СОСТАВНАЯ СТАРТОВАЯ СМЕСЬ ДЛЯ ЗАПОЛНЕНИЯ ВЫПУСКНОГО КАНАЛА СТАЛЕРАЗЛИВОЧНОГО КОВША
COMPOSITE STARTING MIXTURE FOR FILLING THE STEEL-TEEMING LADLE DISCHARGE CHANNEL

Изобретение относится к области металлургии и машиностроения, а именно к технологиям разливки стали из сталеразливочных ковшей, снабженных шиберными затворами для выпуска и регулировки процесса разливки жидкой стали, выпускной канал которых заполняют сыпучим огнеупорным материалом, предохраняющим проникновение жидкой стали из сталеразливочного ковша в выпускной канал до начала разливки, а при открытии канала обеспечивающим беспрепятственное истечение жидкой стали из сталеразливочного ковша в промежуточный ковш или изложницу.
В современных металлургических технологиях наибольшее распространение получили так называемые стартовые смеси для заполнения выпускного канала сталеразливочного ковша, представляющие собой однородные смеси, полученные путем механического смешения различных ингредиентов, состав которых включает преимущественно хромсодержащий материал, кремнийсодержащий материал, магнийсодержащий материал и в небольших концентрациях обволакивающий и смазывающий преимущественно углеродсодержащий материал. Причем хром-, кремний- и магнийсодержащие материалы находятся в окисленной форме. В качестве хромсодержащего материала используют в основном хромовые руды и полученные на их основе хромитовые концентраты; в качестве кремнийсодержащего ингредиента используют кварциты, кварцевые пески и т.д.; в качестве магнийсодержащих материалов используют термообработанные магнезиты, периклазовые порошки.
2
2
3
Стартовые смеси, содержащие данные ингредиенты, характеризуются достаточно низкой спекаемостью, что обеспечивает в целом стабильное открытие сталевыпускного канала на уровне 90-97% и выпуск жидкой стали из сталеразливочного ковша, например, в промежуточный ковш или изложницу, но содержат чистые фазы кислотного (SiO), амфотерного (СrО) и основного (FeO) оксида, оказывающих негативное воздействие на свойства формирующегося оксидного расплава.
2
3
Известны смеси для заполнения выпускного канала сталеразливочного ковша на основе хромитового концентрата и кремнийсодержащих материалов (см. описание изобретения к патенту РФ №2302319), состоящие из следующих компонентов, мас. %: чешуйчатый графит 1-4; жильный кварц 11-36; хромитовый концентрат - остальное (при этом хромитовый концентрат содержит, мас. %: 46-57 СrО, 9-14 FeO, 13-18 MgO, 0.8-1.0 СаО; размер фракции хромитового концентрата не более 2 мм) или на основе кремнийсодержащих в виде кварцитовых составляющих (см. описание изобретения к патенту РФ №2354497), которые содержат жильный кварц - основу, монофракционный песок 5-7 и обволакивающий и смазывающий материал - чешуйчатый графит 1-4.
Известные стартовые смеси, компоненты которых, попадая на поверхность расплава, например, в промежуточный ковш, формируют агрессивную по отношению к огнеупорной футеровке, стопору и защитной трубе шлаковую фазу. Так, скорость износа торкрет-слоя промежуточного ковша при разливке слябов достигает 5 мм на плавку и более. Кроме того, для нагрева и плавления известных смесей необходима дополнительная энергия, источником которой является только энергия разливаемой жидкой стали.
Наиболее близкой из описанных в литературе стартовой смесью по ингредиентному составу к заявляемой является смесь (см. описание к патенту РФ №2381088 С1), включающая мас. %:
хромсодержащий материал - основа;
кварцcодержащий материал - 28-32;
технический углерод (сажа) - 0.5-1.
2
Причем, хромсодержащий материал содержит примеси оксидов, мас. %, не более: МgО - 13.1, SiO -1, СаО - 0.1.
Данная смесь характеризуется достаточной текучестью за счет применения обволакивающего и смазывающего компонента - технического углерода в виде сажи, снижает сводообразование и спекаемость. Хромсодержащий компонент обеспечивает огнеупорность и стойкость к спеканию, что в основном способствует беспрепятственному высыпанию смеси при открытии сталевыпускного канала.
2
3
Однако, как указано в примере, в описании прототипа в качестве хромсодержащего материала применяют хромитовый концентрат, в котором, кроме указанных примесных оксидов содержится значительное количество закиси железа, согласно ГОСТу 15848.1 - до мас. % 28.0 при общем содержании оксида хрома СrО - до мас. % 47.8.
