ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННАЯ И ЗАЩИТНАЯ СМЕСЬ ДЛЯ ЗЕРКАЛА МЕТАЛЛА В ПРОМЕЖУТОЧНОМ КОВШЕ МНЛЗ Российский патент 2008 года по МПК B22D11/111 

Изобретение относится к области черной металлургии, к сегменту непрерывной разливки стали, а именно к составам, предназначенным для теплоизоляции и защиты зеркала металла от окисления, находящегося в промежуточном ковше.

Известны различные смеси и изделия для теплоизоляции жидкого металла, находящегося в различных металлургических агрегатах и на определенных стадиях металлургического передела, например в сталеразливочных ковшах, на этапе транспортировки и доводки металла по химическому составу, газосодержанию и по концентрации неметаллических включений (см. Л.М.Аксельрод, В.Г.Мизин, М.К.Филяшин и др. Сталеразливочный ковш - объект энергосбережения. // Новые огнеупоры. - 2002. - №3, - с.52-55).

Известны также, экзотермические смеси для утепления головной части слитка, применяемые на этапе разливки стали и сплавов в изложницы (см. заявка РФ №2005107941/02, класс С1).

Наиболее близкой, из описанных в литературе, по содержанию составляющих заявляемую смесь ингредиентов, является смесь (см. заявка №2002131142/02, класс С2), которая содержит ингредиенты в следующих пределах, в весовых %:

- теплоизолирующий ингредиент - керамзит 50-70;

- углеродсодержащий ингредиент - 30-50.

Используемый керамзит получен путем приготовления исходной шихты из глин с добавкой древесных опилок и воды, последующим формированием из нее окатышей и дальнейшей их термообработкой (сушки при 50-60°С и обжига при 1100°С), осуществлением помола полученных окатышей до уровня 63 микрон и финишным смешением полученного керамзита с углеродсодержащим ингредиентом - с кристаллическим графитом в соотношении 1:1, т.е. получением готовой смеси.

Указанная смесь применяется при сифонной разливке стали в изложницы и предназначена для утепления прибыльной части формирующегося слитка.

Вместе с тем, данная смесь не может быть использована для теплоизоляции и защиты зеркала металла в промежуточном ковше.

Это обусловлено высоким содержанием углеродсодержащего ингредиента до 50% по массе.

При этом известная смесь, описанная в прототипе, является активным источником науглероживания готового металла.

И, кроме того, поскольку углеродсодержащий ингредиент обладает, по крайней мере, на порядок более высокой теплопроводностью по сравнению с теплоизолирующим ингредиентом, теплоизолирующая способность смеси прототипа в целом невелика.

Вместе с тем, известная смесь не обеспечивает надежной защиты зеркала металла от окисления кислородом воздуха из-за сравнительно высокой инертности литейного графита по отношению к кислороду.

Поэтому смесь прототипа характеризуется и повышенным удельным расходом.

Техническим результатом данного изобретения является создание теплоизолирующей и защитной смеси, сочетающей высокую теплоизолирующую способность и защиту от окисления кислородом воздуха зеркала металла в промежуточном ковше, с одновременным снижением удельного расхода смеси. Кроме того, пониженное содержание углерода исключает возможность науглероживания готового металла, превышающего допустимые нормы.

Данный результат достигается тем, что заявляемая смесь включает теплоизолирующий ингредиент в количестве 30-50%, углеродсодержащий ингредиент в количестве 10-30% и дополнительно вводимый, согласно изобретению, органический окисляющийся и пиролизующийся в процессе применения ингредиент в количестве 20-60%.

Кроме того, в качестве теплоизолирующего ингредиента заявляемая смесь содержит вспученный перлит или вспученный вермикулит. В качестве углеродсодержащего ингредиента заявляемая смесь содержит фракционированный бой периклазоуглеродистых изделий или пластинчатые графитовые отходы, образующиеся в доменных и конвертерных цехах при выпуске и транспортировке жидкого чугуна, или фракционированный бой графитовых электродов, или литейный графит. В качестве дополнительно вводимого органического окисляющегося и пиролизующегося в процессе применения ингредиента заявляемая смесь содержит лузгу пшеницы, или лузгу подсолнечника, или лузгу гречихи, или лузгу риса, или фракционированный торф.

