Составное огнеупорное изделие
Владельцы патента RU 2285581:
Открытое акционерное общество "Боровичский комбинат огнеупоров" (RU)
Изобретение относится к непрерывной разливке металла. Огнеупорное изделие состоит, по меньшей мере, из двух частей: основной и эрозионно-стойкой. Основная часть выполнена из шихты, содержащей следующие компоненты, мас.%: плавленый корунд фракции менее 1,0 мм 46,3-63,7; графит 15,7-21,6; кремний кристаллический фракции менее 0,088 мкм 4,6-7,8; карбид кремния фракции менее 0,2 мм 2,8-6,9; глина огнеупорная 1,9-5,9; связующее фенольное порошкообразное 2,7-4,6; жидкое органическое связующее 0,9-2,8; лигносульфонат технический 0,9-2,8. Шихта эрозионно стойкой части, мас.%: плавленый корунд 69,3-81,0; графит 4,8-7,9; кремний кристаллический 4,8-7,9; глина огнеупорная 1,9-5,9; связующее фенольное порошкообразное 1,9-4,0; жидкое органическое связующее 1,0-5,0. Во втором варианте шихта эрозионно стойкой части дополнительно содержит плавленый корунд и реактивный глинозем при следующем соотношении компонентов, мас.%: плавленый корунд 61,8-69,3; графит 4,8-7,9; кремний кристаллический 4,8-7,9; карбид кремния 4,8-7,9 глина огнеупорная 1,9-5,9; реактивный глинозём 2,9-4,0; связующее фенольное порошкообразное 1,9-4,0; жидкое органическое связующее 1,0-5,0. Обеспечивается повышение прочности и эрозионной стойкости изделия. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 табл.
Изобретение относится к огнеупорной промышленности, в частности к технологии изготовления огнеупоров для непрерывной разливки металла, и может применяться для разливки жидкого металла, в частности для регулирования разливки металла.
Известно, что при непрерывной разливке металла применяются цельные, а также составные огнеупорные изделия, состоящие из двух частей: основной части изделия и эрозионно-стойкой части, служащей для предотвращения размывания изделия в зонах повышенного износа. Цельные изделия, выполненные на основе одного состава системы Al2О3-С, уступают по стойкости составным изделиям с эрозионно-стойким слоем.
Огнеупорное изделие для разливки металла должно обладать следующими свойствами: основная часть должна иметь низкую пористость, высокую коррозионную стойкость, достаточную механическую прочность, эрозионно-стойкая часть - высокую эрозионную стойкость, которая обеспечивается высокой механической прочностью и низкой пористостью.
Известно составное огнеупорное изделие для разливки жидкого металла, состоящее из двух частей: основной на основе Al2О3-С (химический состав: Al2O3 - 52%, С - 20%, SiO3 - 13%) и эрозионно-стойкой части на основе MgO-С (MgO - 73%, С - 20%) (Fachberichte Huttenpraxis Metallweiterverarbeitung. Vol.23, N 4, 1985, c.256, табл.3).
Недостатком этого составного огнеупорного изделия является высокая пористость, низкая стойкость к окислению у тела изделия, а также невысокая эрозионная стойкость головной части.
