СОСТАВНОЕ ОГНЕУПОРНОЕ ИЗДЕЛИЕ Российский патент 2006 года по МПК B22D41/50 

Изобретение относится к огнеупорной промышленности, в частности к технологии изготовления огнеупоров для непрерывной разливки металла, и может применяться для разливки жидкого металла, в частности для регулирования разливки металла.

Известно, что при непрерывной разливке металла применяются цельные, а также составные огнеупорные изделия, состоящие из двух частей: основной части изделия и эрозионно-стойкой части, служащей для предотвращения размывания изделия в зонах повышенного износа. Цельные изделия, выполненные на основе одного состава системы Al₂О₃-С, уступают по стойкости составным изделиям с эрозионно-стойким слоем.

Огнеупорное изделие для разливки металла должно обладать следующими свойствами: основная часть должна иметь низкую пористость, высокую коррозионную стойкость, достаточную механическую прочность, эрозионно-стойкая часть - высокую эрозионную стойкость, которая обеспечивается высокой механической прочностью и низкой пористостью.

Известно составное огнеупорное изделие для разливки жидкого металла, состоящее из двух частей: основной на основе Al₂О₃-С (химический состав: Al₂O₃ - 52%, С - 20%, SiO₃ - 13%) и эрозионно-стойкой части на основе MgO-С (MgO - 73%, С - 20%) (Fachberichte Huttenpraxis Metallweiterverarbeitung. Vol.23, N 4, 1985, c.256, табл.3).

Недостатком этого составного огнеупорного изделия является высокая пористость, низкая стойкость к окислению у тела изделия, а также невысокая эрозионная стойкость головной части.

Наиболее близким по совокупности признаков (прототипом) к предлагаемому является составное огнеупорное изделие для разливки металла, состоящее, по меньшей мере, из двух частей: основной и эрозионно-стойкой. Основная часть выполнена из шихты, содержащей следующие компоненты, мас.%: плавленый корунд фракции 1,0-0 мм 55-75, графит 15-28, кремний кристаллический фракции менее 0,088 мм 1-8, карбид кремния фракции менее 0,2 мм 1-6, боросиликатная стекольная фритта фракции менее 0,088 мм 1-6, фенольное порошкообразное связующее 2,5-4, жидкое органическое связующее (сверх 100%) 1-5. Кремний, карбид кремния и боросиликатная стекольная фритта являются антиокислительной добавкой. Шихта эрозионно-стойкой части содержит следующие компоненты, мас.%: плавленый периклаз фракцией 0,5-0 мм 65-80, графит 15-25, алюминий фракцией менее 0,5 мм и/или кремний кристаллический фракцией менее 0,088 мм 1-8, карбид кремния фракцией менее 0,2 мм 1-6, фенольное порошкообразное связующее 2,5-4, жидкое органическое связующее (сверх 100) 1-5 (Патент РФ №2226450, 06.08.2002, B/22 D 41/54)

Главным недостатком этого составного огнеупорного изделия, а также упомянутого аналога, является склонность к растрескиванию в процессе эксплуатации за счет разности в коэффициентах термического расширения материала основного и эрозионно-стойкого слоя, что приводит к аварийному прекращению процесса непрерывной разливки стали и, как следствие, большим экономическим потерям. Составное огнеупорное изделие, из-за содержания в материале основного слоя легкоплавкой боросиликатной фритты, проходит только низкотемпературную тепловую обработку (1150-1200°С), в ходе которой не удается выявить склонность изделий к растрескиванию по границе слоев. Используемые твердое и жидкое органические связующие относятся к группе фенолформальдегидных смол: связующее фенольное порошкообразное - смола новолачного типа, жидкий бакелит - смола резольного типа. При карбонизации эти смолы образуют очень прочный и жесткий углеродный каркас, неспособный противостоять изгибающим нагрузкам, возникающим при эксплуатации изделий, что также способствует их разрушению.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является снижение пористости и повышение стойкости к окислению материала для тела, повышение эрозионной стойкости головной части составного огнеупорного изделия и повышение устойчивости изделий к растрескиванию.

