EA032292B1

EA032292B1 - Футеровка металлургической емкости со сформированной перфорированной структурой

Info

Publication number: EA032292B1
Application number: EA201791904A
Authority: EA
Inventors: Роджер Маддалена; Хозе Симоес; Бабу Патель; Сунилкумар С. Пиллай
Original assignee: Везувиус Ю-Эс-Эй Корпорэйшн
Priority date: 2015-03-24
Filing date: 2016-02-24
Publication date: 2019-05-31
Also published as: US20180078999A1; ZA201705977B; CN107427904B; EP3274111A1; JP2018517562A; WO2016153693A1; CA2977653A1; SI3274111T1; ES2795843T3; CA2977653C; BR112017019171B1; AR103949A1; AU2016235941A1; JP6760958B2; KR20170140211A; EP3274111A4; UA119904C2; TW201641188A; CL2017002402A1; AU2016235941B2

Abstract

Предложена футеровка для металлургической емкости, которая сконструирована как имеющая специальную пористость. Футеровка содержат множество областей, каждая проходит в основной плоскости футеровки, каждая область имеет различное значение общей площади пор или перфораций, измеренной в основной плоскости футеровки. Футеровку можно использовать для получения части или всей рабочей поверхности основания или стенок емкости. При литье футеровка дает буферный слой для окисления на границе раздела фаз расплава металла, проходящей от поверхности контакта между расплавом металла и стенками и основанием металлургической емкости так, что при литье расход металла в указанном буферном слое для окисления, по существу, равен нулю, а концентрация эндогенных включений, в частности оксидов, в указанном буферном слое для окисления, по существу, выше, чем в массе расплава металла.

Description

Настоящее изобретение в общем относится к линиям обработки металлов давлением, таким как линии непрерывного литья металлов. В частности, оно относится к футеровке для металлургической емкости, такой как промежуточное разливочное устройство, способной, по существу, снижать образование включений оксидов в расплаве металла.

Предшествующий уровень техники настоящего изобретения

В способах обработки металлов давлением расплав металла переносят из одной металлургической емкости в другую, в форму или в инструмент для обработки. Например, в промежуточное разливочное устройство большой емкости постоянно подают расплав металла при помощи ковша, переносящего расплав металла из печи в промежуточное разливочное устройство. Это обеспечивает непрерывное литье металла из промежуточного разливочного устройства в инструмент для обработки или форму. Течение расплава металла из металлургической емкости проходит под действием силы тяжести через систему разливочных стаканов, расположенную на днище емкостей, обычно снабженную литниковой системой для контроля (открытия или закрытия) потока расплава металла через указанную систему разливочных стаканов. Для того чтобы они выдерживали высокие температуры расплавов металлов, стенки емкостей футеруют огнеупорным материалом.

Расплавы металлов, в частности стали, очень подвержены окислению и должны, таким образом, быть защищены от любого источника окислительных частиц. Небольшие количества алюминия часто добавляют для пассивации железа в случае, когда окислительные частицы входят в контакт с расплавом. На практике выяснено, что часто этого недостаточно для предотвращения образования включений оксидов в расплав, что дает дефекты в готовой детали, полученной из расплава. Сообщается, что 10 кг стальная отливка может содержать до одного миллиарда неметаллических включений, причем большинство из них являются оксидами. Включения следует удалять из готовой детали шлифовкой или вырезанием, эти процедуры добавляют стоимость производства и создают большие количества отходов.

Включения могут быть результатом реакций с расплавом металла. Эти включения известны как эндогенные включения. Экзогенные включения представляют собой такие, в которых материалы не получаются из расплава металла, такие как песок, шлак и грязь из разливочных стаканов. Экзогенные включения обычно толще, чем эндогенные включения.

Эндогенные включения содержат главным образом оксиды железа (РеО), алюминия (А1₂0з) и другие соединения, присутствующие в расплаве или находящиеся в контакте с ним, такие как МпО, Сг₂О₃, 8ί0₂, Т1О₂. Другие включения могут содержать сульфиды и в небольшом количестве нитриды и фосфиды. Поскольку расплавы металлов находятся при очень высоких температурах (порядка 1600°С для низкоуглеродистых сталей), ясно, что способность атома железа вступать в реакцию с оксидом очень высока, и реакцию нельзя предотвратить.

