экзотермическая смесь для утепления головной части слитка при разливке сталей и сплавов

Формула изобретения

1. Экзотермическая смесь для утепления головной части слитка при разливке сталей и сплавов, включающая алюминийсодержащий материал, теплоизолирующий материал и огнеупорный наполнитель, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит расширяющийся при нагреве материал, литейный графит и флюоритовый концентрат, а в качестве алюминийсодержащего материала содержит отходы от производства алюминиевых сплавов и продуктов вторичной переработки алюминийсодержащих материалов при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Алюминийсодержащий материал	25-60
Теплоизолирующий материал	10-40
Огнеупорный наполнитель	8-36
Расширяющийся при нагреве материал	4-15
Литейный графит	0-3
Флюоритовый концентрат	0-3

2. Экзотермическая смесь по п.1, отличающаяся тем, что в качестве расширяющегося при нагреве материала она содержит вермикулит или перлит.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии, а именно к составам экзотермических смесей для утепления верха головной части слитка при разливке сталей.

Известны экзотермические смеси, включающие алюминий, шамот, древесный уголь или кокс, боксит и 45%-ный ферросилиций [1].

Недостаток этих смесей - наличие взрывоопасного алюминиевого и ферросилициевого порошков, имеющих высокую стоимость и требующих для приготовления оборудования во взрывопожаробезопасном исполнении.

Известна расширяющаяся экзотермическая смесь для утепления прибыльной части слитка, содержащая огнеупорный теплоизолирующий материал - глинозем или боксит, горючие материалы - порошки алюминия, магния, кремния, окислитель - нитрат натрия, бария и окись железа, расширяющийся при нагреве материал - вермикулит, перлит и чешуйчатый природный графит, обработанный концентрированной серной кислотой [2]. Данный состав обеспечивает хорошее утепление прибыльной части слитка за счет увеличения толщины теплоизолирующего слоя на 70-90% при его нагреве.

Однако он имеет те же самые недостатки, что и предыдущий состав из-за использования взрывоопасных порошков алюминия, магния и кремния.

Известна экзотермическая смесь для утепления головной части слитка, содержащая следующие компоненты, мас.%: отходы от производства алюминиевых сплавов в виде алюминийсодержащего шлака 25-60, теплоизолирующий материал в виде кокса или золы ТЭЦ 27-45, огнеупорный наполнитель в виде шамотного порошка 10-34 [3]. Известная смесь принята за прототип. Данная смесь не содержит порошков взрывоопасных материалов и не требует применения дорогого оборудования во взрывопожаробезопасном исполнении.

Однако она обладает недостаточной теплоизолирующей способностью, о чем свидетельствует незначительное снижение плотности огарка относительно насыпной плотности смеси, равное 3,6-14,3%. Также имеет место нарушения сплошности образующейся корочки в виде трещин и провалов. Все это в конечном итоге приводит к повышенным теплопотерям, приводящим к увеличению доли головной обрези и брака, связанного с дефектами усадочного характера.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка состава экзотермической утепляющей смеси, обеспечивающего получение плотной структуры верхней части слитка при минимальных материальных затратах.

Технический результат, который обеспечивает изобретение, состоит в получении плотной структуры верхней части слитка и сокращении потерь металла с головной обрезью и браком, связанным с дефектами усадочного характера.

Это достигается тем, что экзотермическая смесь включает алюмосодержащий материал, теплоизолирующий материал, огнеупорный наполнитель и дополнительно расширяющийся при нагреве материал, литейный графит и флюоритовый концентрат, при этом в качестве алюминийсодержащего материала она содержит отходы от производства алюминиевых сплавов и продуктов вторичной переработки алюминийсодержащих материалов при следующем соотношении компонентов: алюминийсодержащий материал 25-60%, теплоизолирующий материал 10-40%, огнеупорный наполнитель 8-36%, расширяющийся при нагреве материал 4-15%, литейный графит 0-3% и флюоритовый концентрат 0-3%. В качестве расширяющегося при нагреве материала содержится вермикулит или перлит.

Экспериментально установлена взаимосвязь между содержанием расширяющегося при нагреве материала (вермикулита или перлита) в экзотермической смеси, исходной плотностью экзотермической смеси, кажущейся плотностью огарка и величиной брака, связанного с дефектами усадочного характера.

При разливке стали одним из основных назначений экзотермической утепляющей смеси является сохранение металла в жидком состоянии в прибыльной части для подпитки кристаллизующегося тела слитка. Это достигается за счет равномерного выделения тепла при протекании экзотермических реакций с участием металлического алюминия, обеспечением высоких теплоизолирующих свойств самой смеси и образующегося после ее сгорания огарка.

