ШИХТА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КРИСТАЛЛИЗАТОРОВ Российский патент 2007 года по МПК C01B31/02 C01B31/04 

Изобретение относится к области изготовления углеграфитовых материалов, в частности к материалам для изготовления кристаллизаторов, используемых для непрерывной разливки цветных металлов и сплавов.

Известна шихта [1], содержащая в качестве наполнителя смесь искусственных графитов, изготовленных на основе прокаленного и непрокаленного нефтяного коксов, а в качестве связующего - смесь средне- и высокотемпературных каменноугольных пеков.

Однако указанная шихта выполнена на основе нефтяного кокса марки КНПС, который в настоящее время снят с производства из-за высокой себестоимости.

Наиболее близкой по технической сущности является шихта [2, 3] (прототип), содержащая в качестве наполнителя нефтяной кокс фракции (-90 мкм), и в качестве связующего - каменноугольный пек, соотношением компонентов:

кокс нефтяной, фракции (-90 мкм) - 65%

каменноугольный пек - 30%

естественный графит - 5%

Недостатками материала, полученного на этой шихте, являются, нестабильность гранулометрического состава пресс-порошка, низкие прочностные характеристики, значительные объемные усадки, которые возникают при использовании нефтяного кокса. Кроме того, применение естественного графита в качестве пластификатора в указанных количествах приводит к снижению прочностных свойств. Основным недостатком является невозможность замены нефтяного кокса на кокс другой основы в данной рецептуре.

В основу предлагаемого изобретения положена задача снижения пористости материала, улучшение физико-механических характеристик, уменьшение газопроницаемости изделий. Технический результат заключается в использовании более дешевого сырьевого материала, доступного к производству и получение углеродного материала для кристаллизаторов непрерывной разливки цветных металлов и сплавов с более высокими физико-механическими свойствами, малопористого с низкой газопроницаемостью, с высокой работоспособностью, низким износом рабочей поверхности изделий, изготовленных из этого углеродного материала.

Поставленная цель достигается тем, что в качестве наполнителя шихты для получения углеграфитовых изделий используется непрокаленный пековый кокс, измельченный до средних размеров частиц (-500 мкм) в количестве от 72 до 78 мас.%, а в качестве связующего - среднетемпературный каменноугольный пек в количестве от 22 до 28 мас.%.

Обычно при изготовлении углеграфитовых материалов в качестве наполнителя используются нефтяной кокс как прокаленный, так и непрокаленный. Разница в использовании прокаленного и непрокаленного нефтяного кокса состоит в том, что в непрокаленном коксе содержится летучих веществ от 3 до 7%, и из него получаются более плотные заготовки небольших размеров, из-за значительных объемных усадок. Технологическая обработка данных заготовок состоит из обжига и графитации. При использовании прокаленного нефтяного кокса в его составе отсутствуют летучие вещества, для получения заготовок больших размеров и высокой плотности используют 1-3 пропитки среднетемпературным каменноугольным пеком. Технологическая обработка таких заготовок продолжительна.

Нефтяной и пековый кокс близки по своему составу. Однако нефтяной кокс, получаемый при температуре 650-750°С, имеет повышенное содержание летучих веществ в своем составе. Поэтому он подвергается дополнительной прокалке при температуре 1150-1350°С для удаления влаги, летучих веществ и серы. Пековый кокс получают при более высокой температуре 950-1050°С, соответственно непрокаленный пековый кокс имеет более низкое содержание летучих веществ. Нефтяной и пековый непрокаленные коксы по разному ведут себя при прохождении технологической обработки при изготовлении углеграфитовых материалов. При использовании как непрокаленного, так и прокаленного нефтяного кокса на всех технологических операциях наблюдаются усадочные явления, а непрокаленный пековый кокс проявляет незначительное расширение при графитации заготовок.

При изготовлении материала составляется рабочий гранулометрический состав, который будет зависеть от габаритов изделия, физико-механических свойств конечного продукта. При прессовании зеленых заготовок из кокса определенного гранулометрического состава процентное соотношение кокса и пека в шихте регулируется. При изготовлении заготовок из нефтяного кокса, в зависимости от качества исходного сырья, а также производственных условий, гранулометрический состав может изменяться. При изготовлении заготовок диаметром до 100 мм используют грансостав, содержащий 78% нефтяного кокса, размером 0-1 мм, а при изготовлении заготовок диаметром 450-500 мм используют кокс с грансоставом размером 0-6 мм, в количестве 72% [6]. Мелкозернистый графит марки МГ изготавливают в виде заготовок диаметром 100-300 м, длиной до 300 мм, с использованием грансостава, содержащий нефтяной кокс размером 90 мкм.

Таким образом, для изготовления заготовок более мелкого ассортимента чаще всего используют шихту с гранулометрическим составом 90 мкм, а для изготовления заготовок большего размера размер зерна кокса колеблется от -1000 мкм до -6000 мкм.

В предлагаемом изобретении преследуется цель получения крупногабаритных заготовок, из которых в дальнейшем будут изготавливаться кристаллизаторы для непрерывной разливки цветных металлов и сплавов. Гранулометрический состав -500 мкм пекового кокса был выбран как оптимальный для заготовок размером 500×350×100 мм.

