Результат интеллектуальной деятельности: ПЛИТА ШИБЕРНОГО ЗАТВОРА И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

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 является огнеупорная плита, перекрывающая сталевыпускное отверстие СК. Она испытывает механические нагрузки в широком диапазоне температур, в том числе и при температурах до 1600°С, а также химическое воздействие жидких стали и шлака. Плита 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 конструкции шиберного затвора, технологии выплавки, внепечной обработки и непрерывной разливки стали, и составляет от 1 до 10 плавок. При этом шиберная плита является достаточно дорогим изделием, и снижение себестоимости ее изготовления и повышение ее стойкости весьма актуальны.

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 1600°С, а периферийные части плиты могут иметь температуру менее 200°С. Это приводит к возникновению термических напряжений в плите и может являться причиной возникновения трещин и даже к ее разрушению. Поэтому материал плиты должен не только обладать достаточной механической прочностью в рабочем температурном интервале и огнеупорностью, но и обладать таким комплексом теплофизических свойств, чтобы в ней 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.

Известны плиты с огнеупорным вкладышем для шиберного затвора, изготовленные из высокостойкого огнеупорного материала, например, периклаза или корунда, с добавками углерода и ZrO₂, 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 (ГОСТ Р 52707-2007. Изделия огнеупорные для шиберных затворов сталеразливочных ковшей).

Для изготовления шиберных плит используется шихта, состоящая глинозема, углерода (графит, связка), оксида циркония. После смешивания шихта поступает на дозатор, а затем с помощью пресса штампуется плита. Сырые плиты выдерживаются при комнатной температуре, после чего поступают на обжиг. Плиты обжигают в инертной атмосфере при высокой температуре. После охлаждения плита шлифуется и на рабочую поверхность наносится слой углеродной смазки.

Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению, принятым за прототип, является плита шиберного затвора выпускного отверстия сталеразливочного ковша (RU 2645851), сформованная методом прессования из порошкового огнеупорного материала на основе табулярного глинозема, содержащего Al₂O₃, SiO₂, ZrO₂, углерод и примеси. Плита имеет форму овала, прямоугольника или ромба со скругленными углами и с круглым отверстием, смещенным относительно центра плиты по ее большей оси, и обжигается при температуре 1600-1900°С в инертной атмосфере.

К основным недостаткам данных плит относится вероятность возникновения в них термических напряжений, вызванных неравномерным распределением температуры в плите. Также, низкое содержание в составе материала плит Al₂O₃ и отсутствие компонентов, повышающих огнеупорность и шлакоустойчивость приводит к растрескиванию и размытию огнеупора вокруг сталевыпускного отверстия, что снижает стойкость плит и может привести к аварийной ситуации - прорыву металла. Кроме того, к недостаткам данных плит относится их высокая себестоимость из-за затрат на высокотемпературный обжиг в инертной атмосфере.

Задачей изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик и снижение себестоимости плит шиберного затвора и, как следствие, снижение удельных затрат на огнеупорные материалы.

Задача достигается за счет того, что плита шиберного затвора выпускного отверстия сталеразливочного ковша в форме овала, прямоугольника или ромба со скругленными углами, имеющая круглое отверстие, смещенное относительно центра плиты по ее большей оси, сформованная из огнеупорного материала на основе табулярного глинозема и термообработанная, в соответствии с изобретением, выполнена из огнеупорного материала на основе табулярного глинозема, содержащего в % масс.: Al₂O₃ - не менее 95, MgO не менее 2, СаО 2,5-3, методом вибролитья и последующей термообработки при температуре 500-550°С.

Изготовление плиты производится следующим образом. Оснастка устанавливается на вибростоле, 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 термообработке при температуре 500-550°С. После охлаждения плита шлифуется и на ее рабочую поверхность наносится слой углеродной смазки.

Изготовление шиберной плиты посредством вибролитья из огнеупорного материала на основе табулярного глинозема, содержащего не менее 95% масс. Al₂O₃, обеспечивает высокую огнеупорность и механическую прочность изделия, низкое температурное расширение. Такие показатели объясняются особенностями микроструктуры табулярного глинозема: низкой открытой пористостью и крупным размером кристаллов с закрытыми сферическими порами, сформировавшимися при интенсивном спекании. Таким образом, это позволит повысить износостойкость и термостойкость шиберных плит, что приведет к повышению срока и надежности их эксплуатации. Снижение содержания Al₂O₃ может привести к снижению огнеупорности и износостойкости изделий, что не позволит достичь технического результата.

Содержание в составе огнеупорного материала MgO в виде алюмомагнезиальной шпинели в количестве не менее 2% масс. повышает шлакоустойчивость и эрозионную стойкость огнеупора.

Температура термообработки сформованных шиберных плит выбрана исходя из характеристик огнеупорного материала предложенного состава. Благодаря содержанию в нем 2-3% масс. CaO изделие уже после термообработки при 500-550°С имеет высокую прочность. В то же время, благодаря использованию в качестве высокоглиноземистого сырья табулярного глинозема указанного состава изменение линейных размеров готовой плиты при температуре эксплуатации не превышает 0,05%, что позволяет исключить высокотемпературный обжиг изделия без риска растрескивания изделия при эксплуатации. Снижение температуры термообработки ниже 500°С не позволит достичь технического результата, т.к. в изделии может остаться химически-связанная вода, что может привести к подрыву плиты во время эксплуатации. Повышение температуры выше 550°С не приведет к увеличению стойкости плиты, но повысит ее себестоимость.

Благодаря более рыхлой, пористой структуре вибролитого изделия температурное расширение центральной части плиты вокруг сталевыпускного отверстия демпфируются периферийной частью, предотвращая растрескивание плиты.

Эксплуатация заявленной шиберной плиты не отличается от эксплуатации традиционных прессованных плит. При этом снижаются удельные затраты на огнеупорные материалы при высокой надежности и стойкости плит.

Пример реализации изобретения

Шиберные плиты, выполненные из огнеупорного материала с содержанием 95% Al₂O₃, 2% MgO и 2% СаО посредством вибролитья и последующей термообработки при температуре 500°С в течение 32 ч, применялись на 65-т сталеразливочных ковшах при разливке на сортовой установке непрерывной разливки стали. Средняя стойкость плит составила 2,1 плавки, что на 5% превышало данный показатель для прессованных шиберных плит, известных из прототипа. При этом удельные затраты на шиберные плиты снизились на 15%.