Шлакообразующая смесь для непрерывной разливки стали Российский патент 2024 года по МПК B22D11/111 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к составам шлакообразующих смесей, используемых при непрерывной разливке стали.

Шлакообразующая смесь (ШОС) используется при непрерывной разливке в кристаллизаторе УНРС для достижения следующих целей: предотвращение вторичного окисления стали; теплоизоляция мениска; создание смазки между стенками кристаллизатора и корочкой слитка; регулирование количества тепла, передаваемого от заготовки к стенкам кристаллизатора; ассимиляция неметаллических включений.

Известна шлакообразующая смесь [1] (патент RU №2555277 на изобретение «Шлакообразующая смесь для непрерывной разливки стали», МПК B22D11/111, опубликовано: 10.07.2015, бюл.№19), полученная смешением плавикового шпата, графита, кварца пылевидного, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит соду техническую, сиенитовый концентрат, коксовую пыль, карбонат лития, мел технический, окись магния, шлак производства феррохрома, силикатную глыбу, колеманит, микрокальцит и цемент, при следующем соотношении компонентов, мас. %: плавиковый шпат 10,0-25,0; графит 0,1-6,0; кварц пылевидный 10,0-24,0; сода техническая 1,0-17,0; сиенитовый концентрат 2,0-24, коксовая пыль 1,0-6,0; карбонат лития 1,0-5,0; мел технический 3,0-23,0; окись магния 0,5-5,0, один или несколько компонентов из группы:
шлак производства феррохрома 30,0-45,0; силикатная глыба 4,0-12,0; колеманит 2,0-15,0; микрокальцит не более 18,0; цемент остальное, при этом она имеет следующий химический состав, мас. %: C свободный 0,5-8,0; SiO₂ 21,0-42,0; Al₂O₃ 0,5-12,0; СаО 23,0-52,0; MgO 0,5-10,0; R₂O 1,0-15,0; F 1,0-13,0; Li₂O не более 3,0; B₂O₃ не более 5,0; неизбежные примеси остальное.

Недостатком данной смеси является ее высокая себестоимость из-за содержания в ней дорогостоящих материалов, содержащих оксиды лития и бора. В колеманите содержатся окислы бора, которые при разливке углеродистой стали часто являются причиной образования трещин на поверхности непрерывнолитых слитков.

Известна шлакообразующая смесь для разливки сортовой заготовки высокоуглеродистых марок стали [2] (патент RU №2662511 на изобретение «Шлакообразующая смесь для разливки сортовой заготовки высокоуглеродистых марок стали», МПК B22D11/111, опубликовано: 26.07.2018, бюл.№21), содержащая фторсодержащий и углеродсодержащий материалы, глыбу силикатную, цемент и связующие и стабилизирующие добавки для гранулирования, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит шлак гранулированный доменный и колеманит при следующем соотношении ингредиентов, мас. %: углеродсодержащий материал 22-28; фторсодержащий материал 12-16; глыба силикатная 27-31; шлак гранулированный доменный 0,3-4,0; колеманит 0,3-4,0; цемент 13-18; связующие и стабилизирующие добавки для гранулирования 2-5, при этом имеет химический состав, мас. %: C 18,0-24,0; F 4,5-8,5; Al₂O₃ 0,5-4,5; CaO 20,0-28,0; SiO₂ 8,0-38,0; Na₂O+K₂O 8,0-11,0; MgO ≤2,04; B₂O₃ 0,5-2,5; неизбежные примеси остальное, причем температура плавления составляет 1090±30°C, основность (CaO/SiO₂) – 0,68-0,88, а вязкость шлакового расплава – 0,251-0,420 Па*c при 1300°C.

Недостатком данной смеси является ее высокая себестоимость из-за содержания в ней дорогостоящего компонента, содержащего оксид бора. Также в колеманите содержатся окислы бора, которые при разливке углеродистой стали часто являются причиной образования трещин на поверхности непрерывнолитых слитков.

Наиболее близкой к изобретению является шлакообразующая смесь [3] (патент RU №2175278 на изобретение «Шлакообразующая смесь для непрерывной разливки стали», МПК B22D11/111, опубликовано: 2001.10.27), содержащая углеродсодержащий материал, плавиковый шпат и песок, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит кальцинированную соду, полевой шпат и шлакопортландцемент при следующем соотношении компонентов, мас.%: углеродсодержащий материал - 15 – 25, плавиковый шпат - 7 – 20, кальцинированная сода - 3 – 15, полевой шпат - 7 – 20, песок - 12 – 25, шлакопортландцемент - 20 – 35.

