CN110093053B - 重轨钢钢坯加热过程中高温防脱碳保护涂料及其制备方法和应用 - Google Patents

重轨钢钢坯加热过程中高温防脱碳保护涂料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种重轨钢钢坯加热过程中高温防脱碳保护涂料及其制备方法和应用，该涂料由无机矿粉和粘结剂两部分组成，其中无机矿粉由以下原料按重量百分比组成：50％～60％高铝粉煤灰、20％～30％含钛高炉渣、10％～20％黑滑石、5％～10％莫来石、1％～5％苏州土，上述组分细度均为280目。粘结剂组成为柠檬酸钠5％～10％、淀粉1％～3％、硅溶胶20％～40％和水50％～70％。在使用时直接粉液重量比5：3调和均匀即可。本发明适用于重轨钢钢坯热轧前的高温加热过程中，在1100～1300℃下有较好的防脱碳效果，在冷却过程中易剥落，且轧材表面光洁度高，质量好。

Description

重轨钢钢坯加热过程中高温防脱碳保护涂料及其制备方法和 应用
技术领域
本发明涉及钢坯高温防脱碳保护涂料，尤其是一种重轨钢钢坯加热过程中高温防脱碳保护涂料及其制备方法和应用。
背景技术
钢轨脱碳将使其性能降低，如机械性能下降、硬度降低、耐磨性差和疲劳强度降低等。近年来，随着铁路车速和轴重的不断提高，要求钢轨具有更大的刚度和更强的耐磨性，这对钢轨的脱碳层深度提出了更加严格的要求，要求钢轨脱碳层深度≤0.3mm。目前重轨生产企业一般在正常的加热工艺条件下轧制后的重轨钢轨踏面脱碳层基本在0.5mm深度左右范围波动，工艺改进距离将脱碳层完全控制在0.3mm以下还有一定得差距。
由于重轨钢含碳量高，钢坯加热过程氧化、脱碳较严重。而铁路高速、重载的要求不断加大，使得对重轨的表面质量、内部质量、力学性能以及外观尺寸等的质量要求也愈来愈高。C是钢轨钢中Fe以外的主要元素，也是主要的强化元素，它能够增强重轨的强度、硬度以及耐磨性。随着碳含量的增加，钢轨钢的强度极限、硬度及耐磨性迅速增加，当碳含量从0.35％增加到0.65％时，可使钢的耐磨性提高60％。U75V为重轨钢钢种，其含碳量在0.71％到0.8％之间，由于碳含量比较高，坯料在加热过程中的过热、过烧敏感性较大，容易出现严重的氧化和脱碳现象，而且在轧制时也具有脱碳倾向，脱碳将使重轨钢的强度、硬度、耐磨性和疲劳强度等力学性能降低。重轨钢的脱碳主要发生在钢坯的加热过程中，是一个较为复杂的过程，而且伴随着氧化同时发生。钢坯氧化和脱碳的速度和程度与很多因素有关，其中主要有钢坯的钢种成分、加热炉内的加热温度、炉内气氛及加热时间等。国外主要重轨生产厂如日本新日铁八幡厂、德国蒂森公司、法国钢铁集团哈亚士厂、加拿大悉尼钢厂和卢森堡罗丹厂等，钢坯加热设备均通过多种工艺改进和手段严格控制重轨钢的脱碳问题。即便如此，工艺外的涂层防护的模式在国内外多家钢轨企业所采用。防脱碳涂层防护的形式可有效缓解加热过程的钢坯表面脱碳问题，不受钢铁生产工艺的制约。
CN1127789A公开了一种针对高碳钢坯加热氧化和脱碳的涂料，主要针对高碳轴承钢。CN101486848A公开了一种高温防氧化脱碳的干粉涂料，使用玻璃料，粘土和滑石粉为主体，其主要针对不锈钢，耐热钢等高合金钢，对重轨钢不适用。CN1632137A公开的高效能自剥落高温防氧化/脱碳涂层材料，以TiO2、Al2O3、SiO2、玻璃粉、增强型碳粉为原料，以聚乙二醇、聚乙烯醇为粘结剂，溶剂为水，丙酮等。适用于800-1200℃/4-10小时的加热防氧化/脱碳，可在热处理后自剥落，但是该种涂层材料用到大量有机物，不仅提高了涂料的成本，还有可能因毒性造成环境污染。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种重轨钢钢坯加热过程中高温防脱碳保护涂料及其制备方法和应用，该防脱碳保护涂料在800℃以下钢坯上直接喷涂，粘附性能良好，高温下形成有效阻碍碳氧扩散的保护层，出炉冷却过程中能够自剥。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
