Способ защиты графитированных электродов от высокотемпературного окисления

Изобретение относится к металлургии, в частности к получению устойчивых к высокотемпературному окислению электродов из синтетического графита, применяемых в металлургических агрегатах. Способ включает получение на поверхности электродов защитного слоя с использованием пропиточной композиции, содержащей среднетемпературный пек, нагрев и изотермическую выдержку электродов. Вначале готовят пропиточную композицию путем нагревания среднетемпературного пека до температуры от 150 до 170°С и последующего добавления от 20 до 30 мас.% одного из тугоплавких оксидов или их смеси, в качестве которых используют диоксид титана, диоксид кремния и оксид хрома (III), далее графитированные электроды загружают в автоклав и без доступа воздуха заливают подготовленной пропиточной композицией, нагревают от 250 до 350°С при давлении от 5 до 6 атм и выдерживают в течение от 1,5 до 2,5 ч. После электроды охлаждают и подвергают термообработке путем нагрева со скоростью от 2 до 3°С/мин до температуры от 1200 до 1300°С и выдержки при конечной температуре в течение от 1,5 до 2,5 ч и охлаждают. Техническим результатом является увеличение стойкости графитированных электродов к высокотемпературному окислению. 1 табл., 36 пр.

 

Изобретение относится к электрометаллургии, в частности к получению электростали в дуговых сталеплавильных печах и ферросплавов в руднотермических печах, и может быть использовано для увеличения срока службы графитированных электродов, эксплуатируемых в окислительных средах металлургических агрегатов.

Известен устойчивый к окислению материал покрытия для графитового электрода при плавке в электропечи (патент CN № 110002839, опубл. 12.07.2019), изготовленный из смеси порошка карбида кремния, порошка плотного корунда, микропорошка глинозема, микропорошка кремния, порошка металлического кремния, порошка карбида бора и связующего вещества жидкого дигидрогенфосфата алюминия в следующих весовых соотношениях: от 10 до 15 частей порошка карбида кремния 200 меш;15-20 частей порошка карбида кремния 320 меш; 25-35 частей плотного корундового порошка 200 меш; 20~30 частей глиноземного порошка3~5 микрон; 12~16 частей кремниевого порошка 0,5~1 микрон; 1~2 части металлического порошка кремния 200 меш; 0,2~0,3 части порошка карбида бора 200 меш; 48-52 части жидкого дигидрфосфата алюминия. Все порошки засыпают в смеситель и перемешивают 10~15 минут, добавляют раствор дигидрофосфата алюминия и продолжают перемешивать 10~15 минут, получая готовое жидкое покрытие. Жидкое покрытие равномерно наносят на поверхность графитового электрода (кроме контактной зоны проводящей пластины) с помощью распылителя или ручным способом, толщина напыления составляет 2~3 мм для самопроизвольного высыхания

Недостатком данного способа является недостаточно полное заполнение пор при применении его к графитированным электродам, особенно с крупным поперечным сечением. При нанесении получается тонкий слой, не закрепленный на поверхности, что может привести к легкому его механическому удалению. Оксиды алюминия, фосфаты и карбид бора могут негативно влиять на дальнейшую эксплуатацию электродов ввиду загрязнения расплава.

Известен способобработкиуглеграфитов пропиткой растворами оксидов (патент CN№100534951, опубл. 11.07.2007), включающий обработкууглеграфитов оксидным раствором, отличающийся тем, что: нефтяной кокс, пековый кокс и пек используют в качестве сырья, смесь подвергают смешению, прессованию, многократному обжигу и пропитке, графитизации и механической обработке, после чего осуществляется пропитка раствором оксидов. Состав сырья заготовки: частицы нефтяного кокса и пекового кокса в качестве заполнителя, пека в качестве связующего. Гранулометрический состав наполнителя следующий: 45-85% для фракции менее 0,5 мм, 15-55% для фракции от 0,5 до 1 мм. Количество пека составляет 20-30%. Для пропитки раствором оксида используют следующий состав: смесь двух сверхтонких порошков 0,05-0,5 мкм Al₂O₃ и SiO₂ или смесь двух сверхтонких порошков 0,05-0,5 мкм Al₂O₃ и TiO₂ или смесь Al₂O₃, SiO₂ и TiO₂. Затем добавляют 1,0-3,0 масс.% Na₅P₃O₁₀,тщательно перемешивают и механически измельчают до образования полупрозрачного коллоидного раствора, после чего помещают углеграфитовое изделие в пропиточный бак, откачивают воздух до -0,098-0,085 МПа и выдерживают 0,5-1,5 часа, затем вводят вышеуказанный раствор в бак и выдерживается под давлением 0,5 до 1,2 МПа в течение 3~8 часов. Затем пропитанное изделие извлекают из пропиточного бака, сушат и нагревают до 300-950 °C в течение 80-120 часов.

