СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КВАРЦЕВЫХ СТАЛЕРАЗЛИВОЧНЫХ ОГНЕУПОРОВ

Изобретение относится к огнеупорной промышленности, а именно - к производству центробежнолитых кварцевых огнеупоров в виде сталеразливочных стаканов (на тракте промежуточный ковш - кристаллизатор) или защитных труб (сталеразливочный ковш - промежуточный ковш) из керамобетонов, получаемых на основе ВКВС кварцевого стекла и заполнителя из плавленого кварца.

Известен способ производства глуходонных стаканов [1], в котором формование их донной части осуществляется из керамобетонной смеси, состоящей из 35-40% ВКВС кварцевого стекла с плотностью 1,89-1,93 г/см³ и 60-65% полифракционного заполнителя с размерами частиц 1-5, 1-7, 1-10 мм (в зависимости от диаметра днища: чем ниже диаметр, тем ниже и d_max). Недостатком этого способа является повышенный износ донной части сталеразливочных стаканов.

Известен также способ изготовления керамобетонных кварцевых сталеразливочных огнеупоров [2], который может быть рассмотрен в качестве ближайшего аналога, предусматривающий центробежное литье защитных труб и погружных стаканов из суспензий, содержащих зернистый заполнитель (30-45%). При этом процесс формования ведут при переменной скорости (низкой - 400-500 об/мин, средней - 600-800 и высокой - 1200-1500 об/мин). При переходе из одного уровня на другой подъем числа оборотов осуществляется на протяжении 10-30 сек [c.5 патента 2]. Недостатком этого способа являются случаи проявления неравномерности структуры материала по толщине, вызванные достаточно резким увеличением скорости вращения формы при формовании. Кроме того, применительно к процессу формования крупногабаритных керамобетонных огнеупоров (типа массивных защитных труб), получаемых по патенту [2], является их недостаточная механическая прочность на стадии как формования (при извлечении из формы), так и после сушки. Последний фактор ограничивает сферу применения способа. Таким образом, прототипом является патент [2].

Задачей настоящего изобретения является повышение эксплуатационной стойкости как глуходонных сталеразливочных стаканов, так и защитных труб, получаемых по керамобетонной технологии, а также увеличение исходной прочности.

Применительно к технологии формования рассматриваемых изделий решение поставленной задачи достигается тем, что способ изготовления кварцевых сталеразливочных огнеупоров включает получение высококонцентрированной суспензии кварцевого стекла плотностью 1,89-1,93 г/см³, введение зернистого заполнителя из кварцевого стекла с размером частиц 0,1-2,0 мм, центробежное формование при переменной скорости, термообработку и отличается тем, что режим формования при окружной скорости от 2 до 8 м/сек осуществляют с темпом увеличения скорости 30-150 об/мин.

В суспензию кварцевого стекла, предназначенную для изготовления донной части глуходонных стаканов, могут вводиться добавки жидкого стекла в количестве 0,05-0,1% мас. (по сухому веществу).

Мокрый помол кварцевого стекла предпочтительно осуществляют с применением дистиллированной воды.

В формовочную смесь для получения керамобетонных изделий могут вводить добавку лигносульфоната натрия в количестве 0,1-0,2% (по сухому веществу).

В отличие от ступенчатого и резкого режима повышения скорости при формовании принимается медленный подъем с постепенной нарастающей скоростью. Так, например, при формовании защитных труб с наружным диаметром 150 мм, внутренним - 95 мм (толщина стенки ˜27 мм) формование начинают при окружной скорости (по наружному диаметру) около 2,5 м/сек, что соответствует оборотам формы - около 300 об/мин. С учетом того, что диаметр формуемой зоны постепенно уменьшается с 150 до 95 мм, также постепенно и непрерывно должна увеличиваться скорость вращения формы. Это повышение должно компенсировать как эффект уменьшающего диаметра формуемого изделия, так и обеспечить повышение окружной скорости при формовании с 2,5-3 до 6-8 м/сек. Таким образом, на заключительном этапе формования (d_вн = 95 мм) окружная скорость, например в 7 м/сек, может быть обеспечена при вращении формы со значением n = 1400 об/мин. С учетом продолжительности формования 25 мин и повышения n с 300 до 1400 об/мин средний темп повышения скорости составит около 45 об/мин.

