Патент на изобретение №2255118

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДОННОЙ ПРОДУВКИ МЕТАЛЛА ГАЗОМ, СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРОДУВОЧНОГО МОНОБЛОКА И ОГНЕУПОРНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МОНОБЛОКА

(57) Реферат:

Изобретение относится к области металлургии. Устройство для донной продувки металла газом содержит гнездовой блок с расположенным в нем продувочным узлом, состоящим из коаксиально расположенных прессованных из огнеупорных материалов частей, выполненных в виде усеченного конуса или в виде усеченной пирамиды, сопряженных с образованием между ними каналов для подачи инертного газа, имеющим со стороны большего основания продувочного узла металлический фланец, выполненный с отверстием для подачи инертного газа. Между фланцем и продувочным узлом выполнена полость. Продувочный узел скомплектован с гнездовым блоком и содержит цилиндрическую пористую огнеупорную вставку, расположенную между рабочей частью продувочного узла и металлическим фланцем, в центральной части нижнего основания которой выполнено сферическое углубление в виде шарового сегмента для приема инертного газа, а в верхнем основании выполнены квадратные гнезда, образующие газораспределительную полость перед рабочей частью продувочного узла, сформированные взаимно перпендикулярными сферическими выступами, на всей поверхности пористой вставки. Цилиндрическая металлическая оболочка приварена к металлическому фланцу и имеет не менее двух внешних реборд по окружности или приваренные к ней металлические уголки. Каналы в рабочей части продувочного узла ориентированы по направлению движения газа и образованы за счет формования задаваемым профилем прессоснастки выступов по всей длине на одном из сопрягаемых усеченных конусных или трапециевидных составных элементов продувочного узла. Для изготовления гнездового блока и пористой вставки используют огнеупорный материал определенного состава на минеральной связке, а при изготовлении рабочей части продувочного узла – углеродсодержащую массу определенного состава на органической связке. Формирование гнездового блока с продувочным узлом в моноблок производят прессованием гнездового блока в прессоснастке разборной конструкции в комплекте с продувочным узлом, установленным в основание формовочной коробки на опорную плиту по ее центру с комплексным использованием многостадийного ручного пневмотрамбования на начальной стадии формования и автоматического виброформования на заключительном этапе прессования для обеспечения получения большемерных продувочных устройств с высотой до 500 мм. После чего сформованный моноблок подвергают термообработке при 200-400°С. Изобретение позволяет повысить надежность и безопасность работы продувочного устройства, обеспечить гарантированную пропускную способность устройства и повысить срок его службы за счет обеспечения равностойкости гнездового блока и рабочей части продувочного узла. 5 н. и 9 з. п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к устройствам для донной продувки инертными газами металла, к способу их изготовления в виде моноблока и огнеупорному материалу для изготовления моноблока.

Известна конструкция продувочного устройства для донной продувки металла в сталеразливочном ковше инертным газом, включающая два составных гнездовых блока – нижний и верхний с расположенной в них огнеупорной втулкой и пористой огнеупорной фурмой, имеющей форму усеченного конуса, заключенной в металлическую оболочку, имеющей со стороны большего основания приваренное к оболочке донышко с газоподводящей трубкой, при этом пористая фурма прикреплена к металлической оболочке посредством огнеупорного мертеля (ст. “Огнеупоры для подачи аргона в печь-ковш” Узберг Л.В. и др., Огнеупоры, 1991, №9, с.34-36, аналог).

Известно также устройство для донной продувки металла, содержащее огнеупорный гнездовой блок с расположенной в нем продувочной фурмой с направленными каналами, состоящей из коаксиально расположенных сформованных из огнеупорного материла элементов, наружный из которых имеет форму усеченного конуса и заключен в металлическую оболочку конической формы, имеющую со стороны большего основания составных элементов продувочной фурмы фланец, выполненный с отверстием для подачи инертного газа, причем между фланцем и составными элементами продувочной фурмы выполнена полость. Кроме этого, внутренние элементы выполнены, по крайней мере, в виде одной коаксиально расположенной детали в виде усеченного конуса или в виде усеченной многогранной пирамиды, а внутренняя поверхность наружного элемента имеет форму, адекватную форме внутреннего элемента, при этом металлическая оболочка с составными огнеупорными элементами продувочной фурмы прикреплена к гнездовому блоку посредством огнеупорного мертеля.

Каналы продувочной фурмы выполнены с сечением в виде круга или многоугольника, или сегмента и расположены по плоскости контакта внутренней и наружной частей продувочной фурмы. Кроме этого, внутренний элемент продувочной фурмы в виде усеченной многогранной пирамиды может быть выполнен из спрессованных слоев, ориентированных по направлению движения инертного газа, при этом между слоями расположены каналы.

Формирование каналов в известном устройстве осуществляется в процессе обжига продувочного узла в результате выгорания каналообразующих элементов из органических или минеральных материалов, запрессованных в отдельные составные элементы продувочной фурмы (патент RU №2129165, 6 C 21 C 5/48, 1999 г., прототип).

Основной недостаток известных технических решений – это использование при изготовлении фурм металлической защитной оболочки по всей высоте продувочного узла, которая приваривается к фланцу с газоподводящей трубой и выполняет в основном функцию герметизации технологического газового потока, обеспечивая сквозную подачу последнего по каналам фурмы в металлическую ванну ковша.