Недостатком данного способа является использование фосфатов и оксида алюминия, негативно влияющих на эксплуатацию электродов в технологических процессах ввиду загрязнения расплава. Кроме того, при пропитке формируется сплошный слой, не имеющий сродства к поверхности электрода, который может растрескиваться в высокотемпературных условиях или же механически повреждаться в ходе эксплуатации.

Известен способ получения упрочняющего покрытия на пористых материалах (патент РФ№ 2049763C1, опубл. 10.12.1995) включающий нанесение на поверхность изделия экзотермического состава, содержащего оксид кремния, алюминий и водный раствор жидкого стекла, сушку и нагрев, отличающийся тем, что состав содержит указанные компоненты в следующем соотношении, мас.: оксид кремния 24,0-25,6; алюминий 14,4-16,0;1-3%-ный водный раствор жидкого стекла. Остальное после сушки при комнатной температуре дополнительно выдерживают при 100-120 °C в течение 2-3 ч, а затем инициируют химическое горение путем нагрева до 650-750 °C.

Недостатком данного способа является формирование упрочняющего покрытия, не имеющего сродства к графитовой подложке, что может приводить к растрескиванию в высокотемпературных условиях или же механически повреждаться в ходе эксплуатации

Известен способ защиты графитового электрода (патент CN№ 107043276B, опубл. 05.05.2020), включающий нагрев графитового электрода так, что температура его поверхности достигает выше 1500 °C, затем распыление смешанного микропорошка SiO₂ и TiO₂ на поверхность раскаленного графитового электрода газом азота высокого давления для формирования плотного карбидного или нитридного слоя покрытия на поверхности графитового электрода посредством реакции восстановления и реакции нитридирования, при этом размер частиц SiO₂ и TiO₂ ≤ 200 меш, а массовое соотношение SiO₂ и TiO₂ в смешанном микронизированном порошке составляет от 1:1 до 5:1. Возможен нагрев графитового электрода до температуры 1600 °C. Время распыления смешанного микронизированного порошка SiO₂ и TiO₂ не превышает 20 с.

Недостатком данного способа является возникновение внутренних напряжений в нагретом электроде за счет использования для напыления микропорошков азота высокого давления.

Известен способ получения защитных покрытий на изделиях с углеродсодержащей основой (патент РФ № 2560461, опубл. 20.08.2015), включающий формирование на поверхности изделия шликерного покрытия на основе композиции, состоящей из смеси порошков тугоплавких элементов и/или соединений, по крайней мере один из которых химически активен к кремнию и образует при взаимодействии с ним карбид кремния и/или тугоплавкие силициды, и/или тройные соединения, и временного связующего, реакционное спекание шликерного покрытия в вакууме в парах кремния путем пропитки конденсатом его паров с последующим нагревом до температуры завершения реакций образования указанных соединений, отличающийся тем, что в композиции для формирования шликерного покрытия используют нанодисперсные порошки или смесь ультра- и нанодисперсных порошков, а пропитку шликерного покрытия конденсатом паров кремния при его реакционном спекании осуществляют путем капиллярной конденсации паров кремния на стадии нагрева и/или изотермической выдержки изделия в интервале температур 1300-1450 °C при температуре паров кремния, превышающей температуру изделия на 10÷50 градусов; при этом пропитку конденсатом паров кремния наиболее мелких пор материала шликерного покрытия производят при меньшей температуре и/или меньшей разнице температур и, наоборот, пропитку более крупных пор производят при большей температуре и/или большей разнице температур.