До настоящего времени большинство мер для снижения количества включений в стальной отливке состояло в удержании их в металлургической емкости, в которой их получают. Настоящее изобретение предлагает радикально отличающееся решение путем значительного снижения образования эндогенных включений в металлургической емкости при помощи простых, надежных и экономичных средств.

Краткое раскрытие настоящего изобретения

Настоящее изобретение определено приложенными независимыми пунктами формулы. Зависимые пункты формулы определяют различные варианты осуществления. В частности, настоящее изобретение относится к футеровке для металлургической емкости для литья расплава металла. Примеры таких металлургических емкостей содержат основание, окруженное стенками по всему периметру указанного основания, и выпускное отверстие или множество выпускных отверстий, расположенных на указанном основании, отличающиеся тем, что по меньшей мере часть основания и/или стенок содержит средства для создания при литье буферного слоя для окисления на границе раздела фаз расплава металла, проходящей по поверхности контакта между расплавом металла и стенками и основанием металлургической емкости так, что при литье расход металла в указанный буферный слой для окисления, по существу, равен нулю и концентрация эндогенных включений, в частности оксидов, в указанном буферном слое для окисления, по существу, выше, чем в массе расплава металла.

В конкретном варианте осуществления структура для создания при литье буферного слоя для окисления содержит пористый связывающий слой, футерующий указанное основание и, по меньшей мере, некоторые стенки емкости, причем указанный связывающий слой имеет открытую пористость, причем поры или перфорации с таким диаметром и поверхностной энергией, чтобы обеспечить проникновение в них расплава металла, причем указанный высокопористый связывающий слой изготовлен из, по существу, неокислительного материала относительно указанного расплава металла. Металл может оставаться в расплавленном виде в связывающем слое или может частично или полностью превращаться в твердое состояние в связывающем слое. Перфорация представляет собой канал или ход через слой, облегчающий прохождение жидкости с одной стороны слоя на другую. Расплав металла, проникающий в пористость или перфорацию этого связывающего слоя, захватывается пористой или перфорированной структурой, которая выступает в качестве клетки. Расход становится равным, по существу, нулю. Поскольку он находится в близком контакте с огнеупорным материалом, футерующим стенки и основание металлургиче

- 1 032292 ской емкости, указанный огнеупорный материал определяют как основной источник реагентов для образования эндогенных включений. Из-за диффузии окружающего воздуха или из-за реакции некоторых его компонентов металлический слой, захваченный связывающим слоем, содержит концентрацию эндогенных включений намного большую, чем масса расплава металла.

Перфорированный или сильнопористый связывающий слой или сотовая структура может быть изготовлена из материалов, таких как оксид магния, оксид алюминия, диоксид циркония, муллит и комбинаций этих материалов.

В другом конкретном варианте осуществления настоящего изобретения пористая или перфорированная структура сконструирована как имеющая множество плоских областей, перпендикулярных направлению через пористость, с различными численными значениями площади пор или перфораций. В примере данного варианта осуществления настоящего изобретения пористая или перфорированная структура содержит отдельные поры или перфорации с большим поперечным сечением пор или перфораций рядом с одной поверхностью пористой или перфорированной структуры и меньшим поперечным сечением пор или перфораций рядом с другой поверхностью пористой или перфорированной структуры.

Краткое описание фигур

Различные варианты осуществления настоящего изобретения показаны на приложенных фигурах.

На фиг. 1 показаны схематически различные компоненты обычной линии непрерывного литья металлов.

На фиг. 2 показаны схематически определения выражений, используемых при описании геометрии металлургической емкости согласно настоящему изобретению.

На фиг. 3 представлено изображение в перспективе металлургической емкости, содержащей структуру футеровки согласно настоящему изобретению.

На фиг. 4 показано схематическое изображение расхода металла, О, и концентрации оксида железа в зависимости от расстояния от стенки или основания металлургической емкости согласно настоящему изобретению.

На фиг. 5 показаны схематически определения выражений, используемых при описании геометрии металлургической емкости согласно настоящему изобретению.

На фиг. 6 представлено изображение в перспективе части удаляемой структуры для использования при литье перфорированной структуры футеровки настоящего изобретения.

