Вузол з проміжного розливного пристрою для безперервного лиття розплавленої сталі та вогнетривкого стакана, елемент вузла та застосування вузла

1. Вузол з проміжного розливного пристрою для безперервного лиття розплавленої сталі та вогнетривкого стакана (1), що утворює прохід (2) для перенесення розплавленого металу через донну стінку (3) проміжного розливного пристрою, проміжний розливний пристрій включає елемент (4), котрий оточує вхідну ділянку (11) стакана (1), елемент (4) виготовлений із вогнетривкого матеріалу і включає головний отвір (40), пристосований для узгодженого зчеплення з принаймні частиною зовнішньої поверхні стакана (1), основну поверхню (41), що оточує головний отвір (40) і має найнижчий рівень, причому найнижчий рівень основної поверхні (41) елемента (4) є нижчим за верхній зовнішній край (12) вхідної ділянки (11) стакана (1), периферію, котра має верхню грань (42), що оточує основну поверхню (41) елемента (4), причому верхня грань (42) периферії є вищою за основну поверхню (41) елемента (4), який відрізняється тим, що верхня грань (42) периферії елемента (4) C2 2 (11) 1 3 бен для безперервного лиття. Неповне видалення цих неметалічних включень під час вторинної металургійної обробки та повторне окиснення розплаву сталі спричиняють засмічування стакана під час безперервного лиття. Шар засміченого матеріалу містить, загалом, великі скупчення оксиду алюмінію. Його товщина пов'язана з кількістю розлитої сталі, так само як і з чистотою сталі. Засмічування стакана призводить до зниження продуктивності, оскільки розливається менше сталі за одиницю часу (в результаті зменшення діаметра), а також через заміну стаканів з відповідними перервами процесу лиття. Окрім засмічування, присутність продуктів повторного окиснення може спричинити ерозію стакана та утворення дефектів включення у сталі. Для запобігання повторному окисненню сталі у даній галузі було розроблено кілька розв'язань цієї проблеми. Зокрема, потік розплавленого металу загалом захищається захисним кожухом під час його перенесення із розливного резервуара у нижній резервуар (або форму) для запобігання прямим контактам між сталлю, що виливається, та навколишньою атмосферою. Аргон часто інжектують безпосередньо на поверхню розливного стакану, щоб захистити потік розплавленого металу. Поверхня розплаву сталі в металургійному резервуарі (наприклад, проміжному розливному пристрої) загалом покрита шаром рідкого шлаку для запобігання прямим контактам між сталлю та навколишньою атмосферою. В альтернативному варіанті (або додатково) атмосфера над проміжним розливним пристроєм може бути зроблена інертною (використання поглиначів кисню або інертного газу, такого як аргон). Були розроблені додаткові рішення у даній галузі для вилучення неметалічних включень та продуктів повторного окиснення, коли останні присутні у проміжному розливному пристрої. Ці рішення полягають, як правило, у полегшенні спливання цих включень та продуктів повторного окиснення, так що вони захоплюються шаром плавучого шлаку. Наприклад, для відхилення вгору потоку розплавленого металу у проміжному розливному пристрої можуть застосовуватись перемички, пороги, заслінки та/або ударні подушки. Може також використовуватись пристрій для продування інертного газу, який сприяє спливанню включень та продуктів повторного окиснення. Існують також інші розв'язання того, як зробити включення та продукти окиснення нешкідливими. Наприклад, для усунення деяких проблем, пов'язаних з присутністю включень оксиду алюмінію, можуть використовуватись сплави на основі кальцію. Усі ці рішення попереднього рівня техніки внесли свій вклад у поліпшення загальної чистоти сталі, проте вони ще не дозволяють розливати сталь без включень або продуктів повторного окиснення. Більш того, деякі з рішень попереднього рівня техніки можуть, у свою чергу, створювати нові дефекти у сталі (такі як барботаж газу, сплав на основі кальцію), можуть бути дорогими (використання інертної атмосфери) або неприйнятними з точки зору охорони навколишнього середовища. 