Недостатком является разница в термическом расширении образованного защитного слоя и электродов, что может приводить к трещинообразованию при повышенных температурах.

Известен способ защиты металлургических графитированных электродов от высокотемпературного окисления (Ерохина О.О. и др. Пропитка каменноугольным пеком изделий из искусственного графита. Фундаментальные и прикладные исследования. Актуальные проблемы и достижения: Сборник избранных статей Всероссийской (национальной) научной конференции, Санкт-Петербург, 11 декабря 2012 – 11 декабря 2021. Санкт-Петербург: Частное научно-образовательное учреждение дополнительного профессионального образования Гуманитарный национальный исследовательский институт «НАЦРАЗВИТИЕ», 2021, с. 26-28), принятый за прототип, включающий формирование на поверхности электродов защитного слоя, получаемого пропиткой среднетемпературным пеком и дальнейшим обжигом при температурах до 1000 °С.

Недостатком является низкая структурная упорядоченность кокса, образованного в порах электрода при обжиге среднетемпературного пека, что влияет на высокую скорость выгорания пропитки.

Техническим результатом является увеличение стойкости графитированных электродов к высокотемпературному окислению.

Технический результат достигается тем, что способ защиты металлургических графитированных электродов от высокотемпературного окисления включает получение на поверхности электродов защитного слоя с использованием пропиточной композиции, содержащей среднетемпературный пек, нагрев и изотермическую выдержку электродов, при этом вначале готовят пропиточную композицию путем нагревания среднетемпературного пека до температуры от 150 до 170°С и последующего добавления от 20 до 30 мас.% одного из тугоплавких оксидов или их смеси, в качестве которых используют диоксид титана, диоксид кремния и оксида хрома (III), далее графитированные электроды загружают в автоклав и без доступа воздуха заливают подготовленной пропиточной композицией, нагревают от 250 до 350°С при давлении от 5 до 6 атм и выдерживают в течении от 1,5 до 2,5 часов, после этого сливают композицию, а электроды охлаждают до комнатной температуры, затем электроды подвергают термообработке путем нагрева со скоростью от 2 до 3°С/мин до температуры от 1200 до 1300°С и выдержки при конечной температуре в течение от 1,5 до 2,5 ч и охлаждают на воздухе до образования на поверхности электрода защитного слоя.

Способ реализуется следующим образом. В начале готовят пропиточную композицию, которая состоит из среднетемпературного пека и тугоплавких оксидов или их смеси. Среднетемпературный пек помещают в бак и нагревают до температуры от 150 до 170 °С, после чего добавляют один из следующих тугоплавких оксидов: диоксид титана, диоксид кремния, оксид хрома (III), составляющие 20-30 масс.% от общей массы пропиточной композиции или их соединений, а именно 10 масс.% SiO₂, 10 масс.% TiO₂ или 20 масс.% SiO₂, 10 масс.% TiO₂ или 10 масс.% SiO₂, 20 масс.% TiO₂ или 15 масс.% SiO₂, 15 масс.% TiO₂ или 10 масс.% SiO₂, 10 масс.% Cr₂O₃ или 20 масс.% SiO₂, 10 масс.% Cr₂O₃ или 10 масс.% SiO₂, 20 масс.% Cr₂O₃ или 15 масс.% SiO₂, 15 масс.% Cr₂O₃ или 10 масс.% TiO₂, 10 масс.% Cr₂O₃ или 20 масс.% TiO₂, 10 масс.% Cr₂O₃ или 10 масс.% TiO₂, 20 масс.% Cr₂O₃ или 15 масс.% TiO₂, 15 масс.% Cr₂O₃ или 10 масс.% Cr₂O₃, 10 масс.% TiO₂, 10 масс.% SiO₂ или 6,65 масс.% Cr₂O₃, 6,7 масс.% TiO₂, 6,65 масс.% SiO₂. Состав пропиточной композиции зависит от смачиваемости оксидов нагретым среднетемпературным пеком. Затем графитированные электроды загружают в автоклав, куда заливают, не допуская попадания воздуха предварительно подготовленную пропиточную композицию. Автоклав нагревают до температуры от 250 до 350 ºС при давлении от 5 до 6 атм, после чего выдерживают на протяжении от 1,5 до 2,5 часов. Затем сливают пропиточную композицию, а электроды вынимают из автоклава и охлаждают до комнатной температуры на воздухе. Охлажденные электроды помещаются в обжиговую печь, где нагреваются до температуры от 1200 до 1300°С со скоростью от 2 до 3°С/мин и выдерживают в течении от 1,5 до 2,5 часов без доступа воздуха. При нагреве происходит выделение летучих компонентов из среднетемпературного пека и его коксование. На поверхности электрода образуется сплошное покрытие закоксованного пека с включением оксидов, устойчивых к высокотемпературному окислению. После выдержки электроды извлекают из печи и оставляют остывать на воздухе до полного охлаждения.