При высокотемпературном процессе обработки металла в ковше (до 1700°С) металлическая оболочка в приповерхностном слое продувочного узла оплавляется и постепенно в процессе эксплуатации выгорает на 2/3-3/4 части своей исходной высоты, что предопределяет проникновение металла под действием ферростатического давления в шов, образующийся по всему периметру сопряжения продувочной фурмы с гнездовым блоком. Отмеченное, с точки зрения увеличения толщины шва, усугубляется вымыванием огнеупорного мертеля, скрепляющего фурму с гнездовым блоком, под эрозионным воздействием металла, перемешиваемого во время его продувки через донные фурмы. Проход металла по шву в жестких условиях эксплуатации ковша при резких циклических изменениях температур поверхности футеровки днища от 1700°С (температура процесса) до 600-800°С (охлаждение, связанное с заменой шиберов после каждой плавки) обуславливает появление дополнительных механических напряжений на боковые поверхности фурмы и гнездового блока, инициирующих их сколы рабочей поверхности. Это предопределяет повышенный износ продувочного устройства. При глубоком проникновении металла в шов вполне вероятно проседание продувочного узла под ферростатическим давлением металла с отделением его от гнездового блока, что создает аварийные ситуации.

Кроме того, к недостаткам продувочного устройства с пористой фурмой следует отнести повышенную пористость последней, которая обуславливает высокую скорость износа продувочного узла и инфильтрацию стали, а также изменение продувочных характеристик фурмы по мере ее износа.

Известное из прототипа устройство для донной продувки металла газом с направленными каналами обеспечивает более эффективное перемешивание металла в ковше, однако это устройство также характеризуется недостаточно высоким сроком службы в результате закупоривания каналов продувочной фурмы металлом. Это обусловлено довольно большим диаметром круглых каналов (min 0,15 мм) или большой толщиной щелей (min 0,1 мм), которые не препятствуют инфильтрации стали внутрь фурмы под действием ферростатического давления металла. Получить каналы с меньшим диаметром или меньшей толщиной щели по технологии изготовления фурм по прототипу, предусматривающей использование в качестве каналообразователей органические или минеральные материалы, не представляется возможным.

Кроме того, при изготовлении продувочного устройства по отмеченной технологии проблематично получать фурмы со стабильными продувочными характеристиками из-за углеродосодержащих отложений на стенках каналов, которые образуются при выгорании каналообразователей в процессе термической обработки фурм.

Кроме того, известный из прототипа способ изготовления устройства для донной продувки металла газами, предусматривающий сопряжение внешней поверхности продувочной фурмы, собранной из составных огнеупорных элементов, заключенных в металлическую оболочку, с внутренней поверхностью прессованного гнездового блока с применением огнеупорного мертеля не обеспечивает, как это было отмечено выше, их надежного скрепления, что не исключает вероятность отделения продувочной фурмы от гнездового блока в службе под ферростатическим давлением металла с последующим проходом последнего в образующуюся щель между сопряженными частями гнездового блока и продувочного устройства.

Внедрение в производство отечественной металлургической промышленности процесса непрерывной разливки стали привело к необходимости увеличения емкости как сталеплавильных агрегатов, так и сталеразливочных ковшей, что в свою очередь обусловило конструктивные изменения футеровки днища ковша в сторону утолщения ее рабочего слоя. В связи с этим на металлургических предприятиях произошла переориентация на все большее использование в футеровках днищ ковшей более крупногабаритных по высоте продувочных устройств от 450 до 500 мм.

Известный же из прототипа способ изготовления устройства для донной продувки металла газами, в основе которого заложена технология прессования составных элементов продувочного устройства из огнеупорных масс, не обеспечивает при формовании крупногабаритных гнездовых блоков получение равноплотных по высоте, свыше 250 мм, прессовок. С увеличением высоты изделий, сформованных известными методами прессованием или виброформованием, разноплотность гнездовых блоков возрастает и приводит к уменьшению их износоустойчивости в службе. Поэтому из известных литературных источников рекомендуется в этом случае использовать составные гнездовые блоки (“Устройство для продувки металла инертными газами” В.А.Кононов, В.К.Стурман, “Огнеупоры и техническая керамика”, №7, 1998 г., с 40-43).

К недостаткам составных гнездовых блоков следует отнести их недостаточно высокую надежность в службе из-за всплытия неотработанной части верхнего гнездового блока при частичном его износе в процессе эксплуатации.

Поэтому для изготовления крупногабаритных гнездовых блоков применяется получившая в зарубежной практике широкое распространение бетонная технология. Однако изготовленные методом литья крупногабаритные гнездовые блоки также имеют существенный недостаток. В процессе эксплуатации в условиях резких циклических изменений температур в поверхностных слоях футеровки днища гнездовые блоки, изготовленные методом литья, склонны к трещинообразованию по плоскостям, параллельным их рабочей поверхности, что предопределяет повышенный износ огнеупора в результате скалывания.

Кроме того, известные из прототипа материалы (электрокорунд, обожженный глинозем, шпинель, периклаз и др.) не обеспечивают равномерный износ рабочих поверхностей гнездового блока и продувочной фурмы. Продувочная фурма, в сравнении с гнездовым блоком, испытывает более высокие напряжения при тепловых ударах и кавитационном воздействии потоков металла при продувке инертным газом, а также дополнительное эрозионное воздействие и механические напряжения при кислородной очистке горячей поверхности фурмы после выпуска из ковша стали, что приводит к ее локальному износу.

