УСТОЙЧИВОЕ К ВЫСОКИМ ТЕМПЕРАТУРАМ ПОКРЫТИЕ НА ВОДНОЙ ОСНОВЕ, ПРЕПЯТСТВУЮЩЕЕ СВЯЗЫВАНИЮ ТИТАН-СТАЛЬ, И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ
HIGH-TEMPERATURE RESISTANT WATER-BASED COATING WHICH PREVENTS TITANIUM-STEEL BONDING AND USE THEREOF

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к покрытию для предотвращения образования интерметаллических связей, в частности к устойчивому к высоким температурам покрытию на водной основе, препятствующему связыванию титан-сталь, и его применению в процессе изготовления титанового слитка.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
По настоящее время не сообщалось о том, что отечественные производители применяют устойчивое к высоким температурам покрытие, препятствующее связыванию титан-сталь, при изготовлении титановых труб из титановых слитков и заготовок труб. Титановые слитки и заготовки труб нужно выдерживать в нагревательной печи при 900°С в течение более 4 ч, после чего их выталкивают из нагревательной печи и прокатывают в титановые трубы. После того как титан и его сплавы выдержаны при высокой температуре 900°С в течение 4 ч, оборудование для прокатки стали, система валков и катушка могут стать клейкими для титана. В результате происходит "недолив" различной глубины на поверхности титановых труб. Поскольку как титановые трубы, так и титановые круглые слитки перфорируют и прокатывают вращением или в процессе высокоскоростного вращения, титановые сплавы на основе титана легко становятся липкими к железу и даже образуют фазу TiFe, ввиду своих высокотемпературных характеристик. Фаза TiFe на поверхности титановых труб значительно влияет на механические свойства и микроструктуру поверхности титанового материала и вызывает различные дефекты, такие как эрозия и отсутствие устойчивости к коррозии при последующей обработке и применении титановых труб. Помимо этого, из-за "титанового слипания" оборудование необходимо стачивать для того, чтобы следующие титановые круглые слитки снова можно было прокатывать в последующем процессе прокатки. Если нет возможности непрерывно прокатывать титановые трубы или титановые продукты, отечественным производителям приходится обрезать титановые трубы, чтобы удостовериться в точности их внутреннего и внешнего диаметра, а также в качестве поверхности, что требует значительных затрат времени и энергии. Более того, титановые слитки изготовлены реакцией губчатого титана; так что стоимость и выход титанового материала серьезно пострадают, если внутренние и внешние части титановых труб будут отсекать. Поэтому необходимо применять устойчивое к высоким температурам покрытие, препятствующее связыванию титан-сталь.
В предшествующем уровне техники на поверхность каждого титанового слитка напыляют слой покрытия и высушивают в течение некоторого времени перед обработкой отжигом, что усложняет процесс изготовления, увеличивает время изготовления и препятствует непрерывному и эффективному производству. В процессе прокатки титановых труб покрытие наносят на поверхность титанового слитка, которое не может эффективно предотвращать связывание титан-сталь из-за деформированного титанового слитка. Если это покрытие непосредственно напыляют на поверхность прокатывающего валка, образование пленки и эффект связывания слабы, поскольку валок и титановый слиток изготовлены из разных материалов, так что связывание титан-сталь не может быть эффективно предотвращено.
Поэтому в целях решения указанных выше проблем существует чрезвычайно высокая необходимость в устойчивом к высоким температурам антисвязывающем покрытии, обеспечивающем простой процесс и энергосберегающий и природосберегающий эффекты, с тем чтобы непрерывно и эффективно изготавливать титановые трубы, уменьшить дефекты, потери и стоимость продукции, а также избегать повреждения оборудования.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Техническая проблема, которую решает настоящее изобретение, заключается в обеспечении устойчивого к высоким температурам покрытия на водной основе, препятствующего связыванию титан-сталь, способного снижать дефекты поверхности и стоимость производства титановых труб, улучшая качество их поверхности и обеспечивая непрерывное производство.
2
3
Такое устойчивое к высоким температурам покрытие на водной основе, препятствующее связыванию титан-сталь, по изобретению содержит следующие компоненты в массовых частях: 50-150 частей пленкообразующего вещества на водной основе, 0-50 частей порошка Zn, 400-450 частей порошка АlO и 250-350 частей порошка талька.