89095 4 Через ці причини було б бажаним запропонувати альтернативне рішення, котре зможе вирішити вищезазначені проблеми, бути економічним та не спричинить проблем для навколишнього середовища. Даний винахід базується на тій гіпотезі, що навіть коли сталь може бути зроблена відносно чистою, неможливо зберегти її у чистому вигляді до перенесення у форму за нормальних умов. Зокрема, повторне окиснення сталі шляхом хімічної реакції між вогнетривкими елементами (зазвичай оксид металу), що застосовуються у безперервному литті (футерівка резервуара, шлак, стакани, пробка і т.д.), також можуть створювати продукти повторного окиснення. Іншим потенційним джерелом повторного окиснення є кисень, що проникає через ці вогнетривкі елементи або через проникний стик між футерівкою донної стінки та вхідним отвором проміжного розливного пристрою, або навіть кисень, десорбований із вогнетривкого елемента. Тому предметом даного винаходу є розв'язання зазначених вище проблем шляхом запобігання проникненню продуктів повторного окиснення у розливний стакан та/або їх утворенню у безпосередній близькості або в розливному стакані. Згідно з даним винаходом, ця мета досягається шляхом використання проміжного розливного пристрою за п. 1 формули винаходу. У даній галузі вже відомо запровадження оточуючого елемента навколо виливного отвору проміжного розливного пристрою. Наприклад, патент FR-A-2394348 розкриває кільце, котре призначене для утримання сталі у проміжному розливному пристрої до певного рівня, і в такий спосіб досягається достатня термічна маса для виключення входу "холодної" сталі у виливний отвір. Однак, у попередньому рівні техніки не розкрито, що найнижчий рівень основної поверхні оточуючого елемента або кільця має бути нижчим, ніж верхній зовнішній край виливного стакана. Патент JP-A1-2003-205360 розкриває проміжний розливний пристрій для безперервного лиття сталі. Колодязний блок цього проміжного розливного пристрою складається із двох елементів. Стакан розташований всередині донної частини колодязного блоку. Додатковий вогнетривкий елемент розміщений над верхньою частиною стакана для закриття та захисту цементного стику між даним стаканом та колодязним блоком. Проте, цей документ не розкриває, що зовнішній край вогнетривкого елемента має бути вище, ніж поверхня донної стінки проміжного розливного пристрою. Завдяки особливому розташуванню згідно з даним винаходом, продукти повторного окиснення та/або включення, котрі присутні в металургійному резервуарі й мають тенденцію накопичуватись на донній поверхні даного резервуара, і переносяться вниз потоком розплавленої сталі, не можуть досягти вхідного отвору стакана. Слід розуміти, що елемент, котрий оточує стакан, може бути будь-якої придатної форми. У плані конструкції металургійного резервуара він може бути круглим, овальним або полігональним, його центральний отвір може бути центрованим або 5 ексцентричним. Елемент, що оточує стакан, може також бути вирізаний таким чином, щоб бути пристосованим до тих випадків, коли одна або кілька стінок проміжного розливного пристрою близькі до виливного отвору. Основна поверхня даного елемента може бути плоскою або ні (вона може бути у формі зрізаного конусу, хвилястою, похилою). Стакан може бути внутрішнім стаканом (наприклад, у випадку, коли потік розплавленої сталі контролюється за допомогою шибера, або якщо установка обладнана трубою або пристроєм зміни каліброваного стакана) або зануреним вхідним кожухом (SES) (наприклад, у випадку стопорного контролю). Металургійний резервуар або проміжний розливний пристрій може бути обладнаний одним або кількома такими вузлами. Такий вузол може постачатись як суцільний попередньо виготовлений виріб (наприклад, методами штампування чи лиття) або як окремі деталі. Згідно з даним винаходом вогнетривкий елемент включає основну поверхню та периферію, що оточує основну поверхню; верхня