Более высокими эксплуатационными показателями, в сравнении с материалами по прототипу, характеризуется углеродсодержащий материал, известный из патента Российской Федерации №2167206, МПК C 21 C 5/48, B 22 D 1/00, B 28 B 3/04, 2001 г. При этом для изготовления составных продувочных узлов предлагается корундоуглеродистая масса с соотношением компонентов, мас.%:

зернистый наполнитель 53-64

молотый наполнитель 23-28

углеродсодержащий наполнитель 3-15

органическое связующее 3,5-6

антиоксидант при жестких условиях эксплуатации

Изделия, изготовленные из этой шихты, отличаются более высокой устойчивостью к коррозии металлом и шлаком, а также высокой термостойкостью и достаточно высокой прочностью.

Тем не менее, обладая высокими показателями отмеченных выше свойств, эти огнеупоры имеют весьма существенный недостаток – пониженную устойчивость к окислению углеродсодержащего материала при рабочих высокотемпературных условиях службы (1600-1700°С), что также предопределяет локальный износ продувочного узла в сравнении с гнездовым блоком периклазового, шпинельного или корундового составов.

Задачей, на решение которой направлена группа изобретений, связанных между собой единым изобретательским замыслом (устройство для донной продувки металла газом, способ изготовления продувочного моноблока и огнеупорный материал для изготовления моноблока), является создание устройства для донной продувки металла газом, обладающего высокими эксплуатационными свойствами, такими как надежность и безопасность в работе продувочного устройства, исключающие инфильтрацию металла в каналы продувочной фурмы и “проседание” последней с отделением ее от гнездового блока под ферростатическим давлением металла за счет жесткого крепления продувочного узла в гнездовом блоке, стабильность потока инертного газа на выходе из продувочной фурмы при длительном гарантированном сроке службы продувочного устройства, а также повышение срока службы продувочного устройства за счет обеспечения равностойкости продувочной фурмы и гнездового блока, сопряженных в монолитный моноблок. Для решения поставленной задачи с получением указанного выше технического результата в известном устройстве для донной продувки металла, содержащем гнездовой блок с расположенным в нем продувочным узлом, состоящим из коаксильно расположенных прессованных из огнеупорных материалов частей, выполненных в виде усеченного конуса или в виде усеченной пирамиды, сопряженных с образованием между ними каналов для подачи инертного газа, имеющим со стороны большего основания продувочного узла металлический фланец, выполненный с отверстием для подачи инертного газа, причем между фланцем и продувочным узлом выполнена полость, а продувочный узел комплектуется с гнездовым блоком, в заявленном устройстве продувочный узел дополнительно содержит цилиндрическую пористую огнеупорную вставку, расположенную между рабочей частью продувочного узла и металлическим фланцем, в центральной части нижнего основания которой выполнено сферическое углубление в виде шарового сегмента высотой h, равной 10-15 мм, для приема инертного газа, а в верхнем основании выполнены квадратные “гнезда”, образующие газораспределительную полость перед рабочей частью продувочного узла, сформированные взаимно перпендикулярными сферическими выступами на всей поверхности пористой вставки с радиусом r, равным 5-8 мм, и расстоянием l между выступами, равным 35-40 мм, и цилиндрическую металлическую оболочку, внутренний диаметр которой адекватен диаметру пористой вставки, имеющей не менее двух внешних реборд по окружности с радиусом сопряжения r₁, равным 5-6 мм, расположенных друг от друга на расстоянии не менее 10 мм, или приваренных к оболочке металлических уголков из профиля 30×30 мм и длинной 10-20 мм, расположенных в направлении образующей через равные расстояния, составляющие 1/4 часть ее окружности, при этом металлическая оболочка высотой, составляющей 2/3-1/2 части высоты собранного продувочного узла, выполнена из листовой стали толщиной 0,8-2 мм и приварена к металлическому фланцу, диаметр Д которого составляет 1,3-1,5 диаметра Д₁ нижнего основания рабочей части собранного продувочного узла, изготовленного в виде усеченного конуса, или 1,3-1,5 длины нижнего большего основания усеченной пирамиды, а каналы в рабочей части продувочного узла, ориентированные по направлению движения газа, получают за счет выступов по всей длине на одном из сопрягаемых усеченных конусных или трапециевидных составных элементов продувочного узла, формируемых при формовании задаваемым профилем пресс-оснастки.

Кроме того, в рабочей части продувочного узла щелевые каналы в местах сопряжения составных элементов могут располагаться по окружности усеченного конуса или перпендикулярно боковым граням четырехугольной пирамиды и выполняться длиной не более 10 мм и задаваемой толщиной каналов в пределах 0,05-0,3 мм.

Кроме того, в рабочей части продувочного узла типа усеченной пирамиды 10-12% ее каналов могут быть полностью перекрыты на высоту 25 мм и 10-12% на 50 мм от верхнего основания продувочного узла, обеспечиваемое необходимым профилем верхнего штемпеля пресс-оснастки при формовании составных элементов трапециевидной формы.

