Засыпка для покровного шлака, способ ее производства и применения

Изобретение относится к области металлургии, в частности касается засыпки для ванны металлического расплава в металлургическом сосуде при производстве стали. Засыпка содержит плавящийся на ванне металлического расплава выполняющий металлургические функции материал, который состоит, по существу, из подвергнутого порообразованию гранулята. Пористость гранулята выполнена таким образом, что при температуре металлического расплава расплавляется определенная часть гранулята, которая состоит в непосредственном контакте с поверхностью ванны, с образованием жидкого слоя покровного шлака на ванне металлического расплава и теплоизоляционного слоя из гранулята над ним. Кроме того, изобретение касается способа производства засыпки, а также ее применения. Использование изобретения обеспечивает высокие металлургические функции засыпки. 5 н. и 29 з.п. ф-лы.

 

Изобретение касается засыпки и, соответственно, материала засыпки для подачи на свободную поверхность ванны металлического расплава в открытом металлургическом сосуде, в частности для образования покровного шлака при производстве стали, в области доменной металлургии чугуна и вторичной металлургии, и непрерывной разливке. Кроме того, изобретение касается применения засыпки.

Ванна расплавленного металла в открытых металлургических сосудах, как, например, в промежуточных ковшах непрерывной разливки, укрывается, как правило, засыпкой и, соответственно, материалом засыпки, который расплавляется и образует так называемый покровный шлак. Покровный шлак обеспечивает жидкий защитный слой на поверхности ванны расплавленного металла, который должен выполнять металлургические функции, например, по степени чистоты в отношении оксидов, за счет того, что он, например, предотвращает поступление газов из атмосферы и ассимилирует из расплава неметаллические включения.

Смеси для формирования покровных шлаков для покрытия ванны расплавленного металла имеют, как правило, точку плавления, которая лежит обычно на 150°С ниже температуры ликвидуса расплава, так что они расплавляются по прошествии короткого времени после подачи.

Состав покровного шлака выбирают в зависимости от особенностей металлической ванны. Для производства стали используются чаще всего основные засыпки на базе алюминатов кальция, например, С₁₂А₇ (12СаО•7Al₂O₃). При этом речь может идти, например, о смесях или продуктах плавления носителя Al₂О₃, такого как боксит или глинозем, и носителя СаО, такого как известняк, обожженная известь или доломит. Также к ним относятся шлакообразующие смеси для непрерывной разливки, например, смесь из SiO₂, СаО, Al₂O₃, фтора или компонентов соды, или материалы из ванадиевых шлаков.

Слой жидкого шлака отводит большие количества тепла из ванны расплавленного металла и вызывает, таким образом, высокие тепловые потери. Чтобы это предотвращать, на шлак подают теплоизоляционное средство. Теплоизоляционные средства не должны плавиться при температуре ванны расплава и температуре плавления шлаков и должны быть, таким образом, инертными и, соответственно, не вступать в реакции, так что они не принимают участия в металлургической обработке. Например, биогенная кремниевая кислота используется как теплоизоляционное средство в форме золы рисовой шелухи. Кроме того, находят применение гранулированные, высушенные распылением грануляты, которые существуют в форме мини-пористых зерен.

На практике металлический расплав укрывается в большинстве случаев сначала посредством покровных шлаков; затем на расплавленный жидкий покровный шлак накладывается теплоизоляционное средство. Комбинация из покровного шлака и теплоизоляционного средства называется также "сэндвич-покрытие".

Невыгодным в этом известном комбинированном способе покрытия с теплоизоляцией является, с одной стороны, то, что должны использоваться два различных средства. Нужно создавать запасы двух продуктов и следить за тем, чтобы они не перепутывались на месте. С другой стороны, тем не менее, происходят реакции между сухим, твердым теплоизоляционным средством и жидким покровным шлаком, которые ухудшают металлургические функции покровного шлака. К примеру, в покровный шлак до границы насыщения может переходить SiO₂ из золы рисовой шелухи, за счет чего в покровный шлак и в металлический расплав переходит кислород, что, собственно, должно покровным шлаком предотвращаться.

Расплавы в металлургических разливочных ковшах также часто укрываются теплоизоляционными средствами. Поверхность ванны расплавленного металла в ковше укрывается, например, в конце металлургической обработки теплоизоляционным средством, вследствие чего сокращаются тепловые потери.

