CN115948064B - 一种高炉冷却壁钢管专用防渗碳涂料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高炉冷却壁专用防渗碳涂料。包括以下重量份的原料：水玻璃15‑20份，氢氧化钾2‑10份，硅溶胶20‑30份，水解后的甲基三甲氧基硅烷0.5～3份，气相纳米二氧化硅0.5‑2份，分散剂0.1～0.5份，稳定剂0.5～1.5份，熔融硅微粉10‑25份，玻璃鳞片35‑55份，铜粉15‑30份。本发明的防渗碳涂料为环保型水性硅酸盐涂料，以玻璃鳞片为主要填料，极大延长了碳原子的渗碳路径。通过添加铜粉，在钢管外表面形成一层“镀铜”阻断了钢管渗碳。且涂层表干时间短，抗冷水浸泡性好，与金属基材附着力大，涂层硬度高，钢管渗碳总厚度小于0.5mm，渗碳层无过共析钢。
Description
技术领域
本发明涉及防渗碳涂料技术领域，具体涉及一种高炉冷却壁钢管专用防渗碳涂料。
背景技术
高炉冷却壁的铸入钢管，一般为20#冷拔无缝钢管，碳含量约为0.2％，冷却壁母体材质为铸铁，碳含量一般在3.5％—3.9％，钢管与母体之间存在很大的碳势差，如果对铸入钢管不做防渗碳保护或防渗碳保护不合格，在1320—1360℃浇铸过程及后续冷却过程中，冷却壁母体会对钢管形成严重渗碳，使钢管延伸率急剧降低，造成冷却壁报废或使用功能严重下降。
目前，市场上还没有冷却壁水管专用防渗碳涂料，只能以相对其它涂料更好的、适于金属热处理的抗氧化、防脱碳涂料代用。这类涂料为单组分、即用型硅酸盐涂料，体系稳定、质保期长、流平性好、与金属基材附着力高、硬度大、耐高温铁水冲刷，但存在易吸潮、不耐水，在冷却壁铸造完成后涂料易从钢管上自动剥落，尤其是防渗碳效果不理想，钢管渗碳造成的过共析层厚度一般高于0.5mm，总渗碳厚度一般在1.5mm左右。因此，针对高炉冷却壁以及其它含有铸入钢管的水冷模块，开发一种专用于钢管防渗碳的涂料是十分必要的。
发明内容
针对上述现有技术，本发明的目的是提供一种高炉冷却壁钢管专用防渗碳涂料。本发明制备的防渗碳涂料为环保型水性硅酸盐涂料，以玻璃鳞片为主要填料，极大延长了碳原子的渗碳路径。通过添加铜粉，在钢管外表面形成一层“镀铜”阻断了钢管渗碳。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一方面，提供一种高炉冷却壁钢管专用防渗碳涂料，包括以下重量份的原料：
水玻璃15-20份，氢氧化钾2-10份，硅溶胶20-30份，水解后的甲基三甲氧基硅烷0.5～3份，气相纳米二氧化硅0.5-2份，O-25分散剂0.1～0.5份，ST稳定剂0.5～1.5份，熔融硅微粉10-25份，玻璃鳞片35-55份，鳞片状铜粉15-30份。
优选的，甲基三甲氧基硅烷的水解方法：向甲基硅酸钾中加入5-10质量倍的去离子水，用醋酸调节PH值至3-5，添加0.1-0.3wt％的TX-10乳化剂，混合后得到水解后的甲基三甲氧基硅烷。
优选的，所述水玻璃为模数3.4的钾水玻璃；
优选的，所述硅溶胶的粒径为10-15nm；
优选的，所述熔融硅微粉的粒径为800-1250目；
优选的，所述玻璃鳞片的粒径为325目；
优选的，所述铜粉为200-350目鳞片状纯铜粉。
优选的，所述分散剂为O-25分散剂；所述稳定剂为ST稳定剂。
本发明的第二方面，提供的高炉冷却壁钢管专用防渗碳涂料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将钾水玻璃和氢氧化钾搅拌均匀并加热得到第一混合液；
(2)将硅溶胶缓慢加入第一混合液中，搅拌均匀并加热得到第二混合液；
(3)保持加热温度不变，向第二混合液中加入水解后的甲基三甲氧基硅烷，搅拌后得到第三混合液；