Это достигается также тем, что в известном способе изготовления устройства для донной продувки металла, включающем изготовление прессованием из огнеупорного материала гнездового блока и отдельных составных элементов продувочного узла, их термообработку, сборку продувочного узла и его установку в сопрягаемую поверхность гнездового блока, по изобретению, в качестве огнеупорного материала для изготовления гнездового блока и пористой вставки используют огнеупорную массу на минеральной связке, а при изготовлении рабочей части продувочного узла – углеродсодержащую массу на органической связке, при этом составные элементы рабочей части продувочного узла перед сборкой проходят двухстадийную термическую обработку – низкотемпературную при 200-400°С в окислительной среде и последующую высокотемпературную при 1100-1600°С в восстановительной среде, а формирование гнездового блока с продувочным узлом в моноблок производят прессованием гнездового блока в пресс-оснастке разборной конструкции в комплекте с продувочным узлом, установленным в основание формовочной коробки на опорную плиту по ее центру, при этом прессование гнездового блока производят с комплексным использованием многостадийного ручного пневмотрамбования на начальной стадии формования и автоматического виброформования на заключительном этапе прессования, обеспечивающие получение большемерных продувочных устройств с высотой до 500 мм, с последующей термообработкой сформованного моноблока при температуре 200-400°С.

При этом при формовании составных элементов рабочей части продувочного узла и при последующем формировании продувочного моноблока в комплект с продувочным узлом используют мелкозернистую огнеупорную массу, обеспечивающую получение мелкопористой структуры прессовок после их термической обработки с максимальным диаметром канальных пор не более 50 мкм и газопроницаемостью в пределах от 0,5 до 10 мкм².

Кроме того, формование составных элементов продувочного моноблока из огнеупорных материалов на минеральной связке производят после вылеживания приготовленных масс в течение не менее 24 часов.

Кроме того, плоские трапециевидные составные элементы продувочного узла после высокотемпературной термической обработки шлифуют, в т.ч. и щелевые каналы.

Решение поставленной задачи с получением заданного технического результата достигается также тем, что известный углеродсодержащий огнеупорный материал на основе корунда для изготовления составных элементов рабочей части продувочного узла, включающий зернистый наполнитель, молотый наполнитель, углеродсодержащий наполнитель, органическое связующее, а также антиоксидант, дополнительно содержит в молотом наполнителе кремний и металлическую фазу из оксидов железа (FеО+Fе₂О₃), полученного совместным помолом зернистого наполнителя, кремния и металлической фазы, взятых в соотношении (50-88):(10-30):(2-20), до получения удельной поверхности более 2 м²/г, при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:

зернистый наполнитель 53-64

молотый наполнитель 28-30

углеродсодержащий наполнитель 3-10

антиоксидант 1-3

органическое связующее 3,5-6

Кроме того, зернистый наполнитель, при этом, имеет полифракционный состав с предельным размером зерна, равным 2 мм.

Поставленная задача достигается также тем, что известный корундового состава огнеупорный материал для изготовления гнездового блока, включающий зернистый наполнитель, молотый наполнитель и связку, дополнительно содержит стальную фрезерованную фибру, при этом в качестве связки используется минеральное связующее с содержанием физически связанной воды не более 15%, при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:

зернистый наполнитель 58-80

молотый наполнитель 15-35

металлическая фибра 0,5-1,5

минеральное связующее 4-6

Кроме того, зернистый наполнитель имеет полифракционный состав с предельным размером зерна, равным 2 мм.

Кроме того, в качестве минерального связующего используют ортофосфорную кислоту или алюмохромфосфатное связующее.

Это достигается также тем, что в известном огнеупорном корундовом материале для изготовления пористой вставки, включающем зернистый наполнитель, тонко молотый наполнитель и связку по изобретению, зернистый наполнитель имеет монофракционный состав с предельным размером зерна, равным 2,0 мм, а в качестве связки используют минеральное связующее с содержанием физически связанной воды не более 15% при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:

зернистый наполнитель 70-85

тонкомолотый наполнитель 10-25

минеральное связующее 4-6

При этом огнеупорный материал для изготовления пористой вставки содержит в качестве минерального связующего ортофосфорную кислоту или алюмохромфосфатное связующее.

Указанные выше признаки описываемой группы изобретений являются существенными и взаимосвязанными между собой причинно-следственной связью с образованием совокупности существенных признаков, необходимых и достаточных для достижения указанного технического результата.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен продольный разрез продувочного устройства и вид его сверху, рабочая часть продувочного узла которого имеет один контур продувки и состоит из составных огнеупорных элементов типа усеченных конусов – одного центрального сплошного и одного внешнего пологого; на фиг.2 – продольный разрез устройства и вид его сверху, рабочая часть продувочного узла которого имеет два контура продувки, при этом внутренний контур продувочного узла выполнен с четырехконтактной поверхностью сопрягаемых конусов, а внешний – с восьмиконтактной поверхностью; на фиг.3 – продольный разрез устройства и вид его сверху с рабочей частью продувочного узла типа усеченной пирамиды, который состоит из комплекта составных огнеупорных пластин; на фиг.4 – сечение СС по фиг.3; на фиг.5 – вид сверху на продувочное устройство с продувочным узлом типа усеченной пирамиды с частично перекрытыми каналами в рабочей части продувочного узла (четыре центральных и четыре угловых канала); на фиг.6 – разрез Б-Г-Д-E-F-H по фиг.5. На фиг 7 изображен разрез продувочного устройства, нижнее основание продувочного узла которого в комплекте с газоподводящей трубкой расположено в самом гнездовом блоке.