Наиболее близким по совокупности признаков (прототипом) к предлагаемому является составное огнеупорное изделие для разливки металла, состоящее, по меньшей мере, из двух частей: основной и эрозионно-стойкой. Основная часть выполнена из шихты, содержащей следующие компоненты, мас.%: плавленый корунд фракции 1,0-0 мм 55-75, графит 15-28, кремний кристаллический фракции менее 0,088 мм 1-8, карбид кремния фракции менее 0,2 мм 1-6, боросиликатная стекольная фритта фракции менее 0,088 мм 1-6, фенольное порошкообразное связующее 2,5-4, жидкое органическое связующее (сверх 100%) 1-5. Кремний, карбид кремния и боросиликатная стекольная фритта являются антиокислительной добавкой. Шихта эрозионно-стойкой части содержит следующие компоненты, мас.%: плавленый периклаз фракцией 0,5-0 мм 65-80, графит 15-25, алюминий фракцией менее 0,5 мм и/или кремний кристаллический фракцией менее 0,088 мм 1-8, карбид кремния фракцией менее 0,2 мм 1-6, фенольное порошкообразное связующее 2,5-4, жидкое органическое связующее (сверх 100) 1-5 (Патент РФ №2226450, 06.08.2002, B/22 D 41/54)
Главным недостатком этого составного огнеупорного изделия, а также упомянутого аналога, является склонность к растрескиванию в процессе эксплуатации за счет разности в коэффициентах термического расширения материала основного и эрозионно-стойкого слоя, что приводит к аварийному прекращению процесса непрерывной разливки стали и, как следствие, большим экономическим потерям. Составное огнеупорное изделие, из-за содержания в материале основного слоя легкоплавкой боросиликатной фритты, проходит только низкотемпературную тепловую обработку (1150-1200°С), в ходе которой не удается выявить склонность изделий к растрескиванию по границе слоев. Используемые твердое и жидкое органические связующие относятся к группе фенолформальдегидных смол: связующее фенольное порошкообразное - смола новолачного типа, жидкий бакелит - смола резольного типа. При карбонизации эти смолы образуют очень прочный и жесткий углеродный каркас, неспособный противостоять изгибающим нагрузкам, возникающим при эксплуатации изделий, что также способствует их разрушению.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является снижение пористости и повышение стойкости к окислению материала для тела, повышение эрозионной стойкости головной части составного огнеупорного изделия и повышение устойчивости изделий к растрескиванию.
Поставленная задача решается за счет того, что составное огнеупорное для разливки металла, состоящее, по меньшей мере, из двух частей: основной и эрозионно-стойкой, выполненных, в отличие от прототипа, из материала на основе Al2O3-C. Основная часть выполнена из шихты, содержащей следующие компоненты, мас.%: плавленый корунд фракции менее 1,0 мм 46,3-63,7; графит 15,7-21,6; кремний кристаллический фракции менее 0,088 мкм 4,6-7,8; карбид кремния фракции менее 0,2 мм 2,8-6,9; глина огнеупорная 1,9-5,9; связующее фенольное порошкообразное 2,7-4,6; жидкое органическое связующее 0,9-4,6; лигносульфонат технический 0,9-2,8. Шихта эрозионно-стойкой части дополнительно содержит огнеупорную глину при следующем соотношении компонентов, мас.%: плавленый корунд фракции менее 1,0 мм 69,3-81,0; графит 4,8-7,9; кремний кристаллический фракции менее 0,088 мкм 4,8-7,9; глина огнеупорная 1,9-5,9; связующее фенольное порошкообразное 1,9-4,0; жидкое органическое связующее 1,0-5,0. Решение этой же задачи достигается с добавкой в шихту эрозионно-стойкой части реактивного глинозема и карбида кремния, при следующем соотношении компонентов, мас. %: плавленый корунд фракции менее 1,0 мм 61,8-69,3; графит 4,8-7,9; кремний кристаллический фракции менее 0,088 мкм 4,8-7,9; карбид кремния фракции менее 0,2 мм 4,8-7,9; глина огнеупорная 1,9-5,9; реактивный глинозем 2,9-4,0; связующее фенольное порошкообразное 1,9-4,0; жидкое органическое связующее 1,0-5,0.
Вводимая в составы шихт основной и эрозионно-стойкой частей огнеупорная глина выполняет, при прессовании, роль дополнительного связующего, а при обжиге - антиокислительной добавки. Добавка лигносульфоната технического в шихту основной части повышает связующие свойства огнеупорной глины при прессовании, а при обжиге -за счет наличия в графите золы, содержащей низкоплавкие соединения натрия, калия и кальция, которые снижают ее температуру спекания.
Применение комбинированного органо-минерального связующего способствует образованию в изделиях двух взаимопроникающих матриц: углеродной и керамической, что приводит к повышению прочности материала при изгибе.