Если в подобранный грансостав дать меньше связующего, то в заготовке при прессовании могут образоваться трещины. Если больше связующего, то масса будет жирной и процесс прессования будет походить тяжело, сама заготовка может деформироваться. Нами был взят интервал от 20 до 30% связующего. При 20 мас.% связующего в заготовках наблюдалось образование прессовых трещин и лишь с 22 мас.%, плотность заготовок начинает расти, что дает в конечном продукте необходимые результаты по росту физико-механических характеристик. Рост плотности заготовок прекращается при большем чем 28 мас.% количестве пека. Следующий процент связующего будет лишним и в конечном продукте приведет к ухудшению физико-механических характеристик. Таким образом, годность заготовки будет зависеть от правильности подбора гранулометрического фракционного состава, количества связующего и др. факторов.

Предлагаемая шихта, состоящая из непрокаленного пекового кокса фракции (-500 мкм) в количестве 72-78 мас.% и среднетемпературного каменноугольного пека в количестве 22-28 мас.% может быть использована для изготовления материала под кристаллизаторы, который получают следующим образом.

Сущность предлагаемого изобретения иллюстрируется примерами 1-6. Во всех примерах осуществляется использование стандартного оборудования для получения графитовых материалов [4]. Для определения физико-механических свойств полученных графитов использовали стандартные методики и оборудование [5].

Методом дробления исходного пекового кокса, подготавливают наполнитель определенного гранулометрического состава, с размером зерна -500 мкм, который смешивают со среднетемпературным каменноугольным пеком с температурой размягчения 70-75°С. Из полученной таким образом горячей массы прессуются заготовки, размером 500×350×100 мм, которые идут на короткий обжиг при температуре 1200°С и графитацию при температуре 2500°С.

При использовании нефтяного кокса (прототип) технологическая обработка состоит в следующем: подготовленный методом дробления нефтяной кокс смешивают со среднетемпературным каменноугольным пеком при температуре 130-140°С; полученную горячую массу охлаждают и дробят на шаровой мельнице [4]. Из полученной холодной пресс-массы прессуются заготовки, которые проходят аналогичную технологическую обработку.

В таблице 1 приведены составы известной и предлагаемой шихты и физико-механические свойства полученного материала на основе непрокаленного пекового кокса и нефтяного по прототипу.

Таблица 1№Состав шихтыХарактеристики материалап/пнефтян. кокс КНПС фр -90 мк%естеств. графит %пековый кокс фр -500 мк%среднетемпер. пекплотность г/см³удельн. электросопротив. мкОм*мпрочность при сжатии кгс/см²модуль упругости Е*10⁵ кгс/см²пористость открытая %1  7030повышенная поверхностная пористость2  72281,6917,8380--3  74261,7816,2510--4  76241,8510,07509,48,55  78221,7918,7580--6  8020 трещины в заготовках765 (прототип)5 301,5018200 28-31

Из анализа данных, приведенных в таблице 1, следует, что использование предлагаемой шихты на основе непрокаленного пекового кокса позволит получить материал - для кристаллизаторов, который имеет более высокие физико-механические характеристики по сравнению с прототипом.

Применение предлагаемой шихты на основе непрокаленного пекового кокса позволят:

увеличить плотность с 1,51 до 1,85 г/см³

увеличить прочность

при сжатии с 200 до 760 кгс/см²

уменьшить открытую

пористость с 28 до 8,5%

Источники информации

1. Патент RU 2009998 С1, С01В 31/04, заявл. 21.05.91, опубл. 30.03.94, "НИИГрафит".

2. ТУ 48-20-86-81 зарегистр. ГР № 2254884 от 04.02.82 "Изделие фасонное различных марок".

3. ТП 4862-018-89 "Производство заготовок конструкционного графита марок МГ и МГ-I" "НИИГрафит".

4. Чахлых Е.Ф. Технология и оборудование электродных и электроугольных предприятий. - М.: Металлургия, 1972, - 432 с.

5. ГОСТ 23775-79. Изделия углеродные. Методы определения предела прочности на сжатие, изгиб, разрыв (диаметральное сжатие).

6. Чахлых Е.Ф. Технология углеграфитовых материалов. - М., 1963, - 277 с.

Изобретение может быть использовано в металлургической промышленности для изготовления кристаллизаторов, применяемых для непрерывной разливки цветных металлов и сплавов. Шихта содержит 72-78 мас.% углеродного наполнителя - пекового непрокаленного кокса фракции (-500 мкм), и 22-28 мас.% углеродсодержащего связующего - среднетемпературного каменноугольного пека. Кристаллизаторы, полученные из шихты по изобретению, имеют плотность до 1,85 г/см³, прочность при сжатии - до 760 кгс/см², открытую пористость - не более 8,5%. 1 табл.

Шихта для получения кристаллизаторов, содержащая углеродный наполнитель и углеродсодержащее связующее, отличающаяся тем, что в качестве наполнителя используют непрокаленный пековый кокс фракции (-500 мкм) при следующем соотношении компонентов: мас.%

непрокаленный пековый кокс фракции (-500 мкм)72-78среднетемпературный каменноугольный пек22-28