Устройство для донной продувки металла газами состоит из гнездового блока А и продувочного узла Б, собранного из пористой предохранительной вставки 1 в комплекте с блоком прессованных составных конусных элементов рабочей части продувочного узла, включающим сплошной усеченный конус 3 и наружные полые усеченные конуса 4 (фиг.1 и 2), или с блоком прессованных огнеупорных пластин трапециевидной формы 2 (фиг.3).

Комплект рабочей части продувочного узла, собранный из трапециевидных пластин 2 или конусных элементов 3 и 4, установлен по центру пористой вставки 1, которая, в свою очередь, установлена в газонепроницаемую металлическую оболочку цилиндрической формы 5, которая приварена к металлическому фланцу 6 с газоподводящей трубкой 7. При этом между фланцем и нижним основанием пористой вставки расположена полость для приема инертного газа 8, а между верхним основанием пористой вставки и рабочей частью продувочного узла – газораспределительная полость 9.

Устройство для донной продувки металла работает следующим образом.

Инертный газ по газоподводящей трубке 7 поступает в полость приема газа 8 продувочного узла и под давлением равномерно проникает через пористую вставку 1 в газораспределительную полость 9, откуда распределяется по каналам 12 между конусными поверхностями 3 и 4 или между трапециевидными поверхностями 2 сопрягаемых элементов рабочей части продувочного узла. На выходе из продувочного узла струи инертного газа проникают в жидкий металл и перемешивают его в сталеразливочном ковше.

Устройство для донной продувки металла, предусматривающее плотную посадку непосредственно внешней поверхности собранных огнеупорных элементов продувочного узла во внутреннюю поверхность гнездового блока, а также конструкция профиля цилиндрической металлической оболочки с ребордами или уголками, жестко скрепленными с металлическим фланцем продувочного узла, обеспечивают монолитное крепление продувочного узла с гнездовым блоком, что гарантирует надежную и безопасную работу устройства для донной продувки металла. При этом полностью исключаются как проход металла по сопрягаемым поверхностям продувочного узла и гнездового блока в процессе эксплуатации, так и проседание продувочного узла с его отделением от блока под давлением металла, что повышает работоспособность устройства.

Для обеспечения гарантированной пропускной способности устройства для донной продувки металла в процессе эксплуатации ковша предлагается в рабочей части продувочного узла вида усеченной пирамиды 10-12% его каналов перекрыть полностью на расстояние 25 мм и 10-12% на 50 мм от верхнего ее основания. Предлагаемый вариант исполнения изображен на фиг.5 и 6 – четыре канала перекрыты в центральной зоне фурмы и четыре канала – в угловых ее зонах. Возможна и другая схема перекрытия каналов. При среднем износе фурменного узла, составляющего 1,5-2,0 мм/плавки, последовательное открытие новых каналов после 15-20 и 30-35 плавок будет компенсировать недостаток необходимого объема газа для продувки металла, обусловленный закупориванием щелей фурменного узла в процессе эксплуатации ковша.

Также, предлагается для исключения проникновения металла в щели продувочного узла под действием ферростатического давления металла оформление в продувочном узле каналов толщиной 0,05-0,1 мм и длиной не более 10 мм, получаемых за счет выступов по всей длине на одном из сопрягаемых усеченных конусных или трапециевидных составных элементов продувочного узла, обеспечиваемых при формировании задаваемым профилем пресс-оснастки.

Ниже приводится пример предварительной подготовки к сборке отдельных элементов продувочного устройства для донной продувки металла и способ сборки последнего.

Известные способы изготовления фурм по бетонной технологии или по технологии формования составных огнеупорных элементов из полусухих масс базируются, как правило, на использовании закладных каналообразующих элементов из органического или минерального материалов, после выплавления которых формируются каналы необходимого профиля, ориентированные по направлению движения газа, подаваемого снизу в сталеплавильный ковш через донную фурму.

Отмеченное обуславливает значительную технологическую сложность в изготовлении продувочных фурм.

Каналы в продувочном узле заявляемого устройства для донной продувки металла формируются при сборке составных элементов продувочного узла за счет рельефной поверхности одной из сопрягаемых деталей, которая имеет углубления в виде пазов с задаваемой шириной не более 10 мм и глубиной в пределах от 0,05 до 0,3 мм, расположенных на заданном расстоянии друг от друга перпендикулярно основанию плоского изделия трапециевидной формы или по образующей в изделии конусного типа.

Для получения на поверхности изделия трапециевидной формы заданного профиля верхний или нижний штемпель пресс-оснастки фрезеруют с выбором необходимой ширины и глубины паза и с установленным расстоянием между пазами. При этом для получения на поверхности формуемого изделия вполне определенного перекрытого канала выборку фрезой паза, формирующего этот канал, производят на заданное расстояние, определяемое соотношением S₁=S-(25-50) мм, где S – длина штемпеля, а интервал 25 – 50 диапазон задаваемой глубины перекрытия канала в мм.

Для формирования полых усеченных конусов фрезеруют пуансон в средней его части, выполненной в виде усеченного конуса, при этом формование всех составных элементов продувочного узла конусной формы производят по способу, известному из патента Российской Федерации (RU №2167206, 7 C 21 C 5/48, B 22 D 1/00, B 28 B 3/04, опубл. 20.05.2001 г.).

Задаваемая ширина щелевых каналов и их толщина, формируемые при сопряжении плоских элементов трапециевидной формы и каналов кольцевого типа, расположенных по окружности при сопряжении конусных элементов, а также количество составных элементов продувочного узла определяются расчетным путем, исходя из требуемой пропускной способности продувочного узла.

