ШЛАКООБРАЗУЮЩАЯ СМЕСЬ ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКИ РЕЛЬСОВОЙ СТАЛИ
SLAG-FORMING MIXTURE FOR CONTINUOUS RAIL STEEL CASTING

Изобретение относится к черной металлургии, конкретно к составам шлакообразующих смесей, используемых при непрерывной разливке стали, в частности для производства железнодорожных рельсов.
Известна шлакообразующая смесь для непрерывной разливки рельсовой стали [1], включающая аморфный графит, пылевидные отходы производства извести, ферросилиция, алюминия, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит соду кальцинированную и криолит при соотношении компонентов, мас.%:
Аморфный графит
5,5-8,5
Пылевидные отходы
производства извести
29-35
Пылевидные отходы
производства ферросилиция
37-40
Пылевидные отходы
производства алюминия
20,5-24,5
Сода кальцинированная
до 1%
Криолит
до 1%,
2
обеспечивающих основность (CaO/SiO) 0,6-0,9, и следующий химический состав шлакообразующей смеси, мас.%:
С
13,0-18,0
CaO
24,0-32,0
SiO<sub>2</sub>
31,0-37,5
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
5,5-10,0
F
≥4,0
Na<sup>+</sup>
≥0,7
K<sup>+</sup>
≥0,7
FeO
≤2,0
MnO
≤2,0
Существенным недостатком такой смеси является недостаточное суммарное содержание разжижающих компонентов (криолита и кальцинированной соды), что не обеспечивает необходимую легкоплавкость смеси, гарантирующую высокую степень смазывания поверхности кристаллизатора-заготовки, а также не обеспечивает требуемые рафинирующие свойства смеси по неметаллическим включениям. Кроме того, смесь в своем составе содержит MnO и FeO, а данные компоненты повышают газопроницаемость шлакового слоя и увеличивают содержание кислорода в разливаемой стали.
Известна шлакообразующая смесь для защиты металла в кристаллизаторе [2], содержащая основу шлаковой смеси, графит, фторсодержащее вещество, которая дополнительно содержит пыль газоочисток производства извести и ферросилиция, в качестве основы шлаковой смеси - феррохромовый саморассыпающийся сепарированный шлак, а в качестве фторсодержащего вещества - пыль газоочисток производства алюминия при следующем соотношении компонентов, мас %:
Пыль газоочисток производства алюминия
20,0-23,0
Пыль газоочисток производства ферросилиция
28,0-32,0
Пыль газоочисток производства извести
20,0-24,0
Графит
3,0-8,0
Феррохромовый саморассыпающийся
сепарированный шлак
18,0-24,0.
Несмотря на высокие теплоизолирующие свойства смеси, низкой себестоимости за счет использования отходов промышленного производства, улучшения санитарно-гигиенических условий труда данная смесь не позволяет получать высокие качественные показатели в части отбраковки непрерывнолитых заготовок по поверхностным шлаковым включениям из-за содержащегося тугоплавкого компонента, в частности феррохромового шлака. Причем для обеспечения требуемого качества поверхности непрерывнолитых заготовок необходима зачистка поверхности последних после разливки, что в ряде случаев экономически нецелесообразно и невозможно.
Кроме того, выбранные соотношения компонентов в смеси хотя и обеспечивают ШОС высокие теплоизолирующие свойства, однако не обеспечивают требуемую в ряде случаев необходимую легкоплавкость смеси, гарантирующую высокую степень смазывания поверхности кристаллизатора-заготовки, а также не обеспечивают требуемые рафинирующие свойства смеси по неметаллическим включениям. Кроме того, смесь содержит шлак производства феррохрома, который содержит значительное количество MnO и FeO, а данные компоненты повышают газопроницаемость шлакового слоя и увеличивают содержание кислорода в разливаемой стали.
