鑄坯抗氧化隔離劑噴涂效果的試驗(yàn)研究

黃 敏，翟 煒，張 海，周勁軍

（馬鋼股份有限公司 第四鋼軋總廠，安徽 馬鞍山 243000）

常規(guī)的熱軋工藝包括板坯再熱、 熱軋和卷曲等幾個(gè)主要過(guò)程。鋼坯再熱爐中，由于環(huán)境氣氛具有很強(qiáng)的氧化性，在高溫的催化下，鋼坯表面元素發(fā)生氧化反應(yīng)，形成很厚的氧化皮。

根據(jù)世界鋼鐵協(xié)會(huì)發(fā)布的《世界鋼鐵統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)2021》可知，2020年全球粗鋼產(chǎn)量18.78億t，其中，中國(guó)粗鋼產(chǎn)量達(dá)到10.65億t，如此龐大的產(chǎn)量，如按平均2%的總氧化燒損率計(jì)算，則全國(guó)鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中氧化燒損量約為2 130萬(wàn)t，相當(dāng)于一個(gè)超大型鋼廠的年產(chǎn)量。

某企業(yè)響應(yīng)以習(xí)主席為核心的黨中央提出的碳達(dá)峰碳中和的戰(zhàn)略部署，提高資源能源利用水平，最大限度地減輕發(fā)展對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的影響。 自2012年起， 創(chuàng)新型孵化團(tuán)隊(duì)高起點(diǎn)地將中科院過(guò)程所對(duì)冶金高溫特種涂層防護(hù)的基理與國(guó)家納米科學(xué)中心納米無(wú)機(jī)粘結(jié)劑技術(shù)相結(jié)合， 成功孵化出了國(guó)內(nèi)唯一的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的微納米金屬高溫抗氧化隔離劑系列涂層材料， 以及適應(yīng)工業(yè)化現(xiàn)場(chǎng)的在線全自動(dòng)專(zhuān)用噴涂設(shè)備及其應(yīng)用技術(shù)。

1 抗氧化涂料原理及應(yīng)用范圍

1.1 原理介紹

納微鋼坯高溫抗氧化防護(hù)涂層技術(shù)核心，就是在鋼坯進(jìn)加熱爐前，在其表面噴涂一層微納米級(jí)的高溫防護(hù)涂層，使其在加熱爐內(nèi)隔絕鋼坯表面與爐內(nèi)的氧化氣氛之間的聯(lián)系。高溫下隔離劑不僅能減少氧化燒損，提高成材率，也能改變氧化鐵皮生成的結(jié)構(gòu)，提高氧化層致密的四氧化三鐵鐵皮的占比，縮減了疏松層占氧化皮總厚度的比值；還可改變氧化皮與鋼坯基體的熱應(yīng)力，熱膨脹系數(shù)也相應(yīng)得到改變；同時(shí)氧化速率的降低減緩了底層富硅層的生成量，因此除鱗率顯著提升。 抗氧化涂料三大機(jī)理如圖1所示。

圖1 抗氧化涂料三大機(jī)理示意圖

1.2 產(chǎn)品概述

該系列產(chǎn)品是由礦粉、冶金廢棄物、新型有機(jī)粘結(jié)劑和無(wú)機(jī)試劑等， 分別制煉成微納米級(jí)別的粉體和液體，粉、液體雙組分，現(xiàn)場(chǎng)復(fù)合而成的水性懸浮乳液狀新型功能性材料。 目前有針對(duì)不同加熱工藝制度、不同鋼種的11個(gè)品種。

該產(chǎn)品適用鋼種：普碳鋼（角鋼、槽鋼、工字鋼、建筑螺紋、線材、帶鋼和普碳卷等）、合金鋼（合結(jié)鋼、高強(qiáng)鋼、耐磨鋼、耐候鋼和管線鋼等含硅、含鎳、含銅、含鋁類(lèi)合金鋼）、不銹鋼、鈦合金等。

該產(chǎn)品適應(yīng)行業(yè)：鋼鐵行業(yè)、鍛造業(yè)及其下游零部件、基礎(chǔ)工具和基礎(chǔ)材料加工制造業(yè)等。

2 批量試驗(yàn)

為了測(cè)試“高溫防氧化隔離劑”在大生產(chǎn)狀態(tài)下批量使用的有效性和實(shí)用性， 在噴涂設(shè)備安裝完成且具備板坯噴涂功能后， 開(kāi)始對(duì)入爐鑄坯批量噴涂試用。計(jì)劃按一定涂料量試用，并對(duì)防氧化效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，得出噸鋼平均減少氧化燒損量。于2021年初對(duì)熱軋生產(chǎn)線上的入爐前板坯進(jìn)行了間斷性地連續(xù)噴涂，并進(jìn)行了跟蹤和分析。

2.1 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備布置及工藝

圖2為高溫噴涂工藝流程圖。通過(guò)水系統(tǒng)及其壓縮空氣系統(tǒng)， 設(shè)備控制及自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)原料罐攪拌罐、供料泵站系統(tǒng)、物料返回系統(tǒng)和管路沖洗系統(tǒng)進(jìn)行控制確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。 首先是原料在原料罐中經(jīng)過(guò)攪拌均勻后，利用設(shè)備控制及自動(dòng)化系統(tǒng)，通過(guò)供料泵站系統(tǒng)將高溫涂層物料送入噴涂設(shè)備中；同時(shí)在連鑄坯輸送輥道上通過(guò)連鑄坯對(duì)中設(shè)備， 將連鑄坯調(diào)整到輥道中間， 利用表面除鱗設(shè)備將鋼坯表面前期產(chǎn)生的氧化鐵皮及雜質(zhì)去除掉， 并使用表面清掃設(shè)備進(jìn)行表面清掃處理； 利用噴涂設(shè)備將高溫防護(hù)涂層物料根據(jù)一定的工藝參數(shù)噴涂于鋼坯表面， 之后利用連鑄坯輸送輥道將高溫防護(hù)涂料涂覆的鋼坯樣品輸送到加熱爐中；同時(shí)在表面除鱗設(shè)備、表面清掃設(shè)備和噴涂設(shè)備運(yùn)行時(shí)，啟用除塵設(shè)備，防止環(huán)境污染。

