теплоизоляционный вкладыш для футеровки прибыльной надставки изложницы

Формула изобретения

Теплоизоляционный вкладыш для футеровки прибыльной надставки изложницы, содержащий рабочий слой, толщина которого составляет 0,3-0,4 толщины вкладыша, и теплоизоляционный слой, в состав которых входят вспученный вермикулит, кварцевый песок, огнеупорная глина и связующее вещество, отличающийся тем, что он снабжен противопригарным слоем, имеющим следующий состав, мас.%:

Жидкий лигносульфонат технический плотностью 1,06-1,12 г/см ³ Основа

Графит скрытокристаллический 10-15

рабочий и теплоизоляционный слои дополнительно содержат порошок кокса, а в качестве связующего вещества содержат жидкое стекло плотностью 1,38-1,42 г/см³, при этом рабочий слой имеет следующий состав, мас.%:

Кварцевый песок Основа

Огнеупорная глина 9-19

Вспученный вермикулит 3-6

Порошок кокса 2-8

Жидкое стекло 10-15

а теплоизоляционный слой имеет следующий состав, мас.%:

Вспученный вермикулит Основа

Огнеупорная глина 9-15

Кварцевый песок 9-15

Жидкое стекло 30-35

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при разливке стали.

Известно верхнее изоляционное покрытие изложниц (см. заявку Великобритании №1391601, кл. В 22 D 7/10 от 23.04.75 г.), которое формуют из состава, содержащего органический материал (древесную стружку и опилки), связующий материал на основе измельченной целлюлозной фибры и огнеупорный материал из одного из флотирующихся материалов, диатомитовых соединений, инфузорной земли, радиолитовых соединений и алюмосиликатных материалов (перлит, комковая глина, шамотная глина, боксит, каолин, отходы спекания и окалина) в количестве 25-87 мас.% от общей массы сухих компонентов состава.

Недостатком данной смеси является низкая огнеупорность изоляционного покрытия, если оно содержит менее 70 мас.% огнеупорного (жаростойкого) материала, что установлено опытным путем, и уменьшение толщины покрытия при заливке жидкого металла в изложницу вследствие выгорания органического материала. С увеличением в составе покрытия количества огнеупорного материала до 87% по массе существенно растет его плотность и, соответственно, величина коэффициента теплопроводности. Это уменьшает теплоизолирующую способность покрытия, увеличивает глубину распространения в прибыльной части слитка дефектов усадочного происхождения (усадочные раковины, рыхлость, пористость) и ухудшает качество макроструктуры слитка.

Известны цилиндры, плиты и другие огнеупорные теплоизолирующие изделия, используемые для оформления “прибылей” литейных форм, состоящие из смеси, формирующей теплоизоляционный слой, содержащей вермикулит или вермикулит с небольшим количеством древесных опилок с силикатом щелочного металла в качестве связующего, и смеси, формирующей рабочий слой и содержащей огнеупорный зернистый материал, смешанный с силикатом щелочного металла в качестве связующего (см. заявку Великобритании №1329306, кл. В 22 D 7/10 от 05.09.76 г.) Смеси уплотняются, образуя изделие из композиционного материала с одной из поверхностей, выполненной из огнеупорного материала. Огнеупорный слой может быть отформован первым. Смесь, содержащая вермикулит, подается на первоначальный, образуя второй слой, которому придаются требуемые форма и толщина. Затем производят обжиг изделия.