В некоторых случаях тепловая изоляция наносится также уже перед окончанием металлургической стадии работы, например, если предусмотрены более длинные простои или сроки транспортировки к следующему этапу обработки. При этом термически изолирующую засыпку снова нужно удалять, в данном случае, - перед следующим этапом обработки, путем скачивания шлака, так как при наличии покровного шлака затруднялись бы следующие металлургические операции. Это мероприятие требует дополнительных затрат, значительно замедляет металлургическую обработку и ведет к заметным потерям материала в отношении теплоизоляционных средств.

Задачей изобретения является обеспечение хороших металлургических функций засыпки для ванны металлического расплава и более простой теплоизоляции.

Из документа DE 19728368 С1 известна засыпка для непрерывной разливки стали, содержащая изолирующий порошок в матрице из образующего гель материала в виде гранул. Увеличение посредством геля расстояния между частицами порошка ведет к снижению кажущейся плотности материала до 20-70% от плотности чистого порошка. За счет использования геля также повышается пористость, при которой добавка бикарбоната натрия ведет к дальнейшему снижению плотности до 10-20%. Указанная засыпка вследствие своей пористости может выполнять функцию тепловой изоляции, обеспечивающей окончание металлургических операций после обработки в ковше.

В документе DE 3727619 С1 раскрыта засыпка в форме окатышей, имеющих сердцевину из магнезитового порошка и оболочку, состоящую из шлака, содержащего в основном известь и глинозем. Шлаковая оболочка такого окатыша, выполняющего функцию засыпки, плавится после подачи на стальной расплав и образует активный жидкий шлаковый слой на расплаве. Магнезитовые составляющие не изменяются и образуют теплоотражающий слой для расплава. Могут применяться и другие материалы, однако нанесение оболочки на окатыш является затратной операцией.

В документе DE 3742415 С1 раскрыта засыпка для жидкого чугуна или стали, выполненная в виде окатышей, изготовленных из оливинового минерала и связующего. За счет добавки связующего плотность материала снижена на 1,9 кг/дм³ или на 30% по отношению к плотности чистого оливина, однако остается довольно высокой. Теплоизолирующий эффект при этом достигается путем использования дополнительного материала.

Эта задача решается согласно отличительным признакам пп.1, 10, 33 и 34 формулы изобретения. Предпочтительные варианты исполнения изобретения приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.

Изобретение относится, таким образом, к зерненной засыпке, которая в расплавленном состоянии имеет необходимый для металлургических операций химический и минералогический состав и образует на ванне металлического расплава расплав шлака и, кроме того, благодаря соответствующей пористости зерен теплоизоляционный слой, при этом засыпка состоит предпочтительно из алюминатов кальция.

Следовательно, материал покровных шлаков согласно изобретению синергично исполняет также функцию теплоизоляционного средства, так как вследствие порообразования зерна имеют достаточную для теплоизоляции пористость.

Когда подвергнутый порообразованию материал шлака согласно изобретению подают на ванну металлического расплава, то расплавляется определенная наружная часть материала, которая состоит в непосредственном контакте с поверхностью ванны металлического расплава, и образует расплавленный слой шлака. Поверх этого находится подвергнутый порообразованию сухой, твердый материал шлака в виде мелкого порошка, причем в переходной области имеется в наличии как расплав шлака, так и подвергнутый порообразованию материал шлака. Теплоизоляция достигается, по существу, благодаря пористости зерен и промежуткам между зернами материала (мелкозерненный объем засыпки).

Масса подаваемого материала покровного шлака определяется согласно необходимым металлургическим функциям и желаемой теплоизоляции.

Следующий особый синергетический эффект от материала покровного шлака согласно изобретению достигается посредством того, что расходуемые при металлургической обработке элементы и, соответственно, вещества покровного шлака, самопроизвольно могут дополнительно поступать из лежащего сверху материала переходной области и/или материала теплоизоляционного слоя. Если расплав покровного шлака беднее в отношении определенной составной части, возникает градиент концентрации, который компенсируется дополнительным поступлением составной части из нерасплавленного материала. Таким образом, на долгий срок автоматически устанавливаются оптимальные условия для металлургической обработки.

