Теплоизолирующая смесь

 

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к составам теплоизолирующих смесей, используемых для утепления зеркала чугуна. Целью изобретения является разработка нового состава теплоизолирующей смеси на основе отходов электродного производства (возврата шихты печей графитации) с более высокими теплоизолирующими свойствами за счет резкого снижения коэффициента теплопроводности при рабочих температурах. Сущность изобретения: теплоизолирующая смесь для разливки жидкого чугуна содержит, мас. возврат шихты печей графитации с содержанием в нем углерода и карбида кремния в соотношении (2 1) (3 1) 60,0 75,0, вспучивающийся при нагревании углеродсодержащий материал окисленный тот же возврат шихты печей графитации 2,0 12,0, неорганический огнеупорный материал, выбранный из группы силикатов, содержащей доменный шлак, керамзит или диатомит остальное. Смесь подают на дно чугуновозного ковша россыпью до начала слива жидкого чугуна. В процессе слива чугуна под действием теплового удара происходит резкое термическое расширение графитизированного углерода, сопровождающееся увеличением объема, и снижение плотности смеси. Сформировавшийся теплоизолирующий слой препятствует потере тепла через зеркало металла и удерживает его в жидком состоянии в течение 2 4 ч. 2 табл.

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к составам теплоизолирующих смесей, используемых для утепления зеркала чугуна.

Известны смеси на основе кокса, в которые с целью повышения теплоизолирующих свойств вводят вермикулит [1] Известны смеси на основе кокса, в которые с аналогичной целью вводят вспученный перлит [2] Наиболее близкой к предлагаемой является теплоизолирующая смесь на основе отходов электродного производства возвратной шихты печей графитации (ВШПГ), которая применяется при определенном соотношении основных ингредиентов SiC (2:1)-(3:1) и оптимальной дисперсности фаз (с размером частиц до 5 мм от 40 до 60% от общего объема смеси) [3] Повышение теплоизолирующих свойств кокса в такой смеси достигается вводом в ее состав ингредиентов с низким коэффициентом теплопроводности (например, древесного угля и карбидов кремния с коэффициентом теплопроводности 0,1-0,2 и менее 0,1 Вт/м^.град соответственно), а стабилизация теплофизических свойств заявляемым соотношением углерода и карбида кремния, который резко снижает активность углерода и повышает температурный интервал горения смеси. При температурах жидкого чугуна смеси на основе ВШПГ менее склонны к окислению и потере начальных теплоизолирующих свойств.

Недостатками смесей являются проплавление смесей при длительном использовании и частичная потеря теплоизолирующих свойств.

Цель изобретения получение более высоких теплоизолирующих свойств за счет резкого снижения коэффициента теплопроводности при рабочих температурах.

Цель достигается тем, что в теплоизолирующую смесь для разливки жидкого чугуна дополнительно вводят неорганический огнеупорный материал, выбранный из группы силикатов, содержащий доменный шлак, керамзит или диатомит и вспучивающийся при нагревании углеродсодержащий материал окисленный тот же возврат шихты печей графитации при следующем соотношении компонентов, мас.

Возврат шихты печей графитации с содер- жанием в нем углеро- да и карбида крем- ния в соотношении (2:1)-(3:1) 60,0-75,0 Вспучивающийся при нагревании углеродсодержа- щий материал окисленный тот же возврат шихты печей графитации 2,0-12,0 Неорганический огнеупорный мате- риал, выбранный из группы силика- тов, содержащей доменный шлак, ке- рамзит или диатомит Остальное Возврат шихты печей графитизации образуется в процессе графитации электродных изделий в специальных электрических печах, представляет собой механическую смесь измельченного кокса, кварцевого песка, опилок после термической обработки при 2000-2500^оС, при которых происходят химические (восстановление кремнезема до карбида кремния, обезуглероживание опилок с образованием древесного угля) и структурные (графитизации кокса) изменения его ингредиентов.

В результате указанных процессов ВШПГ содержит частицы с различной степенью упорядоченности структуры углерода (40-60% графитизированного углерода), а зольные примеси этого материала (20-30%) обогащены соединениями карбида кремния (20-30%).

Частичная графитация углерода ухудшает теплоизолирующие свойства смеси (коэффициент теплопроводности графита 3-4 Вт/м^.град), но повышает ее химическую устойчивость в окислительных средах при температуре > 1000^оС.

Наличие в составе ВШПГ графитизированного углерода явилось предпосылкой создания на его основе термически расширяющегося материала, который учитывает особенности кристаллического строения природного и искусственного графита.

В отличие от природного графита полученные в процессе графитизации ВШПГ при температурах 2000-2300^оС графитовые структуры имеют трехмерную степень графитизации. Вследствие этого графитовые пакеты, из которых состоит структура графитизированного ВШПГ, хаотично ориентированы в различных направлениях и легко окисляются.

