способ разливки стали

Формула изобретения

Способ разливки стали, включающий заливку жидкой стали из ковша в изложницу с прибыльной надставкой, отличающийся тем, что через 5-10 с после прекращения подачи металла в изложницу ее накрывают теплоизоляционной плитой с покрытием из термостойкого керамического композита.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии, в частности к разливке стали и сплавов.

В настоящее время при разливке стали в изложницы снижения потерь тепла поверхностью металла в изложнице достигают следующим образом.

Наиболее широко для футеровки прибыльной надставки используют шамотный кирпич, который имеет достаточную стойкость (50-60 наливов), но в то же время обладает сравнительно высокой теплопроводностью и теплоемкостью. Замена обычного шамотного кирпича на легковесный с кажущейся плотностью 1,2-1,3 г/см³ позволяет уменьшить объем прибыли и обрезь головной части слитка на 2-3%. Однако стойкость такой футеровки мала.

Более высокий выход годного металла наблюдается при обогреве боковой поверхности прибыли одноразовыми экзотермическими вкладышами и обмазками. Вкладыши готовятся одно- или многослойными. Последние состоят обычно из экзотермического слоя, прилегающего к металлу, и одного-двух наружных теплоизоляционных слоев. Экзотермический слой готовится на основе наполнителя (шамотный порошок, кварцевый песок и т.д.), 45-55% горючих компонентов (алюминий, ферросилиций, силикокальций), 10-20% окислителей, селитры (0-10%), окалины (20-40%), руды и т.д. При сгорании алюминия, кремния и кальция выделяется такое количество тепла, которое не только компенсирует тепловые потери металла, но и нагревает металл в прибыльной части слитка.

Применение экзотермических вкладышей и достаточно хорошее утепление зеркала металла в прибыльной надставке позволяют уменьшить объем прибыли и таким образом на 6-10% увеличить выход годного металла. Однако в связи со сравнительно высокой стоимостью и удельным расходом (15-25 кг/т) экзотермические вкладыши экономически целесообразно применять только при разливке высоколегированных сталей и сплавов.

Широкое распространение в практике производства качественной и высококачественной стали нашли люнкеритные смеси, содержащие 14-28% Al, 5-10% ферросилиция, 20-25% древесного угля, 10-20% коксика, 20-30% шамотного порошка и 10-15% боксита. Расход люнкерита в зависимости от его состава и массы слитка устанавливается в количестве 1,5-3,0 кг/т. Целесообразно для уменьшения тепловых потерь половину люнкерита при сифонной разливке засыпать после наполнения прибыльной надставки на 1/2-1/3 высоты.

При использовании люнкерита скорость снижения температуры металла в прибыльной части слитка уменьшается в четыре раза по сравнению с разливкой с открытым зеркалом металла.

В последние годы все более широкое распространение находят экзотермические смеси, по составу близкие к экзотермическим вкладышам и обмазкам, однако обычно с меньшим содержанием наполнителя. Вследствие высокой стоимости алюминия в качестве горючих компонентов используют преимущественно ферросилиций и силикокальций. При выборе состава экзотермических смесей необходимо во всех случаях иметь некоторый избыток горючих над окислителями для предотвращения частичного окисления металла в прибыли и образования в слитке «белых пятен», характеризующихся меньшим содержанием углерода, чем основной металл. Присадка экзотермической смеси на поверхность металла производится при наполнении прибыли на 1/2-2/3 ее высоты. При сгорании смеси в количестве 1 кг/т температура металла в прибыли слитка массой ~1 т возрастает на 15-20°C, что улучшает условия питания слитка. Вследствие быстрого сгорания смеси значительная часть выделяющегося тепла теряется бесполезно, поэтому целесообразно экзотермическую смесь покрывать слоем теплоизоляционной засыпки. В качестве такой засыпки используют шамотный порошок, песок и т.д. При отливке слитков не особенно ответственных сталей достаточно использовать теплоизолирующие засыпки, например смеси коксика и шамотного порошка.

Хорошими теплоизолирующими свойствами обладает вермикулит, представляющий собой продукт вторичных изменений темных слюд. При нагревании из вермикулита удаляется гидратная влага, что приводит к увеличению его объема в 8-12 раз.

