ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЙ ВКЛАДЫШ ДЛЯ ФУТЕРОВКИ ПРИБЫЛЬНОЙ НАДСТАВКИ ИЗЛОЖНИЦЫ Российский патент 2001 года по МПК B22D7/10 

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при разливке стали.

Известны теплоизолирующие смеси, применяющиеся для изготовления футеровки прибыльных надбавок, в состав которых в качестве наполнителя вводится диатомитовая земля и органическая составляющая - целлюлоза (заявка Японии N 43-69861, кл. B 22 D 7/10 от 31.07.72 г., заявка Великобритании N 1429898, кл. B 22 D 7/10 от 31.03.76 г.).

Недостатками футеровок такого состава являются их низкая прочность, прометалливание при разливке и уменьшение толщины при воздействии жидкой стали, обусловленное выгоранием органической составляющей смесей (целлюлозы). Последнее является причиной нестабильности объема и массы прибыльной части слитков и уменьшения выхода годного. Покрытие же поверхности футеровки дополнительно огнеупорным материалом усложняет технологию их изготовления.

Аналогом изобретения является верхнее изоляционное покрытие изложниц (см. заявку Великобритании N 1391601, кл. B 22 D 7/10 от 23/04.75 г.), которое формуют из состава, содержащего органический материал (древесную стружку и опилки), связующий материал на основе измельченной целлюлозной фибры и огнеупорный материал из одного из флотирующихся материалов, диатомитовых соединений, инфузорной земли, радиолитовых соединений и алюмосиликатных материалов (перлит, комковая глина, шамотная глина, боксит, каолин, отходы спекания и окалина) в количестве 25-87 мас.% от общей массы сухих компонентов состава.

Недостатком данной смеси является низкая огнеупорность изоляционного покрытия, если оно содержит менее 70 мас.% огнеупорного (жаростойкого) материала, что установлено опытным путем, и уменьшение толщины покрытия при заливке жидкого металла в изложницу, вследствие сгорания органического материала. С увеличением в составе покрытия количества огнеупорного материала до 87% по массе существенно растет его плотность и, соответственно, величина коэффициента теплопроводности. Это уменьшает теплоизолирующую способность покрытия, увеличивает глубину распространения в прибыльной части слитка дефектов усадочного происхождения (усадочные раковины, рыхлость, пористость) и ухудшает качество макроструктуры слитка.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому теплоизоляционному вкладышу являются цилиндры, плиты или другие огнеупорные теплоизолирующие изделия, используемые для оформления "прибылей" литейных форм, состоящих из смеси, формирующей теплоизоляционный слой, содержащей вермикулит или вермикулит с небольшим количеством древесных опилок с силикатом щелочного металла в качестве связующего, и смеси, формирующей рабочий слой и содержащей огнеупорный зернистый материал, смешанный с синтетической смолой или с силикатом щелочного металла, которые взяты в качестве связующего (см. заявку Великобритании N 1329306, кл. B 22 D 7/10 от 05.09.76 г.). Смеси уплотняются, образуя изделие из композиционного материала с одной из поверхностей, выполненной из огнеупорного материала. Огнеупорный слой может быть отформован первым. Смесь, содержащая вермикулит, подается на первоначальный, образуя второй слой, которому придаются требуемые форма и толщина. Затем производится обжиг изделия.

Недостатком известного решения является то, что не указана толщина огнеупорного слоя теплоизоляционных изделий, обеспечивающая необходимую прочность при воздействии жидкого металла в прибыльной части отливок. Вместе с тем, толщина и прочность огнеупорного слоя в изделиях определяют эффективность использования самого изделия для теплоизоляции металла в прибыльной части отливки и массу в ней жидкого металла, необходимого для компенсации усадочных пустот, образующихся при затвердевании отливки. Это объясняется тем, что с увеличением толщины огнеупорного слоя наблюдается рост потерь тепла жидкого металла боковой поверхностью прибыльной части отливки. Например, установлено для шеститонного слитка, что через боковую поверхность надставок с комбинированной футеровкой, состоящей из керамиковермикулита толщиной 40-50 мм и плотностью 0,30-0,42 г/см³, защищенного шамотным кирпичом толщиной 30 мм, теряется тепла на 40% меньше, чем через надставку с футеровкой из шамотного кирпича толщиной 65-80 мм.