2
3
2
3
Дополнительно, в качестве предпочтительного технического решения, устойчивое к высоким температурам покрытие на водной основе, препятствующее связыванию титан-сталь, содержит следующие компоненты в массовых частях: 50-150 частей пленкообразующего вещества на водной основе, 10-50 частей порошка Zn, 400-450 частей порошка AlO и 250-350 частей порошка талька, и предпочтительно содержит следующие компоненты в массовых частях: 100 частей пленкообразующего вещества на водной основе, 50 частей порошка Zn, 450 частей порошка AlO и 350 частей порошка талька.
Кроме того, устойчивое к высоким температурам покрытие на водной основе, препятствующее связыванию титан-сталь, дополнительно содержит следующие компоненты в массовых частях: 1-2 части отвердителя, 0,5-1 часть диспергатора и 1-5 частей воды; и предпочтительно 1 часть отвердителя, 0,5 части диспергатора и 5 частей воды.
2
3
2
3
Кроме того, в качестве предпочтительного технического решения, устойчивое к высоким температурам покрытие на водной основе, препятствующее связыванию титан-сталь, состоит из следующих компонентов в массовых частях: 50-150 частей пленкообразующего вещества на водной основе, 10-50 частей порошка Zn, 400-450 частей порошка AlO, 250-350 частей порошка талька, 1-2 части отвердителя, 0,5-1 часть диспергатора и 1-5 частей воды; и предпочтительно, 100 частей пленкообразующего вещества на водной основе, 50 частей порошка Zn, 450 частей порошка AlO, 350 частей порошка талька, 1 часть отвердителя, 0,5 часть диспергатора и 5 частей воды.
Для устойчивого к высоким температурам покрытия на водной основе, препятствующего связыванию титан-сталь, пленкообразующее вещество на водной основе представляет собой по меньшей мере одно из следующего: эпоксидная смола, полиуретановая краска на водной основе, акрилово-латексная краска на водной основе или алкидная краска на водной основе.
2
2
4
3
2
Для устойчивого к высоким температурам покрытия на водной основе, препятствующего связыванию титан-сталь, отвердитель представляет собой по меньшей мере один из следующего: SiO, растворимое стекло или Аl(НРO), и предпочтительно SiO; а диспергатор представляет собой по меньшей мере один из следующего: поливиниловый спирт, гидролизованный малеиновый ангидрид или стеарат бария, предпочтительно поливиниловый спирт.
Кроме того, в качестве предпочтительного технического решения, значение рН устойчивого к высоким температурам покрытия на водной основе, препятствующего связыванию титан-сталь, составляет 7,5-9,5; а содержание твердых веществ составляет 85-90%, предпочтительно 87%.
Кроме того, в настоящем изобретении предложено применение устойчивого к высоким температурам покрытия на водной основе, препятствующего связыванию титан-сталь, для прокатки титановых труб.
Для применения устойчивого к высоким температурам покрытия на водной основе, препятствующего связыванию титан-сталь, при прокатке титановых труб при комнатной температуре данное устойчивое к высоким температурам покрытие на водной основе, препятствующее связыванию титан-сталь, наносят на поверхность стального оборудования, валок или катушку, с образованием слоя пленки толщиной 0,2-0,4 мм, предпочтительно 0,3 мм.
Для применения устойчивого к высоким температурам покрытия на водной основе, препятствующего связыванию титан-сталь, при прокатке титановых труб данное покрытие применяют путем распыления сжатым воздухом, вакуумного напыления или нанесения кистью вручную.
По сравнению с предшествующим уровнем техники, настоящее изобретение имеет следующие благоприятные эффекты:
(1) Покрытие по изобретению может позволить избежать реакции связывания с валком или катушкой стального оборудования в процессе прокатки или перфорации титановой трубы при 900°С для того, чтобы улучшить выход и производственную эффективность обработки титанового материала;
(2) Производственный процесс по изобретению является простым и легким в осуществлении, и применим для производственной линии, оснащенной оборудованием для распыления сжатым воздухом, вакуумного напыления и нанесения кистью;
(3) Поскольку покрытие представляет собой экологичное, устойчивое к высоким температурам антисвязывающее покрытие на водной основе, оно не содержит вредных элементов, запрещенных правилами ограничения содержания вредных веществ (RoHS, от англ. Restriction of Hazardous Substances) или какие-либо токсические вещества, испаряющиеся в воздух, и таким образом, не оказывает влияния на окружающую среду в зоне производства;
(4) Устойчивое к высоким температурам покрытие на водной основе, препятствующее связыванию титан-сталь, по изобретению может быть получено непосредственно на месте перед применением; и полученное покрытие может сохранять стабильность в течение более чем 6 месяцев при комнатной температуре.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
2
3
Устойчивое к высоким температурам покрытие на водной основе, препятствующее связыванию титан-сталь, по изобретению содержит следующие компоненты в массовых частях: 50-150 частей пленкообразующего вещества на водной основе, 0-50 частей порошка Zn, 400-450 частей порошка AlO и 250-350 частей порошка талька.
