Результат интеллектуальной деятельности: ШЛАКООБРАЗУЮЩАЯ СМЕСЬ ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКИ СТАЛИ

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано для защиты металла в промежуточном ковше и в кристаллизаторе МНЛЗ при непрерывной разливке стали широкого сортамента.

Известны шлакообразующие смеси для непрерывной разливки стали, содержащие графит аморфный, фтористый материал, силикатную глыбу, цемент и др. компоненты. Обычно шлакообразующие смеси состоят из компонентов, мас. %: фторсодержащий материал 16-24, силикатная глыба 8-12, материал на основе оксидов кремния 8-12, материал, содержащий оксиды бора, 12-18, цемент - остальное (Куклев А.В., Лейтес А.В. Практика непрерывной разливки стали. - М: Металлургиздат, 2011. - 428 с.)

Известна шлакообразующая смесь для непрерывной разливки стали, содержащая компоненты, %: глыбу силикатную 3-10; углеродсодержащий материал 4-8; фторсодержащий материал 15 -20; материал на основе оксидов кремния 13-18; бикарбонат натрия 5-15, цемент - остальное. (Патент РФ №2371280, B22D 11/111. Шлакообразующая смесь для непрерывной разливки стали).

Недостатком такой смеси является низкая ассимилирующая способность к неметаллическим включениям в стали из-за большого количества цемента, кроме того, в цементе имеется высокое содержание соединений серы, что приводит к загрязнению металла этими соединениями, что снижает качество непрерывно-литой заготовки. Использование бикарбоната натрия увеличивает содержание водорода в шлакообразующей смеси, что приводит к наводораживанию стали и возникновению дефектов - флокенов. Большое количество фторсодержащего материала приводит к существенному снижению температуры плавления смеси, что вызовет повышенный ее расход и появление складок на поверхности заготовки, т.е. к снижению ее качества, кроме того, повышенное содержание углеродсодержащего материала могут приводить к неконтролируемому науглероживанию разливаемой стали, что также снижает ее качество. Повышенное содержание материалов на основе кремния уменьшит основность шлаковой смеси, что снизит ее ассимилирующую способность и вызовет ухудшение качества отливаемой заготовки.

Наиболее близкой к заявляемой шлакообразующей смеси является шлакообразующая смесь для непрерывной разливки стали, содержащая следующие тонкомолотые смеси компонентов, мас. %: портландцементный клинкер, кварцевый песок, концентрат плавикового шпата и периклаз - (21,0-52,0); нефелиновый концентрат, концентрат плавикового шпата, кварцевый песок и стеклобой - (20,0-34,0); кальцинированную соду, базальт, карбонат кальция и волластонитовый концентрат - (27,0-37,0); углеродсодержащий материал (1,0-8,0). (Патент РФ №2424870, B22D 11/111 Шлакообразующая смесь для непрерывной разливки стали).

Недостатком этой смеси является низкая ассимилирующая способность смеси из-за наличия портландцементного клинкера и большого количества нефелинового концентрата, содержащих много Al₂O₃, что приведет к появлению неметаллических включений в поверхности слитка и ухудшению его качества. Кроме того, в смеси большое количество оксидов щелочных металлов и фторсодержащих материалов, что приводит к понижению температуры плавления смеси и вязкости, это приведет к образованию складок на поверхности слитка и ухудшению его качества. Наличие оксидов магния в виде базальта и периклаза снижает ассимилирующую способность смеси и ухудшает качество поверхности непрерывно-литого слитка.

Технический результат при использовании заявляемой шлакообразующей смеси для непрерывной разливки стали заключается в повышении ее ассимилирующей способности по отношению к неметаллическим включениям - алюминатам, повышение качества поверхности непрерывно-литой заготовки и улучшение технологических свойств шлакообразующей смеси.

Указанный технический результат достигается тем, что шлакообразующая смесь для непрерывной разливки стали, содержащая углеродсодержащий материал, фторсодержащий материал, материал на основе оксидов кремния, карбонаты кальция и натрия и силикатный материал в виде волластонита и нефелинового концентрата, отличающаяся тем, что ингредиенты взяты в следующем соотношении, мас. %:

При разработке патента использовали ингредиенты:

- углеродсодержащий материал: сажа - углерод технический ГОСТ 7885-86, он обладает хорошей тепло- и электропроводностью и аморфный графит ГОСТ Р 52729-2007. Графит термоустойчив в безвоздушном пространстве имеет твердость: 1,5-2,0; удельный вес, т/м³ 2,09-2,23; температура плавления 3550°С;

- фторсодержащий материал - фтористый кальций (CaF₂). Температура плавления 1360°С, плотность 3,18 т/м³. ГОСТ 29220-91 для металлургических концентратов.