Недостатком данной смеси является отсутствие сплошности гарнисажа между стенками кристаллизатора и поверхностью заготовки при разливке марок стали с содержанием углерода 0,30 % и выше, что приводит к локальному переохлаждению поверхности заготовки, образованию на ней трещин и их раскрытию на выходе из кристаллизатора (прорыву). Полевой шпат не обеспечивает необходимую концентрацию и стабилизацию суммарного содержания окислов натрия и калия, что приводит к повышению температуры плавления смеси, уменьшению ее расплавленного слоя и недостатку смазки между кристаллизатором и коркой слитка на высокой скорости разливки.

Технический результат от использования изобретения заключается в повышении стабильности разливки стали на машине непрерывного литья заготовок за счет использования шлакообразующих смесей нового химического состава. Повышение стабильности разливки заключается в снижении числа остановок МНЛЗ, так как предотвращаются процессы образования трещин и их раскрытия после выхода заготовок из-под кристаллизатора. Предлагаемая шлакообразующая смесь позволяет, без снижения качества поверхности заготовок, уменьшить число прорывов на МНЛЗ.

Указанный технический результат обеспечивается благодаря тому, что

шлакообразующая смесь для непрерывной разливки стали, содержащая

портландцемент, песок, кальцинированную соду, плавиковый шпат, графит скрытокристаллический (аморфный), согласно изобретению дополнительно содержит, сиенит и окись магния при следующем соотношении компонентов, масс, %: портландцемент 24,5 – 34,5; песок 14,5 – 24,5; графит скрытокристаллический (аморфный) 15,5 – 25,5; кальцинированная сода 0,5 – 9,0; плавиковый шпат 6,5 – 16,5; сиенит 8,5 – 18,5; окись магния 0,1 – 7,0, обеспечивающих следующий состав шлакообразующей смеси, масс, %: CaO 25,0– 29,5; SiO₂ 31,5– 35,3; Al₂O₃ 5,1– 7,1; MgO 0,5– 3,5; Na₂O 3,0– 5,0; K₂O 1,0– 2,0; F 4,5– 6,0; Fe₂O₃ 1,0 – 4,0; C 15,5 – 18,0 другие оксиды остальное, причем температура плавления составляет 1150 °С (±30 °С), основность (CaO/SiO₂) - 0,71-0,91, а вязкость шлакового расплава составляет 0,53-0,73 Па*с при 1300 °С.

Заявленные пределы компонентов состава шлакообразующей смеси подобраны экспериментальным путем, исходя из необходимости получения низкой себестоимости ШОС, а также для обеспечения заданных значений содержания химических элементов, основности, а также получения заданных теплофизических характеристик (температура начала плавления и вязкость шлакового расплава при 1300°С) для различных групп марок сталей и типа МНЛЗ.

Массовая доля углерода определена таким образом, чтобы обеспечить оптимальную скорость плавления смеси и гарантировать наличие смазки в зоне кристаллизатор – непрерывнолитая заготовка между стенками кристаллизатора и заготовкой. При снижении содержания углерода ниже 15,5% повышается скорость плавления и увеличивается удельный расход смеси, а также ухудшаются рабочие характеристики смеси во время технологических операций по замене промежуточного ковша или погружного стакана в процессе разливки стали. При увеличении содержания углерода в шлакообразующей смеси более 18,0% при разливке стали со скоростью более 1,4 м/мин скорость плавления смеси снижается, уменьшается поступление смазки в зазор между стенкой кристаллизатора и заготовкой, тем самым ухудшаются рабочие характеристики шлакообразующей смеси.

Содержание оксидов кальция и кремния в ШОС ограничено требованиями ее оптимальной теплопроводности. Требуемая теплопроводность ШОС обеспечивается при основности (отношение CaO/SiO₂) в диапазоне 0,71-0,91 (в зависимости от групп марок сталей и типа МНЛЗ). При основности ниже 0,71 ШОС будет иметь стекловидную структуру с повышенной вязкостью, что исключит возможность ее использования на рабочих скоростях МНЛЗ. При повышении основности выше 0,91 шлак будет кристаллическим, что снизит смазывающую способность ШОС.

Содержание оксида алюминия (Al₂O₃) подобрано экспериментальным путем. Для лучшей ассимилирующей способности неметаллических включений в смеси содержание Al₂O₃ должно быть не менее 5,1% и не более 7,1%.

Содержание фтора в смеси подобрано, исходя из требований получения ШОС заданной вязкости. При содержании фтора в количестве менее 4,5% и более 6,0% вязкостные свойства ШОС не позволяют эффективно ассимилировать неметаллические включения.