Изобретение идет таким образом полностью новым путем для обеспечения теплоизоляции, который приносит, кроме того, неожиданно много преимуществ, к примеру, больше не являются проблемой наполненные заливочные ковши, которые должны простаивать более длинные промежутки времени. Согласно изобретению ковши укрывают материалом покровного шлака сначала лишь для теплоизоляции, без того, чтобы образовывались существенные количества жидкого шлака. Только затем теплоизоляционный материал расплавляется для металлургической обработки в покровный шлак. Удаление теплоизоляционного средства перед металлургической обработкой, которое требовалось до сих пор, при этом выпадает.

Подвергнутый порообразованию согласно изобретению материал покровных шлаков может производиться, например, посредством того, что используется минимум один исходный материал, который выделяет газообразные вещества при дегидратации или реакциях кальцинирования и образует при этом поры. Преимущественно размолотое, например до <90 мкм, сырье для покровных шлаков смешивается со связующим средством, которое выгорает при пониженных температурах и обеспечивает возможность, чтобы в устройстве окомковывания или гранулирования, например, на грануляционных дисках или в барабанах, из смеси производились материалы определенной зернистости. Зерна и, соответственно, окатыши или гранулы подвергаются термической обработке таким образом, что связующее выгорает, материал сырья дегидратируется и/или кальцинируется и возникает керамическая связь и/или спекание. После охлаждения получают твердые окатыши или гранулы с порами, которые произведены дегидратацией и/или отжигом, и/или кальцинированием.

Как связующее средство используются, преимущественно, вода, жидкое стекло, искусственные смолы, отработанный сульфитный щелок, фосфатные соединения и/или обожженная известь.

Согласно особому варианту осуществления изобретения для порообразования к смеси связующего и сырьевого материала добавляются органические выгорающие наполнители, которые формируют пористость при выжигании. Эти порообразующие средства, такие как бумажные волокна, опилки, древесная мука, древесная стружка, грануляты полистирола или т.п., используются, в частности, тогда, когда исходное сырье не формирует никаких, или лишь немного, пор при выжигании.

Само собой разумеется, выгорающие связующие средства также формируют дополнительные поры, так что долей пор можно управлять добавлением связующих средств, выбором дегидратируемых и/или кальцинируемых исходных материалов и/или выгорающих наполнителей.

Преимущественно, производятся окатыши или гранулы, которые имеют зернистость от 1 до 50 мм, в частности от 3 до 20 мм, причем в отношении распределения величин зерен выгодно использовать, по возможности, более узкие фракции, так, чтобы в слое зерен на ванне металлического расплава или на расплаве шлаков имеется в наличии, по возможности, больше воздуха в зазорах между зернами, вследствие чего существенно повышается теплоизоляция.

Целесообразно, если окатыши или гранулы в зернистом материале имеют пористость от 5 до 70 об.%, в частности от 20 до 60 об.%.

Предпочтительная насыпная плотность материала покровных шлаков согласно изобретению лежит между 0,2 и 1,6 кг/дм³, в частности между 0,3 и 1,3 кг/дм³.

Особенно подходящими являются подвергнутые порообразованию основные покровные шлаки для производства стали на базе алюминатов кальция в соотношении:

CaO/Al₂O₃ от 0,25 до 4, в частности, от 1,0 до 1,5.

В количестве до 15 мас.% могут содержаться побочные фазы. Они являются, например, MgO и/или MgOSiO₂, и/или TiO₂, и/или Fe₂O₃, и/или щелочи.

Согласно следующей форме осуществления изобретения материал покровных шлаков согласно изобретению производится в то время как к смеси сырьевого материала прибавляется порообразующее средство и вода или пенообразующее средство и вода, так что смесь вспучивается или вспенивается и, вследствие этого, образуются поры. Затем вспученная или вспененная смесь может обжигаться и после снижения температуры дробиться до желаемой зернистости.

Вместо вспенивающего средства к сухому конгломерату или водной смеси также может подмешиваться предварительно вспененная пена.

Также эти способы изготовления позволяют простым способом предварительно регулировать и, соответственно, управлять образованием пор, причем может выбираться также комбинация для образования пор посредством выгорающих средств и кальцинирования.

Посредством следующего примера производство материалов для покровных шлаков согласно изобретению разъясняется более подробно.

