ШИХТА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЛАВЛЕНОЙ ОСНОВЫ ШЛАКООБРАЗУЮЩЕЙ СМЕСИ Российский патент 2010 года по МПК B22D11/10 

Изобретение относится к черной металлургии и может быть использовано в качестве шлакообразующей плавленой основы в составах шлакообразующих смесей (ШОС) для непрерывной разливки стали.

Известен состав шихты для получения плавленой шлакообразующей основы защитной ШОС для непрерывной разливки стали (пат. Японии № 55-9972, кл. В22Д 11/00, 1981 г.).

Шлакообразующую основу получают сплавлением известняка, служащего источником оксидов кальция, силикосодержащего алюмосиликата, служащего источником оксидов кремния и алюминия, и плавикового шпата, служащего источником фтора и кальция. Шлакообразующая основа образует систему СаО-SiO₂-Аl₂О₃-СаF₂.

Недостатками такой шихты являются наличие в алюмосиликате оксидов алюминия, из-за чего снижается емкость шлакового расплава к оксидам алюминия, всплывающим из стали, и нестабильное содержание фтора в плавленой основе из-за его высокой способности улетучиваться из шлакового расплава в процессе плавления шихты.

Другим недостатком известной шихты является отсутствие в ней оксидов натрия, способствующих повышению ассимилирующей способности шлакового расплава по отношению к оксидам алюминия, всплывающим из стали.

Указанные недостатки снижают качество изготовленной с использованием шихты шлакообразующей смеси. При использовании такой ШОС качество поверхности и макроструктуры непрерывнолитого слитка снижается.

Ближайшим аналогом к заявляемому составу шихты является состав шихты, включающий 27% кальцинированной соды - источника оксидов натрия, 39% шамотного порошка - источника оксидов кремния и оксидов алюминия и 34% плавикового шпата - источника фтора и оксидов кальция (авт.св. СССР № 598940, кл. С21С 5/54, 1978 г. - прототип). Плавленая шихта - шлакообразующая основа ШОС - образует систему CaO-SiO₂-Al₂O₃-Na₂O-K₂O-СаF₃.

Недостатком данного состава шихты является использование в ней плавикового шпата и большой его расход (34%). При плавке шихты фтор разъедает огнеупорную футеровку плавильной печи, т.е. снижает ее стойкость. Ухудшается также экологическая обстановка из-за повышения в окружающей атмосфере концентрации вредных фторидов.

Существенным недостатком данного состава шихты является высокое содержание в ней оксидов алюминия, вносимых шамотным порошком (содержание Аl₂О₃ в шамотном порошке достигает 40-45%). Для изготовления ШОС с содержанием 7,0-7,5% фтора необходимо использовать 50% шихты, поскольку в ней содержится 29% CaF₂ или 14,1% фтора. Чтобы изготовить ШОС с основностью 0,7-1,3, необходимо вводить в ее состав ингредиенты, содержащие оксиды кальция. Таким ингредиентом является широко используемый в составах ШОС портландцемент. Но портландцемент, кроме оксидов кальция и кремния, вносит оксиды алюминия. В итоге в шлакообразующей смеси суммарное содержание оксидов алюминия может составлять 8-10% и более.

Ассимилирующая способность ШОС из-за высокого начального содержания оксидов алюминия резко снижается. Так, например, при разливке алюминийсодержащей стали из нее в шлаковый расплав смеси могут приходить до 10-15% оксидов алюминия. Тогда суммарное содержание оксидов алюминия достигает 20-25%.

Температура плавления и вязкость шлакового расплава смеси резко повышаются. В кристаллизаторе на поверхности шлакового расплава образуются твердые шлакометаллические «коржи», а по его периметру - грубый (толщиной 3-5 мм и более) рант, что приводит к существенному снижению качества слитка, к «подвисанию» слитка в кристаллизаторе и к аварийной остановке непрерывной разливки стали.

Кроме того, в процессе хранения ШОС она насыщается влагой из-за высокой гигроскопичности цемента. Общее содержание влаги превышает допустимые пределы. При использовании такой ШОС качество стального слитка снижается.