Содержание оксидов магния, щелочных оксидов (K₂O, Na₂O) подобрано, исходя из требований получения заданной температуры начала плавления смеси для каждой из групп марок стали и типа МНЛЗ. Оптимальная концентрация, а также стабилизация суммарного содержания окислов натрия и калия достигается за счет применения сиенита вместо полевого шпата, что приводит к снижению температуры плавления смеси, поддержанию достаточной толщины расплавленного слоя смеси в кристаллизаторе на высокой скорости разливки.

Содержание оксида магния влияет на интервал температур фазовых превращений (от температуры деформации до температуры полного расплавления). В присутствии оксида магния до 3,5% включительно интервал температур фазовых превращений сокращается с 70°С до 30°С, обеспечивая стабильную работу шлакообразующей смеси во время технологических операций по замене промежуточного ковша или погружного стакана в процессе разливки стали. При повышении содержания оксида магния более 3,5% наблюдается рост температуры плавления смеси, что в процессе разливки стали приводит к образованию шлако-металлической корки у стенок кристаллизатора и отсутствию шлака в зазоре между стенкой кристаллизатора и заготовкой.

Повышение содержания оксидов магния и щелочных оксидов выше заявляемых диапазонов не приводит к дополнительному снижению температуры ликвидус. При содержании оксидов магния и щелочных оксидов ниже заявляемых диапазонов температура начала плавления смеси будет выше оптимального диапазона для данного типа ШОС.

Содержание оксида железа (Fe₂O₃) подобрано экспериментальным путем. Снижение содержания оксида железа ниже 1,0% и увеличение содержания оксида железа выше 4,0% ведет к необеспечению оптимальной газопроницаемости шлакового слоя в кристаллизаторе.

Пример использования шлакообразующей смеси.

Заявляемая шлакообразующая смесь использовалась в конвертерном цехе АО «ЕВРАЗ НТМК» при разливке углеродистых и низколегированных марок сталей, типа: ст3сп (и её модификаций), ст5сп (и её модификаций) на радиальных и криволинейных двух и четырехручьевых блюмовых МНЛЗ со скоростью разливки 0,6-1,4 м/мин.

Смесь готовилась в смесительной установке путем смешения исходных компонентов фракцией 0,063-1 мм: плавикового шпата, портландцемента, песка, графита скрытокристаллического (аморфного), кальцинированной соды (ГОСТ 5100-85), сиенитового концентрата, окиси магния.

Были подготовлены различные составы ШОС. Ряд из подготовленных составов ШОС, а также их химический состав приведены в таблице 1. Характеристики ШОС и результаты ее применения в кристаллизаторе отражены в таблице 2. Состав № 2 подготовлен с соблюдением предложенных соотношений компонентов и химического состава, составы № 1, № 3, № 4 и № 5 – с несоблюдением ряда заявляемых параметров.

Из представленных в таблице 2 результатов видно, что при соблюдении предложенных соотношений компонентов и химического состава ШОС (пример № 2) замечаний к работе опытных ШОС не отмечено, при этом смесь равномерно распределялась по мениску, не комковалась при изменениях скорости разливки, по периметру кристаллизатора грубый гарнисажный рант отсутствовал, срабатываний системы «Термовизор» и значительных колебаний уровня металла в кристаллизаторе не зафиксировано. При использовании ШОС, параметры которых выходят за пределы заявляемых диапазонов (примеры № 1, № 3, № 4 и № 5) имелись замечания. При работе на варианте № 1 были отмечены повышенные колебания уровня металла в кристаллизаторе, по показаниям системы «Термовизор» фиксировалось нарушение теплоотвода с подачей предупреждающего сигнала. При осмотре горячих заготовок на отводящем рольганге на заготовках опытного ручья было зафиксировано наличие залеченных продольных трещин по ребрам заготовки, а также натеков металла по правой узкой грани. При работе на варианте № 3 в процессе разливки было отмечено повышенное образование гарнисажных корочек по периметру кристаллизатора в районе мениска. Использование вариантов № 4 и № 5 привели к прорывам на ручьях.

