РАЗЛИВОЧНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКИ СТАЛИ
TEEMING DEVICE FOR CONTINUOUS CASTING OF STEEL

Настоящее изобретение в общем имеет отношение к непрерывной разливке стали, а более конкретно к проблеме повторного окисления стали. В частности, настоящее изобретение имеет отношение к созданию сборки разливочного устройства и разливочного стакана, причем указанное разливочное устройство содержит охватывающий огнеупорный элемент, который позволяет исключить или ограничить повторное окисление стали. В соответствии с другим из вариантов настоящего изобретения предлагается также такой охватывающий огнеупорный элемент и соответствующий способ непрерывной разливки стали.
При возрастающих требованиях к качеству и управлению характеристиками чистота стали становится все более и более важной. Кроме контроля химического состава и однородности все большее внимание придают проблемам, связанным с присутствием неметаллических включений. Присутствие оксида алюминия особенно считают вредным как для самого процесса производства, так и для свойств стали. Эти включения в основном образуются во время раскисления стали в ковше, которое необходимо при непрерывной разливке. Неполное удаление неметаллических включений во время вторичной металлургии и повторного окисления расплава стали может приводить к засорению (закупориванию) разливочного стакана в ходе непрерывной разливки. Слой материала пробки обычно содержит большие скопления оксида алюминия. Их толщина связана как с количеством разлитой стали, так и с чистотой стали. Засорение разливочного стакана приводит к снижению производительности, так как меньше стали может быть разлито в единицу времени (в результате уменьшения диаметра (отверстия разливочного стакана)), а также за счет необходимости замены разливочных стаканов, с соответствующими перерывами в разливке. Кроме засорения наличие продуктов повторного окисления может вызывать начало эрозии разливочного стакана и образование дефектов в стали за счет включений.
Уже были предложены различные решения для предотвращения повторного окисления стали. В частности, поток расплавленного металла обычно укрывают в разливочном кожухе во время его перемещения из разливочного резервуара в находящийся ниже по течению резервуар (или литейную форму), чтобы исключить прямой контакт между разливаемой сталью и окружающей атмосферой. Аргон часто непосредственно вводят в пространство у поверхности разливки разливочного стакана, так чтобы он экранировал поток расплавленного металла. Поверхность расплава стали в металлургическом резервуаре (например, в разливочном устройстве) обычно покрывают слоем жидкого шлака, чтобы исключить прямой контакт между сталью и окружающей атмосферой. Альтернативно (или в дополнение), атмосфера над поверхностью разливочного устройства может быть сделана инертной (с использованием поглотителя кислорода или с использованием инертного газа, такого как аргон).
Уже были предложены и другие решения для удаления неметаллических включений и продуктов повторного окисления, когда они находятся в разливочном устройстве. Обычно эти решения заключаются в облегчении всплытия этих включений и продуктов повторного окисления, так чтобы они были захвачены плавающим слоем шлака. Например, подпоры, пороги, перегородки и/или ударные подкладки могут быть использованы для отклонения вверх потока расплавленного металла в разливочном устройстве. Устройство для барботирования инертного газа также может быть использовано для обеспечения всплытия включений и продуктов повторного окисления.
Существуют также и другие решения, позволяющие сделать включения и продукты (повторного) окисления менее вредными. Например, могут быть использованы сплавы на базе кальция для решения некоторых проблем, связанных с наличием включений оксида алюминия.
Все эти известные решения способствуют улучшению общей чистоты стали, но все еще не позволяют разливать сталь, которая не содержит включений или продуктов повторного окисления. Более того, некоторые из этих известных решений, в свою очередь, могут создавать новые дефекты в стали (такие как газовые пузыри при использовании сплава на базе кальция), могут быть дорогими (при использовании инертной атмосферы) или могут быть неприемлемыми из соображений охраны окружающей среды. По этим причинам было бы желательно предложить альтернативное решение, которое позволяет решить указанные проблемы, является экономически выгодным и не создает проблем для окружающей среды.