- материал на основе оксидов кремния - кварц - диоксид кремния (SiO₂) ГОСТ 9077-82 молотый, минерал, наиболее распространенный в Земной коре, полиморфен. Температура плавления до 1717°С, плотность 2,6-2.65 т/м³.

- карбонат натрия - сода кальцинированная (Ka₂CO₃) ГОСТ 5100-85, кристаллический порошок белого цвета, плотность 2,74-2,83 т/м³, температура плавления 825°С, температура разложения 900-1000°С;

- карбонат кальция - микрокальцит ГОСТ 56775-2015, CaCO₃ состоит преимущественно из, %: СаО - 56, CO₂ - 44, температура разложения 900-1000°С, плотность 2,74 т/м³;

- силикатные материалы:

- волластонит (метасиликат кальция, CaSiO₃) состоит из, %: СаО - 48,2, SiO₂ - 51,8. Температура плавления до 1540°С, плотность 2,85 т/м³. ГОСТ Р 52729-2007 на волластонитовый концентрат Верхне-Бодамского месторождения;

- нефелиновый концентрат ((KNa)AlSiO₄) минерал состоит из, %: Na₂O - 14,5; K₂O - 8,06; Al₂O₃ - 28,5; SiO₂ - 45,1. Температура плавления до 1300°С, плотность 2,55 -2.67 т/м³. ТУ 2111-28-00203938-93.

При содержании в шлакообразующей смеси углеродсодержащих материалов менее 4% увеличится скорость плавления шлакообразующей смеси, возрастет ее расход, увеличатся тепловые потери с поверхности заготовки, снизится вязкость шлакообразующей смеси и она будет проскальзывать между стенкой кристаллизатора и заготовкой, что может привести к прилипанию заготовки к стенке кристаллизатора и появлению в ней трещин, что ухудшит качество разливаемого металла. При содержании в шлакообразующей смеси углеродсодержащего материала более 6% приведет к науглероживанию стали в процессе разливки, низкой скорости образования шлакового расплава, увеличению вязкости шлака и к трещинообразованию, т.е. к ухудшению поверхности стальной заготовки.

При содержании в шлаковой смеси фторида кальция менее 9% приведет к повышению температуры начала плавления и температуры полного расплавления, вязкости расплава и снижению смазывающих свойств шлакообразующей смеси, к затруднению движения сляба в кристаллизаторе и образованию поверхностных дефектов. При содержании фторида кальция более 11% приведет к значительному снижению температурного интервала плавления, критическому снижению вязкости шлакового расплава, шлак станет неоднородным на поверхности сляба, что приведет к образованию не только трещин на поверхности его, но и шлаковых включений, что приведет к прорыву корочки сляба.

При содержании в шлаковой смеси материала на основе оксидов кремния менее 6% повысится основность шлаковой смеси, что приведет к снижению теплопроводности, увеличению вязкости и трения между стенкой кристаллизатора и отливаемой заготовкой, что приведет к трещинообразованию и ухудшению качества заготовки. При содержании в шлаковой смеси материала на основе оксидов кремния более 9%, уменьшится основность шлака, снизится вязкость шлаковой смеси, увеличится ее расход, проявится нестабильность работы кристаллизатора - появление волнообразных следов качания на поверхности заготовки, т.е. к ухудшению ее качества.

При содержании карбоната натрия менее 1% повысится температура плавления смеси и вязкость, что приведет к ухудшению смазки оболочки слитка, повышению вибрации кристаллизатора и нагрузки вытягивания слитка. При содержании карбоната натрия более 3% повысится расход смеси, снизится вязкость и температура плавления, что приведет к ухудшению качества поверхности непрерывно-литой заготовки за счет появления складок и трещин.

При содержании в шлакообразующей смеси кальцита менее чем 21% приведет к снижению основности шлакообразующей смеси и ассимилирующей ее способности, к ухудшению смазывающих свойств и повреждению поверхности непрерывно-литого сляба, т.е. его качества. Кроме того, при разложении CO₂ снизится скорость плавления шлакообразующей смеси, что приведет к недостаточной смазке заготовки между стенкой кристаллизатора и заготовкой и ухудшению качества поверхности. При содержании кальцита выше 25% существенно увеличится вязкость смеси и температура кристаллизации шлакового расплава, окажется недостаточно смазки слитка между стенкой кристаллизатора и непрерывно-литой заготовкой, что приведет к образованию трещин на ее поверхности.