Поставленная задача решается за счет того, что составное огнеупорное для разливки металла, состоящее, по меньшей мере, из двух частей: основной и эрозионно-стойкой, выполненных, в отличие от прототипа, из материала на основе Al₂O₃-C. Основная часть выполнена из шихты, содержащей следующие компоненты, мас.%: плавленый корунд фракции менее 1,0 мм 46,3-63,7; графит 15,7-21,6; кремний кристаллический фракции менее 0,088 мкм 4,6-7,8; карбид кремния фракции менее 0,2 мм 2,8-6,9; глина огнеупорная 1,9-5,9; связующее фенольное порошкообразное 2,7-4,6; жидкое органическое связующее 0,9-4,6; лигносульфонат технический 0,9-2,8. Шихта эрозионно-стойкой части дополнительно содержит огнеупорную глину при следующем соотношении компонентов, мас.%: плавленый корунд фракции менее 1,0 мм 69,3-81,0; графит 4,8-7,9; кремний кристаллический фракции менее 0,088 мкм 4,8-7,9; глина огнеупорная 1,9-5,9; связующее фенольное порошкообразное 1,9-4,0; жидкое органическое связующее 1,0-5,0. Решение этой же задачи достигается с добавкой в шихту эрозионно-стойкой части реактивного глинозема и карбида кремния, при следующем соотношении компонентов, мас. %: плавленый корунд фракции менее 1,0 мм 61,8-69,3; графит 4,8-7,9; кремний кристаллический фракции менее 0,088 мкм 4,8-7,9; карбид кремния фракции менее 0,2 мм 4,8-7,9; глина огнеупорная 1,9-5,9; реактивный глинозем 2,9-4,0; связующее фенольное порошкообразное 1,9-4,0; жидкое органическое связующее 1,0-5,0.

Вводимая в составы шихт основной и эрозионно-стойкой частей огнеупорная глина выполняет, при прессовании, роль дополнительного связующего, а при обжиге - антиокислительной добавки. Добавка лигносульфоната технического в шихту основной части повышает связующие свойства огнеупорной глины при прессовании, а при обжиге -за счет наличия в графите золы, содержащей низкоплавкие соединения натрия, калия и кальция, которые снижают ее температуру спекания.

Применение комбинированного органо-минерального связующего способствует образованию в изделиях двух взаимопроникающих матриц: углеродной и керамической, что приводит к повышению прочности материала при изгибе.

Добавка в шихту эрозионно-стойкой части реактивного глинозема - тонкодисперсного корунда со средним диаметром части около 2 мкм - снижает температуру начала образования муллита в связке, способствует повышению прочности, снижению пористости, за счет чего обеспечивается и высокая эрозионная стойкость. Введение в шихту карбида кремния - антиокислительной добавки повышает эрозионную стойкость, соответственно повышая прочность и снижая пористость изделия.

Получается составное огнеупорное изделие, обладающее необходимым набором эксплуатационных свойств. Кроме того, по сравнению с прототипом, материал эрозионно-стойкой части заявляемого состава более совместим с материалом основной части изделия за счет сходства их составов (все они - материалы одной системы Al₂O₃-С).

Процесс изготовления составного огнеупорного изделия реализуется следующим образом.

Для изготовления составных огнеупорных изделий использовали следующие материалы: плавленый корунд фракции 1,0-0 мм по ТУ 2-036-0224450-022-90, графит марки ГТ-1 по ГОСТ 4596-75, кремний кристаллический марок КР-1, КР-2 по ГОСТ 5279-74 фракции менее 0,088 мм, карбид кремния марок 54С зернистостью 160-6 по ТУ 2-036-0220937-004-90, фракции менее 0,2 мм, СФП - фенольное порошкообразное связующее ТУ 6-0575-1768-35-94 марки СФП-012 А с содержанием свободного фенола менее 1%, глина огнеупорная Новорайского месторождения ДН-1 по ТУ 4322-7-00190503-061-96, реактивный глинозем производства ОАО «БКО», этилцеллозольв технический по ГОСТ 8313-88, уротропин технический марки С по ГОСТ 1381-73, спирт фурфуриловый технический. Все компоненты промышленного производства.

