ШИХТА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЛАВЛЕНОЙ ОСНОВЫ ШЛАКООБРАЗУЮЩЕЙ СМЕСИ
CHARGE FOR PRODUCTION OF MOLTEN BASE OF SLAG-FORMING MIX

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.).
2
2
3
2
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-SiO-АlО-СаF.
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.
2
2
3
2
2
3
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-SiO-AlO-NaO-KO-СаF.
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.
2
3
2
Существенным недостатком данного состава шихты является высокое содержание в ней оксидов алюминия, вносимых шамотным порошком (содержание АlО 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% CaF 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
2
2
2
Плавленая шихта шлакообразующей основы ШОС образует систему СаО-SiO-NaO при отношении CaO/SiO=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/ SiO<sub>2</sub>
Химический состав, мас.%
CaO/ SiO<sub>2</sub>
Na<sub>2</sub>O
Аl<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
CaO
SiO<sub>2</sub>
С
F
Na<sub>2</sub>O
Аl<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
CaO
SiO<sub>2</sub>
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.