Добавка в шихту эрозионно-стойкой части реактивного глинозема - тонкодисперсного корунда со средним диаметром части около 2 мкм - снижает температуру начала образования муллита в связке, способствует повышению прочности, снижению пористости, за счет чего обеспечивается и высокая эрозионная стойкость. Введение в шихту карбида кремния - антиокислительной добавки повышает эрозионную стойкость, соответственно повышая прочность и снижая пористость изделия.
Получается составное огнеупорное изделие, обладающее необходимым набором эксплуатационных свойств. Кроме того, по сравнению с прототипом, материал эрозионно-стойкой части заявляемого состава более совместим с материалом основной части изделия за счет сходства их составов (все они - материалы одной системы Al2O3-С).
Процесс изготовления составного огнеупорного изделия реализуется следующим образом.
Для изготовления составных огнеупорных изделий использовали следующие материалы: плавленый корунд фракции 1,0-0 мм по ТУ 2-036-0224450-022-90, графит марки ГТ-1 по ГОСТ 4596-75, кремний кристаллический марок КР-1, КР-2 по ГОСТ 5279-74 фракции менее 0,088 мм, карбид кремния марок 54С зернистостью 160-6 по ТУ 2-036-0220937-004-90, фракции менее 0,2 мм, СФП - фенольное порошкообразное связующее ТУ 6-0575-1768-35-94 марки СФП-012 А с содержанием свободного фенола менее 1%, глина огнеупорная Новорайского месторождения ДН-1 по ТУ 4322-7-00190503-061-96, реактивный глинозем производства ОАО «БКО», этилцеллозольв технический по ГОСТ 8313-88, уротропин технический марки С по ГОСТ 1381-73, спирт фурфуриловый технический. Все компоненты промышленного производства.
Для изготовления основной части изделия готовят шихту следующего состава, мас.%:
| Плавленый корунд | 59,9 |
| Глина огнеупорная | 2,9 |
| Графит | 19,3 |
| Кремний | 5,8 |
| Карбид кремния | 4,9 |
| Связующее фенольное порошкообразное | 3,9 |
| Лигносульфонат технический | 1,4 |
| Жидкое органическое связующее | 1,9 |
В таблице 1 представлены составы шихт и технические характеристики образцов для основной части составного изделия.
Для изготовления эрозионно-стойкой части изделия готовят шихту следующего состава, мас.%:
| Плавленый корунд | 74,8 |
| Графит | 6,8 |
| Кремний | 7,8 |
| Глина огнеупорная | 4,8 |
| Связующее фенольное порошкообразное | 2,9 |
| Жидкое органическое связующее | 2,9 |
С добавкой в эрозионно-стойкую часть изделия реактивного глинозема и карбида кремния шихту готовят следующего состава:
| Плавленый корунд | 68,9 |
| Графит | 6,8 |
| Кремний | 6,8 |
| Карбид кремния | 3,4 |
| Глина огнеупорная | 4,8 |
| Реактивный глинозем | 2,9 |
| Связующее фенольное порошкообразное | 3,4 |
| Жидкое органическое связующее | 2,9 |
В таблице 2 представлены составы шихт и технические характеристики образцов для эрозионно-стойкой части составного изделия.
Приготовленные раздельно шихты основной и эрозионно-стойкой части раздельно засыпали в прессформу, вибрировали,вакуумировали. Формование изделий осуществляли с переходным слоем, состоящим из масс составовдля основной иэрозионно-стойкой частей,взятых в соотношении 1:1. Сырец составного огнеупорного изделия прессовали методом гидростатического формования при давлении не менее 90 МПа. Обжиг сырца производили в муфеле с коксовой засыпкой при температуре 1450°С.
Готовое составное огнеупорное изделие - стопор-моноблок используют для регулирования разливки металла на установках непрерывной разливки стали. Изделия успешно опробованы на крупнейших металлургических комбинатах России («Северсталь», Новолипецкий, Магнитогорский), обеспечив непрерывную разливку металла разного сортамента в течение 15 часов и в количестве до 1900 тонн через один ручей.