Настоящее изобретение основано на той гипотезе, что, несмотря на то, что сталь может быть произведена относительно чистой, невозможно сохранять ее чистоту в нормальных условиях до момента разливки в форму. В частности, повторное окисление стали за счет химической реакции между огнеупорными элементами (обычно оксидами металлов), которые используют при непрерывной разливке (футеровка резервуара, шлак, разливочные стаканы, стопорные стержни и т.п.), также может создавать продукты повторного окисления. Другим потенциальным источником повторного окисления является кислород, который проникает через эти огнеупорные элементы или через проницаемое соединение между футеровкой донной стенки и впуском разливочного стакана, или даже кислород, который десорбирован из огнеупорного элемента.
Задачей настоящего изобретения является решение указанных проблем за счет исключения возможности для продуктов повторного окисления доходить до разливочного стакана и/или образовываться в непосредственной близости от разливочного стакана или в разливочном стакане.
Уже известно, что можно создавать окружающий элемент вокруг разливочного отверстия разливочного устройства. Например, в патенте FR-A-2394348 раскрыто кольцо, которое предназначено для удержания стали в разливочном устройстве, пока не будет достигнут достаточный уровень расплава и, следовательно, достаточная тепловая масса, чтобы избежать входа "холодной" стали в разливочное отверстие. Однако в этом решении не раскрыто, что самый нижний уровень основной поверхности окружающего элемента или кольца расположен ниже, чем верхняя внешняя кромка разливочного стакана.
В документе JP-A1-2003-205360 раскрыто разливочное устройство для непрерывной разливки стали. Блок горна этого разливочного устройства состоит из двух элементов. Разливочный стакан расположен внутри нижней части блока горна. Дополнительный огнеупорный элемент расположен над верхней частью разливочного стакана, чтобы покрывать и защищать цементный стык между разливочным стаканом и блоком горна. Однако в этом документе не раскрыто, что внешняя периферия огнеупорного элемента должна располагаться выше, чем поверхность донной стенки разливочного устройства.
Благодаря особой схеме расположения в соответствии с настоящим изобретением, продукты повторного окисления и/или включения, которые присутствуют в металлургическом резервуаре и которые стремятся накапливаться на поверхности дна резервуара и которые уносятся вниз потоком расплавленной стали, не могут достичь впуска разливочного стакана.
Следует иметь в виду, что элемент, окружающий разливочный стакан, может иметь любую подходящую форму. В зависимости от функции металлургического резервуара, он может быть круглым, овальным или многоугольным; его основное отверстие может быть расположено по центру или смещено от центра. Элемент, окружающий разливочный стакан, также может иметь срез, чтобы его можно было устанавливать в тех случаях, когда стенки одного или нескольких разливочных устройств находятся близко от разливочного отверстия. Основная поверхность элемента может быть плоской или не плоской (она может иметь форму усеченного конуса, может иметь неровности и может быть наклонной). Разливочным стаканом может быть внутренний разливочный стакан (например, в том случае, когда потоком расплавленной стали управляют при помощи плоского шибера или если установка снабжена трубкой или калиброванным средством замены разливочного стакана) или погружной входной кожух (SES) (например в случае управления при помощи стопорного стержня). Металлургический резервуар или разливочное устройство могут быть оборудованы одним или несколькими такими блоками. Такой блок может поставляться как предварительно собранный узел (например, собранный с использованием взаимной запрессовки или заливки) или в виде отдельных деталей.
В соответствии с настоящим изобретением огнеупорный элемент содержит основную поверхность и периферию, окружающую основную поверхность. Верхняя поверхность периферии расположена выше, чем основная поверхность огнеупорного элемента. За счет этого создается нечто вроде отклоняющей ловушки в области, окружающей разливочный стакан. Следует иметь в виду, что верхняя поверхность периферии не обязательно должна быть плоской. Она может быть волнистой или может иметь различные высоты вдоль периферии (например, может быть более высокой в области периферии, расположенной ближе к боковой стенке резервуара, и более низкой на другой стороне). Уровень внешней периферии по меньшей мере одного огнеупорного элемента находится выше, чем поверхность донной стенки разливочного устройства. Следовательно, создается второе препятствие вокруг разливочного стакана разливочного устройства, не позволяющее включениям или продуктам повторного окисления доходить до его впуска. Такой тип схемы расположения является особенно предпочтительным.