Способ поясняется следующими примерами.

Образец сравнения изготавливался из электродного графита марки UHP в форме куба с ребром 50 мм и 100 масс.% среднетемпературного пека, предварительно нагретого до 160ºС, помещали в автоклав, который в дальнейшем нагревали до 300 ºС, после чего образец и пек выдерживали в закрытом реакторе 2 ч при избыточном давлении 5,5 атм при температуре 300ºС. После пропитки образец подвергали термообработке в коксовой пересыпке со скоростью нагрева 2,5ºС/мин и выдерживали при температуре 1250ºС на протяжении 2 ч.

Готовый образец испытывали на устойчивость к окислению, выдерживая его при температуре 1100 °С в течение 5 часов на воздухе. Потеря массы составила 35,6 %.

Примеры со 1 по 36 изготавливались аналогично образцу сравнения, состав смеси, температурные режимы технологических процессов и потеря в ходе изотермической выдержки приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Условия обработки образцов и результаты испытания их на устойчивость к окислению

№ пп	Состав смеси, % масс	Технологические режимы	Δм после испытаний, %
Среднетем-пературный пек	TiO2	SiO2	Cr2O3	Температура нагрева пека, ºС	Температура выдержки автоклава, ºС	Давление в автоклаве, атм	Время выдержки в автоклаве, ч	Скорость нагрева обжиговой печи, ºС/мин	Температура выдержки в печи, ºС	Время выдержки, ч
	100	0	0	0	160	300	5,5	2	2,5	1250	2	35,6
1	80	20	0	0	150	300	6	2,5	2,5	1250	2	22,5
2	80	0	20	0	160	300	5	1,5	2,5	1250	2	22,2
3	80	0	0	20	170	300	5,5	2	2	1250	2	20,1
4	80	10	10	0	160	300	5,5	2	2,5	1250	2	19,3
5	80	0	10	10	160	300	5,5	2	3	1200	1,5	18,6
6	80	10	0	10	160	300	5,5	2	2	1200	2	20,1
7	80	6,65	6,7	6,65	160	300	5,5	2	2,5	1250	2	20,5
8	75	25	0	0	160	300	5,5	2	2,5	1200	2,5	19,8
9	75	0	25	0	150	300	5,5	2	2,5	1250	2	21,1
10	75	0	0	25	160	350	5,5	2	2,5	1250	2	18,5
11	70	30	0	0	160	250	5,5	2,5	2,5	1250	2	19,7
12	70	0	30	0	170	300	5,5	1,5	2	1250	2	17,9
13	70	0	0	30	150	300	5,5	2	2,5	1300	2,5	14,5
14	70	20	10	0	160	250	5,5	1,5	3	1250	2	17,7
15	70	10	20	0	160	250	5,5	1,5	3	1250	2	18,9
16	70	15	15	0	160	250	5,5	1,5	3	1250	2	18,2
17	70	0	20	10	160	300	6	2	3	1250	2	18,3
18	70	0	10	20	160	300	6	2	2,5	1250	2	17,9
19	70	0	15	15	160	250	5,5	1,5	3	1250	2	19,0
20	70	20	0	10	170	350	5,5	2	2,5	1250	2	20,1
21	70	10	0	20	160	300	5,5	2	2,5	1300	2	18,7
22	70	15	0	15	160	300	5,5	2	2,5	1250	2	19,6
23	70	10	10	10	160	300	5,5	2	3	1300	2,5	16,6
24	95	5	0	0	140	300	5,5	2	2,5	1100	1	30,7
25	92,5	0	7,5	0	160	300	6,5	2	2,5	1400	3	33,2
26	92,5	2,5	5	0	140	400	5,5	1,5	1,5	1400	3	32,1
27	90	0	5	5	160	300	5,5	2	2,5	1250	1	30,2
28	90	5	0	5	160	300	5,5	3	3,5	1250	2	29
29	88,5	5	5	1,5	180	400	5,5	2	2,5	1250	1,5	30,3
30	85	0	0	15	160	350	6	2	2,5	1250	2	29,2
31	65	35	0	0	160	400	5,5	2	2,5	1250	2	28,4
32	65	0	35	0	180	200	5,5	3	2,5	1250	2	27,7
33	65	0	0	35	180	200	4,5	1	2,5	1400	1,5	28,7
34	60	20	20	0	140	300	6	2	3,5	1250	2	28,8
35	60	0	20	20	160	300	5,5	1	2,5	1250	2	27,7
36	60	20	0	20	160	300	6,5	2,5	2	1250	2	27,9