При окислении графитизированного углерода происходит образование сложных соединений графита, которое начинается на границах пакетов, где имеются дефекты кристаллического строения углерода. Эти дефекты открывают доступ окислителю и кислоте в межбазисное пространство и способствует образованию в нем сложных соединений внедрения (например, бисульфата графита, в котором окислен каждый 24 или 48 атом углерода). Последние увеличивают межбазисное расстояние и интенсифицируют дальнейшее развитие процесса.

Сложные соединения графита являются соединениями акцепторного типа, содержащие в межбазисном пространстве анионы и молекулы (остатки кислот, воду и другие), которые легко связывают межбазисные электроны, а при нагревании способствуют резкому увеличению межплоскостного расстояния. При рабочих температурах окислений ВШПГ, несмотря на меньший коэффициент термического расширения ( η 25-40 по сравнению с η 50-100 для тигельного или литейного графита), за счет резкого увеличения межплоскостного расстояния и уменьшения плотности значительно снижает теплопроводность исходного материала даже при небольших присадках.

При 1400^оС добавка в ВШПГ 2-12% термически расширяющегося ингредиента снижает коэффициент теплопроводности в 6-8 раз.

Резкое снижение коэффициента теплопроводности смеси за счет наличия термически расширяющегося компонента позволило снизить общее содержание дефицитного углерода и ввести в состав смеси более доступный неорганический огнеупорный материал, выбранный из группы силикатов, в качестве которого может быть использован доменный шлак, керамзит, диатомит.

Доменный шлак имеет следующий химический состав, мас. SiO₂ 38,0; CaO 44,0; FeO 0,5; Al₂O₃ 4,0.

В качестве ингредиента теплоизолирующей смеси доменный шлак может применяться как в жидком, так и в гранулированном виде. При распылении жидкого шлака на специальных установках с помощью сжатого пара получают гранулы размером 1-5 мм.

При наличии в составе смеси доменного шлака обеспечение высоких теплоизолирующих свойств достигается при изменении его структуры под действием углеродсодержащих компонентов ВШПГ. Согласно данным петрографического анализа при рабочих температурах происходят следующие изменения состава шлака: разложение сложных силикатов железа, частичное восстановление окислов, а также образование вокруг них угольных или графитовых оболочек, которые значительно ослабляют межмолекулярное взаимодействие и, соответственно, уменьшают коэффициент теплопроводности расплава.

Керамзит пористый материал, получаемый скоростным обжигом легкоплавких глинистых пород. Готовый продукт после охлаждения рассеивают по фракциям. В смеси возможно применение материала фракцией до 10 мм. Керамзит имеет следующий химический состав, мас. SiO₂ 50,0-55,0; Al₂O₃ 15,0-25,0; FeO + Fe₂O₃ 6,0-10,0; CaO до 3,0; MgO до 4,0; Na₂O + K₂O 3,5-5,0.

Диатомит легкая рыхлая горная порода. Теплоизоляционные свойства достигаются за счет низкой плотности (1,0-2,2 г/см³) и большой плотности (до 70-92% ) диатомита. Химический состав диатомита, мас. SiO₂ 50,0-95,0; Al₂O₃ 1,0-10,5; Fe₂O₃ + FeO 0,2-10,0; CaO + MgO 0,2-4,0. В составе смеси применяют природный диатомит в виде порошка с размером частиц до 1 мм.

Оптимальность заявляемого соотношения ингредиентов смеси подтверждается результатами лабораторных исследований, в которых изучалась динамика охлаждения жидкого чугуна в изолированной емкости (индукционная печь ИСТ 006 емкостью 60 кг и основной магнезитовой футеровкой) под открытым зеркалом, под слоем ВШПГ и предлагаемых смесей в соответствии с граничными и запредельными составами (табл.1).

Массовое соотношение теплоизолирующей смеси и чугуна (1:100), а также ее гранулометрический состав оставались постоянными. Начальная температура чугуна (1380-1400^оС) и его химический состав (4,0-4,2 мас. С, 0,8-1,0 мас. Mn, 0,6-0,8 мас. Si и 0,030-0,032 мас. S) соответствовали средним значениям этих параметров, характерных для практики заводов Юга Украины.

Скорость охлаждения чугуна определяли по изменению его температуры через фиксированные промежутки времени.

Полученные результаты подтверждают повышение технических свойств предлагаемой смеси при заявляемом соотношении ингредиентов, которые обеспечивают выполнение поставленной цели за счет снижения коэффициента теплопроводности смеси (0,08-0,15 Вт/м^.град в запредельных составах) и его стабилизации при длительной эксплуатации смеси (скорость охлаждения чугуна под предлагаемой теплоизолирующей смесью составляет 0,9-1,6^оС/мин по сравнению с 2,5^оС/мин при утеплении смесью на основе ВШПГ или 2,5-4,0^оС/мин при использовании смесей с запредельными составами).