Закись железа в составе смеси, попадая на поверхность жидкого металла в промежуточном ковше, нагревается и расплавляется, образуя жидкоподвижную шлаковую фазу, чрезвычайно агрессивную по отношению к магнезиальной футеровке торкрет-слоя промежуточного ковша, а также к его огнеупорным элементам, например, стопору или трубе защиты струи металла. Скорость износа торкрет-слоя промежуточного ковша может достигать при этом 3.5-5.0 мм/ плавку. Оксид хрома, хотя и не оказывает столь значительного химического воздействия на футеровку и огнеупорные элементы промежуточного ковша, вызывает существенное ухудшение шлакового режима в промежуточном ковше, выражающееся в образовании плотной густой шлаковой фазы, препятствующей выполнению операций измерения температуры и концентрации водорода в металле.
Кроме того, кремнийсодержащий материал в виде кварца представляет собой практически чистую фазу кремнезема (его содержание составляет не менее мас. % - 96), а также, являясь кислотным оксидом в составе шлакового расплава, активно взаимодействует с магнезиальным торкрет-слоем промежуточного ковша, существенно увеличивая его износ.
Наличие свободного углерода в составе смеси приводит к его химическому взаимодействию с закисью железа FeO с образованием каркаса восстановленного железа в объеме смеси, что приводит к замедлению, а в ряде случаев к прекращению произвольного высыпания смеси при открытии канала.
И, наконец, нагрев и плавление данной смеси требует значительных энергетических затрат, что проявляется в еще большей степени при накоплении в промежуточном ковше ингредиентов смеси при увеличении серийности разливки стали.
Техническим результатом настоящего изобретения является снижение износа огнеупорной футеровки промежуточного ковша, исключение из ингредиентного состава смеси свободного углерода, уменьшение энергетических затрат на плавление ингредиентов стартовой смеси без снижения степени открытия сталевыпускного канала.
2
2
3
2
Сформулированный технический результат достигается тем, что известная стартовая смесь, включающая хромсодержащий материал, кварцcодержащий материал и смазывающий и обволакивающий материал, согласно изобретению состоит из двух составных частей: первой хромсодержащей части, которая дополнительно содержит фракционированные отходы хромсодержащих огнеупоров или их смеси, и второй составной кремнеземсодержащей части, в которой диоксид кремния находится преимущественно в химическом соединении алюмосиликатной системы SiO-AlO и преимущественно в химическом соединении магнезиосиликатной системы SiO-MgO при весовом соотношении между составными частями смеси 30% к 70%.
Содержание ингредиентов первой части смеси должно быть следующим, мас. %:
фракционированные отходы хромсодержащих огнеупоров - 25-35;
смазывающий и обволакивающий материал - 2-5;
хромитовый концентрат - остальное до 100%.
Содержание ингредиентов второй кремнеземсодержащей части смеси должно быть следующим, мас. %:
химическое соединение алюмосиликатной системы - 30-40;
химическое соединение магнезиосиликатной системы - остальное до 100%.
При этом предельный размер зерна хромсодержащего материала составляет 0.8 мм при следующем соотношении фракций, мас. %:
фракция 0.8-0.5 мм
- 5-15;
фракция 0.5-0.2 мм
- 75-80;
фракция 0.2-0.09 мм
- 10-15.
2
2
3
2
3
2
2
2
4
Другое отличие состоит в том, что диоксид кремния, находящийся преимущественно в химическом соединении в системе SiO-AlO, применяют в виде муллита 3АlО⋅2SiO, а диоксид кремния, находящийся преимущественно в химическом соединении в системе SiO-MgO, применяют в виде форстерита MgSiO. При этом предельный размер зерна второй части составной стартовой смеси составляет 2 мм при следующем соотношении фракций, мас. %:
фракция 2-0.5 мм
- 90-95;
фракция 0.5-0.1 мм
- 5-10.
3
4
10
2
Кроме того, в качестве обволакивающего и смазывающего материала используют слоистый магниевый гидросиликат - тальк Mg[SiO](OH), а его предельный размер зерна составляет 0.063 мм.