Известное решение имеет ряд существенных недостатков. Опытами установили, что при изготовлении вкладышей из состава-аналога и разливке с ними стали вкладыш приваривается к поверхности прибыльной части слитка и прочно удерживается на ней. При посадке слитков в ячейки нагревательных колодцев блюминга теплоизоляционный слой вкладышей подплавляется и прочно приваривает вкладыш, который соприкасается с огнеупорной футеровкой, к огнеупорным изделиям стен ячейки. При кантовке слитков в ячейках и извлечении их из ячеек для передачи на прокатку огнеупорные изделия в местах соприкосновения с тепловкладышами разрушаются, и приварившиеся куски изделий поступают вместе со слитками на прокатку. В процессе прокатки огарки тепловкладышей и огнеупорный материал из ячеек разрушаются валками стана и способны загрязнять поверхность раската годной части слитков, понижая качество поверхности передельных заготовок. При этом разрушение теплоизоляционными вкладышами футеровки ячеек нагревательных колодцев в 2 и более раз увеличивает количество их горячих ремонтов, чем существенно повышает затраты на производство металлопродукции.

Кроме того, изготовление огнеупорного и теплоизоляционного слоев изделия из разнородных материалов, как это предлагается в аналоге, не обеспечивает необходимой прочности сцепления слоев друг с другом. Различная плотность огнеупорного и теплоизоляционного слоев, высокая анизотропия прочностных свойств в поперечном и продольном сечениях изделий могут являться причиной расслоения изделий при прессовании и коробления при обжиге и привести к разрушению огнеупорного слоя при воздействии жидкого металла, заливаемого в литейную форму. Опытами установили также, что при пробивании изделия-аналога металлическими гвоздями со стороны теплоизоляционного слоя рабочий слой заметно разрушается или в нем образуются трещины. Это затрудняет крепление изделий к каркасу прибыльных надставок металлическими гвоздями с шайбами. Вместе с тем данный способ является одним из наиболее простых и наименее трудоемких среди известных в металлургической практике.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому теплоизоляционному вкладышу (прототипом) является теплоизоляционный вкладыш для футеровки прибыльной надставки изложницы, состоящий из рабочего слоя толщиной 0,3-0,4 толщины теплоизоляционного вкладыша, содержащего кварцевый песок, вспученный вермикулит, огнеупорную глину и жидкий лигносульфонат плотностью 1,25-1,28 г/см³ в качестве связующего, и теплоизоляционного - на основе вспученного вермикулита, содержащего кварцевый песок, диатомит, огнеупорную глину и жидкий лигносульфонат плотностью 1,25-1,28 г/см³ в качестве связующего (патент РФ №2176172 от 31.03.2000 г.).

Недостатком известного решения является то, что при использовании вермикулита с размером частиц менее 10 мм и с содержанием в нем до 10-20% пылевидной фракции размером менее 1 мм жидкий лигносульфонат при смешивании компонентов теплоизоляционного или рабочего слоев образует окомковавшиеся частицы округлой формы размером от 5 до 30 мм с достаточно прочной и плотной оболочкой и обогащенной им рыхлой сердцевиной. При формовании такие частицы не разрушаются, а плотная и прочная оболочка не позволяет влаге испариться из лигносульфоната, находящегося внутри комочков, при сушке вкладышей, т.к. температура их сушки не превышает 150°С. Потери массы при нагреве таких окомковавшихся частиц до 1000°С и прокаливании в муфельной печи находятся в пределах 30-40%.

Испарение влаги из лигносульфоната, которым обогащены окомковавшиеся частицы, происходит при нагреве вкладышей в прибыльных надставках жидким металлом, что вызывает его интенсивное кипение. В результате “кипения” металла в прибыльных надставках при разливке стали существенно ухудшается качество макроструктуры слитков и увеличивается брак металла после их прокатки на передельных и сортовых станах по дефектам “усадка”, “раскатанный пузырь”, “корочка по сечению заготовки” и др. Практикой установлено, что окомкование пылевидной фракции материалов вкладышей жидким лигносульфонатом приводит к подкипанию жидкого металла в прибыльных надставках до 80% изложниц от их общего количества, необходимого для разливки плавки.

Опытами установили также то, что дальнейшее повышение температуры сушки нецелесообразно, т.к. это разупрочняет тепловкладыши и заметно увеличивает их расход при использовании.