Изготовление огнеупорного и теплоизоляционного слоев изделия из разнородных материалов, как это предлагается в прототипе, не обеспечивает необходимой прочности сцепления слоев друг с другом. Различная плотность огнеупорного и теплоизоляционного слоев, высокая анизотропия прочностных свойств в поперечном и продольном сечениях изделий могут явиться причиной расслоения изделий при прессовании и коробления при обжиге и привести к разрушению огнеупорного слоя при воздействии жидкого металла, заливаемого в литейную форму. Кроме того, при пробивании изделия-прототипа металлическими гвоздями со стороны теплоизоляционного слоя рабочий слой разрушается в местах выхода гвоздей или в нем образуются трещины. Это затрудняет крепление изделий к каркасу прибыльных надставок металлическими гвоздями с шайбами. В то же время данный способ крепления является одним из наиболее простых и наименее трудоемких среди известных в металлургической практике.

Следует отметить, что вспученный вермикулит имеет достаточно низкую температуру плавления, которая не превышает 1250^oC, и отсутствие в составе теплоизолирующего слоя компонентов с достаточно высокой температурой плавления не исключает его частичного оплавления при нагреве через огнеупорный слой жидкой сталью. Это обстоятельство обуславливает необходимость увеличения толщины огнеупорного слоя, что, как было показано выше, уменьшает эффективность теплоизоляции жидкого металла в прибыли. Если же толщина огнеупорного слоя будет недостаточна, то оплавление вермикулита более вероятно. Это, во-первых, увеличивает теплопроводность теплоизоляционного слоя, а во-вторых, приводит к уменьшению общей толщины изделия и увеличению объема и массы прибыльной части отливки. Последнее будет уменьшать выход годного.

Задача изобретения - повышение огнеупорности и прочности теплоизоляционного слоя вкладыша, уменьшение коробления вкладышей при сушке и повышение качества отливаемых с их использованием слитков.

Для решения поставленной задачи теплоизоляционный вкладыш состоит из рабочего и теплоизоляционного слоев, при этом теплоизоляционный слой содержит следующие компоненты, мас.%: вспученный вермикулит - основа; диатомит - 8,5-15,5; кварцевый песок - 8,5-15,5; огнеупорную глину - 8,5-15,5; жидкий лигносульфонат плотностью 1,25-1,28 г/см³ - 13-23, а рабочий слой содержит, мас. %: кварцевый песок - основа; вспученный вермикулит - 3-9; огнеупорную глину - 9-17,5; жидкий лигносульфонат плотностью 1,25-1,28 г/см³ - 9-13, при этом толщина рабочего слоя составляет 0,3-0,4 толщины вкладыша.

Введение в теплоизоляционный слой вкладыша 8,5-15,5% кварцевого песка, 8,5-16,5% огнеупорной глины и 8,5-15,5% диатомитового концентрата существенно повышает его огнеупорность, увеличивает в 1,5-3 раза по сравнению с прототипом общую прочность вкладыша при испытании на изгиб, исключает коробление вкладышей при сушке за счет уменьшения анизотропии свойств в поперечном и продольном направлениях и исключает также плавление вермикулита при нагреве от жидкой стали через огнеупорный рабочий слой минимальной толщины, равной 0,3 толщины вкладыша. Это, в итоге, обеспечивает неизменность толщины вкладышей при разливке стали и стабильный объем прибыльной части слитков, отливаемых с их использованием.

Опытным путем установлено, что содержание диатомитового концентрата, глины и(или) песка менее 8,5% каждого не повышает предел прочности вкладышей при изгибе (его величина в этом случае не превышает 8 кгс/см²) и не исключает коробления вкладышей при сушке. Увеличение содержания песка и глины выше указанных пределов (15,5%) нецелесообразно, т.к. заметно повышает массу вкладыша и его теплопроводность, а также расход жидкого металла на прибыльную часть слитков и понижает качество макроструктуры последних.