При загрузке экзотермической смеси предлагаемого состава на поверхность жидкого металла в прибыльной части происходит постепенное вспучивание расширяющихся при нагреве материалов. Толщина теплоизолирующего слоя увеличивается на 35-70%. Расширение смеси сопровождается самопроизвольным, равномерным распределением смеси по поверхности металла, чему также способствует введение до 3% литейного графита. Кажущаяся плотность огарка, образующегося после сгорания смеси, снижается с 1,02-1,10 г/см³, характерного для обычного состава, до 0,62-0,85 г/см³. При этом на поверхности образуется прочная без трещин и провалов корочка.

Количество алюминийсодержащего материала определяется из условия получения в готовой смеси 21-28% металлического (активного) алюминия, обеспечивающее необходимое количество тепла 8000-10000 кДж/кг.

Пределы содержания теплоизолирующего материала 10-40% определяются теплоизолирующей способностью смеси, которая оценивается ее насыпной плотностью и кажущейся плотностью получаемого огарка. Нижний предел 10% определяется увеличением насыпной плотности смеси более 1,20 кг/л. Верхний предел содержания теплоизолирующего материала более 40% обуславливается возможным науглероживанием стали, а также разрушением огарка в процессе его сгорания.

Количество огнеупорного наполнителя определяется из условия получения прочного огарка с низкой кажущейся плотностью. При содержании огнеупорного наполнителя менее 8% происходит снижение температуры плавления огарка, приводящее к увеличению его плотности и ухудшению теплоизолирующих свойств. Увеличение количества огнеупорного наполнителя более 36% сопровождается образованием рыхлого непрочного огарка с последующим образованием провалов.

Количество расширяющегося при нагреве материала, в частности вермикулита или перлита, также определяется теплоизолирующими свойствами смеси и огарка. При содержании расширяющегося при нагреве материала менее 4% его влияние на уменьшение кажущейся плотности огарка незначительно и, следовательно, не оказывает существенного влияния на снижение количества дефектов усадочного характера. Верхний предел 15% обусловлен снижением огнеупорности образующегося огарка, связанным с увеличением количества оксида магния и переходом огнеупорной составляющей в область кордиерита с температурой плавления менее 1450°С. Это приводит к увеличению плотности огарка и ухудшению его теплоизолирующих свойств.

Введение до 3% литейного аморфного графита обеспечивает высокую сыпучесть и укрывающую способность экзотермической смеси в момент ее засыпки на зеркало металла.

Использование до 3% флюоритового концентрата обеспечивает активизацию металлического алюминия в случае отсутствия фторидов и хлоридов щелочных металлов в алюмосодержащем материале.

В таблице приведены составы предлагаемой экзотермической смеси на основе алюмосодержащего материала, с содержанием активного алюминия 40-45%, (составы 3-5), а также составы с выходящими за запрашиваемые пределы по содержанию расширяющегося при нагреве материла (составы 2, 6, 7), теплоизолирующего материала (составы 8, 9, 10) и огнеупорного наполнителя (составы 10, 11), состав 1 - прототип.

Конкретный пример изготовления смесей.

Все материалы в заявленных пределах используются в состоянии поставки с содержанием свободной влаги не более 1%.

В качестве алюминийсодержащего материала в виде отходов от производства алюминиевых сплавов и продуктов вторичной переработки использовали алюминийсодержащий шлак.

В качестве теплоизолирующего материала использовали кокс или золу ТЭЦ, работающих на коксе. А в качестве огнеупорного наполнителя, в частности, шамотный порошок. Расширяющийся при нагреве материал - вермикулит или перлит.

Составляющие материалы экзотермической смеси загружались в расходные бункеры, и после взвешивания подавались в смеситель, где перемешивались в течении 25-30 минут. Оптимальное время перемешивания было определено путем последовательного отбора проб через одинаковые промежутки времени 5 минут до момента стабилизации состава экзотермической утепляющей смеси, которое оценивалось по содержанию углерода. После этого готовая экзотермическая утепляющая смесь выгружалась в контейнер и отправлялась в сталеплавильный цех. Экзотермические утепляющие смеси испытывали при сифонной разливке конструкционных легированных марок стали. Засыпка экзотермической утепляющей смесью проводилась после наполнения металлом 2/3 высоты прибыльной надставки из расчета 2,5-3,0 кг/т.

Содержание углерода в утепляющей смеси определяли кулонометрическим методом на куломатике АН 7529 (аттестат ХК 235-98), фтора - пирогидролизным методом (аттестат ХК 180-95), хлора - методом масс-спектрометрии индуктивно-связанной плазмы на установке «ELAN-6000», металлического (активного) алюминия - по НДП-МХ64-2003 методике КХА «Шлак алюминиевый и материалы на его основе», остальных элементов - рентгеноспектральным методом на анализаторе СРМ 25.