Задача изобретения - исключение “кипения” металла в прибыльных надставках при разливке стали с тепловкладышами и приваривания рабочего слоя вкладышей к поверхности прибыльной части слитков, а за счет этого предотвращение разрушения огнеупорных изделий футеровки стен ячеек нагревательных колодцев блюминга.

Для решения поставленной задачи теплоизоляционный вкладыш состоит из теплоизоляционного, рабочего и противопригарного слоев. При этом теплоизоляционный слой содержит следующие компоненты, мас.%: вспученный вермикулит - основа; огнеупорную глину - 9-15; кварцевый песок - 9-15; жидкое стекло плотностью 1,38-1,42 г/см³ - 30-35. Рабочий слой толщиной 0,3-0,4 толщины тепловкладыша содержит, мас.%: кварцевый песок - основа; вспученный вермикулит - 3-6; огнеупорную глину - 9-19; порошок кокса - 2-8, жидкое стекло плотностью 1,38-1,42 г/см³ - 10-15. Противопригарный слой содержит, мас.%: жидкий лигносульфонат плотностью 1,06-1,12 г/см³ - основа; графит скрытокристаллический 10-15.

Введение в состав теплоизоляционного и рабочего слоев тепловкладыша жидкого стекла в качестве связующего взамен жидкого лигносульфоната полностью исключает “кипение” жидкого металла в прибыльных надставках изложниц при разливке стали. Пределы содержания жидкого стекла и глины в рабочем и теплоизоляционных слоях определены опытным путем. Они являются необходимыми и достаточными для обеспечения высокой общей прочности вкладыша (до 20 кгс/см²), прочности сцепления слоев и монтажной прочности при их креплении металлическими гвоздями к корпусу прибыльной надставки. При введении в состав рабочего и теплоизоляционного слоев менее 10 и 30% соответственно жидкого стекла резко уменьшается прочность вкладыша после прессования и сушки, а также общая и монтажная прочность. Увеличение содержания жидкого стекла в составе рабочего и теплоизоляционного слоев более 15 и 35% соответственно нецелесообразно, т.к. это повышает их пористость и уменьшает их прочность, чем не исключается приваривание тепловкладышей к поверхности прибыльной части слитков при воздействии жидкой стали и в дальнейшем разрушение ими огнеупорных изделий футеровки стен ячеек нагревательных колодцев блюминга.

Введение в теплоизоляционный слой вкладыша 9-15% кварцевого песка и 9-15% огнеупорной глины существенно повышает его огнеупорность, обеспечивает высокую (до 20 кгс/см²) прочность вкладыша при испытании на изгиб, исключает коробление вкладыша при сушке за счет уменьшения анизотропии свойств в поперечном и продольном направлениях и исключает плавление вермикулита при нагреве от жидкой стали через огнеупорный слой минимальной толщины, равной 0,3 толщины вкладыша. Это, в итоге, обеспечивает неизменность толщины вкладышей при разливке стали и стабильный объем прибыльной части слитков, отливаемых с их использованием.

Опытным путем установлено, что содержание глины и (или) песка менее 9% каждого не повышает предел прочности вкладышей при изгибе (его величина в этом случае не превышает 8 кгс/см²) и не исключает коробление вкладышей при сушке. Увеличение содержания песка и глины выше указанных пределов (15%) нецелесообразно, т.к. заметно повышает массу вкладыша и его теплопроводность, а также расход жидкого металла на прибыльную часть слитков и понижает качество макроструктуры последних.

Введение в состав рабочего слоя от 2 до 8% порошкообразного кокса фракцией до 1 мм и нанесение на его поверхность слоя противопригарной краски, состоящей из 10-15% скрытокристаллического графита и лигносульфоната полностью 1,06-1,12 г/см³, исключает приваривание вкладышей к поверхности прибыльной части слитков. При этом большая часть огарков вкладышей разрушается уже при стрипперовании слитков в сталеплавильном цехе и при посадке слитков тиглер-кранами в ячейки нагревательных колодцев блюминга. Те же вкладыши, которые остаются на прибыльной части слитков и соприкасаются с огнеупорными изделиями футеровки стенок ячеек в случае приваривания к ним, свободно отделяются от прибыльной части слитков при их кантовке в ячейках и извлечении из них для передачи на прокатку.