Для изготовления основной части изделия готовят шихту следующего состава, мас.%:

Плавленый корунд59,9Глина огнеупорная2,9Графит19,3Кремний5,8Карбид кремния4,9Связующее фенольное порошкообразное3,9Лигносульфонат технический1,4Жидкое органическое связующее1,9

В таблице 1 представлены составы шихт и технические характеристики образцов для основной части составного изделия.

Для изготовления эрозионно-стойкой части изделия готовят шихту следующего состава, мас.%:

Плавленый корунд74,8Графит6,8Кремний7,8Глина огнеупорная4,8Связующее фенольное порошкообразное2,9Жидкое органическое связующее2,9

С добавкой в эрозионно-стойкую часть изделия реактивного глинозема и карбида кремния шихту готовят следующего состава:

Плавленый корунд68,9Графит6,8Кремний6,8Карбид кремния3,4Глина огнеупорная4,8Реактивный глинозем2,9Связующее фенольное порошкообразное3,4Жидкое органическое связующее2,9

В таблице 2 представлены составы шихт и технические характеристики образцов для эрозионно-стойкой части составного изделия.

Приготовленные раздельно шихты основной и эрозионно-стойкой части раздельно засыпали в прессформу, вибрировали,вакуумировали. Формование изделий осуществляли с переходным слоем, состоящим из масс составовдля основной иэрозионно-стойкой частей,взятых в соотношении 1:1. Сырец составного огнеупорного изделия прессовали методом гидростатического формования при давлении не менее 90 МПа. Обжиг сырца производили в муфеле с коксовой засыпкой при температуре 1450°С.

Готовое составное огнеупорное изделие - стопор-моноблок используют для регулирования разливки металла на установках непрерывной разливки стали. Изделия успешно опробованы на крупнейших металлургических комбинатах России («Северсталь», Новолипецкий, Магнитогорский), обеспечив непрерывную разливку металла разного сортамента в течение 15 часов и в количестве до 1900 тонн через один ручей.

Таблица 1Составы шихт и технические характеристики образцов для основной части составного изделия.Наименование сырьевых материаловСоставы шихт1234ПрототипПлавленный корунд, фр. 1,0-0 мм48,152,759,962,552,4Графит22,121,119,317,326,6Кремний кристаллический, фр.<0,088 мм7,76,75,84,87,6Карбид кремния, фр.<0,2 мм6,75,74,93,83,8Глина огнеупорная6,75,72,94,8-Связующее фенольное порошкообразное4,83,83,92,93,8Жидкое органическое связующее2,92,41,91,0 Лигносульфонат технический1,01,91,42,9-Боросиликатная стекольная фритта, фр.<0,088 мм----1,0Бакелит жидкий (сверх 100%)----4,8Открытая пористость, %10-129,5-11,58,0-9,011-1311,3Предел прочности при сжатии, МПа38-4540-4842-6235-40,523,3Предел прочности при изгибе, МПа10-1311-14,516-1812-15Нет данныхКоэффициент линейного термического расширения, град^-1 Х 10^-750,5149,5849,4955,4556,34Окисляемость 1300°С - 2 часа, %4,84,02,04,54,9Шлакоустойчивость, %4,23,52,25,4Нет данных

Таблица 2Составы шихт и технические характеристики образцов для эрозионно-стойкой части составного изделия.Наименование сырьевых материаловСоставы шихт1234ПрототипПлавленый корунд, фр. 1,0-0 мм74,868,969,177,5-Плавленый периклаз, фр. 0,5-0 мм----64,0Графит6,86,87,74,917,5Кремний кристаллический, фр.<0,088 мм7,86,89,65,85,0Карбид кремния, фр.<0,2 мм-3,43,82,06,0Глина огнеупорная4,84,91,95,8-Реактивный глинозем-2,9 --Алюминий металлический (АПВП), фр.<0,2 мм-- -3,0Связующее фенольное порошкообразное2,93,43,82,03,5Этиленгликоль----1,5Жидкое органическое связующее2,92,93,82,0-Лигносульфонат технический (сверх 100%)-----Открытая пористость, %12-1311-1215-16,514-1514,7Предел прочности при сжатии, МПа63-6865-7050-6045-5518,3Предел прочности при изгибе, МПа8-99-108-97-8Нет данныхКоэффициент линейного термического расширения, град^-1 Х 10^-750,1151,2459,2456,1989,1Металлоустойчивость, %0,70,81,91,61,5