Введение в состав теплоизоляционного слоя более 15,5% диатомитового концентрата существенно понижает прочность вкладышей при испытании на изгиб (до 8 и менее кгс/см²) и повышает расход связующего - лигносульфоната технического на 30 %, что объясняется его фильтрующим воздействием.

Пределы содержания глины и жидкого лигносульфоната в рабочем слое и теплоизоляционном определены опытным путем. Они являются необходимыми и достаточными для обеспечения высокой общей прочности вкладыша (до 22 кгс/см²), прочности сцепления слоев и монтажной прочности при их креплении металлическими гвоздями к корпусу прибыльной надставки. При введении в состав рабочего и теплоизоляционного слоев менее 9 и 13% соответственно жидкого лигносульфоната резко уменьшаются прочность вкладыша после прессования и сушки, а также общая и монтажная прочность. Увеличение содержания жидкого лигносульфоната в составе рабочего и теплоизоляционного слоев более 15 и 23% соответственно нецелесообразно, т. к. понижает прочность вкладышей и не исключает уменьшение их толщины при воздействии жидкой стали.

Введение в состав рабочего слоя 3-9% по массе вспученного вермикулита уменьшает его хрупкость, улучшает сцепление с теплоизоляционным слоем и повышает его стойкость к ударным нагрузкам. Пробивка вкладышей металлическими гвоздями для их крепления в каркасах прибыльных надставок не вызывает полного разрушения рабочего слоя в месте пробивки, а потери вкладышей при транспортировке и наборке ими футеровки прибыльных надставок не превышают 5%.

Введение в состав рабочего слоя менее 3% вспученного вермикулита малоэффективно, т. к. при пробивке гвоздями со стороны теплоизоляционного слоя в месте выхода гвоздя рабочий слой разрушается полностью. Последнее открывает доступ жидкой стали к вермикулиту теплоизоляционного слоя и приводит к его плавлению, что существенно увеличивает теплопроводность вкладыша и ухудшает качество макроструктуры слитка. При введении вспученного вермикулита более 10% происходит оплавление и разрушение непосредственно рабочего слоя после заполнения надставки жидкой сталью. Толщина вкладыша в этом случае уменьшается, ухудшается качество макроструктуры слитков и уменьшается выход годного при их прокатке или ковке.

Опытным путем установлено, что при толщине рабочего слоя менее 0,3 толщины вкладыша происходит его частичное плавление при соприкосновении с жидким металлом, а остаточной толщины недостаточно для защиты теплоизоляционного слоя от температурного воздействия жидкой стали. В результате в процессе разливки стали уменьшается толщина вкладышей, а масса прибыльной части слитков и потери металла в обрезь при их прокатке или ковке увеличиваются.

При толщине рабочего слоя более 0,4 толщины вкладыша увеличивается расход тепла жидкого металла на его нагрев, растет масса вкладыша и уменьшается его теплоизолирующая способность из-за уменьшения толщины теплоизоляционного слоя, а также ухудшается качество макроструктуры слитков, отлитых с их использованием. При этом не исключается полное разрушение рабочего слоя в месте пробивки металлическими гвоздями при наборке вкладышами футеровки каркасов прибыльных надставок и доступ жидкой стали к теплоизоляционному слою при ее разливке.

Опытную проверку теплоизоляционных вкладышей толщиной 35 мм пяти составов и одного состава-прототипа (табл. 1) проводили с использованием гидравлического 630-тонного пресса марки ПА-031, чашечного смесителя, камерных сушил. Схема изготовления вкладышей включала подготовку исходных материалов (сушку, обжиг, дробление, просеивание), приготовление смесей смешиванием материалов, дозированную засыпку смесей для одновременного формирования рабочего и теплоизоляционного слоев вкладыша в пресс-форму пресса, прессование с усилием до 40 кгс/см² и К_пр = 3,0, укладку вкладышей на полки рельсовых тележек, сушку в камерных сушилах при 100-120^oC не менее 8 часов.