| Таблица 1 | |||||
| Составы шихт и технические характеристики образцов для основной части составного изделия. | |||||
| Наименование сырьевых материалов | Составы шихт | ||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | Прототип | |
| Плавленный корунд, фр. 1,0-0 мм | 48,1 | 52,7 | 59,9 | 62,5 | 52,4 |
| Графит | 22,1 | 21,1 | 19,3 | 17,3 | 26,6 |
| Кремний кристаллический, фр.<0,088 мм | 7,7 | 6,7 | 5,8 | 4,8 | 7,6 |
| Карбид кремния, фр.<0,2 мм | 6,7 | 5,7 | 4,9 | 3,8 | 3,8 |
| Глина огнеупорная | 6,7 | 5,7 | 2,9 | 4,8 | - |
| Связующее фенольное порошкообразное | 4,8 | 3,8 | 3,9 | 2,9 | 3,8 |
| Жидкое органическое связующее | 2,9 | 2,4 | 1,9 | 1,0 | |
| Лигносульфонат технический | 1,0 | 1,9 | 1,4 | 2,9 | - |
| Боросиликатная стекольная фритта, фр.<0,088 мм | - | - | - | - | 1,0 |
| Бакелит жидкий (сверх 100%) | - | - | - | - | 4,8 |
| Открытая пористость, % | 10-12 | 9,5-11,5 | 8,0-9,0 | 11-13 | 11,3 |
| Предел прочности при сжатии, МПа | 38-45 | 40-48 | 42-62 | 35-40,5 | 23,3 |
| Предел прочности при изгибе, МПа | 10-13 | 11-14,5 | 16-18 | 12-15 | Нет данных |
| Коэффициент линейного термического расширения, град-1 Х 10-7 | 50,51 | 49,58 | 49,49 | 55,45 | 56,34 |
| Окисляемость 1300°С - 2 часа, % | 4,8 | 4,0 | 2,0 | 4,5 | 4,9 |
| Шлакоустойчивость, % | 4,2 | 3,5 | 2,2 | 5,4 | Нет данных |
| Таблица 2 | |||||
| Составы шихт и технические характеристики образцов для эрозионно-стойкой части составного изделия. | |||||
| Наименование сырьевых материалов | Составы шихт | ||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | Прототип | |
| Плавленый корунд, фр. 1,0-0 мм | 74,8 | 68,9 | 69,1 | 77,5 | - |
| Плавленый периклаз, фр. 0,5-0 мм | - | - | - | - | 64,0 |
| Графит | 6,8 | 6,8 | 7,7 | 4,9 | 17,5 |
| Кремний кристаллический, фр.<0,088 мм | 7,8 | 6,8 | 9,6 | 5,8 | 5,0 |
| Карбид кремния, фр.<0,2 мм | - | 3,4 | 3,8 | 2,0 | 6,0 |
| Глина огнеупорная | 4,8 | 4,9 | 1,9 | 5,8 | - |
| Реактивный глинозем | - | 2,9 | - | - | |
| Алюминий металлический (АПВП), фр.<0,2 мм | - | - | - | 3,0 | |
| Связующее фенольное порошкообразное | 2,9 | 3,4 | 3,8 | 2,0 | 3,5 |
| Этиленгликоль | - | - | - | - | 1,5 |
| Жидкое органическое связующее | 2,9 | 2,9 | 3,8 | 2,0 | - |
| Лигносульфонат технический (сверх 100%) | - | - | - | - | - |
| Открытая пористость, % | 12-13 | 11-12 | 15-16,5 | 14-15 | 14,7 |
| Предел прочности при сжатии, МПа | 63-68 | 65-70 | 50-60 | 45-55 | 18,3 |
| Предел прочности при изгибе, МПа | 8-9 | 9-10 | 8-9 | 7-8 | Нет данных |
| Коэффициент линейного термического расширения, град-1 Х 10-7 | 50,11 | 51,24 | 59,24 | 56,19 | 89,1 |
| Металлоустойчивость, % | 0,7 | 0,8 | 1,9 | 1,6 | 1,5 |
1. Составное огнеупорное изделие для разливки металла, содержащее, по меньшей мере, основную и эрозионно-стойкую части, при этом основная часть выполнена из шихты, включающей плавленый корунд фракции менее 1,0 мм, графит в качестве углеродсодержащего материала, антиокислительную добавку из кремния кристаллического фракции менее 0,088 мкм и карбида кремния фракции менее 0,2 мм, жидкое связующее и порошкообразное фенольное связующее, а эрозионно-стойкая часть выполнена из шихты, включающей графит в качестве углеродсодержащего материала, антиокислительную добавку из кремния кристаллического фракции менее 0,088 мкм, жидкое связующее и порошкообразное фенольное связующее, отличающееся тем, что шихта основной части дополнительно содержит огнеупорную глину в качестве пластифицирующей добавки и лигносульфонат технический при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Плавленый корунд | 46,3-63,7 |