Изобретение относится к непрерывной разливке металла. Огнеупорное изделие состоит, по меньшей мере, из двух частей: основной и эрозионно-стойкой. Основная часть выполнена из шихты, содержащей следующие компоненты, мас.%: плавленый корунд фракции менее 1,0 мм 46,3-63,7; графит 15,7-21,6; кремний кристаллический фракции менее 0,088 мкм 4,6-7,8; карбид кремния фракции менее 0,2 мм 2,8-6,9; глина огнеупорная 1,9-5,9; связующее фенольное порошкообразное 2,7-4,6; жидкое органическое связующее 0,9-2,8; лигносульфонат технический 0,9-2,8. Шихта эрозионно стойкой части, мас.%: плавленый корунд 69,3-81,0; графит 4,8-7,9; кремний кристаллический 4,8-7,9; глина огнеупорная 1,9-5,9; связующее фенольное порошкообразное 1,9-4,0; жидкое органическое связующее 1,0-5,0. Во втором варианте шихта эрозионно стойкой части дополнительно содержит плавленый корунд и реактивный глинозем при следующем соотношении компонентов, мас.%: плавленый корунд 61,8-69,3; графит 4,8-7,9; кремний кристаллический 4,8-7,9; карбид кремния 4,8-7,9 глина огнеупорная 1,9-5,9; реактивный глинозём 2,9-4,0; связующее фенольное порошкообразное 1,9-4,0; жидкое органическое связующее 1,0-5,0. Обеспечивается повышение прочности и эрозионной стойкости изделия. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Составное огнеупорное изделие для разливки металла, содержащее, по меньшей мере, основную и эрозионно-стойкую части, при этом основная часть выполнена из шихты, включающей плавленый корунд фракции менее 1,0 мм, графит в качестве углеродсодержащего материала, антиокислительную добавку из кремния кристаллического фракции менее 0,088 мкм и карбида кремния фракции менее 0,2 мм, жидкое связующее и порошкообразное фенольное связующее, а эрозионно-стойкая часть выполнена из шихты, включающей графит в качестве углеродсодержащего материала, антиокислительную добавку из кремния кристаллического фракции менее 0,088 мкм, жидкое связующее и порошкообразное фенольное связующее, отличающееся тем, что шихта основной части дополнительно содержит огнеупорную глину в качестве пластифицирующей добавки и лигносульфонат технический при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Плавленый корунд46,3-63,7Графит15,7-21,6Кремний кристаллический4,6-7,8Карбид кремния2,8-6,9Глина огнеупорная1,9-5,9Связующее фенольное порошкообразное2,7-4,6Жидкое органическое связующее0,9-4,6Лигносульфонат технический0,9-2,8

а шихта эрозионно-стойкой части дополнительно содержит плавленый корунд и огнеупорную глину при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Плавленый корунд69,3-81,0Графит4,8-7,9Кремний кристаллический4,8-7,9Глина огнеупорная1,9-5,9Связующее фенольное порошкообразное1,9-4,0Жидкое органическое связующее1,0-5,0

Связующее фенольное порошкообразное15-20Уротропин5-8Спирт фурфуриловый40-60Этилцеллозольв20-40

Плавленый корунд46,3-63,7Графит15,7-21,6Кремний кристаллический4,6-7,8Карбид кремния2,8-6,9Глина огнеупорная1,9-5,9Связующее фенольное порошкообразное2,7-4,6Жидкое органическое связующее0,9-4,6Лигносульфонат технический0,9-2,8

а шихта эрозионно-стойкой части дополнительно содержит плавленый корунд и реактивный глинозем при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Плавленый корунд61,8-69,3Графит4,8-7,9Кремний кристаллический4,8-7,9Карбид кремния4,8-7,9Глина огнеупорная1,9-5,9Реактивный глинозем2,9-4,0Связующее фенольное порошкообразное1,9-4,0Жидкое органическое связующее1,0-5,0

Связующее фенольное порошкообразное15-20Уротропин5-8Спирт фурфуриловый40-60Этилцеллозольв20-40