Патент на изобретение №2155730

(54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОГНЕУПОРОВ ДЛЯ РАЗЛИВКИ МЕТАЛЛА

(57) Реферат:

Изобретение может быть использовано для изготовления изделий для разливки металла, в частности плит шиберных затворов, обеспечивающих многократную разливку металла экологически безопасным способом. Способ включает приготовление смеси совместного помола оксида магния и порошка алюминия и/или кремния в соотношении 95: 5 – 70:30. Затем готовят массы состава, мас.%: 30-50 оксида магния фр. 2-0,5 мм, 15-25 оксида магния фр. 0,5-0 мм, 3-8 графита, 30-40 смеси совместного помола оксида магния и порошка алюминия и/или кремния и сверх 100% – 2-5 временного связующего. Компоненты загружают в смеситель в следующей последовательности: оксид магния фр. 2-0,5 мм, половину временного связующего, графит и оксид магния фр. 0,5-0 мм, оставшееся связующее, смесь совместного помола оксида магния и порошка алюминия и/или кремния. Отформованные изделия сушат до остаточной влажности не более 0,5%, обжигают при температуре не ниже 1400°С в реакционноспособной среде не менее 4 ч. Скорость подъема температуры в интервале 900-1400°С составляет не менее 20^oС/ч с не менее чем одной выдержкой в течение не менее 0,5 ч. Технический результат изобретения – снижение минимальной температуры обжига до 1400°С, и получение огнеупоров с оптимальной поровой структурой. 1 табл.

Изобретение относится к производству огнеупоров и может быть использовано при изготовлении изделий для разливки металла, в частности плит шиберных затворов.

Плиты, как конструкционный элемент шиберных затворов, должны характеризоваться высокой стойкостью к коррозии металлами и шлаками, прочностью и термостойкостью.

Таким комплексом свойств обладают оксидоуглеродистые плиты.

Большое распространение получили корундоуглеродистые плиты, однако в случаях обработки стали CaSi или при высоком содержании в ней Mn и кислорода целесообразно использовать периклазоуглеродистые плиты. В России промышленное изготовление периклазоуглеродистых плит отсутствует.

Как правило, при изготовлении оксидоуглеродистых материалов используют различные фазообразующие добавки и пропитку углеродсодержащими соединениями, позволяющими снизить открытую пористость.

Известно, что в шиберных затворах используют плиты, состоящие из углерода и магнезита (патент США N 5007615, B 22 D 41/08, 1991).

Повышение механической прочности и снижение пористости в периклазоуглеродистых плитах может быть достигнуто введением в шихту нитевидных волокон алюминия и пропиткой пеком или смолой обожженных изделий (заявка Японии N 60-200866, C 04 B 35/76, B 22 D 11/10, 1984). Но использование нитевидных волокон резко повысит стоимость продукции и, кроме того, промышленное изготовление таких волокон в России отсутствует.

Процесс пропитки изделий смолой или пеком для снижения пористости неблагоприятен с экологической стороны, кроме того, дополнительный технологический передел усложняет и удорожает технологию изготовления изделий.

Для образования сиалонов в периклазоуглеродистом огнеупоре в исходную шихту вводят кремний и алюминий, а обжиг осуществляют в среде азота при температуре 1600^oC (заявка ФРГ 4109375, C 04 B 35/68, 1991).

Однако для формирования сиалонов. во-первых, необходима точнейшая дозировка исходных компонентов и, во-вторых, обжиг проводят в азотных печах с постоянно контролируемой газовой средой. В огнеупорной и керамической промышленности дозаторы и печи, необходимые для получения сиалонов, отсутствуют. Кроме того, эксплуатационные показатели изделий на основе сиалонов не лучше огнеупоров, содержащих нитриды и карбиды.

В известных решениях обжиг проводят или в азоте, или в коксовой засыпке. Специфика российских огнеупорных заводов определяет необходимость разработки технологии изготовления огнеупоров обжигом как в среде азота, так и в коксовой засыпке.

Кроме того, снижение пористости обычно достигается за счет небезопасной пропитки углеродсодержащими веществами.

Однако при эксплуатации плит большое значение имеет не только пористость, но в большей степени, размер пор. Известно, что огнеупор, имеющий размер по менее 3,5 мкм, не пропитывается металлами и шлаками и меньше подвергается коррозии.