При введении в состав рабочего слоя тепловкладышей менее 2% порошкообразного кокса или при отсутствии на его поверхности противопригарного слоя возможно приваривание их к прибыльной части слитков и дальнейшее разрушение ими огнеупорной футеровки стен ячеек нагревательных колодцев блюминга. Введение в состав рабочего слоя более 8% порошкообразного кокса нецелесообразно, т.к. в этом случае уменьшаются прочностные свойства тепловкладышей и увеличивается их расход при транспортировании и наборке ими футеровки каркасов прибыльных надставок.

Введение в состав рабочего слоя 3-6% вспученного вермикулита уменьшает его хрупкость, улучшает сцепление с теплоизоляционным слоем и повышает его стойкость к ударным нагрузкам. Пробивка вкладышей металлическими гвоздями для их крепления в каркасах прибыльных надставок не вызывает полного разрушения рабочего слоя в месте пробивки, а потери вкладышей при транспортировке и наборке ими футеровки прибыльных надставок не превышают 5%.

Введение в состав рабочего слоя менее 3% вспученного вермикулита малоэффективно, т.к. при пробивке гвоздями со сторон теплоизоляционного слоя в месте выхода гвоздя рабочий слой разрушается полностью. При введении вспученного вермикулита более 10% происходит оплавление непосредственно рабочего слоя после заполнения надставки жидкой сталью. Толщина вкладыша в этом случае уменьшается, ухудшается качество макроструктуры слитков и уменьшается выход годного при их прокатке или ковке.

Толщина рабочего слоя, равная 0,3-0,4 толщины вкладыша, определена опытным путем. Минимальный предел ее величины необходим и достаточен для исключения плавления вермикулита в теплоизоляционном слое вкладыша при нагревании его от жидкой стали через огнеупорный слой. При толщине рабочего слоя менее толщины вкладыша происходит оплавление теплоизоляционного слоя на границе с ним и уменьшение толщины вкладыша при разливке стали. В результате увеличивается объем прибыльной части слитков, отливаемых с их использованием, понижается качество макроструктуры металла. Увеличение толщины рабочего слоя более 0,4 толщины вкладыша нецелесообразно, т.к. это повышает массу тепловкладыша и его теплопроводность, а следовательно, уменьшает его теплоизолирующую способность. Это также понижает качество макроструктуры металла при его затвердевании и уменьшает выход годного при прокатке слитков.

Введение в состав противопригарного покрытия менее 10% скрытокристаллического графита не исключает приваривания вкладышей к прибыльной части слитков, а более 15% нецелесообразно, т.к. не повышает эффективность отделения вкладышей от прибыльной части слитков, но затрудняет процесс нанесения покрытия на рабочую поверхность формы из-за повышения его вязкости и увеличивает стоимость вкладышей.

Опытную проверку тепловкладышей толщиной 35 мм пяти составов и одного состава-прототипа (табл.1) производили с использованием гидравлического пресса марки ПА-031, чашечного смесителя, камерных сушил. Схема изготовления вкладышей включала подготовку исходных материалов (сушку, обжиг, дробление, просеивание), приготовление смеси и противопригарного покрытия, нанесение на горизонтальную рабочую поверхность пресс-формы противопригарного слоя толщиной от 0,5 до 2 мм, дозированную засыпку смесей в пресс-форму пресса для одновременного формирования противопригарного, рабочего и теплоизоляционного слоев вкладыша, прессование с усилием до 40 кгс/см² Кпр=3,0, укладку вкладышей на полки рельсовых тележек, сушку в камерных сушилах при 100-150°С не менее 8 ч.