一种重轨钢钢坯加热过程中高温防脱碳保护涂料，原料组成为无机矿粉和粘结剂，无机矿粉和粘结剂的重量配比为5：3；其中：
无机矿粉由以下原料按重量百分比组成：50～60％高铝粉煤灰，20～30％含钛高炉渣，10～20％黑滑石，5～10％莫来石，1～5％苏州土；
粘结剂由以下原料按重量百分比组成：柠檬酸钠5～10％；淀粉1～3％；硅溶胶20～40％，水50～70％。
所述的重轨钢钢坯加热过程中高温防脱碳保护涂料的制备方法，包括下述步骤：
(1)先将组成无机矿粉的各原料加工细度至260～400目，然后把各原料粉按比例混合成均匀的粉料，备用；
(2)制备粘结剂：先按比例将柠檬酸钠加入到水中搅拌溶解，再加入淀粉，分散均匀，然后加入定量的硅溶胶，搅拌均匀，得到粘结剂液体，备用；
(3)按重量配比计，将5份步骤(1)制备的粉料和3份步骤(2)制得的液体直接混合，调和均匀即为重轨钢钢坯加热过程中高温防脱碳保护涂料。
所述的重轨钢钢坯加热过程中高温防脱碳保护涂料的应用是：在800℃以下钢坯上直接喷涂或涂刷于重轨踏面一侧的钢坯表面，炉内使用温度1100～1300℃。
采用上述技术方案的本发明，与现有技术相比，有益效果是：
本发明专门适用于U71Mn、U75V等重轨钢系列钢种加热过程防脱碳的需求，涂料在进加热炉前施用，在铁轨钢上的应用仅需要保证轨头一侧坯面和上下两棱角处涂料均匀涂施，平米用量0.5-1.5公斤，喷施前须保证钢坯表面氧化铁皮片层清除干净，入炉前需尽量保证本系列产品表干，更可以直接喷涂到热态钢坯表面，加热过程中保护钢坯表面，实现降低高温坯体脱碳层深度的作用。
进一步的，本发明的优选方案是：
高铝粉煤灰中氧化铝含量大于40％。
含钛高炉渣中氧化钛含量大于10％。
粘结剂中的淀粉为普通玉米淀粉、阳离子醚化淀粉、木薯淀粉中的一种或几种。
粘结剂中的硅溶胶为浓度20～40％的碱性硅溶胶。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步阐述，但实施例不对本发明构成任何限制。
本涂料主要喷涂或涂刷在重轨钢踏面一侧钢坯表面，保护温度区间为1100～1300℃，可以有效防止重轨钢高温加热过程基体表面过度脱碳。
实施例一：
选用的无机矿粉由以下原料按重量百分比组成：55％高铝粉煤灰、25％含钛高炉渣、12％黑滑石、5％莫来石、3％苏州土，以上组分之和为100％，其中高铝粉煤灰中氧化铝含量41％，含钛高炉渣中氧化钛含量11％，上述组分细度均为280目；把各种原料粉按比例混合成均匀粉料。
粘结剂组成为柠檬酸钠5％、淀粉2％、硅溶胶30％和水63％，其中淀粉为普通玉米淀粉，硅溶胶为浓度30％的碱性硅溶胶。该粘结剂制备方法为先按比例将柠檬酸钠加入到水中搅拌溶解后加入淀粉分散均匀，然后将定量的硅溶胶加入到上述液体中搅拌均匀。
使用时，直接将无机粉料与粘结剂按重量比5：3调和均匀即得到该高温防脱碳保护涂料，下面是针对在无涂料情况下的重轨钢和采用本发明所述涂料的重轨钢防脱碳性能对比实验。
