一种铸坯防氧化涂料及其喷涂方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及防氧化涂料技术领域，特别涉及一种铸坯防氧化涂料以及在高温下铸坯防氧化涂料的喷涂方法。
【背景技术】
[0002]通常铸坯或铸锭在轧制前，都要在加热炉中进行加热或均热。其加热温度根据钢种和轧制工艺的不同为1000°c?1200°C，加热时间一般控制在1?5小时之间。在加热过程中，铸坯表面与炉气中的氧发生反应产生大量氧化铁皮，使钢的成材率显著降低。据统计，每加热一次，因铸还表面氧化而造成的氧化烧损平均为1.2%左右，最闻可达到2.0 %。而在机械行业，这种氧化烧损更高达5%左右。
[0003]铸坯的氧化不但会造成原料和能源的极大浪费，同时，也会使劳动生产率大幅度降低。而铸坯表面的氧化铁皮在除鳞过程中如果不能清除干净，将导致其在轧制时压入坯料表面，造成产品表面质量缺陷，甚至导致产品报废。
[0004]为了减少铸坯在加热过程中所产生的氧化，目前已经开发了多种抗氧化方法和技术。而影响铸坯表面氧化的主要因素有加热温度、加热时间、炉气成分、钢的化学成分以及铸坯受热面积与重量之比值等，因此，缩短加热时间、控制燃气成分或采用惰性气体保护，被认为是降低铸坯表面氧化的技术措施之一，并在一些冶金企业进行了试用。虽然上述方法措施可以在一定程度上降低铸坯在加热过程中的氧化速度，但因其效果较低，以及设备投资较大、运营成本较高等原因，使大范围推广受阻。
[0005]目前市场还出现了抗氧化涂层技术，该技术是在钢材的表面喷涂一层高温防护涂料，使钢材在加热过程中尽量产生少量的氧化铁皮。但该技术在实际使用中存在如下不足和缺陷:
[0006](1)抗氧化温度范围过低。目前开发的抗氧化涂料的抗氧化温度多在1000°C或低于1000°C。对于一些特种钢材如不锈钢、硅钢和一些航空用特种钢材等，其抗氧化温度范围过低。
[0007](2)抗氧化效果较差。目前的抗氧化涂料仅能使钢材的氧化烧损减少30%左右，其成材率仅能提高0.3%左右，其抗氧化效果不明显。
[0008](3)使用效果不稳定。由于钢种、浇注工艺以及使用条件的不同，目前的抗氧化涂料的抗氧化效果存在较大差异，使用效果不稳定，这也是钢铁企业最难以接受的。
[0009](4)经济效益低。扣除涂料成本及相关费用，经济效益较低。
【发明内容】
[0010]本发明的目的是提供一种铸坯防氧化涂料及其喷涂方法。在对铸坯表面涂层加热时的变化过程、规律以及机理进行充分研究的基础上，研制出一种由氮化硅和碳化硅及铁为主要构成的铸坯防氧化涂料。该涂料可以有效抑制铸坯表面在加热过程的氧化，显著提高钢材的收得率。
[0011]本发明由以下几种技术方案构成，本发明的铸坯防氧化涂料是由30%?90%Si3N4 (氮化硅)或30 %?90 % SiC (碳化硅)，和5 %?20 % Fe (铁)构成，其余为A1203、Si02、Mg0以及Cr203中的至少一种。
[0012]本发明的铸坯防氧化涂料还由30%?90% Si3N4和SiC,以及5%?20% Fe构成，其余由Al203、Si02、Mg0以及Cr203中的至少一种。
[0013]本发明提供了铸坯防氧化涂料的喷涂方法，其特点在于采用粉体静电方式在< 1200 V高温下对铸坯表面进行喷涂。
[0014]本发明的防氧化涂料能够在铸坯涂料表面形成低熔点玻璃相，有效抑制氧气向涂料内部的扩散，在保护内部的氮化硅或碳化硅或氮化硅和碳化硅不被氧化的同时，又在铸坯表面和低熔点玻璃相间形成陶瓷相，有效阻隔低熔点玻璃相对铸坯的腐蚀。在加热过程中使铸坯表面形成具有双层结构的保护层，使铸坯表面既不被氧化又不被腐蚀，提高了防氧化涂料的使用效果和钢材的成材率。
【具体实施方式】
[0015]以下结合示例性实施例，进一步详细描述本发明的设计思想以及形成机理，以使本发明的技术解决方案更加清楚。
[0016]申请人在实际工作和使用中发现，目前研究工作普遍关注的是如何在铸坯表面快速形成低熔点玻璃相，以抑制氧气向铸坯表面和内部的扩散。但却忽略了形成的玻璃相对铸坯表面所产生的腐蚀作用，这也是目前抗氧化涂料使用效果较差的主要原因。之所以存在上述问题，主要是人们对钢材表面涂层的抗氧化行为和机理尚未充分理解和掌握，目前也未能开发出适用于铸坯氧化行为及预防氧化机制的涂料及工艺。由此而引发本发明的研究方向以及技术方案的形成。