Примеры 24-36 изготавливались при содержании среднетемпературного пека в пропиточной композиции в интервале от 85 масс.% до 95 масс.% и от 60 масс.% до 65 масс.%; температуры нагрева пека по примерам 24, 26, 34 составляли 140 ºС, по примерам 29, 32, 33 – 180 ºС, температура выдержки в автоклаве по примерам 26, 29, 31 составила 400 ºС, по примерам 32, 33 - 200 ºС; давление в автоклаве по примерам 25, 36 составило 6,5 атм, по примерам 33 - 4,5 атм; время выдержки в автоклаве по примерам 28, 32 составило 3 часа, по примерам 33 и 35 – 1 час; скорость нагрева в обжиговой печи составляла 1,5 ºС/мин для примера 26 и 3,5 ºС/мин для примеров 28 и 34; температура выдержки для примера 24 составила 1100 ºС, для примеров 25, 26 и 33 – 1400 ºС; время выдержки было равным 1 час для примеров 24 и 27, 3 часа для примеров 25 и 26. Потеря массы для примеров 24-36 составила от 27,7% до 33,2%.

Примеры 1-23 изготавливались при содержании среднетемпературного пека в пропиточной композиции равным от 20 до 30 масс.%, температура нагрева пека варьировалась от 150 до 170 °С, температура выдержки в автоклаве составляла от 250 до 350 ºС при давлении от 5 до 6 атм, время выдержки составляло от 1,5 до 2,5 часов. Температура нагрева обжиговой печи составляла от 1200 до 1300 ºС при скорости нагрева от 2 до 3 ºС/мин и выдержке в течении от 1,5 до 2,5 часов в зависимости от примера. Данные примеры характеризовались более низкими потерями массы после испытаний, которая составляет от 14,5% до 22,5%.

Полученное защитное покрытие, состоящее из закоксованного среднетемпературного пека и включений тугоплавких соединений, является стойким к высокотемпературному окислению и может быть использовано для графитированных электродов, применяемых в металлургических агрегатах.

Способ защиты металлургических графитированных электродов от высокотемпературного окисления, включающий получение на поверхности электродов защитного слоя с использованием пропиточной композиции, содержащей среднетемпературный пек, нагрев и изотермическую выдержку электродов, отличающийся тем, что вначале готовят пропиточную композицию путем нагревания среднетемпературного пека до температуры от 150 до 170°С и последующего добавления от 20 до 30 мас.% одного из тугоплавких оксидов или их смеси, в качестве которых используют диоксид титана, диоксид кремния и оксид хрома (III), далее графитированные электроды загружают в автоклав и без доступа воздуха заливают подготовленной пропиточной композицией, нагревают от 250 до 350°С при давлении от 5 до 6 атм и выдерживают в течение от 1,5 до 2,5 ч, после этого сливают композицию, а электроды охлаждают до комнатной температуры, затем электроды подвергают термообработке путем нагрева со скоростью от 2 до 3°С/мин до температуры от 1200 до 1300°С и выдержки при конечной температуре в течение от 1,5 до 2,5 ч и охлаждают на воздухе до образования на поверхности электрода защитного слоя.