СПОСОБ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО РАСПЛАВА
METHOD FOR PROCESSING OF METAL MELT

Изобретение относится к способу обработки находящегося в металлургической емкости металлургического расплава, при этом на поверхность металлического расплава подают содержащий оксид кремния и оксид алюминия, мелкозернистый покровный материал.
Известно покрытие поверхностей находящихся в металлургических емкостях металлических расплавов слоем содержащего оксид кремния, тугоплавкого покровного материала. Это покрытие служит, с одной стороны, для защиты металлического расплава от проникновения атмосферных газов (в частности, кислорода). С другой стороны, за счет покрытия достигается эффективная теплоизоляция, так что замедляется охлаждение металлического расплава во время обработки. Такие меры необходимы, в частности, в литейных цехах или сталеплавильных заводах, поскольку лишь таким образом за счет насыпания и распределения покровного материала на поверхность металлического расплава возможна эффективная защита металлического расплава.
Широко известно применение для этих целей различных порошкообразных мелкозернистых покровных материалов, как, например, перлита и получаемой в качестве отходов сажи. Кроме того, известно применение зернистой сажи растительного происхождения, в частности, золы рисовой шелухи, в которую для гранулирования добавляют в качестве органического связующего материала целлюлозную кашицу, такую как бумажная масса или пульпа. В качестве других добавок в покровный материал применяются графит и шлаки. Дополнительно к этому, он может содержать в качестве дополнительного связующего средства синтетические смолы и коллоидные кремниевые кислоты.
Недостатком известного покровного материала на основе золы является то, что необходим относительно сложный способ изготовления для получения требуемых для желаемых применений физических свойств. Кроме того, требуется ряд добавок, что в целом приводит к тому, что из-за высокой стоимости известный покровный материал не подходит для регулярного применения в сталеплавильной промышленности.
Кроме того, недостатком при применении обычных порошкообразных покровных материалов является их сравнительно низкая температура плавления примерно от 1100°С до 1200°С. На основе специфических физических свойств поданного на поверхность металлического расплава порошка он со временем соединяется с плавающим также на поверхности металла слоем шлака. За счет этого, с одной стороны, сильно увеличивается нежелательным образом количество шлака, а, с другой стороны, непрерывно уменьшающаяся теплоизоляция приводит к тому, что охлаждающийся шлак затвердевает и засоряет применяемые для металлического расплава ковши, что делает необходимым выполнение сложных очистительных работ. Кроме того, недостатком известных покровных материалов является их тенденция к спеканию на поверхности металлического расплава в сплошной слой. Низкая температура плавления известных покровных материалов имеет дополнительный недостаток, заключающийся в их соответствующем высоком расходе.
Особой проблемой при покрытии находящихся в металлургических емкостях расплавленных металлов является то, что применяемые согласно уровню техники материалы часто приводят к нежелательному образованию пыли. За счет экстремально высокой конвекции воздуха над горячим металлическим расплавом даже самые небольшие количества пыли распределяются неконтролируемым образом в окружающем пространстве.
Кроме того, недостатком при применении известных материалов для покрытия металлического расплава является то, что они часто плохо распределяются на поверхности металлического расплава. Для обеспечения равномерного покрытия поверхности необходимо использовать часто сложные и поэтому дорогостоящие распределительные устройства.
В уровне техники известен способ обработки металлического расплава, находящегося в металлургической емкости, включающий подачу на поверхность металлического расплава мелкозернистого покровного материала, содержащего оксид кремния и оксид алюминия. Данный способ, раскрытый в документе DE 10124926 A1, 28.11.2002, может рассматриваться как ближайший аналог заявленного изобретения и обладает присущими обычному уровню техники недостатками.
Исходя из этого, в основу данного изобретения положена задача создания способа покрытия поверхности металлических расплавов, в котором исключаются указанные выше недостатки. В частности, должно обеспечиваться небольшое образование пыли при засыпке покровного материала на поверхность металлического расплава. Одновременно применяемый покровный материал должен иметь хорошие теплоизоляционные свойства и без проблем распределяться по поверхности металлического расплава.