Подробное раскрытие настоящего изобретения

Как можно видеть на изображении литейного устройства 10 на фиг. 1, промежуточное разливочное устройство обычно снабжено одним или несколькими выпускными отверстиями, обычно расположенными на одном или обоих концах емкости и далеко от точки, где расплав 12 металла подают из ковша 14. Расплав металла выходит из ковша 14 через клапан 16 ковша и систему 18 разливочных стаканов ковша в промежуточное разливочное устройство 20 и выходит из промежуточного разливочного устройства 20 через клапан 24 промежуточного разливочного устройства и систему 26 разливочных стаканов промежуточного разливочного устройства в форму 28. Промежуточное разливочное устройство действует подобно ванне с открытым краном и открытым выпускным отверстием, создавая потоки расплава металла в промежуточном разливочном устройстве. Эти потоки способствуют гомогенизации расплава металла, а также распределению в массе любых включений. Касательно эндогенных включений допускали, что скорость реакции (главным образом окисления) сильно зависит от диффузии реактивных молекул. Это предположение подтверждалось экспериментом, в котором расплав низкоуглеродистой стали выдерживали в тигле, помещенном в камеру обработки без кислорода. Трубопровод вводили в указанный расплав металла, а кислород подавали с низкой скоростью. Через некоторое время расплав металла оставляли для отверждения и анализировали состав отливки, полученной таким образом. Как предполагалось, окисленная область была ограничена небольшой областью вокруг выпускного отверстия трубы для кислорода, таким образом подтверждая предположение о том, что реакция окисления сильно контролируется диффузией. Отсюда следует, что если можно остановить поток металла, окисление также будет прекращаться. Конечно, это невозможно при непрерывной операции литья, которая, как показывает ее название, отличается непрерывным течением расплава металла.

Второе допущение, которое привело к настоящему изобретению, состояло в том, что реагенты окисления находятся на стенках и основании металлургической емкости. В частности, считается, что реагенты окисления поступают из двух основных источников:

(a) реактивные оксиды огнеупорной футеровки, в частности силикаты, такие как оливин ((М_ё,Ре)281О4);

(b) воздух и влага, диффундирующие из окружающей среды через огнеупорную футеровку металлургической емкости и выступающие на поверхности основания и стенок указанной емкости (например, промежуточного разливочного устройства).

Это второе допущение подтверждалось лабораторными тестами. Решение, таким образом, получено исходя из этих двух исходных предположений:

(a) скорость реакции окисления металла контролируется диффузией;

(b) реагенты окисления металла подаются в расплав со стенок и основания металлургической емкости.

- 2 032292

Авторы настоящего изобретения предложили следующее решение для предотвращения образования эндогенных включений в массе расплава металла. Если можно было связывать атомы, образующие расплав металла, близко к источнику окислительных частиц, т.е. стенкам и основанию металлургической емкости, будет формироваться пассивирующий слой или буферный слой, который будет окисляться, но поскольку диффузия очень медленная и отсутствует какой-либо значительный поток, реакция окисления не будет распространяться на массу расплава металла. Этот принцип показан схематически на фиг. 4, где расход О расплава металла, по существу, равен нулю на расстоянии δ от стенки или основания, футерованного огнеупорным материалом. Эта граница раздела фаз толщины δ называется в настоящем документе буферный слой для окисления. В указанном слое концентрация оксидов, по существу, выше, чем в массе расплава металла. Причина заключается в том, что источником окислительных частиц являются стенки и основание металлургической емкости. Поскольку расход в буферном слое для окисления практически равен нулю, реакция окисления контролируется диффузией и, таким образом, быстро не распространяется. Выше указанного буферного слоя для окисления, однако, расход расплава металла увеличивается, и реакция окисления будет распространяться быстрее, но в отсутствие каких-либо реагентов окисления только очень ограниченные реакции окисления имеют место над буферным слоем.

Ясно, что хотя реакции окисления были указаны в вышеуказанном пояснении, то же самое с соответствующими изменениями относится к другим реакциям, таким как образование сульфидов, нитридов и фосфидов, скорости реакций которых с атомами, такими как Ее, также контролируются диффузией.