2
3
2
3
Кроме того, в качестве предпочтительного технического решения, устойчивое к высоким температурам покрытие на водной основе, препятствующее связыванию титан-сталь, содержит следующие компоненты в массовых частях: 50-150 частей пленкообразующего вещества на водной основе, 10-50 частей порошка Zn, 400-450 частей порошка AlO и 250-350 частей порошка талька, и предпочтительно содержит следующие компоненты в массовых частях: 100 частей пленкообразующего вещества на водной основе, 50 частей порошка Zn, 450 частей порошка AlO и 350 частей порошка талька.
Кроме того, устойчивое к высоким температурам покрытие на водной основе, препятствующее связыванию титан-сталь, содержит следующие компоненты в массовых частях: 1-2 части отвердителя, 0,5-1 часть диспергатора и 1-5 частей воды; и предпочтительно 1 часть отвердителя, 0,5 часть диспергатора и 5 частей воды.
2
3
2
3
Кроме того, в качестве предпочтительного технического решения, устойчивое к высоким температурам покрытие на водной основе, препятствующее связыванию титан-сталь, состоит из следующих компонентов в массовых частях: 50-150 частей пленкообразующего вещества на водной основе, 10-50 частей порошка Zn, 400-450 частей порошка AlO, 250-350 частей порошка талька, 1-2 части отвердителя, 0,5-1 часть диспергатора и 1-5 частей воды; и предпочтительно, 100 частей пленкообразующего вещества на водной основе, 50 частей порошка Zn, 450 частей порошка AlO, 350 частей порошка талька, 1 часть отвердителя, 0,5 часть диспергатора и 5 частей воды.
Для устойчивого к высоким температурам покрытия на водной основе, препятствующего связыванию титан-сталь, пленкообразующее вещество на водной основе представляет собой по меньшей мере один из следующего: эпоксидная смола, полиуретановая краска на водной основе, акриловая латексная краска на водной основе и алкидная краска на водной основе.
2
2
4
3
2
Для устойчивого к высоким температурам покрытия на водной основе, препятствующего связыванию титан-сталь, отвердитель представляет собой по меньшей мере один из следующего: SiO, растворимое стекло и Аl(НРO), предпочтительно, SiO; а диспергатор представляет собой по меньшей мере один из следующего: поливиниловый спирт, гидролизованный малеиновый ангидрид и стеарат бария, предпочтительно поливиниловый спирт.
Кроме того, в качестве предпочтительного технического решения, значение рН устойчивого к высоким температурам покрытия на водной основе, препятствующего связыванию титан-сталь, составляет 7,5-9,5; а содержание твердых веществ составляет 85-90%, предпочтительно 87%. Таким образом можно сформировать однородный высокотемпературный антисвязывающий защитный пленочный слой на поверхности прокатывающего оборудования.
Кроме того, в соответствии с настоящим изобретением предложено применение устойчивого к высоким температурам покрытия на водной основе, препятствующего связыванию титан-сталь, при прокатке титановых труб.
Для применения устойчивого к высоким температурам покрытия на водной основе, препятствующего связыванию титан-сталь, при прокатке титановых труб при комнатной температуре, устойчивое к высоким температурам покрытие на водной основе, препятствующее связыванию титан-сталь, наносят на поверхность стального оборудования, валка или катушки с получением пленочного слоя толщиной 0,2-0,4 мм, предпочтительно 0,3 мм. Если пленочный слой, нанесенный на титановые трубы, составляет менее 0,20 мм, толщина такого покровного слоя будет постепенно уменьшаться из-за вращения и адгезии титанового слитка в процессе прокатки или перфорации. Поэтому, в целях обеспечения достаточной толщины покрытия и предотвращения полного прилипания покровного слоя к титановым трубам, титановые трубы не будут полностью защищены от высокотемпературного окисления. Если пленочный слой, нанесенный на титановые трубы, составляет более чем 0,40 мм, будут возрастать затраты.