2
3
2
2
3
Основная идея, положенная в основу изобретения, состоит в том, что огнеупорные смеси, содержащие в своем составе оксид хрома (3) СrО как в виде свободной фазы и(или) в виде химического соединения и(или) в виде твердого раствора, практически не смачиваются жидкой сталью, поэтому на границе раздела фаз жидкая сталь - огнеупор, содержащий оксид хрома, существенно затруднена диффузия растворенного в жидкой стали углерода в огнеупорную смесь, и, следовательно, не происходит химического взаимодействия данного углерода с закисью железа FeO, содержащейся в смеси, что обусловливает химическую инертность смеси. Поэтому в составной стартовой смеси хромсодержащая часть имеет непосредственный контакт с жидким металлом. С другой стороны, компоненты хромосодержащей части, переходя в жидкую шлаковую фазу, оказывают негативное воздействие на футеровку промежуточного ковша, ускоряя ее износ, в данном случае таким компонентом является прежде всего FeO и свободная SiO, а компонент смеси СrО приводит к увеличению вязкости и загущению шлаковой фазы. Указанные факторы показывают, что количество хромсодержащей части стартовой смеси должно быть оптимальным, а сама стартовая смесь должна содержать, по крайней мере, еще одну часть, которая, находясь в сталевыпускном канале, не имеет непосредственного контакта с жидкой сталью, но имеет контакт и поверхность раздела с хромсодержащей частью смеси, причем ее компоненты при образовании шлаковой фазы должны быть инертными к футеровке промежуточного ковша, огнеупорам стопора и трубы защиты металла от окисления.
2
4
Дополнительный ввод в хромсодержащую часть составной стартовой смеси отходов в виде боя хромсодержащих огнеупоров в оптимальных пределах мас. % 25-35 уменьшает концентрацию закиси железа в смеси, а содержащийся в бое кремнезем обладает низкой химической активностью, поскольку входит в состав твердого раствора на основе периклаза MgO и пикрохромита МgСrO и не оказывает существенного влияния на износ футеровки и огнеупорных элементов промковша. При снижении концентрации боя хромсодержащих огнеупоров менее мас. % 25 происходит насыщение шлаковой фазы в промежуточном ковше активной закисью железа, содержащейся в хромитовом концентрате и значительно ускоряющей износ футеровки, а увеличение концентрации оксида хрома придает шлаковой фазе повышенную вязкость и загущает ее. Увеличение концентрации боя хромсодержащих огнеупоров свыше 35% приводит к повышению концентрации MgO в шлаке, что также приводит к нежелательному повышению вязкости шлака и его загущению.
Если размер зерна хромсодержащего материала превышает 0.8 мм, то на границе контакта между материалом и жидкой сталью процесс спекания материала протекает не равномерно, а ускоренно - преимущественно около крупных зерен, что влечет образование около них и значительных пор, в которые проникает и кристаллизуется жидкий металл, затрудняя сход стартовой смеси после открытия выпускного канала.
Выбор оптимального количества «крупной» фракции 0.8-0.5 мм мас. % 5-15 обусловлен тем, что при данной концентрации практически не происходит деформации смеси под действием силы давления столба жидкого металла. Если количество «крупной» фракции выходит за установленные пределы, то происходит сдавливание смеси, что приводит к нарушению и прекращению схода стартовой смеси при открытии канала.
Выбор количества «средней» фракции 0.5-0.2 мм мас. % 75-80 обеспечивает оптимальный баланс между размерами пор и зернами смеси, что является решающим фактором, влияющим на спекаемость смеси и динамику ее истечения из канала. Если количество «средней» фракции меньше 75%, то спекание смеси проходит более интенсивно, что затрудняет равномерный сход стартовой смеси. Если количество «средней» фракции больше 80%, то имеет место локальное заклинивание смеси и также приводит к нарушению равномерного схода смеси при открытии канала.
Выбор «мелкой» фракции 0.2-0.09 мм в количестве мас. % 10-15 обусловлен следующим: если ее количество меньше 10%, то межзеренные поры заполнены недостаточно, и смесь подвержена деформации внешним давлением, что также приводит к подвисанию смеси при открытии канал; если количество «тонкой» фракции больше 15%, то происходит спекание зерен всех фракций, что приводит к нестабильному истечению смеси из канала при его открытии.
2
2
3
Применение кремнезема во второй части составной стартовой смеси в виде устойчивых химических соединений обусловлено следующим: в муллите системы SiO-AlO весь кремнезем связан в прочное химическое соединение, устойчивое вплоть до температуры 1820°С, поэтому кремнезем не проявляет химической активности и в жидкой фазе, не оказывая заметного химического воздействия на износ основной футеровки промежуточного ковша.