Таблица 1

Варианты ШОС 1 2 3 4 5 Компонентный состав, % портландцемент 14 29,3 21,5 31 31,5 песок - 19,5 13 25 24,7 графит скрытокристаллический (аморфный) 25,3 20,4 25,5 23 23,1 кальцинированная сода 4 4 6 6 6 плавиковый шпат 13 11,5 12 9 8,7 сиенит 7,7 13,3 20 - - окись магния - 2 2 - - молотое стекло 36 - - - - полевой шпат - - - 6 6 Химический состав, % CaO 21,72 27,41 22,96 27,7 27,6 SiO₂ 34,79 33,76 28,95 37,4 36,6 Al₂O₃ 4,08 6,06 7,72 4,5 5,2 MgO 1,76 2,33 2,35 1,2 1,5 Na₂O 7,84 4,37 7,03 3,9 3,8 K₂O 1,00 1,46 1,99 0,57 0,95 F 6,1 5,39 5,63 4,6 4,2 Fe₂O₃ 1,64 2,22 2,20 1,83 2,35 C 21,07 17,00 21,17 18,3 17,8 CaO/SiO₂ 0,62 0,81 0,79 0,74 0,75

Таблица 2

Варианты ШОС 1 2 3 4 5 Физические свойства ШОС и результаты их применения Температура плавления. С° 1050-1090 1140-1180 1120-1160 1160-1200 1160-1200 Вязкость шлакового расплава при Т=1300° С, Пахс 0,45-0,49 0,61-0,65 0,40-0,45 1,23-1,29 1,03-1,09 Нарушение теплообмена в кристаллизаторе да нет нет да да Повышенное образование гарнисажных корок в кристаллизаторе - нет да да да Наличие прорывов внешней корки заготовок нет нет нет да да

Анализ патентов и научно-технической информации не выявил использования новых существенных признаков, используемых в предлагаемом решении. Следовательно, предлагаемое изобретение соответствует критерию «изобретательский уровень».

Таким образом, положительные результаты проведенных испытаний дают основание рекомендовать смесь нового состава для использования при непрерывной разливке стали.

Использование предлагаемой смеси позволяет:

1) повысить стабильность разливки стали на машине непрерывного литья заготовок;

2) исключить подвисание и прорыв корки слитка;

3) повысить качество поверхности непрерывно литых заготовок;

4) снизить число остановок МНЛЗ;

5) предотвратить процессы образования трещин и их раскрытия после выхода заготовок из-под кристаллизатора.

Источники информации

[1] Патент RU №2555277 на изобретение «Шлакообразующая смесь для непрерывной разливки стали», МПК B22D11/111, опубликовано: 10.07.2015, бюл. №19.

[2] Патент RU №2662511 на изобретение «Шлакообразующая смесь для разливки сортовой заготовки высокоуглеродистых марок стали», МПК B22D11/111, опубликовано: 26.07.2018, бюл. №21.

[3] Патент RU №2175278 на изобретение «Шлакообразующая смесь для непрерывной разливки стали», МПК B22D11/111, опубликовано: 2001.10.27.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при непрерывной разливке стали. Шлакообразующая смесь для непрерывной разливки стали содержит, мас.%: 8,5-18,5 сиенита, 0,1-7,0 окиси магния, 24,5-34,5 портландцемента, 14,5-24,5 песка, 15,5-25,5 графита скрытокристаллического аморфного, 0,5-9,0 кальцинированной соды, 6,5-16,5 плавикового шпата. Обеспечивается повышение стабильности разливки за счет снижения числа остановок МНЛЗ, исключения подвисания слитка и прорыва его корки, а также повышение качества поверхности непрерывно литых заготовок за счет предотвращения образования трещин и их раскрытия после выхода заготовок из кристаллизатора. 1 пр., 2 табл.

Шлакообразующая смесь для непрерывной разливки стали, содержащая портландцемент, песок, кальцинированную соду, плавиковый шпат, графит скрытокристаллический аморфный, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит сиенит и окись магния при следующем соотношении компонентов, мас.%:

сиенит 8,5-18,5 окись магния 0,1-7,0 портландцемент 24,5-34,5 песок 14,5-24,5 графит скрытокристаллический аморфный 15,5-25,5 кальцинированная сода 0,5-9,0 плавиковый шпат 6,5-16,5,

обеспечивающих следующий состав шлакообразующей смеси, мас.%:

CaO 25,0-29,5 SiO₂ 31,5-35,3 Al₂O₃ 5,1-7,1 MgO 0,5-3,5 Na₂O 3,0-5,0 K₂O 1,0-2,0 F 4,5-6,0 Fe₂O₃ 1,0-4,0 С 15,5-18,0 другие оксиды остальное,

причем температура плавления составляет 1150±30°С, основность CaO/SiO₂ - 0,71-0,91, а вязкость шлакового расплава составляет 0,53-0,73 Па⋅с при 1300°С.