Для применения устойчивого к высоким температурам покрытия на водной основе, препятствующего связыванию титан-сталь, при прокатке титановых труб, после того, как покрытие нанесено на поверхность стального оборудования, валка или катушки, путем распыления сжатым воздухом, вакуумного напыления или нанесения кистью вручную, образовавшийся пленочный слой быстро отверждают в течение 5-10 мин при комнатной температуре. Стекания или коробления пленочного слоя не происходит благодаря высокому содержанию твердых веществ. Адгезия покрытия как сухой пленки, так и влажной пленки может соответствовать требованиям устойчивости к трению для вибратора с системой валков для титановых слитков, без отщепления фрагментов покрытия или его отслаивания. Нет конкретных ограничений относительно способа покрытия, способа высушивания и т.п., и способ покрытия можно выбрать, исходя из текущих обстоятельств на месте.
2
3
Устойчивое к высоким температурам покрытие на водной основе, препятствующее связыванию титан-сталь, по изобретению может быть получено обычными способами в данной области техники, поскольку компоненты равномерно смешиваются. Данное покрытие можно непосредственно получать перед использованием. Тем не менее, авторы изобретения обнаружили в своем исследовании, что компоненты можно смешать более однородно, если устойчивое к высоким температурам покрытие на водной основе, препятствующее связыванию титан-сталь, предпочтительно получать следующим способом: во-первых, разбавляют пленкообразующее вещество на водной основе водой и медленно добавляют порошок Zn, порошок талька и порошок AlO при перемешивании; добавляют отвердитель и равномерно перемешивают; затем добавляют диспергатор при перемешивании до получения однородной и стабильной фазы.
В процессе отверждения следует удалить только влагу, связанную с поверхностью покрытия, так что ускоритель отверждения не требуется. Покрытие отверждают в основном способом естественного отверждения, и для сокращения времени отверждения можно применять также сушку горячим воздухом или индукционный обогрев. Отвержденное покрытие не будет откалываться и трескаться.
2
3
3
Принцип получения устойчивого к высоким температурам покрытия по настоящему изобретению состоит в следующем: органическое покрытие следует медленно выжечь, и необходимо, чтобы железо начало медленно расплавляться и размягчаться при температуре 900°С; в это время порошок AlO в покрытии можно зафиксировать на поверхности валка или катушки для теплоизоляции; и образуется слой сплава TiAl за счет реакции сплавления Al и Ti в покрытии. Такой слой сплава настолько тверд, что он изолирует реакцию связывания титановой основы с внешними элементами (Fe и т.п.), благодаря чему достигается эффект предотвращения образования связей титан-сталь.
Нет специальных ограничений по температуре для применения устойчивого к высоким температурам покрытия, препятствующего связыванию титан-сталь. Тем не менее, поскольку в качестве растворителя для агента для обработки по изобретению берут воду, то устойчивое к высоким температурам покрытие, препятствующее связыванию титан-сталь, можно применять при комнатной температуре, поскольку вода не замерзает и не испаряется.
В соответствии с настоящим изобретением, предложено устойчивое к высоким температурам покрытие, препятствующее связыванию титан-сталь, которое можно непосредственно напылять на поверхность катушки на линии и которое может быстро затвердевать с образованием самоотвердевающего покрытия. За счет нанесения покрытия поверхность титановой трубы не будет связываться с поверхностью стали и, таким образом, не будет образовывать фазу TiFe при высокой температуре 900°С. Следовательно, производственные затраты эффективно снижаются, производственная выгода эффективно повышается, в частности, повышается точность размера и качество поверхности продукта. Соответствующая технология покрытия, предложенная настоящим изобретением, обладает хорошими экономическими выгодами, социальными преимуществами и широкими перспективами применения.
Частные варианты осуществления настоящего изобретения будут детально описаны в комбинации с примерами, и настоящее изобретение не ограничено объемом описанных примеров.
Пример 1
Устойчивое к высоким температурам покрытие на водной основе, препятствующее связыванию титан-сталь, получают в соответствии с исходными материалами и их массовыми соотношениями, приведенными в Табл. 1.
