ПЛИТА ШИБЕРНОГО ЗАТВОРА СТАЛЕРАЗЛИВОЧНОГО КОВША
SLIDE GATE PLATE FOR CASTING LADLE

Изобретение относится к металлургии, а именно к разливке стали из сталеразливочного ковша (далее СК).
С развитием непрерывной разливки стали и ее внепечной обработки на агрегатах ковш-печь стопорный механизм разливки был практически полностью заменен на шиберный. Ответственной деталью шиберного затвора сталеразливочного ковша является огнеупорная плита, перекрывающая сталевыпускное отверстие. Она испытывает механические нагрузки в широком диапазоне температур, в том числе и при высоких температурах (до 1700°С), а также химическое воздействие жидких стали и шлака. Она должна обеспечивать надежное перекрытие сталевыпускного отверстия не только при транспортировке СК с плавкой, но и в процессе непрерывной разливки при необходимости ее прекращения. В отличие от корпуса и механизма шиберного затвора, изготовленных из стали, огнеупорная шиберная плита заменяется на новую после нескольких плавок. Стойкость плиты зависит как от ее эксплуатационных характеристик, так и от технологии выплавки, внепечной обработки и непрерывной разливки стали, и изменяется от 1 до 10 плавок. При этом шиберная плита является достаточно дорогим изделием, и увеличение ресурса ее работы является весьма актуальным.
Эксплуатация огнеупорных плит шиберных затворов осуществляется в сложных условиях: плиты испытывают воздействие высоких температур и разнонаправленных механических нагрузок. Причем имеет место локальный перегрев в зоне контакта плиты с жидкой сталью до температуры около 1700°С, а периферийные части плиты могут иметь температуру 200°С и менее. Это приводит к возникновению термических напряжений в плите и может являться причиной возникновения трещин и даже к ее разрушению [1]. Поэтому материал плиты должен не только обладать достаточной механической прочностью в рабочем температурном интервале и огнеупорностью, но и обладать таким комплексом теплофизических свойств, чтобы нем не возникали чрезмерные термические напряжения.
В качестве основы огнеупорного материала для изготовления шиберных плит используют периклаз или глинозем. Для повышения эксплуатационных характеристик к основе добавляют углерод, двуокись циркония и кремния.
2
Известна плиты шиберного затвора (ГОСТ Р 52707-2007 Изделия огнеупорные для шиберных затворов сталеразливочных ковшей), изготовленные из высокостойкого огнеупорного материала, например, периклаза или корунда, с добавками углерода и ZrO, имеющие прямоугольную или ромбическую форму со скошенными или скругленными углами и содержащие круглое отверстие для выпуска металла, расположенное со смещением относительно центра по длинной оси плиты.
К основным недостаткам данных плит относится неравномерный износ плит из-за различного механизма разрушения. Материал вокруг сталевыпускного канала испытывает химическое и механическое воздействие от жидкого металла и шлака, в то время как в периферийной части плиты возникают в основном термические напряжения из-за градиента температур, достигающего 1500°С. Кроме того, к недостаткам данных плит относится их высокая стоимость.
Известен комплект шиберных плит (полезная модель РФ №8642), каждая из которых содержит основание, выполненное, например, из спеченного магнезита, и установленный в выемке основания вкладыш, выполненный из более стойкого огнеупорного материала, например, из плавленого периклаза.
Основным недостатком данного изделия является его низкая стойкость. Это связано с тем, что часть сталевыпускного канала шиберной плиты в данном изделии формируется в основании. Во время разливки нижняя часть сталевыпускного канала, выполненного из материала основания будет размываться быстрее верхней части и лимитировать стойкость всего изделия. Кроме того, в зазор между вкладышем и основанием во время разливки может попасть металл, что может привести к выпучиванию вставки и дальнейшему к проходу металла между плитами.
Задачей изобретения является повышение стойкости и надежности плит шиберного затвора, и, как следствие, снижение удельных затрат на огнеупорные материалы.
2
3
2
3
2
Задача достигается за счет того, что в огнеупорной плите шиберного затвора сталеразливочного ковша, содержащей основание с установленным в нем вкладышем и разливочный канал, в соответствии с изобретением, вкладыш установлен в сквозном отверстии основания и имеет толщину, равную толщине основания, а разливочный канал выполнен полностью во вкладыше, при этом основание выполнено посредством вибролитья из огнеупорного материала на основе табулярного глинозема, содержащего не менее 90% масс AlO, а вкладыш выполнен из огнеупорного материала на основе табулярного глинозема, содержащего, % масс: AlO - не менее 80, ZrO - не менее 5, С - не более 7, и имеет длину, равную 0,4-0,6 длины основания, и ширину, равную 0,3-0,5 ширины основания.