Известна также шлакообразующая смесь для непрерывной разливки стали [3] - прототип, включающая графит аморфный, фторсодержащее вещество, концентрат датолитовый и цемент, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит формовочный песок при следующем соотношении инградиентов, масс.%:
Графит аморфный - 7-12
Фторсодержащее вещество - 18-22
Концентрат датолитовый - 12-16
Формовочный песок - 10-20
Цемент - остальное.
Существенными недостатками такой смеси являются: высокое содержание фторсодержащего вещества (18-22%), приводящее к значительной коррозии элементов МНЛЗ и высоким содержаниям фтористого водорода в рабочей зоне; использование концентрата датолитового, не обеспечивающего необходимую легкоплавкость смеси и гарантирующую высокую степень смазывания поверхности кристаллизатора-заготовки.
Желаемыми техническими результатами изобретения являются повышение качества стали за счет улучшения макроструктуры, снижение загрязненности стали неметаллическими включениями и уменьшение отбраковки непрерывнолитых заготовок по поверхностным дефектам за счет улучшения смазки кристаллизатора.
2
Для этого предлагается шлакообразующая смесь для непрерывной разливки рельсовой стали, отличающаяся от ближайшего аналога [1] тем, что она имеет основность (CaO/SiO) 0,6-0,9 и следующий химический состав, мас.%:
С
13,0-19,0
СаО
22,0-28,0
SiO<sub>2</sub>
30,0-36,0
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
5,0-8,5
F
4,0-7,0
(Na<sup>+</sup>+K<sup>+</sup>)
3,0-12,0
при этом в качестве материалов, содержащих окислы кремния, алюминия и щелочных металлов смесь содержит пегматит тонкомолотый марки КПШТМ 0,2-2,0, соду кальцинированную, тонкомолотый кварцит и цементит, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Аморфный графит
17-22
Концентрат плавикошпатовый
9-15
Пегматит тонкомолотый
марки КПШТМ 0,2-2,0
17-39
Сода кальцинированная
1-12
Тонкомолотый кварцит
1-13
Цемент
остальное
Заявляемые пределы подобраны эмпирическим путем исходя из следующих предпосылок.
Концентрация углерода выбрана исходя из целесообразности смазки в зоне кристаллизатор - непрерывнолитая заготовка. При снижении содержания углерода в смеси менее 13% повышается отбраковка стали по поверхностным дефектам, а при увеличении углерода более 19,0% возможно уменьшение скорости расплавления смеси и значительное науглероживание стали.
2
Кремнезем в ШОС должен быть ограничен из соображений вязкости расплава. Для лучшей смазки кристаллизатора смесь должна иметь низкую основность (отношение CaO/SiO=0,6-0,9). Для регулирования основности в ШОС вводится цемент и пегматит тонкомолотый марки КПШТМ 0,2-2,0. При невозможности попадания в указанные пределы дополнительно вводится мука кварцита, корректирующая содержание кремнезема в ШОС.
Содержание глинозема в смеси должно быть не более 8,5% для лучшей ассимилирующей способности глиноземистых неметаллических включений, снижающих эксплуатационную стойкость железнодорожных рельсов.
Содержание фтора не менее 4% для уменьшения вероятности окомкования смеси и хорошей адгезии неметаллических включений шлаком, сформированным из ШОС и не более 7,0% с целью исключения повышенного содержания фтористого водорода в рабочей зоне. Воздействие фторидов заключается, во-первых, в снижении температуры плавления, во-вторых, в дроблении полимерной структуры шлака, т.е. увеличении единиц течения, снижающих вязкость расплава.
Оксиды натрия и калия снижают температуру плавления ШОС и их суммарное содержание должно быть не менее 3% и не более 12%. При суммарном содержании оксидов натрия и калия менее 3% не удается достичь необходимую температуру плавления смеси, при содержании более 12% смесь становится легкоплавкой, что приводит к ее повышенному расходу.