Для обеспечения равномерного износа рабочих поверхностей гнездового блока и продувочного узла при изготовлении составных элементов рабочей части продувочного узла по изобретению используют углеродсодержащую массу на органической связке, а при формовании гнездового блока в комплекте с продувочным узлом – огнеупорную массу на минеральной связке. Для получения микропористой структуры изделий, после их термической обработки, с размером пор не более 50 к и газопроницаемостью в пределах от 0,5 до 10 мкм² используют мелкозернистую полифракционную огнеупорную массу. При этом, при изготовлении составных элементов продувочного устройства на минеральной связке, для полного завершения процесса образования химических соединений между ней и тонкомолотым материалом, масса перед формованием должна вылеживаться в течение не менее 24 часов.

Составные элементы рабочей части продувочного узла проходят двухстадийную термическую обработку – низкотемпературную термообработку при 200-400°С в окислительной среде и последующую высокотемпературную термообработку при 1100-1600°С в неокислительной среде. При этом термообработку плоских элементов трапециевидной формы производят с использованием для изделий в качестве подложек огнеупорных пластин, имеющих шлифованную поверхность.

После высокотемпературной термообработки изделия с плоскостью трапециевидной формы с обеих сторон шлифуют, в т.ч. щелевые каналы.

Сборку продувочного узла вида усеченной пирамиды осуществляют последовательным сопряжением составных элементов трапециевидной формы. При этом сопряжение производят с притиркой контактной профильной поверхности одного изделия с плоской поверхностью другого аналогичного изделия. Плоскость последнего сопрягаемого элемента фурменного узла выполняют без профильного оформления.

Собранный продувочный узел в средней его части плотно обвязывают клеящимся материалом, например скотчем, или стягивают металлическим бандажом, выполненным в виде полос жести шириной 5-10 мм и толщиной 0,3-0,5 мм.

Сборку продувочного узла вида усеченного конуса производят последовательной установкой на внутренний сплошной усеченный конус наружных полых усеченных конусов. Сплошной и полые усеченные конуса притирают между собой по сопрягаемым контактным конусным поверхностям.

В полость цилиндрической оболочки 5 с ребордами 10 вставляют термообработанную при 200-400°С пористую вставку 1 до полного ее упора в металлический фланец 6, приваренный к оболочке.

Возможно использование металлической оболочки, выполненной без реборд. В этом варианте роль крепления продувочного узла с гнездовым блоком могут выполнять металлические уголки 11 профиля 30×30 мм и длиной ~10 мм, которые привариваются к оболочке, располагаясь в направлении образующей по окружности цилиндрической металлической оболочки через равные расстояния, составляющие 1/4 часть ее окружности.

Металлическую оболочку с приваренным фланцем и расположенной в ней пористой вставкой устанавливают на опорную плиту по ее центру в основании собранной формовочной коробки, внутренние типоразмеры которой соответствуют внешней геометрии гнездового блока. Правильная установка фиксируется проходом газоподводящей трубки через центральное отверстие в опорной плите. На пористую вставку устанавливают собранный комплект рабочей части продувочного узла, центровку которого осуществляют жестким металлическим крепежом.

Производят поэтапную загрузку порции массы в формовочную коробку с последующим ее ручным пневмотрамбованием. При утрамбованном слое, составляющем 1/3 часть высоты рабочей части продувочного узла, последний освобождают от съемного крепежа. Заключительный этап прессования ведут в режиме автоматического виброформования до получения продувочного моноблока с заданным по высоте размером.

После прессования разбирают формовочную коробку и моноблок термообрабатывают при 200-400°С, после чего он становится пригодным к эксплуатации.

Возможен и другой вариант изготовления моноблока – запрессовка продувочного узла в гнездовой блок совместно с газоподводящей трубкой (фиг.7).

В этом случае установку цилиндрической оболочки с приваренным фланцем и газоподводящей трубкой и расположенной в ней пористой вставкой производят на предварительно подготовленный в формовочной коробке слой протрамбованной массы высотой 50-100 мм. Для оформления отверстия под газоподводящую трубку в подготавливаемом слое, в центральное отверстие опорной плиты перед формованием вставляют шаблон, который после прессования выбивают.

Последующие операции по формованию моноблока производят в соответствии с вышеизложенным способом.

Ниже приводятся составы огнеупорных масс для формования составных элементов продувочного узла.

Огнеупорную массу для прессования рабочей части продувочного узла готовят в смесительных бегунах из углеродсодержащей шихты при следующем соотношении компонентов, мас.%:

зернистый наполнитель полифракционного состава с предельным размером зерна 2 м 53-64

совместный помол зернистого наполнителя металлического кремния и металлической фазы из оксидов железа (FeO+Fe₂O₃), взятых в соотношении (50-88):(10-30):(2-20), с удельной поверхностью 2 м²/г 28-30

углеродсодержащий наполнитель 3-10

антиоксидант 1-3

органическое связующее 3,5-6

Тонкомолотую составляющую готовят совместным помолом зернистого наполнителя, металлического кремния и металлической фазы в вибромельнице.