Различные устройства или средства получения буферного слоя для окисления можно предложить. В первом варианте осуществления устройство имеет вид перфорированной структуры футеровки. Эта перфорированная структура футеровки может быть монолитной или может состоять из множества компонентов. Перфорированную структуру футеровки можно использовать для футеровки части или всего основания огнеупорной емкости, и можно использовать для футеровки части или все стенки огнеупорной емкости. Поры или перфорации структуры футеровки имеют такой диаметр и поверхностную энергию, чтобы обеспечить проникание в них расплава металла. Структура футеровки получена, по существу, из неокислительного материала относительно расплава металла.

Структура футеровки должна быть получена из материала, не реагирующего с расплавами металлов, в частности низкоуглеродистыми сталями. Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения отличаются отсутствием силикатов. Материалы, используемые для получения пенных фильтров промежуточного разливочного устройства, подходят для получения структуры футеровки настоящего изобретения. В частности, диоксид циркония, оксид алюминия, оксид магния, муллит и комбинация этих материалов могут быть подходящими для получения структуры футеровки настоящего изобретения и легко доступны на рынке.

Поры или перфорации структуры футеровки имеют поверхностную энергию стенки, сравнимую с жидким металлом, который отливают, и облегчают прохождение расплава металла через толщину структуры футеровки, пока он не достигнет газопоглощающих объемов в структуре футеровки и огнеупорной футеровки, образующей внутренние стенки и основание металлургической емкости. Газопоглощающие объемы сконструированы для максимизации площади расплава металла, находящегося в контакте с огнеупорной футеровкой. Атомы металла, находящиеся в контакте с огнеупорной футеровкой, входят в контакт с реагентами окисления, такими как диффундирующий кислород или компоненты огнеупорной футеровки, и быстро реагируют с образованием оксидов, в частности ЕеО, в расплавах низкоуглеродистой стали. Расплав металла, однако, захватывается в порах или перфорациях и газопоглощающих объемах и не может течь. Поскольку контролируемое диффузией распространение реакций окисления очень медленное в расплавах металлов, реакция будет распространяться очень медленно через толщину δ структуры футеровки. Расплав металла, текущий через структуру футеровки, таким образом, не контактирует с реагентами окисления, пока реакция окисления происходила в толщине δ слоя, что может занимать больше времени, чем операция литья.

Из вышеуказанного поясненияь ясно, что пенные материалы, обычно используемые в качестве фильтров при операциях литья, можно использовать для получения буферного слоя для окисления, но их не используют как фильтры, через которые металл втекает и вытекает, а для ограничения потока металла. В варианте осуществления настоящего изобретения первый материал с первой пористостью или первой суммарной площадью поперечного сечения перфораций используют как первый слой, находящийся в контакте с массой расплава металла, а второй материал со второй пористостью или второй суммарной максимальной площадью поперечного сечения открытой пористости используют в качестве второго слоя, расположенного между первым слоем и третьим, защитным слоем структуры футеровки. Вторая пористость или вторая суммарная максимальная площадь поперечного сечения открытой пористости второго материала в этом варианте осуществления больше, чем первая пористость или первая суммарная площадь поперечного сечения перфораций первого материала.

Как альтернатива панелям из пены сотовые панели можно использовать в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения. Их используют в дополнение к защитной футеровке и на ней, а не как замену защитной футеровки. Ось ячеисто-сотовой конструкции (т.е. проходящая от одного отвер

- 3 032292 стия до другого) должна быть под прямым углом к стенке или основанию, на которое она нанесена. Каждая ячейка может выступать в зависимости от положения, в котором панель используется в футеровке, или как первый слой, в котором ячейки выступают в качестве пор или перфораций и контролируют поток расплава во второй слой с большей пористостью или площадь поперечного сечения газопоглощающего объема, измеренного в плоскости, параллельной основной плоскости панели, или как второй слой, в котором ячейки панели выступают в качестве газопоглощающих объемов и имеют в сумме большую площадь поперечного сечения газопоглощающих объемов, измеренных в плоскости, параллельной основной плоскости панели, чем лежащий сверху первый слой, имеющий общую площадь поперечного сечения пористости, измеренную в плоскости, параллельной основной плоскости панели. Сотовые структуры характеризуются шестиугольными ячейками. Другие геометрии ячеек, такие как ячейки с круглыми или квадратным поперечными сечениями, могут также быть подходящими. Диоксид циркония, оксид алюминия, оксид магния, муллит и их комбинации можно использовать для сотовых панелей.