Причем теплоизолирующий ингредиент состоит из смеси вспученного перлита и вермикулита. Углеродсодержащий ингредиент состоит из смеси фракционированного боя периклазоуглеродистых изделий с пластинчатыми графитовыми отходами доменных и конвертерных цехов, образующихся при выпуске и транспортировке жидкого чугуна с фракционированным боем графитовых электродов с литейным графитом. Дополнительно вводимый органический окисляющийся и пиролизующийся в процессе применения ингредиент состоит из смеси лузги пшеницы с лузгой подсолнечника, с лузгой гречихи, с лузгой риса, с фракционированным торфом.

Для получения смеси использовали сухие исходные материалы с остаточной влажностью не более 1% по массе.

Вспученный перлит или вермикулит, или их смесь, в гранулах фракции 0-3 мм смешивают с измельченными гранулами боя периклазоуглеродистых изделий или с гранулами пластинчатых графитовых отходов, образующихся в доменных и конвертерных цехах при выпуске и транспортировке жидкого чугуна, или боя графитовых электродов, или литейного графита, или их смеси, фракции 0-1 мм с лузгой пшеницы, или лузгой подсолнечника, или лузгой гречихи, или лузгой риса, или фракционированным торфом, или их смеси, фракции 0-2 мм.

Смешивание проводят до получения однородной массы.

Каждый вариант массы, полученный по описанной схеме, расфасовывают в отдельные полиэтиленовые мешки и подвергают испытаниям путем нанесения на зеркало жидкого металла в промежуточном ковше в виде слоя.

Сущность изобретения состоит в том, что при введении в состав смеси дополнительного органического окисляющегося и пиролизующегося в процессе применения ингредиента и попадания его на поверхность расплава в слое нанесенной смеси протекают два процесса: процесс окисления и процесс пиролизации. При этом общее содержание углерода в смеси, включая углерод из углеродсодержащего ингредиента, и пиролизного углерода из органического окисляющегося и пиролизующегося ингредиента находится в пределах 15-29 вес.%.

Причем окислению кислородом воздуха подвергаются в первую очередь летучие, выделяющиеся из ингредиента, тем самым достигается эффективная защита жидкого металла от окисления. Этот процесс развивается в верхней части слоя смеси, чем достигается химическое связывание кислорода воздуха летучими в CO₂ и H₂O.

В то же время в нижних слоях смеси развивается процесс пиролизации с образованием пиролизного углерода, обладающего значительно более низкой теплопроводностью по сравнению с углеродсодержащим ингредиентом смеси.

Вместе с тем, поскольку большее количества углерода, содержащегося в ингредиенте удаляется с летучими в газовую фазу, следовательно, резко сокращается процесс науглероживания.

И, наконец, выделяющиеся летучие активно препятствуют процессу спекания смеси, разрыхляя слой, тем самым сохраняя ее высокую теплоизолирующую способность.

Преимущества заявляемой смеси иллюстрируют примеры конкретного использования.

Пример 1.

Теплоизолирующая и защитная смесь состоит из теплоизолирующего ингредиента - вспученного перлита, в количестве 50%, углеродсодержащего ингредиента - фракционированного боя периклазоуглеродистых изделий, в количестве 30% и органического ингредиента - лузги пшеницы, в количестве 20%. Осуществляют разливку конструкционной стали марки 35ГС. При подаче на зеркало жидкого металла протекают процессы науглероживания, окисления и пиролиза. Источником науглероживания стали является углеродсодержащий ингредиент и пиролизная часть общего углерода в органическом ингредиенте. Опытным путем установлено, что науглероживания сверхнормативного по данной марке стали не происходит. Теплоизоляционная и защитная смесь сохраняет свои свойства на протяжении всего периода разливки свыше 30 часов.