2
3
Преимущественно, окружающий огнеупорный элемент изготовлен из газонепроницаемого материала, а преимущественно из огнеупорного материала. Чтобы быть газонепроницаемым, такой материал должен иметь открытую пористость (при температуре использования), которая меньше чем 20% (таким образом, меньше чем открытая пористость обычного футеровочного материала, которая типично превышает 30%). В случае огнеупорных материалов проницаемость обычно прямо связана с пористостью. Следовательно, имеющий низкую пористость огнеупор имеет низкую проницаемость для газов. Такая низкая пористость может быть получена за счет включения материалов, поглощающих кислород (например, антиоксидантов), в материал, из которого изготовлен окружающий элемент. Подходящими материалами являются бор или карбид кремния, или металлы (или их сплавы), такие как кремний или алюминий. Преимущественно их используют в количестве не более 5 вес.%. Вместо этого (или в дополнение) продукты, образующие фазу расплава (например ВО), также могут быть включены в материал, из которого изготовлен окружающий элемент. Преимущественно их используют в количестве не более 5 вес.%. Вместо этого (или в дополнение) материалы, образующие более объемные новые фазы (за счет реакции или за счет воздействия температуры) и таким образом закрывающие существующую пористость, также могут быть включены в материал, из которого изготовлен предварительно отформованный элемент. Такие подходящие материалы включают в себя композиции оксида алюминия и оксида магния. За счет этого исключено повторное окисление в области, окружающей разливочный стакан.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения разливочный стакан (или его слой) изготовлен из газонепроницаемого материала. Обычно указанный разливочный стакан изготовлен из огнеупорных оксидов (оксид алюминия, оксид магния, оксид кальция) и изостатически отпрессован. Для проверки газонепроницаемости в соответствии с настоящим изобретением 100 г образца испытуемого материала помещают в печь с аргоновой атмосферой (причем легкий поток аргона (около 1 литра в минуту) непрерывно вдувают в печь) и температуру повышают до 1000°С. Температуру затем постепенно повышают до 1500°С (в течение 1 часа) и затем оставляют образец испытуемого материала в печи при температуре 1500°С на 2 часа. Измеряют потерю веса образца между 1000°С и 1500°С. Эта потеря веса должна быть меньше чем 2%, чтобы считать материал газонепроницаемым. Следовательно, включения и продукты повторного окисления не только не могут доходить до разливочного стакана, но, дополнительно, они не могут образовываться в самом разливочном стакане. Эта особая комбинация создает таким образом синергетический эффект, в результате чего может быть разлита сталь, не содержащая включений и продуктов повторного окисления.
Материал, из которого изготовлен разливочный стакан, может быть выбран из трех следующих различных категорий материалов:
a) материалы, которые не содержат углерод;
b) материалы, которые главным образом состоят из не восстанавливаемых огнеупорных оксидов в сочетании с углеродом; или
c) материалы, которые содержат элементы, вступающие в реакцию с генерируемым моноксидом углерода (угарным газом). Преимущественно выбранный материал содержит две или три из указанных категорий материалов.
В качестве примеров подходящего материала первой категории можно привести оксид алюминия, муллит, диоксид циркония или материал на базе оксида магния (шпинель).
Подходящими материалами второй категории являются, например, чистые композиции оксида алюминия и углерода. В частности, эти композиции должны содержать очень малые количества диоксида кремния или обычных примесей, которые типично содержатся в диоксиде кремния (оксид натрия или калия). В частности, содержание диоксида кремния и его обычных примесей должно составлять менее 1.0 вес.%, а преимущественно менее 0.5 вес.%.