Вкладыши после сушки и определения в них содержания влаги, взвешивания и определения предела прочности при изгибе передавали в закрытых контейнерах в отделение подготовки составов (ОПС) мартеновского цеха, в котором набирали ими каркасы прибыльных надставок. Все типы вкладышей к каркасам прибыльных надставок крепили металлическими гвоздями с шайбами (см. чертеж).

С опытными вкладышами каждого состава отливали слитки массой 5,7 т марок 3СП, 20, 45, 35 г.

На продольно-осевых и поперечных макротемплетах, изготовленных из раскатов прибыльной части слитков, определяли глубину залегания дефектов усадочного происхождения. В пробах, отобранных от раскатов верхней части слитков, контролировали качество макроструктуры и содержание газов (O₂, N₂). Оценивали выход годного металла после прокатки слитков. Сравнение проводили с аналогичными показателями качества слитков, разлитых с использованием тепловкладышей, изготовленных из состава-прототипа.

Характеристики качества теплоизоляционных вкладышей приведены в табл. 2 и свидетельствуют о преимуществе вкладышей оптимального состава, представленного в изобретении, по сравнению с вкладышами, изготовленными из состава-прототипа. Предлагаемые вкладыши имеют более высокий предел прочности при изгибе, пробиваются гвоздями без полного разрушения рабочего слоя в местах пробивки, имеют минимальные потери (не более 5%) при транспортировке и наборе ими футеровки каркасов прибыльных надставок. Не плавятся и не изменяют толщины при воздействии жидкой стали. При разливке с ними в среднем на 65 кг уменьшается масса прибыльной части слитка и на 12 кг/т - расходный коэффициент при прокатке слитков, на 1-2% увеличивается запас годного металла (удовлетворяющего требованиям ГОСТов и ТУ к качеству макроструктуры) в прибыльной части слитков по сравнению с аналогичными показателями качества для слитков, отлитых с использованием вкладышей из состава-прототипа. Практически исключается коробление вкладышей при сушке: стрела прогиба от горизонтальной поверхности не превышает 3 мм.

Исследованием проб, отобранных от блюмсов, полученных прокаткой верхней части "тела" слитков, установили, что содержание газов для всех составов вкладышей практически не различалось, а центральная пористость и точечная неоднородность не превышали 2 баллов и удовлетворяли требованиям ГОСТа.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при разливке стали. Теплоизоляционный вкладыш для футеровки прибыльной надставки изложницы состоит из теплоизоляционного на основе вермикулита и рабочего на основе огнеупорного материала слоев. Введение в теплоизоляционный слой 8,5-15,5 мас. % кварцевого песка и взятых в тех же количествах огнеупорной глины и диатомита повышает его огнеупорность и исключает коробление вкладыша. Введение в него 13-23 мас.% жидкого лигносульфоната обеспечивает высокую общую прочность вкладыша. Введение в состав рабочего слоя 3-9 мас.% вспученного вермикулита позволяет снизить хрупкость, улучшить сцепление с теплоизоляционным слоем и повысить стойкость к ударным нагрузкам. Толщина рабочего слоя, составляющая 0,3-0,4 толщины теплоизоляционного вкладыша, позволяет повысить качество получаемых слитков. 1 ил., 2 табл.

Теплоизоляционный вкладыш для футepoвки прибыльной надставки изложницы, состоящий из рабочего слоя, содержащего огнеупорный материал и теплоизоляционного на основе вермикулита, отличающийся тем, что теплоизоляционный слой содержит порошкообразный диатомит, кварцевый песок, огнеупорную глину, жидкий лигносульфонат при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Вспученный вермикулит - Основа
Кварцевый песок - 8,5-15,5
Диатомит - 8,5-15,5
Огнеупорная глина - 8,5-15,5
Жидкий лигносульфонат плотностью 1,25-1,28 г/см - 13-23
а рабочий слой содержит вспученный вермикулит, огнеупорную глину, жидкий лигносульфонат при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Кварцевый песок - Основа
Вспученный вермикулит - 3-9
Огнеупорная глина - 9,0-17,5
Жидкий лигносульфонат плотностью 1,25-1,28 г/см - 9-13
при этом толщина рабочего слоя составляет 0,3-0,4 толщины теплоизоляционного вкладыша.