грань периферії вище, ніж основна поверхня вогнетривкого елемента. У такий спосіб в області, що оточує стакан, створюється щось подібне до відхильного уловлювача. Слід розуміти, що немає потреби у тому, щоб верхня грань периферії була плоскою. Вона може бути хвилястою або може мати різні висоти вздовж периферії (наприклад, вище в області периферії, близькій до бічної стінки резервуара, та нижче на іншому боці). Рівень зовнішньої периферії принаймні одного вогнетривкого елемента є вищим, ніж поверхня донної стінки проміжного розливного пристрою. Таким чином, навколо стакана створюється ще одна перешкода, що запобігає потраплянню включень або продуктів повторного окиснення до входу стакана. Такому типу розташування віддається особлива перевага. В оптимальному варіанті оточуючий вогнетривкий елемент виготовляється з газонепроникного матеріалу, краще, із плавлено-литого матеріалу. Щоб даний матеріал міг розглядатись як газонепроникний, його відкрита поруватість (при температурі застосування) має бути нижчою за 20% (тобто нижче відкритої поруватості звичайного футерувального матеріалу, котра зазвичай є вищою за 30%). Для вогнетривких матеріалів і, зокрема, плавлено-литих матеріалів проникність зазвичай прямо зв'язана з поруватістю. Тому такий матеріал з низькою поруватістю має низьку проникність для газів. Така низька поруватість може бути отримана шляхом включення матеріалів-поглиначів кисню (наприклад, антиоксидантів) в матеріал, що складає оточуючий елемент. Придатними матеріалами є бор або карбід кремнію, або метали (або їх сплави), такі як кремній або алюміній. В оптимальному варіанті вони використовуються у кількості, що не перевищує 5 ваг. %. В альтернативному варіанті (або додатково) у матеріал, що складає оточуючий елемент, можуть також включатися продукти, що генерують плавлення твердої фази (наприклад, В2О3). В оптимальному варіанті вони використовуються у кількості, що не перевищує 5 ваг. %. В альтернативному варіанті (або додатково) у матеріал, що складає попередньо сформо 89095 6 ваний елемент, можуть включатись також матеріали, котрі утворюють нові більш об'ємні фази (або за реакцією або завдяки температурному ефекту) і закривають у такий спосіб існуючі пори. Придатні матеріали включають композиції із оксидів алюмінію та магнію. Таким чином попереджається повторне окиснення сталі в області навколо стакана. Згідно з найоптимальнішим варіантом втілення даного винаходу сам стакан (або його шар) виготовляється з газонепроникного матеріалу. Зазвичай цей стакан виготовляється із вогнетривких оксидів (оксид алюмінію, оксид магнію, оксид кальцію) і піддається ізостатичному пресуванню. Щоб розглядатись як газонепроникний у сенсі даного винаходу, 100г зразок матеріалу-кандидата поміщують у піч під атмосферою аргону (слабкий струмінь аргону безперервно вдувають (приблизно 1л/хвилину) у піч), і температуру підвищують до 1000 C Потім температуру поступово підвищують до 1500 C (протягом 1 години) і зразок витримують при 1500 C протягом 2 годин. Потім вимірюють втрату ваги зразка в інтервалі температур 10001500 C. Ця втрата ваги має становити менше 2% для того, щоб даний матеріал міг кваліфікуватись як газонепроникний. Таким чином, включення або продукти повторного окиснення не лише не можуть досягти стакана, але й, крім того, не можуть утворитись у самому стакані. Така особлива комбінація дає, таким чином, синергічний ефект, згідно з яким може розливатися сталь, цілковито вільна від включень та продуктів повторного окиснення. Матеріал, що утворює стакан, може вибиратись із трьох різних категорій матеріалів: a) матеріалів, що не містять вуглецю; b) матеріалів, що складаються у значній мірі з невідновлювальних вогнетривких оксидів у комбінації з вуглецем; або c) матеріалів, що включають елементи, котрі реагують з генерованим моноксидом вуглецю. В оптимальному варіанті вибраний матеріал представляє дві або три із вищенаведених категорій. Прикладами придатного матеріалу із