Экзотермические утепляющие смеси, приведенные в таблице, использовались при разливке конструкционных легированных марок стали в слитки сифонным способом. Из приведенных данных следует, что при использовании предложенных составов экзотермических смесей (составы 3-5) значительно снижается брак, связанный с дефектами усадочного характера, и сокращаются потери металла, связанные с дополнительной обрезью.

Выход за верхний предел по содержанию вермикулита (составы 6, 7) приводит к снижению огнеупорности образующегося огарка, связанному с увеличением количества оксида магния и переходом огнеупорной составляющей в область кордиерита с температурой плавления менее 1450°С. Это приводит к увеличению плотности огарка, ухудшению его теплоизолирующих свойств и увеличению брака, связанного с дефектами усадочного характера. При выходе за нижний предел по содержанию вермикулита (состав 2) не обеспечивается заметного снижения кажущейся плотности огарка и, следовательно, не повышаются его теплоизолирующие свойства, что не приводит к снижению брака, связанного с дефектами усадочного характера. Выход за верхний предел по содержанию кокса (состав 9) приводит к разрушению огарка после сгорания, что приводит к повышенным теплопотерям и увеличению количества брака, связанного с дефектами усадочного характера. Выход за нижние пределы по содержанию кокса (составы 8, 10) приводит к увеличению насыпной плотности экзотермической смеси до 1,25-1,29 г/см³ и повышенным теплопотерям в начале горения смеси, что также приводит к увеличению брака, связанного с дефектами усадочного характера. Выход за верхние пределы по содержанию шамота (состав 10) приводит к увеличению насыпной плотности экзотермической смеси и кажущейся плотности огарка. Происходит снижение прочности огарка, приводящее к локальным разрушениям и образованию провалов. Все это в конечном итоге приводит к ухудшению теплоизоляции головной части слитка и увеличению брака, связанного с дефектами усадочного характера. Выход за нижние пределы по содержанию шамота (состав 11) приводит к снижению огнеупорности образующегося огарка (менее 1450°С) и сопровождается увеличением его кажущейся плотности. Это приводит к повышенным тепловым потерям и увеличению количества брака, связанного с дефектами усадочного характера. Прототип (состав 1) имеет повышенные кажущуюся плотность и теплопроводность огарка, и более высокий уровень брака.

Таким образом, разработанный состав экзотермической утепляющей смеси благодаря высоким теплоизолирующим способностям обеспечивает снижение брака, связанного с дефектами усадочного характера, за счет введения в состав 4-15% расширяющегося при нагреве материала - вермикулита, 0-3% литейного графита и 0-3% флюоритового концентрата.

Источники информации

1. Трубин Г.К. и Ойкс Г.Н. Металлургия стали. М., «Металлургия», 1964, с.501.

2. Патент США №4261750, кл. 106/38.28., 1981 г.

3. А.с. СССР, №856649, кл. В 22 D 7/10, 1979, бюл. №31, 1981 г. - прототип.

Таблица
№ пп	Содержание компонентов, мас.%					Насыпная плотность смеси, г/см 3	Кажущаяся плотность огарка, г/см3	Приближенный коэф-т теплопроводности при 700-800°С, Вт/м·°C	Количество плавок с дефектами усадочного характера, %	Примечание
	Алюминий содержащий материал	Теплоизолирующий материал	Огнеупорный наполнитель	Расширяющийся при нагреве материал	Литейный графит, сверх 100%
1	60	20	20	0	0	1,15	1,10	0,58	6,9	Высокая кажущаяся плотность огарка
2	60	23	15	2	0	1,12	1,02	0,51	6,8	Высокая кажущаяся плотность огарка
3	60	21	15	4	1	1,13	0,85	0,34	4,2	-
4	60	15	15	10	2	1,14	0,73	0,25	3,6	-
5	60	10	15	15	3	1,16	0,62	0,20	3,0	-
6	55	10	15	20	3	1,12	1,25	0,80	8,2	Уплотнение огарка из-за образования легкоплавкой шлаковой фазы
7	50	10	15	25	3	1,09	1,28	0,85	10,7	Уплотнение огарка из-за образования легкоплавкой шлаковой фазы
8	60	0	25	15	2	1,25	0,75	0,26	7,8	Высокая насыпная плотность смеси
9	45	45	15	5	1	0,88	-	-	10,7	Разрушение огарка через 35 минут после сгорания кокса
10	50	5	40	5	1	1,29	1,18	0,71	8,6	Высокая насыпная плотность смеси, низкая прочность огарка - провалы
11	60	19	6	15	3	1,08	1,16	0,63	7,5	Уплотнение огарка из-за образования легкоплавкой шлаковой фазы