Из сырого боксита и известняковой муки с дисперсностью, каждый раз, <90 мкм и воды как связующего средства, производилась пластичная смесь, отношение СаО/Al₂О₃ в которой составляло в итоге значение 1,14. Масса связующих средств устанавливалась таким образом, что на диске гранулятора могли производиться гранулы с фракционным составом от 5 до 20 мм.

Гранулы нагревались до 1250°С таким образом, что связующее выгорало, компоненты боксита и известняка кальцинировались и образовывалась керамическая связь кальцинированных зерен.

После снижения его температуры покровный шлак представлял собой пористый, зернистый, сыпучий материал из алюмината кальция почти с исходным содержанием Al₂О₃ и СаО и в исходной фракции, который мог расфасовываться и отправляться.

После подачи на ванну расплава стали в промежуточном ковше установки непрерывной разливки формировались расплавленный слой шлака, область перехода и теплоизоляционный защитный слой. Теплоизоляция была сравнимой с обычными теплоизоляционными средствами. Металлургическая функция шлака также была отличной и, прежде всего, более длительной, чем при подобном слоистом покрытии обычным шлаком. Это достигалось, очевидно, посредством дополнительного поступления веществ из теплоизоляционного слоя поверх шлака, которые могли расходоваться во время металлургического действия шлака, а также предотвращением химических реакций между покровным шлаком и теплоизоляционным средством.

В рамках изобретения лежит также комбинирование известного, не пористого материала покровного шлака с подвергнутым порообразованию материалом покровного шлака согласно изобретению по возможности одинакового или похожего, то есть в металлургическом смысле похоже действующего состава, причем сначала ванна металлического расплава укрывается известным непористым материалом, который плавится очень быстро. Затем на расплав покровного шлака наносится материал согласно изобретению, который действует, по существу, лишь как теплоизоляция и может служить источником расходуемых материалов в расплав шлака. При этом может целенаправленно устанавливаться - как при описанном выше "монопокрытии" согласно изобретению - теплоизоляция путем выбора фракции и/или пористости в материале. Это возможно, к примеру, комбинацией различных фракций зернового состава и/или различных пористостей в материале.

1. Засыпка для формирования покровного шлака на ванне металлического расплава в металлургическом сосуде, в частности, при производстве стали, содержащая плавящийся на поверхности ванны металлического расплава, выполняющий металлургические функции материал, отличающаяся тем, что материал, по существу, состоит из подвергнутого порообразованию гранулята, пористость которого выполнена таким образом, что при температуре ванны металлического расплава расплавляется определенная часть гранулята, которая состоит в непосредственном контакте с поверхностью ванны металлического расплава, с образованием жидкого слоя расплава шлака на ванне металлического расплава и теплоизоляционного слоя из гранулята над ним.

2. Засыпка по п.1, отличающаяся тем, что она имеет фракцию от 1 до 50 мм, в частности от 2 до 20 мм.

3. Засыпка по любому из пп.1 и 2, отличающаяся тем, что она выполнена в виде формуемых гранул и/или гранулированного материала.

4. Засыпка по любому из пп.1 и 2, отличающаяся тем, что она выполнена в виде гранулированного материала из пены и/или вспученного гранулированного материала.

5. Засыпка по любому из пп.1 и 2, отличающаяся тем, что гранулы имеют образованную дегидратацией и/или кальцинированием пористость.

6. Засыпка по любому из пп.1 и 2, отличающаяся тем, что гранулы имеют пористость, образованную при выгорании наполнителя.

7. Засыпка по любому из пп.1 и 2, отличающаяся тем, что она состоит преимущественно из алюмината кальция.

8. Засыпка по п.7, отличающаяся тем, что алюминаты кальция имеют следующий химический состав: СаО/Al₂О₃ от 0,25 до 4, в частности от 1,0 до 1,5, при этом засыпка дополнительно содержит до 15 мас.% побочных фаз, в частности MgO, и/или MgOSiO₂, и/или TiO₂, и/или Fe₂O₃, и/или щелочи.

9. Засыпка по любому из пп.1 и 2, отличающаяся тем, что гранулы имеют пористость от 5 до 70, в частности от 20 до 60 об.%.