Пример 2.

Теплоизолирующая и защитная смесь состоит из теплоизолирующего ингредиента - вспученного вермикулита, в количестве 50%, углеродсодержащего ингредиента - литейного графита, в количестве 30% и органического ингредиента - лузги подсолнечника, в количестве 20%. Осуществляют разливку спокойной стали марки 5СП. При подаче на зеркало жидкого металла протекают процессы науглероживания, окисления и пиролиза. Источником науглероживания стали является углеродсодержащий ингредиент и пиролизная часть общего углерода в органическом ингредиенте. Опытным путем установлено, что науглероживания сверхнормативного, по данной марке стали, не происходит. Теплоизоляционная и защитная смесь сохраняет свои свойства на протяжении всего периода разливки свыше 20 часов.

Пример 3.

Теплоизолирующая и защитная смесь состоит из теплоизолирующего ингредиента - вспученного перлита, в количестве 30%, углеродсодержащего ингредиента - фракционированного боя графитовых электродов, в количестве 10% и органического ингредиента - лузги гречихи, в количестве 60%. Осуществляют разливку конструкционной стали марки 35ГС. При подаче на зеркало жидкого металла протекают процессы науглероживания, окисления и пиролиза. Источником науглероживания стали является углеродсодержащий ингредиент и пиролизная часть общего углерода в органическом ингредиенте, Опытным путем установлено, что науглероживания сверхнормативного, по данной марке стали, не происходит. Теплоизоляционная и защитная смесь сохраняет свои свойства на протяжении всего периода разливки свыше 20 часов.

Пример 4.

Теплоизолирующая и защитная смесь состоит из теплоизолирующего ингредиента - вспученного перлита, в количестве 30%, углеродсодержащего ингредиента - пластинчатых графитовых отходов, образующихся в доменных и конвертерных цехах при выпуске и транспортировке жидкого чугуна, в количестве 10% и органического ингредиента - лузги риса, в количестве 60%. Осуществляют разливку конструкционной стали марки 35ГС. При подаче на зеркало жидкого металла протекают процессы науглероживания, окисления и пиролиза. Источником науглероживания стали является углеродсодержащий ингредиент и пиролизная часть общего углерода в органическом ингредиенте. Опытным путем установлено, что науглероживания сверхнормативного, по данной марке стали, не происходит. Теплоизоляционная и защитная смесь сохраняет свои свойства на протяжении всего периода разливки свыше 20 часов.

Пример 5.

Теплоизолирующая и защитная смесь состоит из теплоизолирующего ингредиента - вспученного перлита, в количестве 40%, углеродсодержащего ингредиента - пластинчатых графитовых отходов, образующихся в доменных и конвертерных цехах при выпуске и транспортировке жидкого чугуна, в количестве 20% и органического ингредиента - фракционированного торфа, в количестве 60%. Осуществляют разливку спокойной стали марки 5СП. При подаче на зеркало жидкого металла протекают процессы науглероживания, окисления и пиролиза. Источником науглероживания стали является углеродсодержащий ингредиент и пиролизная часть общего углерода в органическом ингредиенте. Опытным путем установлено, что науглероживания сверхнормативного, по данной марке стали, не происходит. Теплоизоляционная и защитная смесь сохраняет свои свойства на протяжении всего периода разливки свыше 20 часов.

Пример 6.

Теплоизолирующая и защитная смесь состоит из теплоизолирующего ингредиента - вспученного перлита, в количестве 50%, углеродсодержащего ингредиента - пластинчатых графитовых отходов, образующихся в доменных и конвертерных цехах при выпуске и транспортировке жидкого чугуна, в количестве 30% и органического ингредиента - фракционированного торфа, в количестве 20%. Осуществляют разливку конструкционной стали марки 35ГС. При подаче на зеркало жидкого металла протекают процессы науглероживания, окисления и пиролиза. Источником науглероживания стали является углеродсодержащий ингредиент и пиролизная часть общего углерода в органическом ингредиенте. Опытным путем установлено, что науглероживания сверхнормативного, по данной марке стали, не происходит. Теплоизоляционная и защитная смесь сохраняет свои свойства на протяжении всего периода разливки свыше 22 часов.