Вкладыши после сушки и контроля в них содержания влаги, взвешивания и определения предела прочности при изгибе передавали в закрытых контейнерах в отделение подготовки составов (ОПС) мартеновского цеха, в котором набирали ими футеровку каркасов прибыльных надставок. Все типы вкладышей к каркасам прибыльных надставок крепили металлическими гвоздями с шайбами.

С опытными вкладышами каждого состава отливали слитки массой 5,8 т стали марок 3сп, 20, 45, 70 и др. Оценивали поведение металла при заполнении им прибыльных надставок в процессе разливки стали, степень приваривания вкладышей к поверхности прибыльной части слитков и наличие разрушенной ими футеровки стен ячеек нагревательных колодцев блюминга.

На продольно-осевых и поперечных макротемплетах, изготовленных из раскатов прибыльной части слитков, определяли глубину залегания дефектов усадочного происхождения. В пробах, отобранных от сортовых заготовок, контролировали качество макроструктуры и содержание газов (O₂ и N₂). Оценивали выход годного металла после прокатки слитков. Сравнение производили с аналогичными показателями качества слитков, разлитых с использованием тепловкладышей, изготовленных из состава-прототипа.

Характеристики качества теплоизоляционных вкладышей приведены в табл. 2 и свидетельствуют о преимуществе вкладышей оптимального состава 3, представленного в изобретении, по сравнению с вкладышами, изготовленными из состава-прототипа. Предлагаемые вкладыши не вызывают “кипения” металла в прибыльных надставках изложниц при разливке стали. Прокаткой слитков на блюминге достигается минимальный расходный коэффициент, равный 1195 кг/т годного металла в передельных заготовках. Вкладыш, изготовленный из состава-прототипа, вызывает активное “кипение” металла в прибыльных надставках при отливке от 10 до 80% слитков в плавке, вследствие чего в них получают развитие дефекты усадочного происхождения (усадочная раковина, подусадочная рыхлость) и увеличивается расходный коэффициент при прокатке слитков на блюминге в среднем до 1209 кг/т годного.

Таким образом, исключение “подкипания” металла в прибыльных надставках при разливке стали с использованием тепловкладышей оптимального состава 3, представленного в изобретении, позволяет на 14 кг/т (1%) сократить расходный коэффициент при прокатке слитков по сравнению с вкладышами, изготовленными из состава-прототипа.

Кроме того, нанесение на рабочий слой противопригарного слоя и введение в его состав порошкообразного кокса в количестве от 2 до 8% (по массе) исключает приваривание тепловкладышей к поверхности прибыльной части слитков, а в дальнейшем при кантовке и извлечении слитков из ячеек нагревательных колодцев - разрушение огнеупорных стен ячеек приварившимися к ним вкладышами.

Масса вкладышей составов 2-4, представленных в изобретении, монтажная прочность, потери их при транспортировании и наборке ими футеровки каркасов прибыльных надставок, средняя масса слитка, отлитого с их использованием, находились на уровне аналогичных показателей для вкладышей, изготовленных из состава-прототипа. Установили также то, что содержание газов в металле для вкладышей составов 2-4 практически не различалось, а центральная пористость и точечная неоднородность не превышали 2 баллов и удовлетворяли требованиям ГОСТа. Суммарный брак металла в образцах по дефектам макроструктуры (усадка, корочка, светлая корочка и др.) составил 2,6%. При контроле плавок, разлитых с использованием тепловкладышей из состава-прототипа, брак металла в образцах по дефектам макроструктуры увеличился до 5,3%, т.е. в два раза.

Опытами установили, что замена вспученного вермикулита вспученным перлитом фракцией 2-5 мм в тех же количествах в составе рабочего и теплоизоляционного слоев тепловкладышей не изменяет их свойства и показатели качества металла, разлитого с их применением.