10. Способ производства засыпки, включающий смешивание реагирующих при высоких температурах друг с другом мелкодисперсных минеральных пригодных для формирования покровного шлака сырьевых материалов и нагрев их до протекания реакций, отличающийся тем, что используют как минимум один сырьевой материал, который дегидратируют и/или кальцинируют с освобождением водяного пара и/или газообразных веществ, смешивают сырьевой материал с выжигаемым связующим и перерабатывают смесь в пластичную массу, которую формуют в зернистый продукт, в частности дробят в гранулы или комкуют в окатыши, зернистый продукт нагревают до выгорания связующего и посредством дегидратации и/или кальцинирования образуют поры и керамическую связь и/или спекание частиц сырьевых материалов.

11. Способ по п.10, отличающийся тем, что используют размолотые виды сырьевых материалов фракцией менее 90 мкм.

12. Способ по п.10, отличающийся тем, что в качестве связующих средств используют воду, жидкий клей, искусственные смолы, отработанный сульфитный щелок, фосфатные соединения и/или обожженную известь.

13. Способ по п.10, отличающийся тем, что для порообразования добавляют смесь органических выгорающих наполнителей.

14. Способ по п.13, отличающийся тем, что в качестве органических выгорающих наполнителей используют бумажные волокна, древесную муку, опилки, древесные стружки и/или гранулят полистирола.

15. Способ по п.10, отличающийся тем, что сырьевые материалы обеспечивают получение алюминатов кальция.

16. Способ по п.10, отличающийся тем, что используют сырьевые материалы, в которых соотношение СаО/Al₂О₃ составляет от 0,25 до 4, в частности от 1,0 до 1,5.

17. Способ по п.10, отличающийся тем, что используют сырьевые материалы фракций менее 90 мкм.

18. Способ по п.10, отличающийся тем, что используют сырьевые материалы, которые содержат до 15 мас.% побочных фаз.

19. Способ по п.18, отличающийся тем, что в качестве побочных фаз используют MgO, и/или MgOSiO₂, и/или TiO₂, и/или Fe₂O₃, и/или щелочи.

20. Способ по п.10, отличающийся тем, что нагрев проводят при температурах до 1250°С.

21. Способ по п.10, отличающийся тем, что используют дегиратированные и/или кальцинированные сырьевые материалы.

22. Способ производства засыпки, включающий смешивание реагирующих при высоких температурах друг с другом мелкодисперсных минеральных пригодных для формирования покровного шлака сырьевых материалов и нагрев их до протекания реакций, отличающийся тем, что сырьевые материалы смешивают с водой и вспенивающим средством, и/или порообразующим средством, и/или пеной до образования пористой водянистой массы, массу обжигают до формирования керамической связи и/или спекания частиц сырьевых материалов.

23. Способ по п.22, отличающийся тем, что обожженную массу измельчают и сортируют.

24. Способ по п.22, отличающийся тем, что для порообразования предусмотрена добавка смеси органических выгорающих наполнителей.

25. Способ по п.24, отличающийся тем, что в качестве органических выгорающих наполнителей добавляют бумажные волокна, древесную муку, опилки, древесные стружки и/или гранулят полистирола.

26. Способ по п.22, отличающийся тем, что сырьевые материалы обеспечивают получение алюминатов кальция.

27. Способ по п.26, отличающийся тем, что используют сырьевые материалы, в которых соотношение СаО/Al₂О₃ составляет от 0,25 до 4, в частности от 1,0 до 1,5.

28. Способ по п.22, отличающийся тем, что используют сырьевые материалы фракций менее 90 мкм.

29. Способ по п.22, отличающийся тем, что используют сырьевые материалы, которые содержат до 15 мас.% побочных фаз.

30. Способ по п.29, отличающийся тем, что в качестве побочных фаз используют MgO, и/или MgOSiO₂, и/или TiO₂, и/или Fe₂O₃, и/или щелочи.

31. Способ по п.22, отличающийся тем, что обжиг проводят при температурах до 1250°С.

32. Способ по п.22, отличающийся тем, что используют дегидратированные и/или кальцинированные сырьевые материалы.

33. Применение подвергнутой порообразованию засыпки, формирующей покровный шлак, по любому из пп.1-9, произведенной способом по любому из пп.10 и 22, в качестве монопокрытия на ванне металлического расплава, в частности на ванне расплава стали при производстве стали.

34. Применение подвергнутой порообразованию засыпки, формирующей покровный шлак, по любому из пп.1-9, произведенной способом по любому из пп.10 и 22, в качестве теплоизоляционного средства на ванне металлического расплава или расплаве покровных шлаков, в частности при производстве стали.