Эта задача решена, согласно изобретению, в способе указанного вначале типа за счет того, что покровный материал является искусственным цеолитовым материалом, который содержит по существу одинаковые доли оксида кремния и оксида алюминия, при этом покровный материал имеет узкое распределение диаметров зерен, так что менее 20% зерен имеют диаметр меньше 30 мкм или больше 125 мкм.
Цеолиты, как известно, являются микропористыми кристаллами, которые построены из сеточных структур алюмосиликатов. Из-за высокой пористости эти материалы имеют отличные теплоизоляционные свойства. Небольшая плотность этих материалов одновременно обеспечивает то, что мелкозернистый защитный материал не погружается и не может соединяться с плавающим на металлическом расплаве шлаком, так что эффективно предотвращается образование отложений в металлургических емкостях. Кроме того, за счет небольшого удельного веса искусственного цеолитового материала обеспечивается надежное отделение покровного слоя от жидкой фазы металлического расплава.
В способе, согласно изобретению, существенным является указанное выше узкое распределение диаметров зерен мелкозернистого покровного материала. За счет узкого распределения диаметров зерен подаваемый на поверхность металлического расплава порошкообразный покровный материал имеет особенно большие полые пространства между отдельными зернами. За счет этих полых пространств дополнительно улучшаются теплоизоляционные свойства. Кроме того, особенно предпочтительным является то, что применяемый покровный материал, согласно изобретению, имеет отличную текучесть на поверхности металлического расплава. За счет этого покровный материал квази самостоятельно распределяется по поверхности металлического расплава, так что можно отказаться от применения какого-либо распределительного устройства. В то время как покровные материалы, известные из уровня техники, после подачи на поверхность металлического расплава сперва остаются лежать на нем в форме конуса, а затем должны распределяться с использованием подходящих устройств, подаваемый на поверхность металлического расплава покровный материал, согласно изобретению, растекается самостоятельно и тем самым равномерно покрывает поверхность металлического расплава.
Это чрезвычайно предпочтительное свойство способа, согласно изобретению, основывается, в первую очередь, на узком распределении диаметров зерен искусственного цеолитового материала. Текучесть покровного материала дополнительно улучшается, когда эти зерна выполнены в форме шариков и имеют возможно гладкую поверхность.
Один покровный материал, согласно изобретению, является искусственным цеолитовым материалом, который называется также равновесным катализатором (от английского "equilibrium-catalyst") и образуется в большом количестве в качестве отходов в петрохимии. Этот цеолитовый материал, который применяется при изготовлении бензина из сырой нефти, можно использовать с небольшими затратами, при необходимости после предварительной подготовки, в способе согласно изобретению. Особенно предпочтительным является то, что за счет этого можно рационально использовать большие количества отходов, которые иначе приходится устранять с большими затратами. Для обеспечения распределения диаметров зерен в соответствии с изобретением, может быть необходимым выполнение подходящего смешивания использованных в химической промышленности цеолитовых материалов с различными распределениями диаметров зерен и/или выполнение сортировки.
Типичные цеолитовые материалы, применяемые в петрохимии, состоят из примерно равных долей оксида алюминия и оксида кремния. Остальные составляющие части, которые обычно содержатся в этих материалах, не оказывают помех при применении для покрытия металлических расплавов, согласно изобретению, а, наоборот, оказывают даже положительное воздействие в смысле изобретения. Если соотношение оксида алюминия к оксиду кремния больше, чем один к одному, то возникает преимущество, состоящее в том, что покровный материал имеет особенно высокую температуру плавления около 1500°С. Кроме того, при этом оксид кремния предпочтительно не может служить поставщиком кислорода в раскисленных алюминием стальных расплавах.
На практике было установлено, что применяемый согласно изобретению покровный материал может содержать, соответственно, вплоть до 1% оксида титана, оксида железа, оксида магния и оксида кальция. За счет этого оказывается несущественное влияние на существенные для применения, согласно изобретению, свойства покровного материала.
Особенно пригоден способ, согласно изобретению, для покрытия металлического, в частности, стального расплава, который находится в промежуточном ковше или в разливочном ковше. В промежуточном ковше или в разливочном ковше находится стальной расплав в течение сравнительно длительного времени, так что важной является эффективная теплоизоляция. Кроме того, стальной расплав в этих ковшах имеет большую поверхность, которую необходимо закрывать. По этой причине особенно пригодным является применяемый согласно изобретению цеолитовый материал из-за его отличной текучести.