[0017]本发明铸坯防氧化涂料技术方案的组成有这几种方式，一是由30%?90%Si3N4(氮化硅)和5%?20% Fe (铁)构成，其余为A1203、Si02、MgO以及Cr203中的至少一种；二是由30%?90% SiC(碳化硅)和5%?20% Fe构成，其余为A1203、Si02、MgO以及Cr203中的至少一种；三是由30%?90% Si3N4和SiC,以及5%?20% Fe构成，其余由A1203、Si02、MgO以及Cr203中的至少一种；四是本发明提出了铸坯防氧化涂料的喷涂方法，采用粉体静电方式在〈1200 V温度下对铸坯表面进行喷涂。
[0018]通过对上述技术方案组成的研究分析得出，Si3N4 (氮化硅)和SiC (碳化硅)是强共价键化合物，具有良好的化学稳定性，耐熔渣侵蚀性好，在空气中氧化能够形成致密的保护膜。但是，由于氮化硅和碳化硅在空气中的氧化要在1200°C以上才能进行，而在铸坯加热温度1000°C?1200°C下难以形成致密的保护膜。为此，本发明在铸坯涂料中添加了金属铁(Fe)，使其在加热反应过程中作为催化剂，降低氮化硅和碳化硅的氧化温度，从而使氮化硅和碳化硅在铸坯加热温度100(TC?1200°C下产生氧化。
[0019]在铸坯喷涂中的氮化硅和碳化硅氧化后，氧化层中的铁开始氧化并与涂料构成中的Si02形成Si02-Fe0x 二元系。由于Si02-Fe0x 二元系的熔点和粘度均较低，因此，铸坯涂料表面会很快形成低熔点玻璃相，有效地抑制氧气向涂料内部的扩散，保护内部的氮化硅或碳化硅或氮化硅和碳化硅不被氧化，进而在铸坯表面和低熔点玻璃相间形成隔离层。该隔离层在铸坯表面和低熔点玻璃相之间形成一层陶瓷相，形成的陶瓷相可以有效阻隔低熔点玻璃相对铸坯的腐蚀。因此，本发明的铸坯防氧化涂料除了在铸坯涂料表面形成的低熔点玻璃相之外，还在铸坯表面和低熔点玻璃相之间形成了陶瓷相，在加热过程中可以在铸坯表面形成具有双层结构的保护层，使铸坯既不被氧化又不被腐蚀，大大提高了防氧化涂料的使用效果。
[0020]对于铸坯防氧化涂料的喷涂方法，多采用在〈100°C常温下喷涂，待涂料干燥成膜后再入炉加热。但是，由于连铸技术的进步以及节能的考虑，目前多数钢铁企业开始采用铸坯红坯入炉工艺。由于红坯铸坯的表面温度在300°C?500°C以上，因此，传统的将涂料加水混合成浆体的喷涂方式已经不能使用。为此，本发明通过改进，采用粉体静电方式对高温下的铸坯进行喷涂。即将涂料加工成粉末状，通过静电喷涂方式将粉末状涂料喷涂到铸坯的表面上。由于静电喷涂时涂料中必须有带电颗粒，而本发明防氧化涂料构成中的铁即可起到导电介质的作用，使静电喷涂的操作简单可行。
[0021]本发明铸坯防氧化涂料是在进行了多次试验后并且取得了成功效果的结果。本发明在试验过程中发现，当Si3N4或SiC或Si3N4+SiC小于30%时，由于因Si3N4或SiC氧化生成的Si02量不足,难以与Fe氧化后生成的FeOx反应形成足够的低熔点玻璃相，不能有效地抑制氧向铸坯表面的扩散。另外，当Si3N4或SiC或Si3N4+SiC小于30%时，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点玻璃相的陶瓷相结构。当Fe含量低于5%时，其作为催化剂的作用不显著，不能有效促进Si3N4或SiC在铸坯加热温度下的氧化以及低熔点玻璃相的形成。另外，当Fe含量小于5%时，在高温下对铸坯采用粉体静电喷涂时，其作为导电介质的作用减弱，不利于形成具有一定厚度与铸坯结合良好的涂层。而当Fe含量高于20%时，Fe作为催化剂的效果已经不显著，而且由FeOx与Si02所形成的低熔点玻璃相含量过高，对陶瓷相的侵蚀会加剧，从而对铸坯表面的保护造成影响。因此，本发明的主要构成选择为合理有效的30%?90% Si3N4或30%?90% SiC，或30%?90%Si3N4和SiC，和5%?20% Fe (铁)构成；其余为A1203、Si02、Mg0以及Cr203中的至少一种或一种以上作为粘土等辅助用料添加。本发明还优选出45%?75% Si3N4或45%?75%SiC,或45%?75% Si3N4和SiC，以及8%?15%