В виде примера рассмотрим процесс формования защитных труб с наружным диаметром 150 мм, внутренним 90 мм. С учетом толщины стенки формы 20-25 мм и обеспечения режима формования на начальной стадии процесса с окружной (линейной) скоростью 2-2,5 м/сек исходная скорость вращения формы принимается в пределах 250-300 об/мин. На протяжении 15 мин скорость равномерно поднимается до 950-1000 об/мин, что соответствует окружной скорости 5-8 м/сек. При этом темп подъема скорости составляет 40-50 об/мин. После достижения максимальной скорости вращения при последней осуществляется дополнительный процесс формования на протяжении 5-6 мин (n=const).

В определенных случаях может применяться и ступенчатый режим формования, но со значительно меньшей скоростью подъема скорости вращения формы между различными уровнями. Так, если в патенте [2] темп скорости подъема между исходной и средней скоростью находится в интервале 200-500 об/мин, то в предлагаемом варианте он уменьшается и максимально составляет 100-150 об/мин. Проблема повышенной скорости износа донной части глуходонных сталеразливочных стаканов обусловлена как гидродинамикой процесса разливки, так и наличием «слабого звена» в контакте между цилиндрической частью стакана и позже заформованной донной частью.

В соответствии с настоящим изобретением рассмотренный недостаток в значительной степени устраняется за счет того, что материал донной части в процессе службы более интенсивно переходит в кристобалит, который среди всех модификаций кремнезема характеризуется максимальной устойчивостью к расплавам [3]. Решение поставленной задачи достигается за счет того, что в состав исходных суспензий, предназначенных для формования керамобетонной донной части стаканов, вводится добавка жидкого стекла в количестве 0,05-0,1% (на сухое вещество). Вводимый в составе жидкого стекла оксид натрия является сильнейшим модификатором кристобатилизации для кварцевого стекла [3]. Благодаря этому в процессе службы достигается ускоренный переход матричной системы керамобетона в кристобалит, что и обеспечивает эффект повышенной устойчивости. Кроме того, вводимые добавки жидкого стекла и последующая стабилизация механическим перемешиванием при значении pH суспензии 9,0-9,5 способствует понижению ее вязкости и улучшению реотехнологических свойств формовочной системы с заполнителем. Благодаря этому достигается пониженная пористость и улучшенная структура материала, что также способствует повышению стойкости материала в службе.

В соответствии с изобретением задача увеличения механической прочности центробежнолитых отливок достигается за счет введения в исходную формовочную смесь добавок лигносульфоната натрия (ЛСН) в количестве 0,1-0,2% (по сухому веществу). Добавки могут применять в виде растворов, являющихся отходом производства при изготовлении целлюлозы. Растворы характеризуются плотностью 1,2-1,3 г/см³ и значением рН в пределах 5-5,5.

Из анализа многолетней практики производства сталеразливочных огнеупоров на ОАО «ДИНУР» выяснилось, что стабильность процесса получения ВКВС в значительной степени нарушалась в осенний и весенний периоды в связи с изменением состава и содержания примесей в применяемой для этого питьевой воде. Значение рН воды при этом колеблется в пределах 6,5-8,0. Для устранения сезонного эффекта и стабилизации процесса мокрого помола кварцевого стекла в изобретении предусматривается использование для мокрого помола дистиллированной воды.

Примеры осуществления предлагаемого способа

Пример 1

При изготовлении защитных труб исходный плавленый кварц (кварцевое стекло) получают на основе обогащенных и высокочистых кварцевых песков с содержанием SiO₂ выше 99,5% после плавки в плазменной печи. Материал подвергают очистке, дроблению, рассеву на фракции и магнитной сепарации. Мокрый помол осуществляют в шаровой мельнице с высокоглиноземистой футеровкой и такими же мелющими телами. При этом используют фракцию 0-5 мм. В мельницу с объемом барабана 3,2 м³ загружают 1000 кг плавленого кварца, 100 литров слива - отхода производства после центробежного формования. Последний характеризуется плотностью 1,57 г/см³ и преимущественным размером частиц до 5 мкм. Объем вводимой дистиллированной воды - 105 л. Мокрый помол осуществляется на протяжении 14 часов. Сливаемая из мельницы в стабилизатор суспензия с объемом 750 л характеризуется плотностью 1,91 г/см³, влажностью 12,5%, содержанием частиц менее 5 мкм - 40%; выше 63 мкм - 16%; 5-63 мкм - остальное, значением рН - 5,7. Суспензия подвергается^{разжижению и стабилизации посредством механического перемешивания в барабане на протяжении 20 часов. В стабилизированную суспензию вводят зернистый заполнитель из плавленого кварца с дисперсностью 0,315-1 мм в количестве 40% от массы твердой фазы суспензии (по сухому веществу). Заполнитель предварительно смачивают сливом той же плотности до значения влажности 3%. Дополнительно вводят добавку ЛСН в количестве 0,2% (по твердому веществу). Продолжительность смешения в мешалке не менее 30 мин. Формовочная смесь с влажностью 10% помещается в металлическую форму для центробежного формования. По отношению к массе отформованного изделия избыток массы составляет 5%.}