Рациональная модификация способа, согласно изобретению, состоит в том, что покровный порошок подают на находящийся непосредственно на металлическом расплаве промежуточный слой из шлака алюмината кальция. В этой двухслойной защитной системе шлак из алюмината кальция служит, с одной стороны, для эффективной защиты металлического расплава от проникновения атмосферных газов. С другой стороны, шлак из алюмината кальция предпочтительно приводит к переводу нежелательных неметаллических включений из металлического расплава в покровный слой.
Подаваемый на шлак искусственный цеолитовый материал обеспечивает эффективную теплоизоляцию.
При необходимости можно в подаваемый, согласно изобретению, на металлический расплав покровный материал добавлять источник углерода, как например, нефтяной кокс, для оказания влияния на свойства оплавления материала. Для этого можно рационально использовать нефтяной кокс, также образующийся в петрохимии в качестве отходов.
На практике можно покровный материал особенно просто в виде упакованных в пластмассовые полимерные мешки порций подавать на поверхность металлического расплава. За счет высоких температур над металлическим расплавом, значительно превышающим 1000°С, полимерные мешки мгновенно сгорают. После этого покровный материал за счет своей текучести самостоятельно распределяется по поверхности металлического расплава. При этом эффективно исключается любое возникновение пыли, что объясняется тем, что зерна используемого согласно изобретению покровного материала имеют диаметр, по меньшей мере, 30 мкм.
Согласно рациональной модификации способа, согласно изобретению, покровный материал состоит до 40 мас.% из растительной золы. Особенно пригодной является указанная вначале зола рисовой шелухи. Добавление растительной золы имеет то преимущество, что за счет ее дополнительно улучшаются изоляционные свойства покровного порошка. Кроме того, растительная зола является поставщиком углерода, что положительно влияет на плавильные свойства шлака.
Существенным недостатком применения только растительной золы является то, что зола при высоких температурах переходит в волокнистую кристаллическую фазу (кристобалит). Эти кристаллические волокна имеют способность проникать в легкие и вызывать рак. Этот недостаток надежно исключается при смешивании, согласно изобретению, растительной золы с цеолитовым материалом. В смеси подавляется образование кристобалита.
На практике особенно хорошо проявило себя применение для покрытия стальных расплавов смеси из, по меньшей мере, 60 мас.% цеолитового материала с до 40 мас.% растительной золы. Предпочтительной является смесь из примерно 80 мас.% цеолитового материала с примерно 20 мас.% золы рисовой шелухи. Эта смесь предпочтительно имеет почти нейтральные свойства, в то время как обычные покровные материалы в большинстве случаев имеют кислую реакцию и со временем вредно воздействуют на футеровку металлургических ковшей.
Существенным является то, что при добавлении растительной золы в указанных выше пределах отличные свойства текучести покровного материала сохраняются лишь тогда, когда выдерживается соответствующее изобретению распределение диаметров зерен цеолитового материала.
Ниже приводится подробное описание примера выполнения изобретения.
На прилагаемом чертеже показан график распределения диаметров зерен подходящего в качестве покровного материала, согласно изобретению, искусственного цеолитового материала. На графике показано суммарное распределение (в %) в зависимости от диаметра зерен (в мкм). Из графика следует, что примерно 80% зерен имеют диаметр между 35 и 125 мкм. Следующее из графика узкое распределение диаметром зерен обеспечивает указанные выше предпочтительные свойства применяемого покровного материала, согласно изобретению.
Из последующей таблицы следует числовое распределение диаметров зерен цеолитового материала.
< 32 мкм
7,8%
> 32 мкм
92,2%
> 45 мкм
79,2%
> 63 мкм
54,3%
> 90 мкм
22,5%
> 125 мкм
4,9%
> 250 мкм
0,0%
3
Относительно химического состава покровный материал с указанным выше распределением диаметров зерен состоит из примерно 45% оксида кремния и немного меньшей доли оксида алюминия. Удельный вес материала лежит в диапазоне между 0,8 и 0,9 г/см.