При использовании теплоизолирующей смеси с запредельными значениями основных ингредиентов поставленная цель не достигается. При расходе окисленного (термически расширяющегося) ВШПГ ниже заявляемого пределах в результате высокого коэффициента теплопроводности смеси (0,35 по сравнению с 0,08-0,15 Вт/м^.град при использовании заявляемых составов); при расходе этого ингредиента выше заявляемого предела в результате резкого вспучивания смеси, оголения зеркала металла и существенного увеличения скорости охлаждения металла (2,5 по сравнению с 0,9-1,6^оС/мин при использовании заявляемых составов и 1,0-2,5^оС/мин у прототипа).

При расходе ВШПГ ниже заявляемого предела в результате недостаточного коэффициента теплопроводности смеси (высокое содержание неорганического огнеупорного материала) 0,25-0,30 Вт/м^.град; при расходе ВШПГ выше заявляемого предела в результате выгорания углерода и частичной потери теплоизолирующих свойств в процессе эксплуатации.

Опытное опробование предлагаемой теплоизолирующей смеси проводили в условиях металлургического комбината им.Ильича. Смеси готовили в отделении обработки ковшей доменного цеха путем механического смешивания ингредиентов. Для приготовления смеси использовали ВШПГ Новочеркасского электродного завода (содержит 50-75 мас. углерода со степенью графитизации 40-75% и 20-45 мас. золы, из которых 22 абс. составляет SiC). Часть материала использовалась в условиях поставки, часть после предварительного окисления в условиях Донецкого металлургического завода. Окисление производилось по технологии бихроматом калия в присутствии серной кислоты с последующей нейтрализацией кислого остатка.

При получении окисленного ВШПГ материал измельчели на шаровой мельнице по крупности менее 1 мм, а затем тщательно перемешивали с бихроматом калия. Соотношение ВШПГ с окислителем и кислотой подбиралась эмпирически и составляло 1: 0,125: 1,5. Ввод H₂SO₄ в смесь ВШПГ с бихроматом калия производился порционно при постоянном перемешивании и промежуточной выдержкой перед вводом последующей порции, которая в условиях опыта составляла 28-30 мин. Нейтрализация полученного состава производилась порошкообразной известью или кальцинированной содой в количестве 1:(2,5-3,0) до получения сыпучего порошка удельной массой 1,0-1,4 г/см³.

При использовании в качестве неорганического огнеупорного материала жидкого доменного шлака объем его поступления регулируется в процессе слива чугуна. Гранулированный доменный шлак, керамзит или диатомит вводят в состав смеси в процессе ее приготовления. Ингредиенты смеси без предварительного измельчения подают в специальные смесители, где происходит их дозирование и механическое смешивание.

Смесь подается на дно чугуновозного ковша россыпью с помощью специально оборудованного бункера до начала слива жидкого чугуна. Расход смеси составляет 2-5 кг/т чугуна.

В процессе слива чугуна под действием теплового удара происходит резкое термическое расширение окисленного ингредиента смеси, которое сопровождается увеличением ее объема и снижением плотности, нагрев смеси до рабочих температур, проплавление зольных примесей, а также стабилизация теплофизических характеристик. Согласно визуальным наблюдениям происходит равномерное распределение смеси по зеркалу чугуна, выбросов и пыления не наблюдается.

Сформировавшийся теплоизолирующий слой препятствует потере тепла через зеркало металла и удерживает его в жидком состоянии в течение 2-4 ч, необходимых для транспортировки чугуна из доменного в сталеплавильный цех.

Эксплуатационные свойства предлагаемый смесей в сравнении с выбранным прототипом и известными смесями представлены в табл.2. Как следует из представленных данных, предлагаемые для жидкого чугуна теплоизолирующие смеси в результате низкой теплопроводности позволяют повысить температуру жидкого чугуна (на 20-50^оС по сравнению с прототипом и базисным вариантом), а также предотвратить образование "коржей" чугуна на стенках чугуновозных ковшей.

В табл. 1 представлены составы и свойства теплоизолирующих смесей при оптимальном и запредельном содержании контролируемых элементов, а также согласно известному техническому решению (утеплению под слоем ВШПГ), выбранному в качестве прототипа.

Формула изобретения

ТЕПЛОИЗОЛИРУЮЩАЯ СМЕСЬ для разливки жидкого чугуна, содержащая возврат шихты печей графитации с содержанием в нем углерода и карбида кремния в соотношении (2 1) (3 1), отличающаяся тем, что она дополнительно содержит неорганический огнеупорный материал, выбранный из группы силикатов, содержащей доменный шлак, керамзит или диатомит, и вспучивающийся при нагревании углеродсодержащий материал-окисленный тот же возврат шихты печей графитации при следующем соотношении компонентов, мас.

Возврат шихты печей графитации с содержанием в нем углерода и карбида кремния в соотношении (2 1) (3 1) 60,0 75,0 Вспучивающийся при нагревании углеродсодержащий материал-окисленный тот же возврат шихты печей графитации 2,0 12,0
Неорганический огнеупорный материал, выбранный из группы силикатов, содержащей доменный шлак, керамзит или диатомит Остальное

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2