Для обогрева прибыльной части слитка применяют и специальные способы подвода дополнительного тепла к головной части слитка. Электродуговой обогрев (способ Н.Г.Славянова) основан на использовании тепла горения дуги между металлом и опущенным на его поверхность электродом. При индукционном обогреве на прибыльную надставку устанавливают индуктор, по которому после наполнения прибыли металлом пропускают ток высокой частоты.

Разливка стали сверху имеет несомненные преимущества в сталеплавильных цехах большой производительности, где сталь разливают на крупные слитки. Этот способ разливки чаще всего проектируется на вновь строящихся заводах. Для разливки качественной стали и получения мелких и средних слитков целесообразно использование сифонного способа. Однако разливка высоколегированных сталей и сплавов, требующих обязательной обдирки слитков перед последующим переделом, производится сверху, что позволяет устранить потери металла в виде литников [1].

Известны шлакообразующие смеси для разливки стали на основе датолитового концентрата, содержащие углеродистые материалы [2].

При использовании таких смесей наблюдается повышенное пламе- и пылевыделение, а также недостаточно быстрое формирование вязкого шлака из-за довольно высокой температуры плавления (выше 900°C) и отсутствия в их составе разжижителей.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является разливка стали и сплавов с использованием шлакообразующей смеси [3].

Недостатки использования известного способа разливки стали с применением шлакообразующей смеси заключаются в загрязнении стали шлаковыми включениями и повышенных потерях тепла металлом в верхней части изложницы, что приводит к повышенному выходу обрези при прокатке.

Для устранения указанных недостатков предложен:

1. Способ разливки стали, включающий заливку жидкой стали из ковша в изложницу с прибыльной надставкой, отличающийся тем, что через 5-10 секунд после прекращения подачи металла в изложницу ее полностью накрывают теплоизоляционной плитой с покрытием из термостойкого керамического композита.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при прекращении подачи металла в изложницу на всю поверхность металла укладывают теплоизоляционную плиту с покрытием из термостойкого композита.

3. Способ по п.1, 2, отличающийся тем, что теплоизоляционную плиту готовят из древесной пластины толщиной 10-20 мм, на которую затем наносят покрытие толщиной 2-10 мм из термостойкого керамического композита и из плиты удаляют влагу до содержания 0,5-2,0%.

Цель изобретения заключается в следующем: снижение размера усадочной раковины и уменьшение обрези металла в головной части слитка, а также исключение загрязнения стали шлаковыми включениями и атмосферы пылевидными частицами.

Положительного эффекта достигают следующим образом.

Разливку стали проводят без применения порошковой смеси и шлакообразующих добавок. В этом варианте через 5-10 секунд после прекращения подачи металла в изложницу непосредственно на поверхность металла укладывают теплоизоляционную плиту с покрытием из термостойкого композита, которая переходит в твердую с закрытыми порами огнеупорную пластину толщиной 10-20 мм, которая не взаимодействует с жидкой сталью. Эта пластина предотвращает потери тепла из верхней части изложницы, что уменьшает обрезь головной части слитка при прокатке.

Теплоизоляционная плита представляет древесную (например, древесно-волокнистую) плиту толщиной 10-20 мм, на которую затем наносят покрытие толщиной 2-10 мм из термостойкого керамического композита и из плиты удаляют влагу до содержания 0,5-2,0%.

Термостойкий керамический композит изготавливают по «золь-гель» технологии, обеспечивающей получение оксидной композиции с «нано» размерами частиц. При нагреве ТКК образуется огнеупорная масса с высокими теплоизолирующими свойствами.

По второму варианту при заливке жидкой стали из ковша в изложницу с прибыльной надставкой через 5-10 секунд после прекращения подачи металла в изложницу ее полностью накрывают теплоизоляционной плитой с покрытием из термостойкого керамического композита (ТКК).

При нагреве теплоизоляционной плиты с покрытием ТКК за счет излучения поверхностью металла с температурой, достигнутой через 5-10 секунд после прекращения подачи металла в изложницу, происходит взаимодействие компонентов плиты, которые переходят в твердую пористую огнеупорную массу. Из этой массы образуется пластина толщиной 10-20 мм, которая предотвращает потери тепла из верхней части изложницы. Слиток кристаллизуется практически без усадочной раковины.