2
Среди перечисленного, K1-K5 представляют собой экспериментальные группы, D1-D2 представляют собой контрольные группы, и также была включена бланковая контрольная группа D3 (т.е. непосредственный прокат без покрытия). Пленкообразующее вещество на водной основе представляет собой эпоксидную смолу (содержание твердых веществ: 50%), отвердитель представляет собой SiO, а диспергатор представляет собой поливиниловый спирт. Значение рН устойчивого к высоким температурам покрытия на водной основе, препятствующего связыванию титан-сталь, изготовленного по настоящему изобретению, составляет 7,5-9,5, а содержание твердых веществ составляет 85-90%.
2
3
Способ получения включает следующие стадии: внесение пленкообразующего вещества на водной основе, порошка Zn, порошка талька и порошка AlO в контейнер при нормальных температуре и давлении при непрерывном и равномерном перемешивании; затем внесение отвердителя, диспергатора и воды до тех пор, пока раствор не будет представлять собой однородную стабильную фазу, т.е. устойчивое к высоким температурам покрытие на водной основе, препятствующее связыванию титан-сталь.
Устойчивое к высоким температурам покрытие на водной основе, препятствующее связыванию титан-сталь, приготовленное в описанных выше группах, наносили на поверхность стального оборудования, валка или катушки путем распыления сжатым воздухом, вакуумного напыления или нанесения кистью вручную, и естественным путем подсушивали и отверждали при комнатной температуре в течение 10-15 мин с получением пленочного слоя толщиной 0,2-0,4 мм. Титановую трубу прокатывали при 900°С. Качество поверхности прокатанной титановой трубы было хорошим, и такая титановая труба не приклеивалась к валку и катушке. Детальное сравнение представлено ниже.
Как можно видеть из Табл. 2, титановые трубы, изготовленные на оборудовании с нанесенным распылением покрытием из групп K1-K5, демонстрируют хорошее качество поверхности и плохо прилипают к валку, катушке и т.п.; титановые трубы, изготовленные на оборудовании без какого-либо покрытия (т.е. бланковая контрольная группа D3) имеют серьезные дефекты поверхности, и оборудование необходимо стачивать перед использованием ввиду определенной степени связывания титана; и титановые трубы, изготовленные на оборудовании с покрытием групп D1 и D2, имеют высокую степень дефектов поверхности, и такое покрытие не может эффективно предотвращать связывание титан-сталь.
Если планируемая годовая производственная мощность составляет 10000 тонн, то ежегодно будет получено около 6300 титановых слитков, исходя из стандарта 1,5 тонн на титановый слиток (бланк); и от 100 до 200 кг будет отсечено от каждого титанового слитка из расчета на глубину связывания титан-сталь от 5 мм до 20 мм; и отсекаемая часть каждого титанового слитка, обусловленная связыванием титана, повлечет собой потерю 8000-16000 юань из расчета на цену 80000 юань/ тонну титановых слитков. Кроме того, работа по отсечению будет расходовать значительную долю рабочей силы и материальных ресурсов, и дополнительно увеличивать затратность и время производства. Предложенная технология позволит сберечь большой объем производственных затрат для титановых труб и других продуктов из титанового сплава. Учитывая, что в процессе прокатки каждого титанового слитка используется 2-5 кг покрытия, и цена каждого покрытия составляет 200000 юань/тонну, новые преимущества данной технологии представлены следующей формулой:
W - Производство титановых слитков в год: около 6300 титановых слитков в год производятся исходя из 10000 тонн;
А - Количество обрезков каждого титанового слитка из-за связывания в слое титан-сталь: исходя из 50 кг/ титановый слиток;
Р1 - Себестоимость титанового слитка: 80 юань/кг;
W1 - Расход наносимого распылением устойчивого к высоким температурам антисвязывающего покрытия, 3 кг/слиток;
Р2 - цена за тонну устойчивого к высоким температурам антисвязывающего покрытия: исходя из 200 юань/кг;
Y - Новые выгоды от применения настоящей технологии каждый год. Тогда:
Y=(P1×A-W1×P2)×W
=(4000-600)×6300
=2142 (10000 юань)
Таким образом, покрытие по настоящему изобретению обладает хорошей экономической эффективностью, социальными преимуществами и широкими перспективами применения.