2
3
2
2
Введение пегматита тонкомолотого марки КПШТМ 0,2-2,0 в смесь позволяет повысить и стабилизировать суммарное содержание окислов натрия и калия. Введение в состав ШОС соды кальцинированной позволяет регулировать содержание окислов натрия и соответственно температуру плавления ШОС. Кроме того, кальцинированная сода способствует в результате разложения (NaCO=NaO+CO) перемешиванию сформировавшегося из ШОС шлака со сталью в кристаллизаторе при разливке, вследствие чего снижается уровень неметаллических включений.
Различные варианты компонентного состава, а также влияние химического состава на температуру плавления ШОС представлены в таблице 1.
Заявляемая шлакообразующая смесь использовалась при разливке рельсовой стали марки Э76Ф и НЭ76Ф на радиальных 4-х ручьевых МНЛЗ с сечением кристаллизатора 300×340 мм, скорость разливки 0,5-0,55 м/мин.
2
2
3
2
2
2
3
2
2
2
2
3
2
2
Смесь готовилась смешением аморфного графита (76,0% С), цемента (54,6% CaO, 27,0% SiO, 7,6% AlO, 1,0% KO), пегматита тонкомолотого марки КПШТМ 0,2-2,0 (1,0% CaO, 67,5% SiO, 15,5% AlO, 5,0% NaO, 5,0% KO), муки кварцита (0,08% CaO, 98,0% SiO, 0,90% AlO), концентрата плавикошпатового (68,21% CaO, 3,0% SiO, 46,23% F), соды кальцинированной технической (58,47% NaO). Смешение производилось в смесительной установке в течение 15 мин со скоростью вращения барабана 1000 об/мин, после чего выпускалась в контейнер и отправлялась на МНЛЗ.
Таблица 1
Влияние химического состава ШОС на температуру начала размягчения и плавления
Состав ШОС
Варианты ШОС
1
2
3
4
5
6
компонентный состав ШОС, %
аморфный графит
17,0
23,0
18,0
18,0
18,6
17,1
концентрат плавикошпатовый
9,0
9,0
9,0
15,0
9,5
9,7
КПШТМ 0,2-2,0
24,0
18,0
17,0
39,0
25,1
25,8
сода кальцинированная
5,0
5,0
12,0
1,0
5,0
11,9
тонкомолотый кварцит
10,0
10,0
13,0
1,0
2,5
5,5
цемент
35,0
35,0
30,0
26,0
39,2
29,0
химический состав ШОС
C
13,0
19,0
13,6
13,7
14,1
13,0
CaO
25,5
25,4
22,7
24,9
28,0
22,0
SiO<sub>2</sub>
36,0
31,7
32,6
34,8
30,0
30,0
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
6,5
5,5
5,0
8,5
6,9
6,1
F
4,0
4,2
4,2
7,0
4,4
4,3
(K<sup>+</sup>+Na<sup>+</sup>)
5,7
5,1
9,7
3,0
5,8
12,0
Температура начала размягчения
1130
1160
1120
1210
1130
1090
Температура плавления
1140
1180
1150
1240
1140
1130
Отбраковка по поверхностным дефектам, %
-
0,09
0,05
0,11
-
-
Смесь присаживалась в медные водоохлаждаемые кристаллизаторы в количестве 0,2-0,8 кг/т жидкой стали. После разливки заготовки резались на машинах газовой резки на мерные длины, после чего проводили охлаждение заготовок по режиму до температуры 200°С, их осмотр и отгрузку для прокатки на рельсы железнодорожные типа Р65.
Использование заявляемой смеси по сравнению с базовой (прототип) позволяет:
1. Снизить загрязненность стали экзогенными неметаллическими включениями длиной более 1,0 мм на 95%.
2. Повысить качество поверхности непрерывнолитой заготовки, обеспечив снижение брака по поверхностным дефектам типа шлаковые включения с 0,4 до 0,11%.
3. Обеспечить повышение качества макроструктуры железнодорожных рельсов, при этом количество забракованных плавок по дефекту «светлая корочка» уменьшится в 2 раза.
Источники информации
1. Патент РФ №2260494.
2. Патент РФ №2025197 B22D 11/00, C21C 5/54.
3. Патент РФ №2165823.