将U71Mn钢钢坯踏面一侧，表面清洁干燥后备用。分别将表面涂涂料和不涂涂料的样品进入加热炉，炉温制度见表1，检测脱碳层深度见表2。
表1加热炉炉温制度
Figure BDA0002082604380000041
表2涂层防护对U71Mn脱碳层厚度变化
Figure BDA0002082604380000042
从表2中结果可以看出，无涂层防护的样品表面脱碳层深度普遍在0.45-0.75mm之间，而有涂层材料保护的样品脱碳层全部去除。
实施例二：
选用的无机矿粉由以下原料按重量百分比组成：50％高铝粉煤灰、30％含钛高炉渣、8％黑滑石、10％莫来石、2％苏州土，以上组分之和为100％，其中高铝粉煤灰中氧化铝含量45％，含钛高炉渣中氧化钛含量21％，上述组分细度均为325目；把各种原料粉按比例混合成均匀粉料。
粘结剂组成为柠檬酸钠8％、淀粉1％、硅溶胶25％和水66％，其中淀粉为木薯淀粉，硅溶胶为浓度40％的碱性硅溶胶。该粘结剂制备方法为先按比例将柠檬酸钠加入到水中搅拌溶解后加入淀粉分散均匀，然后将定量的硅溶胶加入到上述液体中搅拌均匀。
使用时，直接将无机粉料与粘结剂按重量比5：3调和均匀即得到该高温防脱碳保护涂料。针对在无涂料情况下的U71Mn重轨钢和采用本实施例所述涂料的U71Mn重轨钢进行防脱碳性能对比实验。
本实施例和实施例一的区别在于涂层材料组分有所差异，试验钢种一致，试验结果与实施例一相同。
实施例三：
选用涂料无机矿粉由以下原料按重量百分比组成：58％高铝粉煤灰、20％含钛高炉渣、16％黑滑石、5％莫来石、1％苏州土，以上组分之和为100％，其中高铝粉煤灰中氧化铝含量42％，含钛高炉渣中氧化钛含量15％，上述组分细度均为280目；把各种原料粉按比例混合成均匀粉料。
粘结剂组成为柠檬酸钠8％、淀粉2％、硅溶胶35％和水55％，其中淀粉为阳离子醚化淀粉，硅溶胶为浓度20％的碱性硅溶胶。该粘结剂制备方法为先按比例将柠檬酸钠加入到水中搅拌溶解后加入淀粉分散均匀，然后将定量的硅溶胶加入到上述液体中搅拌均匀。
使用时，直接将无机粉料与粘结剂按重量比5：3调和均匀即得到该高温防脱碳保护涂料。
将U75V钢钢坯踏面一侧，表面清洁干燥后备用。分别将表面涂本实施例所述涂料和不涂本实施例所述涂料的样品进入加热炉，进行防脱碳性能对比实验。本实施例和实施例一的区别在于实验用钢种为U75V且涂层材料组分有所差异，试验结果与实施例一相同。
实施例四：
选用的无机矿粉由以下原料按重量百分比组成：52％高铝粉煤灰、24％含钛高炉渣、16％黑滑石、5％莫来石、3％苏州土，以上组分之和为100％，其中高铝粉煤灰中氧化铝含量45％，含钛高炉渣中氧化钛含量21％，上述组分细度均为325目；先把各种原料粉按比例混合成均匀粉料。
粘结剂组成为柠檬酸钠6％、淀粉3％、硅溶胶21％和水70％，其中淀粉为木薯淀粉，硅溶胶为浓度20％的碱性硅溶胶。该粘结剂制备方法为先按比例将柠檬酸钠加入到水中搅拌溶解后加入淀粉分散均匀，然后将定量的硅溶胶加入到上述液体中搅拌均匀。
使用时，直接将无机粉料与粘结剂按重量比5：3调和均匀即得到该高温防脱碳保护涂料。针对在无涂料情况下的U75V重轨钢和采用本实施例所述涂料的U75V重轨钢进行防脱碳性能对比实验。
本实施例和实施例一的区别在于涂层材料组分有所差异，试验钢种不同，试验结果与实施例一相同。
实施例五：
选用的无机矿粉由以下原料按重量百分比组成：58％高铝粉煤灰、22％含钛高炉渣、10％黑滑石、6％莫来石、4％苏州土，以上组分之和为100％，其中高铝粉煤灰中氧化铝含量45％，含钛高炉渣中氧化钛含量11％，上述组分细度均为325目；先把各种原料粉按比例混合成均匀粉料。