Наиболее близким является огнеупор на основе MgO-C для плоских скользящих затворов, включающий (вес.%): графит 2-8, порошок алюминия 3-8, порошок кремния 1-5, углерод и гранулы оксида магния – остальное. Исходные материалы смешивают со связующим, выделяющим при разложении углерод, формуют и обжигают в восстановительной среде при температуре 1200-1400^oC. После обжига изделия пропитывают смолой. Огнеупор, полученный по данному способу, характеризуется следующими свойствами:
Пористость до пропитки – 13%
Пористость после пропитки – 3-6%
Предел прочности при изгибе (20^oC) – 17 МПа
(патент США N 5250479, C 04 B 35/04, C 04 B 35/52, 1992).

К недостаткам прототипа можно отнести следующее:
– возможно только совместное использование порошков алюминия и кремния;
– использование связующего, выделяющего углерод, то есть органической смолы, экологически неблагоприятно и требует специальных аспирационных систем и печей дожига отходящих газов, что усложняет и удорожает технологический процесс;
– в процессе обжига в огнеупоре образуются вторичные фазы (шпинель и карбиды) в оптимальном количестве. Отсутствие мелкопористой структуры требует обязательной пропитки смолой. Кроме того, образующийся карбид алюминия
– нестабилен и использование этих плит без пропитки – невозможно;
– данный способ предполагает получение материала только в восстановительной среде (коксовая засыпка).

Задачей данного изобретения является создание экологически безопасной технологии, позволяющей изготавливать периклазоуглеродистые огнеупоры, в частности плиты для шиберных затворов, обеспечивающих многократную разливку металла, обжигом как в восстановительной, так и в азотсодержащей среде.

Поставленная задача решается за счет следующей последовательности операций: сначала приготавливают смесь совместного помола оксида магния и порошка алюминия и/или кремния в соотношении 95:5 – 70-30, затем готовят массу состава, мас.%:
Оксид магния фр. 2-0,5 мм – 30 – 50
Оксид магния фр. 0,5 – 0 мм – 15 – 25
Графит – 3 – 8
Смесь совместного помола оксида магния и порошка алюминия и/или кремния – 30 – 40
Временное связующее, сверх 100% – 2 – 5
следующим образом: в смеситель засыпают оксид магния фр. 2 – 0,5 мм, увлажняют половиной временного связующего, перемешивают, засыпают графит и оксид магния фр. 0,5 – 0 мм, перемешивают, затем добавляют оставшееся связующее, перемешивают, засыпают приготовленную ранее смесь совместного помола оксида магния и порошка алюминия и/или кремния, перемешивают, отформованные изделия сушат до остаточной влажности не более 0,5% и обжигают при температуре не ниже 1400^oC в реакционной среде не менее 4 ч, при этом скорость подъема температуры в интервале 900-1400^oC составляет не менее 20^oC/ч с не менее чем одной выдержкой в течение не менее 0,5 ч.

В результате получают мелкопористый материал с периклазоуглеродистой матрицей, скрепленной в случае использования:
– кремния – карбидом и нитридом кремния и форстеритом;
– алюминия – нитридом и вторичным оксидом алюминия и шпинелью;
– смеси кремния и алюминия – сочетанием вышеуказанных соединений.

Вторичные фазы, образующиеся в процессе обжига в газовой среде, конденсируются в поровом пространстве материала, и их количество достаточно для снижения пористости и образования мелкопористой структуры без пропитки.

Обжиг изделий может быть осуществлен как в восстановительной (кокс), так и в азотной среде, причем физико-технические свойства изделий практически не зависят от среды обжига.

Как правило, периклазовые изделия спекают при температуре не менее 1800^oC. Использование заявляемого состава массы и способа ее приготовления позволило снизить минимальную температуру обжига до 1400^oC.

Именно совокупность признаков, указанных в формуле изобретения: состав массы, ее приготовление, режимы и среда обжига сформованных изделий позволяет получить огнеупоры с необходимыми физико-техническими свойствами и оптимальной поровой структурой.

Пример (см. таблицу, пример N 17).

Для приготовления смеси совместного помола оксид магния фр. 0,5-0 мм и кремний фр. 3-0 мм загружали в вибромельницу в соотношении 90:10 и мололи 1 ч. Остаток на сетке N 0,0063 после помола 0,1%.

Для приготовления смеси совместного помола оксида магния и порошка алюминия и/или кремния фракционный состав компонентов может быть любым, при этом изменяется время помола: конечный продукт должен иметь остаток на сетке N 0,0063 не более 0,1%.

Массу готовили в смесителе с Z-образными лопастями.

Состав шихты, мас.%:
Оксид магния фр. 2-0,5 мм – 40
Оксид магния фр. 0,5 – 0 мм – 20
Графит – 5
Смесь совместного помола – 35
В качестве временного связующего использовали технический лигносульфонат плотностью 1,24 г/см³.