першої категорії є оксид алюмінію, муліт, діоксид цирконію або матеріал на основі оксиду магнію (шпінель). Придатними матеріалами із другої категорії є, наприклад, композиції з чистого оксиду алюмінію та вуглецю. Зокрема, ці композиції мають містити дуже низьку кількість кремнезему або звичайних домішок, котрі містяться у кремнеземі (оксид натрію або калію). Зокрема, кількість кремнезему та його звичайних домішок має підтримуватись на рівні нижче 1,0 ваг. %, в оптимальному варіанті нижче 0,5 ваг. %. Придатні матеріали третьої категорії включають, наприклад, вільний метал, який здатен поєднуватися з моноксидом вуглецю з утворенням оксиду металу та вільного вуглецю. Для такого застосування придатні кремній та алюміній. Ці матеріали можуть також або в альтернативному варіанті включати карбіди або нітриди, здатні реагувати з кисневою сполукою (наприклад, карбіди кремнію або бору). В оптимальному варіанті вибраний матеріал 7 належить до другої або третьої категорії, ще оптимальніше, коли він належить до другої та третьої категорії. Придатний матеріал, що складає шар, котрий не буде продукувати моноксид вуглецю при температурі застосування, може включати 60-88 ваг.% оксиду алюмінію, 10-20 ваг.% графіту та 2-10 ваг.% карбіду кремнію. Такий матеріал у значній мірі складається з неоксидних видів або невідновлювальних оксидів, і включає карбід кремнію, котрий реагує з киснем, якщо він присутній за робочих умов. В одному з варіантів лише футерівка, присутня на поверхні, що контактує зі сталлю (усередині та зовні стакана), зроблена з такого матеріалу. В іншому варіанті стакан та оточуючий елемент зроблені інтегрально (як одне ціле). У випадку, коли стик між оточуючим елементом та стаканом неідеально герметичний, корисним може бути запровадження шва із будівельного розчину, котрий виробляється з газонепроникного будівельного розчину. Звичайні будівельні розчини мають відкриту поруватість 40-50%. Згідно з цим оптимальним варіантом втілення будівельний розчин повинен мати відкриту поруватість менше 20%. Така низька поруватість будівельного розчину може бути досягнута шляхом прийняття тих самих заходів, що й для оточуючого елемента. Згідно з іншим аспектом даний винахід стосується оточуючого вогнетривкого елемента, котрий використовується у пристрої згідно з даним винаходом. Цей оточуючий елемент включає головний отвір, пристосований для узгодженого зчеплення з принаймні частиною зовнішньої поверхні стакана, основну поверхню, що оточує головний отвір, та зовнішню периферію, котра оточує основну поверхню, рівень верхньої грані периферії вище, ніж рівень основної поверхні. В оптимальному варіанті оточуючий елемент виготовлений із газонепроникного матеріалу. У такий спосіб попереджається повторне окиснення сталі в області, що оточує стакан. Наприклад, для цього особливо придатна композиція, котра у значній мірі складається із високоглиноземистого матеріалу, який містить принаймні 75 ваг.% Аl2О3, менше 1,0 ваг.% SiO2, менше 5 ваг.% С, решта складається із вогнетривких оксидів або оксидних сполук, котрі не можуть відновитись алюмінієм (зокрема, алюмінієм, що розчинений у розплавленому залізі) при температурі застосування (наприклад, оксид кальцію та/або шпінель). Особливо прийнятним матеріалом є плавлено-литий матеріал CRITERION 92SR, який постачається фірмою VESUVIUS UK Ltd. Цей матеріал являє собою високоглиноземистий з низьким вмістом цементу плавлено-литий матеріал, армований плавленою шпінеллю глинозем-магнезія. Типовий склад цього продукту є таким: Al2O3 92,7 ваг. % MgO 5,0 ваг. % CaO 1,8 ваг. % SiO2 0,1 ваг. % Інші 0,4 ваг. % 89095 8 Згідно зі ще одним аспектом даний винахід спрямований на спосіб безперервного лиття сталі, котрий включає розливання розплавленої сталі із проміжного розливного пристрою, як описано вище. Тепер даний винахід буде описаний з посиланням на фігури, що додаються, на яких - Фігура 1 зображує поперечний переріз донної стінки металургійного резервуара, оснащеного