粘结剂组成为柠檬酸钠6％、淀粉2％、硅溶胶25％和水67％，其中淀粉为木薯淀粉与普通玉米淀粉重量比1：1，硅溶胶为浓度20％的碱性硅溶胶。该粘结剂制备方法为先按比例将柠檬酸钠加入到水中搅拌溶解后加入淀粉分散均匀，然后将定量的硅溶胶加入到上述液体中搅拌均匀。
使用时，直接将无机粉料与粘结剂按重量比5：3调和均匀即得到该高温防脱碳保护涂料。针对在无涂料情况下的U71Mn重轨钢和采用本实施例所述涂料的U71Mn重轨钢进行防脱碳性能对比实验。
本实施例和实施例一的区别在于涂层材料组分有所差异，试验钢种一致，试验结果与实施例一相同。
实施例六：
选用的无机矿粉由以下原料按重量百分比组成：52％高铝粉煤灰、26％含钛高炉渣、12％黑滑石、7％莫来石、3％苏州土，以上组分之和为100％，其中高铝粉煤灰中氧化铝含量41％，含钛高炉渣中氧化钛含量11％，上述组分细度均为260目；把各种原料粉按比例混合成均匀粉料。
粘结剂组成为柠檬酸钠7％、淀粉3％、硅溶胶21％和水69％，其中淀粉为普通玉米淀粉、阳离子醚化淀粉和木薯淀粉三种重量比1：1：1，硅溶胶为浓度20％的碱性硅溶胶。该粘结剂制备方法为先按比例将柠檬酸钠加入到水中搅拌溶解后加入淀粉分散均匀，然后将定量的硅溶胶加入到上述液体中搅拌均匀。
使用时，直接将无机粉料与粘结剂按重量比5：3调和均匀即得到该高温防脱碳保护涂料。针对在无涂料情况下的U75V重轨钢和采用本实施例所述涂料的U75V重轨钢进行防脱碳性能对比实验。
本实施例和实施例一的区别在于涂层材料组分有所差异，试验钢种不同，试验结果与实施例一相同。
以上仅是本发明的优选实施例，应当指出，尽管参照优选实施例对本发明作了详细说明，对于本领域的普通技术人员来说，可以对本发明的技术方案进行若干改进和润饰，但不脱离本发明技术方案的实质和范围，这些改进和润饰也视为本发明专利的保护范围。

Claims (3)

1.一种重轨钢钢坯加热过程中高温防脱碳保护涂料，其特征在于：原料组成为无机矿粉和粘结剂，无机矿粉和粘结剂的重量配比为5：3；其中：
无机矿粉由以下原料按重量百分比组成：50～60％高铝粉煤灰，20～30％含钛高炉渣，10～20％黑滑石，5～10％莫来石，1～5％苏州土；
粘结剂由以下原料按重量百分比组成：柠檬酸钠5～10%；淀粉1～3%；硅溶胶20～40%，水50～70%；
高铝粉煤灰中氧化铝含量45%，含钛高炉渣中氧化钛含量21%；
粘结剂中的淀粉为普通玉米淀粉、阳离子醚化淀粉、木薯淀粉中的一种或几种；
粘结剂中的硅溶胶为浓度20～40%的碱性硅溶胶。
2.如权利要求1所述的重轨钢钢坯加热过程中高温防脱碳保护涂料的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：
（1）先将组成无机矿粉的各原料加工细度至260～400目，然后把各原料粉按比例混合成均匀的粉料，备用；
（2）制备粘结剂：先按比例将柠檬酸钠加入到水中搅拌溶解，再加入淀粉，分散均匀，然后加入定量的硅溶胶，搅拌均匀，得到粘结剂液体，备用；
（3）按重量配比计，将5份步骤（1）制备的粉料和3份步骤（2）制得的液体直接混合，调和均匀即为重轨钢钢坯加热过程中高温防脱碳保护涂料。
3.如权利要求1所述的重轨钢钢坯加热过程中高温防脱碳保护涂料的应用，其特征在于：在800℃以下钢坯上直接喷涂或涂刷于重轨踏面一侧的钢坯表面，炉内使用温度1100～1300℃。
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