Изобретение иллюстрируется чертежами, в которых на фиг. 1 изображен вид сверху заявленной плиты, а на фиг. 2 - разрез плиты по толщине.
2
3
Изготовление основания посредством вибролитья из огнеупорного материала на основе табулярного глинозема, содержащего не менее 90% масс AlO, обеспечивает высокую огнеупорность и термостойкость изделия, низкое температурное расширение. Благодаря более рыхлой, пористой структуре вибролитого изделия, основание позволяет компенсировать небольшое температурное расширение вкладыша.
2
3
Огнеупорный материал вкладыша заявленного состава имеет высокую механическую прочность, изностойкость и шлакоустойчивость благодаря использованию в качестве высокоглиноземистого сырья табулярного глинозема. При содержании не менее 80% масс. AlO это позволяет снизить склонность к растрескиванию и повысить стабильность прочностных характеристик при изменении температуры.
2
Содержание в составе огнеупорного материала вкладыша ZrO в количестве не менее 5 масс. % повышает механическую прочность и термическую стойкость огнеупора. Содержание углерода в количестве не более 7 мас. % обеспечивает повышение химической стойкости и снижение газонасыщенности материала.
Соотношение длины (l) и ширины (h) вкладыша и основания получено на основании расчета напряженно-деформированного состояния плиты, основание и вкладыш которой выполнены из указанных выше материалов. Расчет выполнен методом конечных элементов и эмпирических данных. Выбор конкретных значений внутри заявленных диапазонов зависит от формы плиты и диаметра сталевыпускного отверстия. Снижение длины вкладыша (l) ниже 0,4 длины основания (L) и ширины вкладыша (h) ниже 0,3 ширины основания (Н) приведет к снижению стойкости плиты из-за размытия разливочного канала вкладыша металлом и шлаком и возможного разрушения вкладыша. Увеличение длины вкладыша (l) выше 0,6 длины основания (L) и ширины вкладыша (h) выше 0,5 ширины основания (Н) приведет к снижению стойкости плиты из-за возникновения радиальных трещин вследствие большого градиента температур во вкладыше заявляемого химического состава, а также к повышению себестоимости плиты, что не позволит достичь технического результата.
Для изготовления вкладышей используется шихта, состоящая из порошка табулярного глинозема, углерода (графит, связка), оксида циркония. После смешивания шихта поступает на дозатор, а затем с помощью пресса штампуется вкладыш. Сырые вкладыши выдерживаются при комнатной температуре, после чего поступают на обжиг. Вкладыши обжигают в инертной атмосфере при температуре от 1600 до 1900°С.
Изготовление плиты производится следующим образом. В оснастку, установленную на вибростоле, устанавливается ранее сформированный вкладыш. Включается вибрация и бетонная смесь на основе табулярного глинозема, затворенная водой, загружается в оснастку. Сформованное изделие по прошествии 8-12 часов извлекается из оснастки и подвергается сушке при 400-450°С. После охлаждения плита шлифуется и на рабочую поверхность наносится слой углеродной смазки.
2
Во время эксплуатации плиты вкладыш испытывает механическое и химическое воздействие от жидкого металла. Благодаря содержанию в составе огнеупорного материала углерода и ZrO повышается химическое и термическая стойкость вкладыша. Кроме того, благодаря использованию в качестве высокоглиноземистого сырья табулярного глинозема, имеющего низкий коэффициент теплового расширения и высокую термостойкость, вкладыш под действием температуры жидкого металла не разрушается. При этом основание плиты компенсирует небольшое расширение вкладыша благодаря более рыхлой, пористой структуре вибролитого изделия. Также, из-за того, что основным компонентом и вкладыша, и основания плиты является табулярный глинозем, величины их термического расширения практически одинаковы.
Выполненные в соответствии с настоящим изобретением шиберные плиты применялись на 130-т сталеразливочных ковшах при разливке на сортовой установке непрерывной разливки стали. Средняя стойкость плит с вкладышами составила 6,07 плавки, что на 4% превышало данный показатель для традиционных монолитных шиберных плит. Повысилась надежность эксплуатации плит за счет предотвращения растрескивания и размытия огнеупора вокруг сталевыпускного отверстия.
Источники информации
1. R. Grasset-Bourdel, j. Pascual, С. Manhart. Thermal Shock at the Shutoff Position of a Lower Slide Gate Plate - Test Development and Postmortem Investigations / RHI Bulletin, #1, 2014, pp. 40-46.