2
4
2
2
Еще более стойкое химическое соединение - форстерит MgSiO образуется в системе SiO-MgO. Форстерит плавится без разложения при температуре 1890°С. Химическое сродство кремнезема к магнезиту в данной системе настолько велико, что форстерит образуется практически при любом соотношении между компонентами, достигая максимума при соотношении 57.2% MgO и 42.8% SiO, и в жидкой фазе сохраняет структуру химического соединения и также не вызывает химическую коррозию огнеупорной футеровки промежуточного ковша.
Если размер зерна второй кремнеземсодержащей части составной стартовой смеси превышает 2 мм, то при этом происходит просыпь в ее межзеренное пространство ингредиентов хромсодержащей части стартовой смеси, приводя к нарушению плотности заполнения хромсодержащей частью выпускного канала сталеразливочного ковша.
Выбор фракции 2-0.5 мм в количестве 90-95% обеспечивает пониженный расход составной части смеси вследствие уменьшения ее насыпной плотности. При содержании фракции менее 90% возрастает насыпная плотность и, следовательно, увеличивается расход смеси. При увеличении содержания фракции более 95% нарушается равномерность схода смеси при открытии выпускного канала.
Наличие фракции 0.5-0.1 мм в количестве 5-10% стабилизирует сход смеси и предотвращает ее от уплотнения под действием силы давления столба жидкого металла в сталеразливочном ковше. Если содержание данной фракции составляет менее 5%, то происходит уплотнение смеси и ее подвисание. Если содержание фракции превышает 10%, то это приводит к дополнительному расходу смеси, так как занимаемое ею свободное межзеренное пространство увеличивает насыпную плотность материала.
3
4
10
2
2
2
4
3
Смазывающий и обволакивающий материал в виде талька не содержит ни свободный, ни связанный углерод, обладает ярко выраженным смазывающим эффектом и является одним из самых мягких природных материалов (по 10-бальной шкале твердости обладает минимальным индексом твердости, равным 1). Благодаря этим свойствам, располагаясь по границам более крупных зерен хромсодержащего материала, тальк значительно снижает трение между частицами и обеспечивает равномерное высыпание смеси из выпускного канала без образования зон и областей заклинивания. Причем смазывающий эффект талька сохраняется и при высокой температуре за счет образования по границам зерен аморфного кремнезема при частичном разложении талька по схеме: Mg[SiO](OH)=2SiO+MgSiO+MgSiO+НОН.
Выбор минимальной «тонкой» фракции для смазывающего и обволакивающего материала - не более 0.063 мм обусловлено тем, что при указанном размере материал наиболее равномерно и полно распределяется по границам зерен всех фракций. Свыше указанного размера равномерность и полнота распределения снижаются.
Установлено, что оптимальное соотношение между составными частями стартовой смеси составляет 30% хромсодержащего материала и 70% кремнеземсодержащего материала. Если количество хромсодержащего материала менее 30%, то в силу более высокой его теплопроводности по отношению к кремнеземсодержащему материалу на границе раздела составных частей происходит локальное спекание зерен составных частей друг с другом. Увеличение количества хромсодержащего материала свыше 30% не влияет на спекаемость пограничного слоя, но приводит к увеличению содержания трехокиси хрома и агрессивной закиси железа в шлаке.
Увеличение количества кремнеземсодержащего материала свыше 70% также приводит к локальному спеканию пограничного слоя, а при количестве менее 70%, соответственно возрастает количество хромсодержащего материала, что приводит к насыщению жидкой шлаковой фазы в промежуточном ковше нежелательными компонентами - трехокисью хрома и закисью железа.
На фиг. 1 изображено схематично расположение составной стартовой смеси в выпускном канале сталеразливочного ковша. Огнеупорный гнездовой блок 1 и размещенный в нем периклазографитовый безобжиговый стакан 2 образуют сталевыпускной канал 3. Сталевыпускной канал заполняют составной стартовой смесью, включающей хромсодержащую часть 4 и кремнеземсодержащую часть 5.
Порядок изготовления составной стартовой смеси следующий. Проводят раздельное соединение и перемешивание ингредиентов хромсодержащей и кремнеземсодержащей частей составной стартовой смеси. Все исходные ингредиенты высушены до остаточной концентрации влаги не более 1%. Ингредиенты подвергаются перемешиванию в течение 30 минут. После этого осуществляют раздельную фасовку составных частей в полипропиленовые мешки и размещают попарно в многослойные бумажные пакеты.
Для получения составной стартовой смеси были использованы три группы порошкообразных ингредиентов. Соотношения ингредиентов соответствуют заявляемым параметрам составной стартовой смеси и проиллюстрированы примерами конкретного использования.