Пример 7.

Теплоизолирующая и защитная смесь состоит из теплоизолирующего ингредиента - вспученного вермикулита, в количестве 40%, углеродсодержащего ингредиента - пластинчатых графитовых отходов, образующихся в доменных и конвертерных цехах при выпуске и транспортировке жидкого чугуна, в количестве 20% и органического ингредиента - фракционированного торфа, в количестве 40%. Осуществляют разливку спокойной стали марки 5СП. При подаче на зеркало жидкого металла протекают процессы науглероживания, окисления и пиролиза. Источником науглероживания стали является углеродсодержащий ингредиент и пиролизная часть общего углерода в органическом ингредиенте. Опытным путем установлено, что науглероживания сверхнормативного, по данной марке стали, не происходит. Теплоизоляционная и защитная смесь сохраняет свои свойства на протяжении всего периода разливки свыше 22 часов.

Пример 8.

Теплоизолирующая и защитная смесь состоит из теплоизолирующего ингредиента - смеси вспученного перлита и вермикулита в соотношении 1:1 в общем количестве 40%; углеродсодержащего ингредиента - смеси фракционированного боя периклазоуглеродистых изделий, с пластинчатыми графитовыми отходами, образующимися в доменных и конвертерных цехах при выпуске и транспортировке жидкого чугуна, с фракционированным боем графитовых электродов, с литейным графитом в соотношении компонентов 1:1:1:1 - в общем количестве 30%; органического окисляющегося и пиролизующегося в процессе применения ингредиента - смеси лузги пшеницы с лузгой подсолнечника с лузгой гречихи с лузгой риса с фракционированным торфом, в соотношении 1:1:1:1:1 - в общем количестве 30%. И в этом варианте науглероживания, сверхнормативного не происходит. Теплоизоляционная и защитная смесь сохраняет свои свойства на протяжении всего периода разливки, не менее 20 часов.

Выбор оптимальных весовых пределов для теплоизолирующего ингредиента в заявляемой смеси обусловлен следующим: выход за нижний весовой предел теплоизолирующего ингредиента приводит, с одной стороны, к снижению теплоизолирующей способности, с другой, - к увеличению степени науглероживания металла, поскольку возрастает доля общего углерода в смеси; выход за верхний весовой предел приводит к снижению стойкости смеси, а именно ее интенсивному спеканию и оплавлению, т.к. возрастает концентрация легкоплавких соединений на основе калия и натрия, содержащихся в вспученном перлите и вермикулите, кроме того, возрастает стоимость готовой смеси.

Выбор оптимальных весовых пределов для углеродсодержащего ингредиента в заявляемой смеси обусловлен следующим. Выход за нижний предел приводит к уменьшению стойкости смеси, т.е. к спеканию и оплавлению частиц теплоизолирующего ингредиента и частиц зольного остатка органического ингредиента; выход за верхний предел обусловливает, с одной стороны, снижение теплоизолирующей способности смеси, а с другой, - увеличивает скорость науглероживания металла.

Выбор оптимальных весовых пределов для органического окисляющегося и пиролизующегося в процессе применения ингредиента в заявляемой смеси обусловлен следующим. Выход за нижний предел приводит к развитию процесса окисления поверхности жидкого металла кислородом воздуха из-за недостатка восстановительных газов СО и Н₂ из летучих, выход за верхний предел повышает пирофорность смеси, т.е. вероятность воспламенения в момент нанесения на поверхность жидкого металла в промежуточном ковше, а также к возрастанию общего углерода в смеси, что приводит к науглероживанию.