圖2 噴涂工藝流程圖

2.2 噴涂的均勻性和涂料的噸鋼用量

在板坯上放置兩塊2 000 mm×250 mm表面光滑的不銹鋼板基板，與鋼坯同步噴涂，噴涂后取下，待表面涂料干燥后均勻取16個(gè)點(diǎn)測(cè)量厚度， 減去不銹鋼板厚度，得出涂料厚度，通過(guò)對(duì)16個(gè)點(diǎn)的涂料厚度進(jìn)行比較，判斷噴涂的均勻性。 取涂料的平均厚度，再根據(jù)板坯尺寸和涂料的比重（2.0 g/cm3），計(jì)算出涂料的噸鋼用量。 表1為不銹鋼板基板測(cè)量結(jié)果。

表1 基板厚度測(cè)量 （mm）

選取的16個(gè)點(diǎn)測(cè)量厚度，測(cè)量值見(jiàn)表2。 從各個(gè)點(diǎn)的涂料厚度可以看出，在線自動(dòng)噴涂均勻。通過(guò)計(jì)算，噴涂厚度為0.24 mm，涂料密度按2.0 g/cm3及噴涂損失計(jì)算，涂料使用量為0.55 kg/t鋼，滿足技術(shù)協(xié)議中的最低技術(shù)指標(biāo)：涂料噸鋼消耗涂料≤0.6 kg。

表2 噴涂厚度測(cè)量記錄 （mm）

2.3 測(cè)試方法及噴涂效果

從生產(chǎn)系統(tǒng)里導(dǎo)出板坯生產(chǎn)全過(guò)程信息數(shù)據(jù)，取相同工況下噴涂與未噴涂數(shù)量基本一致的板坯樣本，按連鑄機(jī)號(hào)、鋼種進(jìn)行分類(lèi)分析比較。

本次測(cè)試共選取鋼坯1 975塊， 其中已噴涂776塊，未噴涂1 199塊，噴涂的板坯平均成材率比未噴涂的板坯成材率提高了0.31%（見(jiàn)表3）。

表3 整體噴涂與未噴材料成材率對(duì)比

（1）按連鑄機(jī)分析

從生產(chǎn)實(shí)績(jī)跟蹤數(shù)據(jù)看，連鑄不同機(jī)組成材率存在差異， 故在分析噴涂效果時(shí)按連鑄機(jī)組分開(kāi)比較（見(jiàn)表4）。

表4 連鑄機(jī)組間比較

可以看出，2#連鑄機(jī)板坯噴涂后成材率平均提高0.42%，3#連鑄機(jī)板坯噴涂后成材率平均提高0.27%。

（2）按鋼種分析

由于個(gè)別數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)量有限，不具有代表性，影響結(jié)果判斷， 故以噴涂量較大的四個(gè)鋼種進(jìn)行對(duì)比分析，如圖3所示。

圖3 噴涂效果在鋼鐘上差異對(duì)比圖

選取板坯數(shù)量較多的三個(gè)鋼種（MBTRG00101、MBTRG00201及MBTRG00301）進(jìn)行了比較，結(jié)果見(jiàn)表5～表7。

表5 MBTRG00101比較

從表5～表7可以看出， 相同鋼種在相同的工況下，噴涂的效果均比較明顯，成材率穩(wěn)定提高。

表7 MBTRG00301比較

3 初步效益計(jì)算

噴涂涂料后， 成材率比未噴涂時(shí)增加0.31%；氧化鐵皮依據(jù)目前市場(chǎng)可查詢到回收平均含稅價(jià)約為700元/t；涂料用量按0.6 kg/t計(jì)算涂料價(jià)格；水電氣人工成本按實(shí)際情況計(jì)算。噸鋼收益計(jì)算公式：噸鋼收益=噸鋼節(jié)約量×（鋼材價(jià)格-氧化鐵皮價(jià)格）/1 000-噸鋼用涂料成本-水電氣人工成本。

表6 MBTRG00201比較

針對(duì)兩種不同板材價(jià)格分別作出效益曲線圖（見(jiàn)圖4）。

圖4 不同板材價(jià)格的效益曲線圖

4 結(jié)論

數(shù)據(jù)結(jié)果表明， 將噴涂設(shè)備進(jìn)行調(diào)試優(yōu)化改造并調(diào)高噴涂壓力，此方法取得了明顯的效果，在噸鋼噴涂量0.55 kg/t條件下，噸鋼燒損可降低0.31%，結(jié)果都完全達(dá)到產(chǎn)品試用的技術(shù)協(xié)議要求， 即涂料噸鋼消耗涂料≤0.6 kg，噸鋼燒損降低≥0.28 kg，且現(xiàn)有設(shè)備已經(jīng)能夠滿足大批量長(zhǎng)時(shí)間的噴涂運(yùn)行。