2
3
2
2
3
2
3
2
3
4
10
2
Пример 1. Проводят разливку стали марки 5СП. Средняя вместимость сталеразливочного ковша 30 тонн. Первая часть составной смеси содержит мас. %: хромитовый концентрат (химический состав: СrO - 47, SiO - 0.3, СаО - 0.1, FeO - 26, AlO - 16, MgO - 10) - 73; отходы хромсодержащих огнеупоров, например, бой периклазохромитовых изделий марки ПХСП (химический состав: СrО - 11, MgO - 65, SiO - 22) - 25; смазывающий и обволакивающий материал - тальк (химический состав - не менее 98 Mg[SiO](OH)) - 2. Вторая часть смеси содержит мас. %: муллит - 30; форстерит - 70. При весовом соотношении между первой и второй частью 30% : 70%. Подвисаний и спекания смеси не отмечено. Степень открытия без применения кислорода более 97%.
2
3
2
Пример 2. Проводят разливку стали марки ЗСП. Средняя вместимость сталеразливочного ковша 30 тонн. Первая часть составной смеси содержит мас. % хромитовый концентрат - 60, химический состав которого аналогичен, приведенному в примере 1; отходы хромсодержащих огнеупоров, например, бой хромитопериклазовых изделий марки ХП1 (химический состав: СrО - 25, MgO - 67, SiO - 6) - 35; смазывающий и обволакивающий материал - тальк - 5, химический состав которого аналогичен составу, приведенному в примере 1. Вторая часть смеси содержит мас. %: муллит - 40; форстерит - 60. Весовое соотношение между составными частями такое же, как в примере 1. Задержек в истечении смеси из канала не отмечено. Степень открытия без дополнительных воздействий составила более 97%.
Пример 3. Проводят разливку стали марки 4СП. Средняя вместимость сталеразливочного ковша 30 тонн. Первая часть составной смеси содержит мас. % хромитовый концентрат - 67, химический состав которого аналогичен, приведенному в примере 1; бой отходов хромсодержащих огнеупоров, состоящий, например, из смеси периклазохромитовых - 15, химический состав как в примере 1 и хромитопериклазовых - 15, химический состав которых как в примере 2 и смазывающий и обволакивающий материал - тальк - 3, химический состав которого аналогичен, приведенному в примере 1. Вторая часть смеси содержит мас. %: муллит - 35; форстерит - 65. Весовое соотношение между составными частями аналогично приведенному в примере 1. Истечение смеси из сталевыпускного канала ровное, степень открытия не менее 97%.
Во всех трех группах смесей устанавливали количество трехокиси хрома, закиси железа и двуокиси кремния в шлаковой фазе промежуточного ковша, приведенной к серийности разливки, например, 12 плавок; определяли скорость износа торкрет-слоя промежуточного ковша; рассчитывали энергетические затраты на нагрев и плавление стартовой смеси и общее количество образовавшегося шлака из компонентов смеси.
Данные сведены в таблицу.
2
Как видно из таблицы применение составной стартовой смеси позволяет снизить износ магнезиального торкрет-слоя промежуточного ковша в области шлакового пояса от воздействия агрессивных компонентов смеси FeO и SiO; обеспечивает стабильный выпуск жидкой стали из сталеразливочного ковша при достаточно высокой степени открытия выпускного канала; полностью исключает науглероживание готовой стали.
Использование составной стартовой смеси для заполнения выпускного канала сталеразливочного ковша обеспечивает по сравнению с существующими стартовыми смесями следующие преимущества:
2
3
а) дает возможность снизить концентрацию СrО в шлаковой фазе, сформированной в промежуточном ковше, практически в 3 раза, что обеспечивает шлаковой фазе подвижность и снижает риск ее затвердевания;
б) уменьшение скорости износа шлакового пояса промежуточного ковша за счет снижения концентрации агрессивных компонентов, вносимых в шлаковую фазу стартовой смесью, позволяет увеличить серийность разливки на 1-2 плавки;
6
в) рационально подобранные химическая и зерновая композиции составных частей стартовой смеси и их соотношение позволили снизить количество образующегося шлака из компонентов смеси почти на 30%, а выигрыш в энергии, необходимой для нагрева и расплавления компонентов составной стартовой смеси, достигает 10% и составляет 25⋅10 Дж/серию, что приводит к снижению необходимого перегрева жидкой стали и снижению общих энергозатрат.