Требование по содержанию общего углерода в пределах 15-29 вес.% обусловлено следующим: во-первых, выход за нижний предел снижает стойкость смеси за счет развития процессов спекания и оплавления; во-вторых, выход за верхний предел приводит к процессу науглероживания и снижению теплоизолирующей способности смеси и в-третьих, строго регламентирует соотношение между органическим окисляющимся и пиролизующимся ингредиентом и углеродсодержащим ингредиентом в смеси, а это существенно расширяет номенклатуру и группы совместного применения углеродсодержащих и биоорганических ингредиентов.

Экспериментально установлено, что только около 20% общего углерода, содержащегося в органическом окисляющемся и пиролизующемся в процессе применения ингредиенте, подвергается пиролизу, т.е. остается в смеси, остальной углерод полностью окисляется и удаляется в газовую фазу.

Содержание углерода в виде графита, в бое периклазоуглеродистых изделий - 10%, в пластинчатых графитовых отходах доменных и конвертерных цехов, образующихся при выпуске и транспортировке жидкого чугуна - 90%, в бое графитовых электродов - 95%, в литейном графите - 95%.

Заявляемая смесь характеризуется следующими свойствами (см. таблицу).

ТаблицаЗаявляемая смесьПрототип№ СмесиКол-во общего углерода в смеси, вес.%Удельный расход, кг/тонну сталиОкисление поверхности жидкого металлаКоэффициент теплопроводности, Вт/ м·ККол-во общего углерода в смеси, вес.%Удельный расход, кг/тонну сталиОкисление поверхности жидкого металлаКоэффициент теплопроводности, Вт/ м·КСмесь №1170.1Не обнаружено0.0530-501.4Имеет место-Смесь №2290.17Не обнаружено0.05830-501.4Имеет место-Смесь №3250.16Не обнаружено0.0630-501.4Имеет место-Смесь №4150.1Не обнаружено0.06230-501.4Имеет место-Смесь №5190.11Не обнаружено0.0730-501.4Имеет место-Смесь №6230.13Не обнаружено0.07330-501.4Имеет место-Смесь №7170.1Не обнаружено0.0530-501.4Имеет место-Смесь №8220.11Не обнаружено0.04330-501.4Имеет место-

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к непрерывной разливке стали. Смесь содержит, мас.%: вспученный перлит и/или вермикулит 30-50, углеродсодержащий ингредиент 10-30 и органический окисляющийся и пиролизующийся в процессе применения ингредиент 20-60, при этом общее содержание углерода в смеси составляет 15-29 мас.%. В результате термического воздействия на органический ингредиент физического тепла расплава часть углерода переходит в летучие. Окисление летучих кислородом воздуха непосредственно над расплавом предохраняет расплав от окисления. Образовавшиеся газы препятствуют процессам спекания смеси. Обеспечивается эффективная теплоизолирующая способность смеси на протяжении всего времени разливки, снижение удельного расхода смеси, исключение науглероживания металла выше допустимых норм. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Теплоизоляционная и защитная смесь для зеркала металла в промежуточном ковше машин непрерывного литья заготовок, содержащая теплоизолирующий ингредиент и углеродсодержащий ингредиент, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит органический окисляющийся и пиролизующийся в процессе применения ингредиент, в качестве теплоизолирующего ингредиента смесь содержит вспученный перлит и/или вермикулит, при этом ингредиенты взяты в следующем соотношении, мас.%: вспученный перлит и/или вермикулит 30-50, углеродсодержащий ингредиент 10-30 и органический окисляющийся и пиролизующийся в процессе применения ингредиент 20-60, а общее содержание углерода в смеси составляет 15-29 мас.%.2. Смесь по п.1, отличающаяся тем, что в качестве углеродсодержащего ингредиента содержит фракционированный бой периклазоуглеродистых изделий или пластинчатые графитовые отходы, образующиеся в доменных и конвертерных цехах при выпуске и транспортировке жидкого чугуна, или фракционированный бой графитовых электродов, или литейный графит, или их смеси, в качестве органического окисляющегося и пиролизующегося в процессе применения ингредиента содержит лузгу пшеницы или лузгу подсолнечника, или лузгу гречихи, или лузгу риса, или фракционированный торф, или их смеси.