Подходящими материалами третьей категории являются, например, свободные металлы, которые можно комбинировать с моноксидом углерода, чтобы образовывать оксид металла и свободный углерод. Кремний и алюминий подходят для такого применения. Эти материалы могут также или вместо этого содержать карбиды или нитриды, которые могут реагировать с кислородом (например, карбиды кремния или карбиды бора).
Преимущественно, выбранный материал должен принадлежать ко второй или третьей категории, а предпочтительнее он должен принадлежать ко второй и третьей категории.
Подходящий материал, образующий слой, который не создает моноксид углерода при температуре использования, может содержать от 60 до 88 вес.% оксида алюминия, от 10 до 20 вес.% графита и от 2 до 10 вес.% карбида кремния. Такой материал главным образом образован из не оксидных разновидностей или не восстановимых оксидов и содержит карбид кремния, который может вступать в реакцию с кислородом, если он присутствует в рабочем режиме.
В соответствии с одним из вариантов только вкладыш, который присутствует на поверхности контакта со сталью (внутри и снаружи разливочного стакана), изготовлен из такого материала. В соответствии с другим вариантом разливочный стакан и окружающий элемент образуют единое целое (одну деталь).
В том случае, когда стык между окружающим элементом и разливочным стаканом является не идеально герметичным, может быть предпочтительным создание стыка из газонепроницаемого раствора. Обычные растворы имеют открытую пористость от 40 до 50%. В соответствии с предпочтительным вариантом раствор должен иметь открытую пористость меньше чем 20%. Такую низкую пористость раствора можно получить за счет принятия таких же мер, как и для окружающего элемента.
2
3
2
В соответствии с другим аспектом настоящее изобретение имеет отношение к специфическому окружающему огнеупорному элементу, который используют в сборке в соответствии с настоящим изобретением. Этот окружающий элемент содержит основное отверстие, приспособленное для сопрягающего зацепления по меньшей мере с участком внешней поверхности разливочного стакана, а также содержит основную поверхность, окружающую основное отверстие, и внешнюю периферию, окружающую основную поверхность, причем уровень верхней поверхности периферии расположен выше, чем основная поверхность. Преимущественно окружающий огнеупорный элемент изготовлен из газонепроницаемого материала. Следовательно, исключено повторное окисление стали в области, окружающей разливочный стакан. Например, особенно хорошо подходящая для этой цели композиция главным образом содержит материал с высоким содержанием оксида алюминия, который содержит по меньшей мере 75 вес.% AlO, меньше чем 1.0 вес.% SiO, меньше чем 5 вес.% С, и остаток, который образован из огнеупорных оксидов или оксидных соединений, которые не могут быть восстановлены алюминием (а в особенности алюминием, растворенным в расплавленном железе) при температуре использования (например, образован из оксида кальция и/или шпинели). Особенно подходящим материалом является огнеупор типа CRITERION 92SR, который может быть закуплен на фирме VESUVIUS UK Ltd. Этот материал представляет собой огнеупор с высоким содержанием оксида алюминия и с низким содержанием цемента, упрочненный плавленой шпинелью из оксида алюминия и оксида магния. Типичный анализ этого материала дает следующие результаты:
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
92.7 вес.%
MgO
5.0 вес.%
СаО
1.8 вес.%
SiO<sub>2</sub>
0.1 вес.%
Другое
0.4 вес.%
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения предлагается способ непрерывной разливки стали, который предусматривает разливку расплавленной стали с использованием описанного здесь выше разливочного устройства.
Указанные ранее и другие характеристики изобретения будут более ясны из последующего детального описания, данного в качестве примера, не имеющего ограничительного характера и приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи.
На фиг.1 показано поперечное сечение донной стенки металлургического резервуара в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.2 и 3 показаны соответственно вид сверху и вид в перспективе окружающего элемента в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.4 и 5 показаны гарнисажи, полученные в конце операции разливки в верхней части разливочного стакана.