При содержании в шлаковой смеси силикатных материалов в виде волластонита и нефелинового концентрата менее 46%: в виде волластонита менее 24% приведет к снижению основности шлакообразующей смеси и ассимилирующей ее способности, к ухудшению смазывающих свойств и повреждению поверхности непрерывно-литого сляба трещинами, т.е. его качества; при содержании в шлаковой смеси нефелинового концентрата менее 22% приведет к повышению температуры начала плавления и температуры полного расплавления, вязкости расплава и снижению смазывающих свойств шлакообразующей смеси, к затруднению движения сляба в кристаллизаторе и образованию поверхностных дефектов.

При содержании в шлаковой смеси силикатного материала в виде волластонита и нефелинового концентрата более 59%: при содержании волластонитового концентрата более 28% вязкость смеси существенно увеличится, возрастет и трение между стенкой кристаллизатора и непрерывно-литой заготовкой, что приведет к образованию трещин на ее поверхности; при содержании в шлаковой смеси нефелинового концентрата более 31% снизится ассимилирующая способность смеси из-за избытка Al₂O₃, и приведет к повышению температурного интервала плавления, критическому повышению вязкости шлакового расплава, шлак станет неоднородным на поверхности сляба, что приведет к образованию не только трещин на поверхности его, но и может привести к прорыву корочки сляба.

Шлакообразующая смесь оптимального состава содержит, %: 5 графитсодержащего материала, 10 плавикового концентрата, 24 карбоната кальция, 2 карбоната натрия, 7,5 материала на основе оксидов кремния и остальное силикатные материалы (24,5 нефелинового концентрата и 27 волластонитового концентрата). Основность смеси составила 0,98.

Смесь такого состава обеспечивает качественную поверхность непрерывно-литой заготовки, хорошую ассимилирующую способность, рациональную вязкость, скорость расплавления, имеет оптимальные температуру начала и конца плавления и интервал между ними.

Конкретные примеры составов №1 и 2 с граничными и средним (оптимальным) №3 значениями ингредиентов новой смеси и средним значением содержаний ингредиентов известной смеси №4 (по прототипу-ближайшему аналогу) приведены в таблице 1.

Все четыре смеси изготовили на специализированном предприятии ООО «Шлаксервис» в виде гранул с размерами не более 1,0 мм. Измельчение материалов смесей проводили в мельнице мокрого помола до тонины 93-95%, вводили связующие и после перемешивания под давлением 5-10 атм. в распылительном сушиле при температуре 250-350°С проводили гранулирование. Содержание влаги в смесях не превышало 0,2%.

Полученные гранулы зафасовывали в полиэтиленовые пакеты и помещали в мягкие контейнеры и доставляли в отделение непрерывной разливки сталеплавильного цеха.

Все смеси испытали при разливке стали 08Ю с содержанием углерода 0,03-0,06%.

Все испытуемые смеси №1-4 на поверхности кристаллизатора образовывали трехслойное покрытие: жидкий, полужидкий и сыпучий. Верхний слоя состоял из гранул.

Качество поверхности непрерывно-литой заготовки по малому радиусу и по торцам зачищали газокислородной горелкой (змейкой). Проводили также «лампасы». Со смесями №1 и 2 отлили 1080 тонн стали марки 08Ю, со смесями №3 и 4 по 3570 тонн стали марки 08Ю. Скорость разливки было 0,6-0,9 м/мин, размер заготовки 250×1100×1710 мм. Полученные данные по качеству заготовки приведены в таблице 2.

Пример №1.

При использовании смеси №1 и ее выработки до покраснения по периметру кристаллизатора сформировался небольшой рант (не более 1,5 мм). На поверхности заготовки - слитка присутствовали небольшие дефекты поверхности. Трещин не было, обнаружили шлаковые включения с глубиной залегания не более 2 мм и не более 0,01 шт. на метр погонный заготовки.

Пример №2.

При использовании этой смеси рант не образовался, были замечены небольшие подтекания флюса. На поверхности заготовки обнаружили увеличенный размер складки, шлаковых включений не обнаружено.

Пример №3.

При использовании смеси №3 никаких замечаний по работе смеси не было, а на поверхности заготовки вообще не было дефектов.

Пример №4.

При разливке металла со смесью №4 в кристаллизаторе образовался рант и были обнаружены мелкие шлаковые включения на поверхности заготовки (0,015 шт. на погонный метр заготовки и средние складки с глубиной залегания 1-1,8 мм).

Таким образом, положительные результаты проведенных испытаний позволили рекомендовать заявленную шлакообразующую смесь в промышленное производство.