пристроєм згідно зданим винаходом; - Фігури 2 та 3 зображують, відповідно, вигляд зверху та вигляд у перспективі оточуючого елемента згідно з даним винаходом; - Фігури 4 та 5 зображують охолоді, зібрані по завершенню операцій розливання у верхній частині стакана; - Фігури 6 та 6а зображують, відповідно, вигляд зверху та вигляд збоку оточуючого елемента згідно з варіантом втілення даного винаходу; - Фігура 7 зображує вигляд зверху проміжного розливного пристрою згідно з даним винаходом. Проміжний розливний пристрій 50 (який має донну стінку 3) включає вогнетривкий елемент 4, котрий має зріз для пристосування до розташованої поблизу стінки проміжного розливного пристрою. Стакан 1 не деталізований для більшої зрозумілості. Донна стінка 3 металургійного резервуара (у даному разі - проміжний розливний пристрій) складається, загалом, із постійної футерівки 33, зробленої із вогнетривкої цегли або плавленолитого матеріалу. Робочий шар 32 плавленолитого матеріалу, загалом, знаходиться над постійною футерівкою 33. Поверхня 31 робочого шару контактує з розплавленою сталлю під час операцій розливання. Шар ізолюючого матеріалу 34 нормально присутній під постійною футерівкою 33 для захисту металевої оболонки 35 металургійного резервуара. Стакан 1 проходить через дно проміжного розливного пристрою і слугує для перенесення розплавленої сталі із проміжного розливного пристрою у форму безперервного лиття. Стакан оснащений входом 11, котрий відкривається у канал, визначаючи таким чином прохід 2 для розплавленої сталі. Верхній край входу позначений позицією 12. Фігура 1 зображує занурений вхідний кожух (SES), але, як пояснено вище, під обсяг даного винаходу підпадають й інші види стаканів (такі як внутрішні стакани). У випадку SES операція безперервного лиття проводиться зазвичай за допомогою гільйотини 37 для розбивання стакана 1 та надання можливості продовжити операції розливання у випадку засмічування. Зазвичай SES утримується у своєму положенні ущільненою масою 36. Оточуючий вогнетривкий елемент 4 оточує вхідну ділянку 11 стакана 4. Оточуючий елемент 4 складається із основної поверхні 41, що оточує головний отвір 40. На Фігурі 1 основна поверхня представлена у формі зрізаного конусу, а на Фігурах 2 та 3 плоскою, проте, як пояснювалось вище, можливі й інші схеми розташування. Піднята зовнішня периферійна поверхня оточує основну поверхню. Верхня грань 42 даної периферії вище, ніж рівень основної поверхні 41. Як видно на Фігурі 1, в оптимальному варіанті 9 верхня грань 42 периферійної поверхні піднята вище, ніж поверхня 31 проміжного розливного пристрою. Для додаткового поліпшення герметичності між вогнетривким елементом 4 та стаканом 1 може бути запроваджений шов із будівельного розчину або цементу. Для ілюстрації ефекту, який дає даний винахід, були проведені випробування. Затверділу стальну охолодь, що залишилась у внутрішньому стакані по закінченню операцій лиття, збирали та розрізали вертикально посередині. Фігура 4 (подана у порівнянні) зображує таку охолодь, зібрану у звичайній установці (без оточуючого вогнетривкого елемента), і Фігура 5 зображує таку охолодь, зібрану в установці згідно з даним винаходом. 89095 10 Охолодь 20 Фігури 4 демонструє значні порушення в області 21, 21', які вказують на присутність осаду оксиду алюмінію на внутрішній поверхні стакана. Цей осад спричиняє засмічування стакана з усіма шкідливими наслідками, які пояснювались вище. Охолодь 20 Фігури 4 демонструє також збільшену ділянку в області 22, 22', яка вказує на значну ерозію входу стакана. Охолодь 20, показана на Фігурі 5, відповідає внутрішній формі стакана, вказуючи таким чином, що даний стакан не піддавався ні ерозії, ні засмічуванню оксидом алюмінію. Особливий варіант втілення даного винаходу, який ілюструє оточуючий елемент 4 зі зрізом, показаний на Фігурах 6, 6а та 7. 11 89095 12 13 Комп’ютерна верстка А. Крулевський 89095 Підписне 14 Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601