(4)向第三混合液中加入气相纳米二氧化硅和分散剂，搅拌混合后得到第四混合液；
(5)向第四混合液中加入稳定剂搅拌混合后得到第五混合液；
(6)将熔融硅微粉、玻璃鳞片、铜粉混合后缓慢加入第五混合液中，搅拌混合后得到第六混合液；
(7)将第六混合液进行加热并搅拌得到高炉冷却壁专用防渗碳涂料。
优选的，步骤(1)和步骤(2)中，所述搅拌的速度均为1500-2500r/min，搅拌的时间均为1～2h；所述加热为水浴加热，加热的温度均为45-55℃。
优选的，步骤(3)中，水解后的甲基三甲氧基硅烷向第二混合液中滴加，滴加时间10-15min，滴加完毕继续搅拌5～10min，所述搅拌为涡流搅拌、速度为500-800r/min。
优选的，步骤(4)中，所述搅拌的速度为1500-25000r/min、时间为20～30min。
优选的，步骤(5)中，所述搅拌的速度为500-800r/min、时间为5～10min。
优选的，步骤(6)中，所述搅拌的速度为1200-2000r/min、时间为2h。
优选的，步骤(7)中，所述加热的温度为50-55℃，所述搅拌的速度为200-500r/min、时间为12-20h。
本发明的第三方面，提供的高炉冷却壁钢管专用防渗碳涂料，防止在浇铸时冷却壁母体中碳元素向20#冷拔无缝钢管渗碳中的应用。
本发明的有益效果：
(1)本发明制备的防渗碳涂料为环保型水性硅酸盐涂料，以玻璃鳞片为主要填料，极大延长了碳原子的渗碳路径。通过添加铜粉，在钢管外表面形成一层“镀铜”阻断了钢管渗碳。
(2)本发明所制得的防渗碳涂料，涂层表干时间短，涂层自然干燥7小时即可抗冷水浸泡，流平性好，与金属基材附着力大，涂层硬度高，自然环境下仓库储存12个月不失效。钢管渗碳总厚度小于0.5mm，渗碳层无过共析钢。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
正如背景技术部分介绍的，在高温浇铸过程及后续冷却过程中，冷却壁母体中碳元素会对钢管形成严重渗碳，使钢管延伸率急剧降低，造成冷却壁报废或使用功能严重下降。而现有的防渗碳涂料存在易吸潮、不耐水，在冷却壁铸造完成后涂料易从钢管上自动剥落，尤其是防渗碳效果不理想，总渗碳厚度过大。
基于此，本发明的目的是提供一种高炉冷却壁钢管专用防渗碳涂料。现有防渗碳涂料的填料，由多种颗粒状陶瓷微粉组成。硅酸盐涂料在成膜后，漆膜中存在着众多微观形空隙，微观空隙虽然阻止了液态水的进入，但不能阻止气态分子的进入，所以造成高温下碳原子向钢管渗碳。本发明将玻璃鳞片做为主要填料，玻璃鳞片在涂层中平行于基材层层排列，极大延长了碳原子的渗碳路径。本发明再以鳞片状纯铜粉做为辅助填料，铜鳞片因密度大沉积于涂料底层，平行于金属基材层层排列，浇铸体系热量足以将铜鳞片熔化，形成一层“镀铜”严密包裹在钢管外表面。铁水中的碳原子，穿过复杂曲折的玻璃鳞片间隙后，被“镀铜”阻挡，很大程度阻断了向钢管渗碳。通过玻璃鳞片和鳞片状纯铜粉，这两种填料的协同作用，不仅使得涂料的防水性能优良，还大大降低了渗碳总厚度，渗碳层无过共析钢。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本申请的技术方案。
本发明实施例中所用的试验材料均为本领域常规的试验材料，均可通过商业渠道购买得到。
实施例1：
1、M3.4的钾水玻璃17.5kg，氢氧化钾6kg，50℃条件下2000转/分钟搅拌2小时，得到第一混合液。
2、将10-15nm硅溶胶25kg缓慢加入第一混合液中，50℃条件下2000转/分钟搅拌1小时，得到第二混合液。