Технический эффект при использовании заявляемого состава шихты -шлакообразующей основы ШОС - заключается в повышении ее качества за счет применения ингредиентов, вносящих оксиды кальция в необходимых увеличенных количествах, а также применение ингредиентов, практически не содержащих оксидов алюминия, что существенно повышает ассимилирующую способность изготовляемой впоследствии ШОС по отношению к оксидам алюминия, всплывающим из стали.

Указанный технический эффект достигается тем, что шихта, включающая кальцинированную соду, ингредиент - источник оксидов кремния и ингредиент - источник оксидов кальция, в качестве ингредиента - источника оксида кремния - она содержит кварцевые пески, а в качестве ингредиента - источников оксида кальция - она содержит известь или карбонаты кальция при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:

кальцинированная сода 7-25 пески кварцевые 30-55 известь или карбонаты кальция остальное

Плавленая шихта шлакообразующей основы ШОС образует систему СаО-SiO₂-Na₂O при отношении CaO/SiO₂=0,45-0,95.

Кальцинированная сода является источником оксидов натрия.

В качестве кварцевых песков - источников оксидов кремния - используются формовочные, речные, строительные пески, молотый кварц.

В качестве ингредиентов, являющихся источником оксидов кальция, используется известь, известковая «пушонка», гашеная известь, а также карбонаты кальция: известняк, мел, мрамор, кальцит. Для снижения стоимости изготавливаемой шихты вместо извести предпочтительнее использовать известняк.

Все используемые ингредиенты практически не содержат оксиды алюминия.

Анализ научно-технической и патентной литературы показывает отсутствие совпадения отличительных признаков и их совокупности заявляемого состава шихты с признаками известных технических решений. На основании этого анализа можно сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критериям «Изобретательский уровень» и «Новизна».

При содержании в шихте кальцинированной соды менее 7%, кварцевых песков менее 30% и известняка - остальное, температура плавления ее значительно превышает 1400°С, основность плавленой шихты превышает 0,95, а основность ШОС превышает значение 1,3. Плавление такой шихты в пламенных шлакоплавильных печах представляет большие трудности. Физико-химические свойства ШОС, изготовленных с использованием этой шихты, значительно ухудшаются (температура плавления и вязкость шлакового расплава ШОС резко возрастают, что делает ШОС не пригодной для использования при непрерывной разливке стали).

При содержании в шихте кальцинированной соды более 25% температура плавления шихты снижается незначительно, но стоимость ее существенно возрастает.

При содержании в шихте кварцевых песков более 55% и известняка менее 35% основность плавленой шихты составляет менее 0,45, что ведет к понижению основности изготовляемой из нее ШОС менее 0,7 и ухудшению ее физико-химических свойств.

В обоих случаях при основности ШОС менее 0,7 и более 1,3 не рекомендуется использовать такие ШОС в кристаллизаторах МНЛЗ из-за снижения качества непрерывнолитого слитка.

Шихта оптимального состава для изготовления шлакообразующей основы ШОС содержит 17% кальцинированной соды, 35% кварцевого песка и 48% известняка. В случае использования порошка извести шихта оптимального состава содержит 20% кальцинированной соды, 45% кварцевого песка и 35% извести.

Подбор оптимального состава определяется требуемыми физико-химическими свойствами шихты и стоимостью ее ингредиентов. Так, при использовании в составе шихты известняка вместо извести стоимость шихты снижается на 20-25%.

Конкретные примеры с граничными (№ 1 и №3) и средними (№ 2 и № 4 - шихта оптимального состава) значениями содержания ингредиентов новой шихты и средним значением (№ 5) содержания ингредиентов известной шихты (авт. св. СССР № 598940-прототип) представлены в таблице 1.

Таблица 1 Компонентные составы заявляемой (№1-4) и известной шихты (№5) Номер шихты Содержание ингредиентов, мас.% Сода кальцинированная Песок кварцевый Известняк (известь) Порошок шамотный Шпат плавиковый 1 7 50 43 - - 2 17 35 48 - - 3 25 30 45 - - 4 20 45 (35) - - 5 27 - - 39 34

Кроме представленных в таблице 1 составов новой шихты (№1 - 4) на практике могут быть изготовлены и другие варианты составов этой шихты в пределах заявленных соотношений ингредиентов.

Плавление шихты - шлакообразующей основы ШОС - осуществляют в шлакоплавильных печах (пламенных или электродуговых).

Химические составы плавленых шихт и шлакообразующих смесей представлены в таблице № 2.