| Графит | 15,7-21,6 |
| Кремний кристаллический | 4,6-7,8 |
| Карбид кремния | 2,8-6,9 |
| Глина огнеупорная | 1,9-5,9 |
| Связующее фенольное порошкообразное | 2,7-4,6 |
| Жидкое органическое связующее | 0,9-4,6 |
| Лигносульфонат технический | 0,9-2,8 |
а шихта эрозионно-стойкой части дополнительно содержит плавленый корунд и огнеупорную глину при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Плавленый корунд | 69,3-81,0 |
| Графит | 4,8-7,9 |
| Кремний кристаллический | 4,8-7,9 |
| Глина огнеупорная | 1,9-5,9 |
| Связующее фенольное порошкообразное | 1,9-4,0 |
| Жидкое органическое связующее | 1,0-5,0 |
2. Составное огнеупорное изделие по п.1, отличающееся тем, что жидкое органическое связующее представляет собой раствор новолачной смолы с добавкой уротропина в сложном органическом растворителе, включающем спирт фурфуриловый и этилцеллозольв при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Связующее фенольное порошкообразное | 15-20 |
| Уротропин | 5-8 |
| Спирт фурфуриловый | 40-60 |
| Этилцеллозольв | 20-40 |
3. Составное огнеупорное изделие для разливки металла, содержащее, по меньшей мере, основную и эрозионно-стойкую части, при этом основная часть выполнена из шихты, включающей плавленый корунд фракции менее 1,0 мм, графит в качестве углеродсодержащего материала, антиокислительную добавку из кремния кристаллического фракции менее 0,088 мкм и карбида кремния фракции менее 0,2 мм, жидкое связующее и порошкообразное фенольное связующее, а эрозионно-стойкая часть выполнена из шихты, включающей графит в качестве углеродсодержащего материала, антиокислительную добавку из кремния кристаллического фракции менее 0,088 мкм и карбида кремния фракции менее 0,2 мм, жидкое связующее и порошкообразное фенольное связующее, отличающееся тем, что шихта основной части дополнительно содержит огнеупорную глину в качестве пластифицирующей добавки и лигносульфонат технический при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Плавленый корунд | 46,3-63,7 |
| Графит | 15,7-21,6 |
| Кремний кристаллический | 4,6-7,8 |
| Карбид кремния | 2,8-6,9 |
| Глина огнеупорная | 1,9-5,9 |
| Связующее фенольное порошкообразное | 2,7-4,6 |
| Жидкое органическое связующее | 0,9-4,6 |
| Лигносульфонат технический | 0,9-2,8 |
а шихта эрозионно-стойкой части дополнительно содержит плавленый корунд и реактивный глинозем при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Плавленый корунд | 61,8-69,3 |
| Графит | 4,8-7,9 |
| Кремний кристаллический | 4,8-7,9 |
| Карбид кремния | 4,8-7,9 |
| Глина огнеупорная | 1,9-5,9 |
| Реактивный глинозем | 2,9-4,0 |
| Связующее фенольное порошкообразное | 1,9-4,0 |
| Жидкое органическое связующее | 1,0-5,0 |
4. Составное огнеупорное изделие по п.3, отличающееся тем, что жидкое органическое связующее представляет собой раствор новолачной смолы с добавкой уротропина в сложном органическом растворителе, включающем спирт фурфуриловый и этилцеллозольв при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Связующее фенольное порошкообразное | 15-20 |
| Уротропин | 5-8 |
| Спирт фурфуриловый | 40-60 |
| Этилцеллозольв | 20-40 |
