢的氧化烧

9、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 普碳钢的钢坯高温防氧化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 面大量广的普碳钢坯加热工

10、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。 我们已完成了与济南钢铁集团合作的普碳钢坯动态过程防氧化涂料项目，该 课题实现了红热板坯直接喷涂后入炉加热，填补了国内空白， 通过对钢坯在炉内 暂时性保护，使得炉内钢坯的氧化烧损降低65% 以上，试验跟踪表明涂层对基体 的质量和后期处理工艺无任何不良影响。该项目已经在济南钢铁集团完成了示范 工程鉴定，取得了创新性成果。 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 800摄氏度的红热钢

11、坯上直接喷涂的防氧化 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，提升了防 中国科学院 中北国技（北京）科技有限公司 5 氧化涂料的应用价值。 动态过程钢坯高温防氧化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。 该新型防氧化涂料具有如下特点： 1、涂层能有效地降低高温炉中待轧钢坯的表面氧化和脱碳。在钢坯表面形成一 层致密的行之有效

12、的化学转移膜，隔绝了钢坯表面与炉内气体的的接触，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、高温高温防氧化涂层

13、的作用机理 常规的平板热轧工艺包括板坯再热、热轧和卷曲等几个主要过程。 在加热过 程中，钢坯在再热炉中用燃烧的天然气加热到必要的温度。由于环境气氛具有很 强的氧化性， 在加热过程中板坯表面形成很厚的氧化皮(一般可达数毫米厚 )。尤 其是热轧工艺，通常，完成整个初轧过程需要 7个或更多道次。热轧之后形成“中 间坯”厚度为 1945mm( 大部分在 2030mm 之间) ，然后，进行精轧处理。 高温抗氧化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

14、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 中国科学院 中北国技（北京）科技有限公司 6 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，高温抗氧化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

15、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。 五、新型钢坯防氧化涂料 我们知道，钢铁生产过程中的高温氧化损失大部分发生在轧制前的毛坯均热 过程，这一过程温度达到1250-1300。此前钢坯从连铸到均热炉前均为热送 连续过程，整个

16、过程钢坯逐步降温，在均热炉前基体温度降到800-900左右， 这一过程钢坯的氧化烧损相对较轻。均热炉中为富氧气环境， 毛坯要在炉内至少 停留两个小时左右， 这大大的加速了氧化铁皮的生成即钢坯的氧化烧损，所以如 果能在钢坯入炉之前做到对钢坯表面施以防氧化涂层而使得其在炉内保护钢坯 防止氧化，将会大大降低整个生产过程中的烧损比重，加上钢坯轧制前钢坯一直 处在一个高温动态输送过程中，这就需要研制一种能够喷涂在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1400以下均能起到防氧化作用 的涂料，通过该涂料的应用有效的减少钢铁高温处理工艺中造成的损失，达到节 能增效增收的目的。 新型钢坯防氧化涂料的开发要求多种因素的限制给涂料的研究带来了很大 的难度，一直以来此项研究尚为空白。 我们通过多年研究和现场试验开发出了一 种能满足普通钢坯高温热处理工艺的防氧化涂料，该涂料原材料来源广泛， 成本 低, 吨钢平均增加成本约 57元，而且该涂料环境友好，对钢种具有普适性，有 中国科学院 中北国技（北京）科技有限公司 7 效防氧化温度可达 1400； 该涂料可直