Тонкое измельчение исходных материалов необходимо не только для образования при высокотемпературном обжиге карбидсодержащего материала (SiC) в результате химического взаимодействия свободного металлического кремния и свободного углерода (графита) и образования за счет химического взаимодействия оксида алюминия с оксидами железа герцинита FeO Аl₂О₃ с высокой температурой плавления 1750-1780°С, а также твердых растворов FeO Al₂O₃ с оксидами железа и алюминия, но и для их последующего спекания с образованием мелкопоровой структуры огнеупора. С увеличением тонины помола растет суммарная поверхность зерен, и их активность к химическому взаимодействию возрастает, что предопределяет практически полное связывание свободного углерода в карбид кремния и оксидов железа в герцинит и образование твердых растворов. При этом образуется особо плотная и в то же время мелкодисперсная поровая структура карбидокремниевой зерцинитовой связки, скрепляющей зернистый наполнитель.

Предлагаемая масса реализуется при использовании в качестве зернистого наполнителя электрокорунда, обожженного глинозема и алюмомагниевой шпинели, и их смесей, в качестве углеродсодержащего компонента графита, графитовой спели (графитсодержащие металлургические отходы), силицированного графита и др., в качестве комплексной железосодержащей добавки оксидов железа (FеО+Fе₂О₃), в качестве органической связки фенолформальдегидной смолы или этиленгликоля совместно со связующим фенольным порошкообразным (СФП), а в качестве антиоксиданта металлического Аl, его сплава с Mg, бора аморфного, бескислородного борсодержащего соединения и др.

При изготовлении гнездового блока предлагается масса со следующим соотношением ингредиентов, мас.%:

зернистый полифракционный наполнитель с предельным размером зерна 2 мм 60-80

совместный помол зернистого наполнителя и металлической фазы из оксидов железа (FеО+Fе₂О₃), взятых в соотношении (80-97):(3-20) 15-35

металлическая фибра 0,5-1,5

минеральное связующее 4-6

Введение в состав шихты металлической фибры и оксидов железа позволяет получить изделия с высокими прочностными характеристиками, с пониженной склонностью изделия к трещинообразованию при термических нагрузках.

Предлагаемая масса реализуется при использовании в качестве зернистого наполнителя электрокорунда, обожженного глинозема, шпинели, периклаза и их смесей, в качестве комплексной железосодержащей добавки оксидов железа (FeO+Fe₂O₃), а в качестве минерального связующего ортофосфорной кислоты или алюмохромфосфатного связующего с содержанием физически связанной воды не более 15%.

Ограничение по содержанию физически связанной воды в минеральном связующем связано с возможной деструкцией огнеупора при его термообработке после формования при запредельном значении граничного содержания влаги.

При изготовлении пористой вставки предлагается масса со следующим соотношением ингредиентов, мас.%:

зернистый монофракционный наполнитель с предельным размером зерна 2 мм 70-85

тонкомолотый наполнитель 10-25

минеральное связующее 4-6

Монофракционный наполнитель определяет газопропускную способность сформованной из предлагаемой массы пористой вставки и определяется экспериментально.

Изобретение соответствует условию охраноспособности “промышленная применимость”, поскольку оно осуществимо при использовании существующих средств производства с применением известных технологий.

Формула изобретения

1. Устройство для донной продувки металла газом, содержащее гнездовой блок с расположенным в нем продувочным узлом, состоящим из коаксиально расположенных прессованных из огнеупорных материалов частей, выполненных в виде усеченного конуса или в виде усеченной пирамиды, сопряженных с образованием между ними каналов для подачи инертного газа, имеющим со стороны большего основания продувочного узла металлический фланец, выполненный с отверстием для подачи инертного газа, причем между фланцем и продувочным узлом выполнена полость, а продувочный узел скомплектован с гнездовым блоком, отличающееся тем, что продувочный узел дополнительно содержит цилиндрическую пористую огнеупорную вставку, расположенную между рабочей частью продувочного узла и металлическим фланцем, в центральной части нижнего основания которой выполнено сферическое углубление в виде шарового сегмента высотой h, равной 10-15 мм, для приема инертного газа, а в верхнем основании выполнены квадратные гнезда, образующие газораспределительную полость перед рабочей частью продувочного узла, сформированные взаимно перпендикулярными сферическими выступами на всей поверхности пористой вставки, с радиусом r, равным 5-8 мм, и расстоянием l между выступами, равным 35-40 мм, и цилиндрическую металлическую оболочку, внутренний диаметр которой адекватен диаметру пористой вставки, имеющую не менее двух внешних реборд по окружности с радиусом внутреннего сопряжения 5-6 мм, расположенных друг от друга на расстоянии не менее 10 мм, или приваренные к оболочке металлические уголки из профиля 30х30 мм и длиной 10-20 мм, расположенные в направлении образующей через равные расстояния, составляющие 1/4 часть ее окружности, при этом металлическая оболочка высотой, составляющей 2/3-1/2 части высоты собранного продувочного узла, выполнена из листовой стали толщиной 0,8-2 мм и приварена к металлическому фланцу, диаметр Д которого составляет 1,3-1,5 диаметра Д₁ нижнего основания рабочей части собранного продувочного узла, изготовленного в виде усеченного конуса, или 1,3-1,5 длины нижнего большего основания усеченной пирамиды, а каналы в рабочей части продувочного узла ориентированы по направлению движения газа и образованы за счет формируемых при формовании задаваемым профилем прессоснастки выступов по всей длине на одном из сопрягаемых усеченных конусных или трапециевидных составных элементов продувочного узла.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каналы рабочей части продувочного узла в местах сопряжения составных элементов расположены по окружности конуса или перпендикулярно боковым граням четырехугольной пирамиды и выполнены щелевыми длиной не более 10 мм и задаваемой толщиной в пределах 0,05-0,3 мм.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в рабочей части продувочного узла вида усеченной пирамиды 10-12% ее каналов полностью перекрыты на расстояние 25 мм и 10-12% – на 50 мм от верхнего ее основания, что обеспечивается необходимым профилем верхнего или нижнего прессующего штемпеля прессоснастки при формировании составных элементов трапециевидной формы.