Если изложницу с прибыльной надставкой накрывают теплоизоляционной плитой с покрытием из термостойкого керамического композита через интервал менее чем 5 секунд после прекращения подачи металла и теплоизоляционная плита представляет собой древесную плиту и имеет толщину менее 10 мм, на которую затем наносят покрытие толщиной менее 2 мм из термостойкого керамического композита и из плиты удаляют влагу до содержания менее 0,5%, то возможен ее прогар и нарушение герметизации пространства над слитком. Происходит прорыв горячего газа и вынос пыли в атмосферу, при этом ухудшаются тепловые условия формирования усадочной раковины.

Если изложницу с прибыльной надставкой накрывают теплоизоляционной плитой с покрытием из термостойкого керамического композита через интервал более чем 5 секунд после прекращения подачи металла и теплоизоляционная плита представляет собой древесную плиту и имеет толщину более 20 мм, на которую затем наносят покрытие толщиной более 10 мм из термостойкого керамического композита и из плиты удаляют влагу до содержания более 2%, то возможны закозление огнеупорной пластины и затруднение при разделке слитка. При этом ухудшаются условия формирования усадочной раковины.

В оптимальных условиях образованная хрупкая огнеупорная пластина легко удаляется при разделке слитка.

Пример осуществления

Испытание способа разливки стали провели на заводе ОАО «Уральская сталь».

Для проведения испытания теплоизоляционные плиты изготовили в ОАО «Уралкомпозит» по техническим условиям «ТЕПЛОИЗОЛЯТОРЫ» ТУ 1597-001-7268551-2007. Опытная партия.

Технические условия распространяются на теплоизоляторы, представляющие собой древесные плиты, например древесно-волокнистые плиты (ДВП), изготовленные по ГОСТ 4598-86, с нанесенным термостойким керамическим композитом, изготовленным по ТУ 1526-005-53847363-2004. Наряду с плитами древесно-волокнистыми используют фанеру, картон, прессованные бумагу и древесные опилки (ДСП).

Термостойкий керамический композит (ТКК), производимый фирмой ООО «СИНТЕ3-ПЛЮС» по «золь-гель» технологии, включает основные оксиды в соотношении, %: ZiO₂+HfO₂ 20; TiO ₂ 25; Al₂O₃ 25; MgO 4; SiO₂ 20; Na₂O 2; Fe₂O₃ 1; CaO 1; K₂O 1, а также дополнительные компоненты. ТКК в виде суспензии белого или светло-желтого цвета имеет следующие характеристики:

Условная вязкость, сек	Укрываемость, г/м2, не более	Огнеупорность, °C	Термостойкость, RTC вод. 1300	Плотность, г/см3
45	150	1690-1710	3	1,73

В виде пасты ТКК представляет густую вязкую массу, упакованную в полиэтиленовые пакеты. В этой форме ТКК наносится с помощью шпателя или другим способом.

При разбавлении ТКК в воде образуется однородная жидкоподвижная масса, которую наносят с температурой около 200°C пульверизатором или кистью. Сушку покрытия ТКК производят на воздухе, возможна сушка пламенем газовой (ацетиленовой) горелки.

Теплоизоляционную плиту готовят из древесной пластины толщиной 10-20 мм, на которую затем наносят покрытие толщиной 2-10 мм из термостойкого керамического композита. Изделие прессуют для выравнивания слоя термостойкого керамического композита и из плиты сушкой удаляют влагу до содержания 0,5-2,0%.

Огнеупорность покрытия ТКК в виде плотной пленки соответствует 1690-1710°C. Температура жидкой стали составляет на выпуске из печи 1650-1700°C, а при разливке металла в изложницы температура находится в пределах 1550-1600°C, т.е. ниже, чем огнеупорность покрытия ТКК.

Условное обозначение теплоизоляционной плиты (теплоизолятора) для разливки стали состоит из размеров по длине, ширине, толщине и стандарта.

Пример записи условного обозначения изделия: Теплоизолятор 820×368×7 ТУ 1597-001-72681551-2007, Теплоизолятор 303×287×7 ТУ 1597-001-72681551-2007. Теплоизолятор 600×500×7 ТУ 1597-001-72681551-2007.