3、向甲基硅酸钾中加入7.5质量倍的去离子水，用醋酸调节PH值至4，添加0.2wt％的TX-10乳化剂，混合后得到水解后的甲基三甲氧基硅烷。保持水浴温度50℃，在第二混合液中缓慢加入水解后的甲基三甲氧基硅烷1.7kg，涡流搅拌、转速650转/分钟，在硅烷添加完毕后搅拌7.5分钟，得到第三混合液。
4、向第三混合液中加入1.25kg的气相纳米二氧化硅和0.3kg的O-25分散剂，提高转速至2000转/分钟，搅拌时间25分钟得到第四混合液。
5、向第四混合液中加入1.0kg的ST稳定剂，转速650转/分钟，搅拌时间7.5分钟得到第五混合液。
6、将800-1250目电熔二氧化硅微粉12.5kg，325目玻璃鳞片40kg，200-350目鳞片状纯铜粉22.5kg混合，然后缓慢加入第五混合液中，常温下1600转/分钟搅拌2小时，得到第六混合液。
7、稳定化处理：将第六混合液置于反应釜中，釜内温度53℃，转速350转/分钟，搅拌16小时结束，得到高炉冷却壁专用防渗碳涂料。
实施例2
1、M3.4的钾水玻璃15kg，氢氧化钾10kg，45℃条件下2500转/分钟搅拌2小时，得到第一混合液。
2、10-15nm硅溶胶20kg缓慢加入第一混合液中，45℃条件下2500转/分钟搅拌1小时，得到第二混合液。
3、保持水浴温度45℃，在得到第二混合液中缓慢加入3kg水解后的甲基三甲氧基硅烷，涡流搅拌、转速800转/分钟，在硅烷添加完毕后搅拌5分钟，得到第三混合液。
4、向第三混合液中加入2kg的气相纳米二氧化硅和0.1kg的O-25分散剂，提高转速至2500转/分钟，搅拌时间20分钟得到第四混合液。
5、向第四混合液中加入0.5kg的ST稳定剂，转速800转/分钟，搅拌时间5分钟得到第五混合液。
6、800-1250目电熔二氧化硅微粉25kg，325目玻璃鳞片35kg，200-350目鳞片状纯铜粉30kg，混合后缓慢加入第五混合液中，常温下1200转/分钟搅拌2小时得到第六混合液.7、稳定化处理：将第六混合液置于反应釜中，釜内温度55℃，转速200转/分钟，搅拌12小时结束，得到高炉冷却壁专用防渗碳涂料。
实施例3
1、M3.4的钾水玻璃20kg，氢氧化钾2kg，55℃条件下1500转/分钟搅拌2小时，得到第一混合液。
2、10-15nm硅溶胶30kg份缓慢加入第一混合液中，55℃条件下1500转/分钟搅拌1小时，得到第二混合液。
3、保持水浴温度55℃，在第二混合液中缓慢加入0.5kg水解后的甲基三甲氧基硅烷，涡流搅拌、转速500转/分钟，在硅烷添加完毕后搅拌10分钟，得到第三混合液。
4、向第三混合液中加入0.5kg的气相纳米二氧化硅和0.5kg的O-25分散剂，提高转速至1500转/分钟，搅拌时间30分钟得到第四混合液。
5、向第四混合液中加入1.5kg的ST稳定剂，转速500转/分钟，搅拌时间10分钟得到第五混合液。
6、800-1250目电熔二氧化硅微粉10kg，325目玻璃鳞片55kg，200-350目鳞片状纯铜粉15kg，混合后缓慢加入第五混合液中，常温下2000转/分钟搅拌2小时得到第六混合液。
7、稳定化处理：将第六混合液置于反应釜中，釜内温度50℃，转速200转/分钟，搅拌20小时结束，得到高炉冷却壁专用防渗碳涂料。
对比例1
与实施例1的区别在于：将200-350目鳞片状纯铜粉和325目玻璃鳞片替换成等量的陶瓷微粉，其粒径为325目，最终制备得到高炉冷却壁专用防渗碳涂料。
对比例2
与实施例1的区别在于：不添加玻璃鳞片，添加鳞片状纯铜粉，最终制备得到高炉冷却壁专用防渗碳涂料。
对比例3
与实施例1的区别在于：不添加鳞片状纯铜，添加玻璃鳞片，最终制备得到高炉冷却壁专用防渗碳涂料。
试验例