На фиг.6 и 6а показаны соответственно вид сверху и вид сбоку окружающего элемента в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.7 показан вид сверху разливочного устройства в соответствии с настоящим изобретением.
Разливочное устройство 50 (имеющее донную стенку 3) содержит огнеупорный элемент 4, имеющий срез, так чтобы его можно было установить в непосредственной близости от стенки разливочного устройства. Разливочный стакан 1 для упрощения чертежей подробно не показан.
Донная стенка 3 металлургического резервуара (а в данном случае разливочного устройства) обычно содержит постоянную футеровку 33, изготовленную из огнеупорных кирпичей или из (другого) огнеупорного материала. Рабочий слой 32 огнеупорного материала обычно расположен над постоянной футеровкой 33. Поверхность 31 рабочего слоя контактирует с расплавленной сталью в ходе операций разливки. Слой изоляционного материала 34 обычно присутствует под постоянной футеровкой 33, чтобы защищать металлическую оболочку 35 металлургического резервуара.
Разливочный стакан 1 проходит насквозь через дно разливочного устройства и служит для перемещения расплавленной стали из разливочного устройства в форму для непрерывной разливки. Разливочный стакан 1 имеет впуск 11, открытый в расточку, образующую проход 2 для расплавленной стали, причем впуск 11 имеет верхнюю кромку 12. На фиг.1 показан погружной входной кожух (SES), однако, как уже было указано здесь выше, и другие типы разливочных стаканов (такие как внутренние разливочные стаканы) также могут быть использованы в соответствии с настоящим изобретением. В случае использования SES операцию непрерывной разливки обычно проводят с использованием гильотинных ножниц 37, позволяющих разрезать разливочный стакан 1 и продолжать операции разливки в случае закупоривания (разливочного стакана). Обычно SES поддерживается в заданном положении при помощи набивочной массы 36.
Охватывающий огнеупорный элемент 4 окружает впускной участок 11 разливочного стакана 1. Охватывающий элемент 4 содержит основную поверхность 41, окружающую основное отверстие 40. Основная поверхность показана в виде усеченного конуса на фиг.1 и показана плоской на фиг.2 и 3, однако, как уже было указано здесь выше, возможны и другие виды ее построения. Поднятая внешняя периферия окружает основную поверхность 41. Верхняя поверхность 42 периферии расположена выше, чем уровень основной поверхности 41.
Как это показано на фиг.1, верхняя поверхность 42 периферии преимущественно поднята выше, чем поверхность 31 разливочного устройства.
Стык из раствора или цемента в соединении 5 между огнеупорным элементом 4 и разливочным стаканом 1 может быть предусмотрен для дальнейшего улучшения уплотнения.
Были проведены испытания для оценки характеристик настоящего изобретения. Затвердевший стальной гарнисаж, остающийся внутри разливочного стакана в конце операции разливки, был отобран и разрезан вертикально посредине. На фиг.4 для сравнения показан гарнисаж, отобранный из обычной установки (без окружающего огнеупорного элемента), а на фиг.5 показан гарнисаж, отобранный из установки в соответствии с настоящим изобретением.
Гарнисаж 20, показанный на фиг.4, имеет значительные повреждения в области 21, 21', что свидетельствует о наличии осадка (отложения) оксида алюминия на внутренней стенке разливочного стакана. Этот осадок оксида алюминия является причиной засорения разливочного стакана, со всеми негативными последствиями, описанными здесь выше. Гарнисаж 20, показанный на фиг.4, также имеет расширенный участок в области 22, 22', что свидетельствует о сильной эрозии впуска разливочного стакана.
Гарнисаж 20, показанный на фиг.5, соответствует внутренней форме разливочного стакана, что свидетельствует о том, что разливочный стакан не был подвергнут ни эрозии, ни засорению оксидом алюминия.
В соответствии со специфическим вариантом настоящего изобретения окружающий элемент 4 имеет срез, как это показано на фиг.6, 6а и 7.