4. Способ изготовления устройства для донной продувки металла газом, включающий изготовление прессованием из огнеупорного материала гнездового блока и отдельных составных элементов рабочей части продувочного узла, их термообработку, сборку продувочного узла и его установку в сопрягаемую поверхность гнездового блока, отличающийся тем, что в качестве огнеупорного материала для изготовления гнездового блока и пористой вставки используют массу на минеральной связке, а при изготовлении рабочей части продувочного узла – углеродсодержащую массу на органической связке, при этом составные элементы рабочей части продувочного узла перед сборкой подвергают двухстадийной термической обработке – низкотемпературной при 200-400°С в окислительной среде и последующей высокотемпературной при 1100-1600°С в восстановительной среде, а формирование гнездового блока с продувочным узлом в моноблок производят прессованием гнездового блока в прессоснастке разборной конструкции в комплекте с продувочным узлом, установленным в основание формовочной коробки на опорную плиту по ее центру, при этом прессование гнездового блока производят с комплексным использованием многостадийного ручного пневмотрамбования на начальной стадии формования и автоматического виброформования на заключительном этапе прессования для обеспечения получения большемерных продувочных устройств с высотой до 500 мм, с последующей термообработкой сформованного моноблока при температуре 200-400°С.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что при формовании составных элементов рабочей части продувочного узла и при последующем формировании гнездового блока с продувочным узлом в моноблок используют мелкозернистую огнеупорную массу для обеспечения получения мелкопористой структуры прессовок после их термической обработки с максимальным диаметром канальных пор не более 50 мк и газопроницаемостью в пределах от 0,5 до 10 мкм².

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что формование составных элементов продувочного моноблока из огнеупорных материалов на минеральном связующем производят после вылеживания приготовленных масс в течение не менее 24 ч.

7. Способ по п.5, отличающийся тем, что составные элементы продувочного узла выполняют плоскими трапециевидными с щелевыми каналами, а после высокотемпературной обработки их шлифуют, в том числе и щелевые каналы.

8. Огнеупорный углеродсодержащий материал на основе электрокорунда, обожженного глинозема, алюмомагниевой шпинели и их смесей для изготовления составных элементов рабочей части продувочного узла, включающий зернистый наполнитель, молотый наполнитель, углеродсодержащий наполнитель, органическое связующее и антиоксидант, отличающийся тем, что молотый наполнитель дополнительно содержит кремний и металлическую фазу из оксидов железа (FеО+Fе₂О₃), при этом он получен совместным помолом зернистого наполнителя, кремния и металлической фазы, взятых в соотношении (50-88):(10-30):(2-20), соответственно, до получения удельной поверхности более 2,0 м²/г, при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:

Зернистый наполнитель 53-64

Молотый наполнитель 28-30

Углеродсодержащий наполнитель 3-10

Антиоксидант 1-3

Органическое связующее 3,5-6

9. Огнеупорный материал по п.8, отличающийся тем, что зернистый наполнитель имеет полифракционный состав с предельным размером зерна, равным 2 мм.

10. Огнеупорный материал на основе электрокорунда, обожженного глинозема, алюмомагниевой шпинели и их смесей для изготовления гнездового блока включающий зернистый наполнитель, молотый наполнитель и связку, отличающийся тем, что он дополнительно содержит стальную фрезерованную фибру, а молотый наполнитель дополнительно содержит металлическую фазу из оксидов железа (FeO+Fe₂O₃)и получен совместным помолом зернистого наполнителя и металлической фазы, взятых в соотношении (80-97):(3-20), при этом в качестве связки используется минеральное связующее с содержанием физически связанной воды не более 15%, при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:

Зернистый наполнитель 58-80

Молотый наполнитель 15-35

Стальная фрезерованная фибра 0,5-1,5

Минеральное связующее 4-6

11. Огнеупорный материал по п.10, отличающийся тем, что зернистый наполнитель имеет полифракционный состав с предельным размером зерна, равным 2 мм.

12. Огнеупорный материал по п.10, отличающийся тем, что в качестве минерального связующего он содержит ортофосфорную кислоту или алюмохромфосфатное связующее.

13. Огнеупорный материал на основе электрокорунда, обожженного глинозема, алюмомагниевой шпинели, периклаза и их смесей для изготовления пористой вставки, включающий зернистый наполнитель, тонкомолотый наполнитель и связку, отличающийся тем, что зернистый наполнитель имеет моно-фракционный состав с предельным размером зерна равным 2,0 мм, а в качестве связки используется минеральное связующее с содержанием физически связанной воды не более 15%, при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:

Зернистый наполнитель 70-85

Тонкомолотый наполнитель 10-25

Минеральное связующее 4-6

14. Огнеупорный материал по п.13, отличающийся тем, что в качестве минерального связующего он содержит ортофосфорную кислоту или алюмохромфосфатное связующее.

РИСУНКИ