取18块120*25*0.3mm的马口铁板，每组3块，每组铁板分别涂刷实施例1-3和对比例1-3制备的涂料，形成总厚度为0.2-0.3mm的涂层，记录每块钢板涂层的表干时间，待涂层实干后进行冷水浸泡试验，并对涂层与钢管之间的附着力、涂层的硬度进行检测。所得结果见表1。
分别取6根20#冷拔无缝钢管，含碳量0.2％，规格为Ф60*6mm。钢管表面进行抛丸除锈处理，在处理好的钢管表面分别涂刷实施例1～3和对比例1～3制备的涂料，形成厚度为0.2-0.3mm的涂层，将涂层实干后的钢管放置在铸造型腔内，1350℃下浇注高温铁水(铁水含碳量为3.5％)，制成实施例1～3和对比例1～3高炉冷却壁，在冷却壁冷却、抛丸、清理、修磨后，沿钢管轴向解剖，取下冷却壁内的铸入钢管，在每件钢管上切取50mm做试样，将试样在压力机上压平整，将对应的实施例1～3和对比例1～3的钢管试样，分别在金相磨光机上按照每层0.1mm逐层磨削，逐层在直读光谱仪上打光谱，得到不同厚度下的钢管含碳量。所得结果见表2。
表1
表2共析钢的含碳量％
由表1和表2可以看出，实施例1～3制备的防渗碳涂料的性能显著好于对比例1～3制备的防渗碳涂料，实施例1～3制备的涂层表干时间20-30分钟，涂层自然干燥7小时即可抗冷水浸泡，流平性好，与金属基材附着力大于一级，涂层硬度9H以上，自然环境下仓库储存12个月不失效。钢管渗碳总厚度小于0.5mm，渗碳层无过共析钢。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种高炉冷却壁钢管专用防渗碳涂料，其特征在于，包括以下重量份的原料：
水玻璃15-20份，氢氧化钾2-10份，硅溶胶20-30份，水解后的甲基三甲氧基硅烷0.5~3份，气相纳米二氧化硅 0.5-2份，分散剂 0.1~0.5份，稳定剂0.5~1.5份，熔融硅微粉10-25份，玻璃鳞片35-55份，铜粉15-30份；
所述水玻璃为模数3.4的钾水玻璃；所述硅溶胶的粒径为10-15nm；所述熔融硅微粉的粒径为800-1250目；所述玻璃鳞片的粒径为325目；所述铜粉为200-350目鳞片状纯铜粉；
所述高炉冷却壁钢管专用防渗碳涂料由以下方法制备：
（1）将钾水玻璃和氢氧化钾搅拌均匀并加热得到第一混合液；所述搅拌的速度为1500-2500r/min，搅拌的时间为1~2h；所述加热为水浴加热，加热的温度为45-55℃；
（2）将硅溶胶缓慢加入第一混合液中，搅拌均匀并加热得到第二混合液；所述搅拌的速度为1500-2500r/min，搅拌的时间为1~2h；所述加热为水浴加热，加热的温度为45-55℃；
（3）保持加热温度不变，向第二混合液中加入水解后的甲基三甲氧基硅烷，搅拌后得到第三混合液；水解后的甲基三甲氧基硅烷向第二混合液中滴加，滴加时间10-15min，滴加完毕继续搅拌5~10min，所述搅拌为涡流搅拌，速度为500-800 r/min；
（4）向第三混合液中加入气相纳米二氧化硅和分散剂，搅拌混合后得到第四混合液；所述搅拌的速度为1500-25000 r/min，时间为20~30min；
（5）向第四混合液中加入稳定剂搅拌混合后得到第五混合液；所述搅拌的速度为500-800 r/min，时间为5~10min；
（6）将熔融硅微粉、玻璃鳞片、铜粉混合后缓慢加入第五混合液中，搅拌混合后得到第六混合液；所述搅拌的速度为1200-2000r/min，时间为2h；
（7）将第六混合液进行加热并搅拌得到高炉冷却壁钢管专用防渗碳涂料，所述加热的温度为50-55℃，所述搅拌的速度为200-500r/min，时间为12-20h。
2.权利要求1所述的高炉冷却壁钢管专用防渗碳涂料防止在浇铸高炉冷却壁时铸铁中的碳元素向20#冷拔无缝钢管渗碳中的应用。
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