Таблица 2 Химические составы (№1-5) плавленых шихт и изготовленных из них шлакообразующих смесей Номер шихты Плавленая шихта Шлакообразующая смесь Химический состав, мас.% CaO/ SiO₂ Химический состав, мас.% CaO/ SiO₂ Na₂O Аl₂O₃ CaO SiO₂ С F Na₂O Аl₂O₃ CaO SiO₂ 1 4,5 н.б. 0,5 31,2 65,0 0,48 7,2 7,4 3,4 н.б. 0,4 34,2 47,3 0,70 2 10,6 38,5 50,5 0,76 7,2 7,4 7,7 39,5 37,9 1,04 3 16,4 37,2 46,4 0,80 16,0 5,9 11,5 36,1 30,6 1,18 4 10,9 38,6 50,1 0,77 6,0 7,8 7,6 41,3 37,0 1,12 5 15,0 9,0 31,8 36,0 0,88 7,5 7,0 7,5 9,1 36,3 29,6 1,23

Температура плавления составов новой шихты находится в пределах 1270-1380°С, а шлакообразующих смесей - 1130-1180°С.

При изготовлении ШОС № 1-4 расход шлакообразующей основы, полученной из новой шихты, составил 75-80%. Остальные 20-25% приходятся на расход графита и плавикового шпата. Полученные химические составы смесей № 1-4 являются аналогичными по составу смесям, широко используемым при непрерывной разливке стали, за исключением содержания в них оксидов алюминия (в известных смесях содержание оксидов алюминия составляет 3-7%).

При изготовлении ШОС № 5 расход шлакообразующей основы, полученной из известной шихты, составил 50%. Остальные 50% расхода состоят из 10% графита и 40% портландцемента.

Из данных таблицы 2 видно, что в новой шихте № 1-4 и в изготовленной с ее использованием ШОС № 1-4 содержание оксидов алюминия не превышает 0,5, и 0,4% соответственно, что значительно ниже (в 18-22 раза), чем в известной шихте № 5 и известной смеси №5.

Опыты показали, что при разливке алюминийсодержащих сталей в случае прихода из них в шлаковый расплав ШОС, изготовленной из новой шихты, 10-15% оксидов алюминия физико-химические свойства (температура плавления, вязкость) шлакового расплава в кристаллизаторе позволяют успешно продолжить непрерывную разливку стали.

В случае использования ШОС с начальным содержанием оксидов алюминия 9% и прихода в шлак 10-15% оксидов алюминия разливка стали затрудняется (резко увеличивается температура плавления и вязкость шлака) вплоть до ее остановки.

При хранении за десять суток содержание общей влаги, определяемое при 600°С, в новой шихте практически не изменилось и составило 0,15-0,16%, в известной шихте - увеличилось с 0,46 до 1,89%.

Таким образом, шихта нового состава обладает повышенным качеством вследствие практически отсутствия в ее составах оксидов алюминия, что существенно повышает ассимилирующую способность (емкость) ШОС по отношению к оксидам алюминия, всплывающим из стали, и практически отсутствия гигроскопичности.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к непрерывной разливке. Шихта включает кальцинированную соду, кварцевый песок как источник оксидов кремния, известь или карбонат кальция как источник оксидов кальция при следующем соотношении ингредиентов, мас.%: кальцинированная сода 7-25, песок кварцевый 30-55, известь или карбонат кальция остальное. Достигается повышение ассимилирующей способности шлакообразующей основы по отношению к оксидам алюминия, всплывающим из стали. 2 з.п. ф-лы. 2 табл.

1. Шихта для изготовления плавленой шлакообразующей основы шлакообразующей смеси, включающая кальцинированную соду, ингредиент - источник оксидов кремния и ингредиент - источник оксидов кальция, отличающаяся тем, что в качестве ингредиента - источника оксида кремния она содержит кварцевый песок, а в качестве ингредиента - источника оксида кальция она содержит известь или карбонат кальция при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
кальцинированная сода 7-25 песок кварцевый 30-55 известь или карбонат кальция остальное

2. Шихта по п.1, отличающаяся тем, что в качестве кварцевого песка она содержит формовочный, речной, строительный песок или молотый кварц.

3. Шихта по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что в качестве карбоната кальция она содержит известняк, мрамор, мел, кальцит.