В варианте I данного примера труба с наружным диаметром 150 мм, при толщине стенки 27 мм формуется в интервале от 250 до 1000 оборотов в минуту и продолжительностью формования 20 мин. На протяжении 15 мин с темпом ускорения 45 об/мин скорость увеличивается с 250 до 1000 об/мин и при последней скорости осуществляется выдержка - 5 мин.

В варианте II данного примера осуществляется трехступенчатый режим формования при значениях оборотов формы n = 350, 700, 1000. При этом подъем скорости между указанными ступенями осуществляется с темпом 100-120 об/мин. Продолжительность вращения формы при n = 350 об/мин составляет 4 мин, затем за 3 мин скорость поднимается до 700 об/мин с выдержкой 5 мин. После этого за 3 мин скорость увеличивается до 1000 об/мин с последующей выдержкой 5 мин. Продолжительность формования 20-21 мин.

После окончания формовки по каждому из вариантов форму разбирают, осуществляют удаление слива и предварительную подсушку отливки в форме (до 10 мин). Затем отливку извлекают и подвергают сушке сначала в естественных условиях, а затем при 110-120°С. Термообработку осуществляют в газовой печи при температуре 1170°С. Изделия характеризуются пористостостью ниже 12% и повышенной стойкостью в службе (до 4-5 разливок стали с использованием ковшей на 150 т).

Пример 2 относится к производству глуходонных погружных стаканов. Все технологические операции по получению ВКВС и подготовке исходных формовочных систем соответствуют таковым согласно примеру 1. Отличие состоит в том, что в состав исходной суспензии в процессе стабилизации вводится добавка жидкого стекла из расчета 0,05-0,1% (по сухому веществу). Эта суспензия используется для керамобетонной смеси, из которой формируется днище глуходонных стаканов. Центробежное формование цилиндрической части стаканов с наружным диаметром 100мм осуществляют по трехступенчатому режиму при значениях оборотов формы 500, 900, 1500. При этом подъем скорости между указанными ступенями осуществляется с темпом 100-150 об/мин. В варианте I примера для стакана с коническим рассекателем после извлечения и подсушки стакана в естественных условиях его устанавливают раструбом вниз, через боковые окна вводят пористые резиновые вставки для полного смыкания по осевой линии стакана. Предварительно в смесителе готовится керамобетонная смесь, состоящая из 35% суспензии с добавкой 0,1% жидкого стекла и полифракционного заполнителя 1-7 мм - 65%. Этой смесью заполняется носовая часть до края стакана. Структурообразование керамобетонного дна достигается за счет частичного обезвоживания смеси за счет пористой стенки стакана и подсушки смеси. Процесс твердения и сушки осуществляется на протяжении 24 часов. После сушки извлекают резиновые вставки.

В варианте II примера, относящегося к стаканам с прямым дном, последние раструбом вниз помещаются на металлические стержни. В конце последних устанавливаются резиновые прокладки, соответствующие внутреннему диаметру изделия или формуемого дна. Соответствующий объем стакана заполняется керамобетонной смесью, как и в варианте I этого примера.

Обжиг стаканов в вертикальном положении осуществляют при температуре 1170°С. Сталеразливочные стаканы характеризуются пониженной пористостью, повышенными прочностью и износоустойчивостью в службе. При этом стакан может характеризоваться устойчивостью при разливке через него 400-500 тонн стали, что значительно превосходит аналогичные показатели для прототипа.

Источники информации

1. Пивинский Ю.Е. и др. Способ изготовления кварцевых сталеразливочных стаканов. Патент РФ 2109713, приоритет от 27.02.97, опубл.27.04.98, Бюлл.№12.

2. Пивинский Ю.Е. и др. Способ изготовления керамобетонных кварцевых сталеразливочных огнеупоров. Патент РФ 215348, приоритет от 18.06.98, опубл.27.07.2000, Бюлл.№21.

3. Пивинский Ю.Е., Ромашин А.Г. Кварцевая керамика. М.: Металлургия, 1974, 264 с.