В смеситель засыпали оксид магния фр. 2-0,5 мм, увлажняли 1/2 частью лигносульфоната, перемешивали 2 мин., затем засыпали графит и оксид магния фр. 0,5-0 мм и перемешивали 3 мин. Затем в смеситель добавляли оставшуюся половину связующего, перемешивали 2 мин, после чего засыпали смесь совместного помола и продолжали перемешивание 8 мин.

Смешивание осуществляли в смесителе с Z-образными лопастями. Возможно приготовление массы на другом оборудовании, при этом время смешения индивидуально для каждого смесительного агрегата.

Количество связующего – 5 мас.%, влажность массы – 2,5%.

Количество связки зависит от условий формования (типа пресса). При формовании на гидравлическом прессе количество связки составит 2 мас.%.

Плиты размером 247х126х20,5 мм формовали на фрикционном прессе до получения кажущейся плотности сырца 2,9-3,0 г/см³.

Сушку проводили при температуре 50^oC в течение 2 суток, затем при 110^oC в течение 4 суток до остаточной влажности 0,5%. Сушку проводили в промышленных туннельных сушилах по принятому на заводе режиму.

Остаточная влажность во всех примерах не превышает 0,5%.

Обжиг изделий осуществляли в промышленной печи. Условия обжига: максимальная температура в печи 1500^oC, 6 прогонок в сутки (выдержки при температурах 900^o, 1000, 1200 и 1400^oC по 4 ч, изменение температуры – 30^oC). Плиты загружали в муфеля, засыпали коксовой засыпкой и закрывали крышками.

Физико-технические показатели шиберных плит:
Пористость открытия – 10,5%
Плотность – 2,97 г/см³
Предел прочности при изгибе (20^oC) – 17,5 Н/мм²
Преобладающий размер пор (95%) – Не менее 3 мкм
Методики определения физико-технических показателей соответствуют ГОСТам.

Составы шихт и физико-технические свойства образцов представлены в таблице.

Приготовление масс, формование, сушку всех образцов осуществляли аналогично описанному примеру N 17, аналогичен и режим обжига в примерах, не помеченных звездочками.

Как видно из таблицы, пористость периклазоуглеродистых огнеупоров, изготовленных заявляемым способом, ниже, чем у прототипа, без использования пропитки приближается к пористости после пропитки. Структура материала мелкопористая, и размер пор не превышает 3 мкм.

Плиты, изготовленные по описанному примеру, прошли испытания на АО “Северсталь” и показали стойкость, в 2 раза большую, чем серийные плиты.

Разница в структуре материала, обожженного в коксовой засыпке и азоте, отсутствует: количество пор размером менее 3 мкм в обоих случаях превышает 95%.

Предложенным способом можно изготавливать плиты для шиберных затворов по эксплуатационным характеристикам, не уступающим зарубежным плитам без использования пропитки и органических связующих, что делает заявляемую технологию экологически безопасной и конкурентоспособной с экономической и технологической точки зрения.

Возможность обжига огнеупоров как в восстановительной, так и в азотной среде позволяет использовать заявляемый способ в различных производственных условиях.

Формула изобретения

Способ изготовления огнеупоров для разливки металла, преимущественно плит для шиберных затворов, путем приготовления массы, содержащей оксид магния, графит, металлический порошок и связующее, формования изделия, его сушки и обжига, отличающийся тем, что в массу, в которой металлический порошок и часть оксида магния представлены в виде смеси совместного помола в соотношении 95: 5 – 70: 30, а металлический порошок – порошком алюминия и/или кремния при соотношении компонентов, мас.%:
Оксид магния фр. 2,0 – 0,5 мм – 30 – 50
Оксид магния фр. 0,5 – 0 мм – 15 – 25
Смесь совместного помола оксида магния и порошка алюминия и/или кремния в соотношении 95:5 – 70:30 – 30 – 40
Графит – 3 – 8
Временное связующее, сверх 100% – 2 – 5
готовят следующим образом: в смеситель засыпают оксид магния фр. 2 – 0,5 мм, увлажняют половиной временного связующего, перемешивают, засыпают графит и оксид магния фр. 0,5 – 0 мм, перемешивают, затем добавляют оставшееся связующее, перемешивают, засыпают приготовленную ранее смесь совместного помола оксида магния и порошка алюминия и/или кремния, перемешивают, отформованные изделия сушат до остаточной влажности не более 0,5% и обжигают при температуре не ниже 1400^oC в реакционноспособной среде не менее 4 ч, при этом скорость подъема температуры в интервале 900 – 1400^oC составляет не менее 20^oC/ч с не менее чем одной выдержкой в течение не менее 0,5 ч.

РИСУНКИ