Размеры изделий устанавливают по требованию заказчика в соответствии с размером проема в прибыльной надставке или размером верхней торцевой части изложницы. Предельные отклонения по размерам ±3 мм.

По физико-химическим показателям изделия соответствуют требованиям, указанным в таблице 1.

Таблица 1
Наименование показателя	Требования
1. Плотность, кг/м3	950-1100
2. Влажность, %, не более	5
3. Предел прочности при изгибе, МПа	15

При производстве сортовых слитков массой 8 т использовали изложницу с чугунной прибыльной надставкой, футерованной шамотным кирпичом. Разливку металла осуществляли без золы ТЭС и с золой ТЭЦ, которую расходовали в количестве 2,0 кг/т стали.

В первом варианте без золы ТЭС через 5-10 секунд после прекращения подачи металла в изложницу ее полностью накрывли теплоизоляционной плитой с покрытием из термостойкого керамического композита. Теплоизоляционную плиту готовили из древесной пластины толщиной 10-20 мм, на которую затем наносили покрытие толщиной 2-10 мм из термостойкого керамического композита и из плиты удаляли влагу до содержания 0,5-2,0%.

В этом варианте разливки стали отсутствует непосредственный контакт между теплоизоляционной плитой и металлом, поэтому теплопередача осуществляется в основном за счет излучения через слой неподвижного воздуха, находящегося между ними, что обеспечивает лучшую теплоизоляцию зеркала металла и уменьшает вероятность образования усадочных дефектов.

По второму варианту золу не применяли и через 5-10 секунд после прекращения подачи металла в изложницу непосредственно на всю поверхность металла укладывали теплоизоляционную плиту с покрытием из термостойкого композита.

Качество поверхности блюмов оценено одинаково 3 баллами. При этом количество граней, запороченных трещиной продольной на 25% меньше, пленой и неметаллическими включениями на 25% меньше, количество чистых граней на 25% больше.

При рассмотрении вариантов разливки стали марки 18Г2 наилучшее качество поверхности блюмов получено при утеплении теплоизоляционными плитами. При утеплении теплоизоляционными плитами усадочные дефекты отсутствовали.

При использовании золы ТЭЦ без применения теплоизоляционных плит (прототип) резко ухудшаются условия охраны труда из-за выбросов пылевидной фракции в момент забрасывания в прибыльную надставку.

Наиболее благоприятные условия охраны труда достигаются при использовании теплоизоляционных плит.

Результаты испытания способа разливки стали приводятся в таблице 2.

Таблица 2
Результаты испытания способа разливки стали
Вариант	Место установки плиты	Время установки плиты после начала разливки, сек	Содержание пыли над изложницей во время разливки, г/м3	Относительный объем усадочной раковины, %	Относительная величина обрези при прокатке, %
1	На торец надставки	5	0,3	35	35
2	-«-	7	0,1	25	25
3	-«-	10	0,5	40	40
4	На металл	5	0,2	30	30
5	-«-	7	0,1	20	20
6	-«-	10	0,3	35	35
Прототип	Нет	нет	27,5	100	100

Разливка стали с утеплением теплоизоляционной плитой, укладываемой на торец прибыльной надставки или на поверхность металла в изложнице, позволяет снизить размер усадочной раковины и уменьшить обрезь металла в головной части слитка, а также исключить загрязнение стали шлаковыми включениями и атмосферы пылевидными частицами.

Источники информации

1. Электрометаллургия стали и ферросплавов. Поволоцкий Д.Я., Рощин В.Е., Рысс М.А., Строганов А.И., Ярцев М.А. - Учебник для вузов. Изд. 2-е, переработ. и доп. - М.: Металлургия, 1984 г. 568 с.

2. Авт. св. СССР № 590342, кл. C21C 5/54, 11.03.74 г.; № 933726, кл. C21C 5/54, 14.07.80 г. и др.

3. Патент RU № 2083684, 1 кл. C21C 5/54, B22D 7/00, B22D 7/10, опубл. 1997.07.10. Шлакообразующая смесь для разливки стали.