В другом варианте осуществления настоящего изобретения огнеупорная емкость с защитным слоем снабжена ребрами или выступами, проходящими внутри емкости. Первый слой с порами или перфорациями устанавливают на внутренней поверхности огнеупорной емкости так, что основная поверхность первого слоя находится в контакте с ребрами или выступами защитного слоя. Ребра или выступы сконструированы так, что газопоглощающие объемы определены между основной поверхностью первого слоя, развернутого от массы расплава металла, и поверхностью защитного слоя, развернутого к массе расплава металла. Расстояние между основной частью поверхности первого слоя, развернутого от массы расплава металла, и поверхностью защитного слоя, развернутого к массе расплава металла, может находиться в диапазоне от и включая 1 до и включая 50 мм, от и включая 1 до и включая 30 мм, от и включая до и включая 20 мм и от и включая 2 до и включая 30 мм.

Согласно настоящему изобретению структура футеровки для огнеупорной емкости может содержать (а) первый слой, имеющий первую основную поверхность первого слоя и вторую основную поверхность первого слоя, расположенную напротив первой основной поверхности первого слоя, и (Ь) второй слой, имеющий первую основную поверхность второго слоя и вторую основную поверхность второго слоя, расположенную напротив первой основной поверхности второго слоя, причем вторая основная поверхность первого слоя находится в контакте с первой основной поверхностью второго слоя, причем первый слой содержит множество пор или перфораций, проходящих от основной поверхности первого слоя ко второй основной поверхности первого слоя, причем второй слой содержит по меньшей мере один газопоглощающий объем, причем по меньшей мере один газопоглощающий объем находится в гидравлическом сообщении (сообщении по текучей среде) по меньшей мере с одной порой или перфорацией первого слоя, и причем по меньшей мере один газопоглощающий объем находится в гидравлическом сообщении (сообщении по текучей среде) со второй основной поверхностью второго слоя, и причем суммарная площадь поперечного сечения всех пор или перфораций в первом слое меньше, чем суммарная максимальная площадь поперечного сечения всех газопоглощающих объемов во втором слое.

В конкретных вариантах осуществления настоящего изобретения первый слой и второй слой могут иметь одну монолитную структуру. Структура футеровки может состоять из диоксида циркония, оксида алюминия, оксида магния, или муллита, или комбинаций этих материалов. Суммарная максимальная площадь поперечного сечения всех газопоглощающих объемов во втором слое может составлять по меньшей мере в 10 раз, по меньшей мере в 30 раз, по меньшей мере в 100 раз, по меньшей мере в 300 раз, по меньшей мере в 1000 раз, по меньшей мере в 3000 раз или по меньшей мере в 10000 раз больше, чем суммарная площадь поперечного сечения всех пор или перфораций в первом слое. Второй слой может содержать множество опорных структур, выступающих из второй основной поверхности первого слоя. Второй слой может содержать множество ниш с внутренними пространствами и отверстием в направлении второй основной поверхности второго слоя, и внутренние пространства ниш могут содержать газопоглощающие объемы. Второй слой может содержать множество выемок с внутренними пространствами и отверстием в направлении второй основной поверхности второго слоя, и внутренние пространства ниш могут содержать газопоглощающие объемы. Второй слой может также содержать множество опорных структур, находящихся в связи с первым слоем и третьим слоем. Опорные структуры могут иметь любую подходящую геометрию, такую как сферы, цилиндры, конические участки или призмы из многоугольников. Первый слой и третий слой могут быть обеспечены принимающими геометриями так, что опорные структуры фиксируются, когда первый слой установлен относительно третьего слоя.

В конкретных вариантах осуществления настоящего изобретения первый слой имеет толщину в диапазоне от и включая 5 до и включая 150 мм, в диапазоне от и включая 5 до и включая 100 мм, в диапазоне от и включая 10 до и включая 150 мм или в диапазоне от и включая 10 до и включая 100 мм. В конкретных вариантах осуществления настоящего изобретения второй слой имеет толщину в диапазоне от и включая 1 до и включая 50 мм, в диапазоне от и включая 2 до и включая 50 мм, в диапазоне от и включая 5 до и включая 50 мм, в диапазоне от и включая 1 до и включая 25 мм, в диапазоне от и включая до и включая 25 мм и в диапазоне от и включая 5 до и включая 25 мм.

Структура футеровки настоящего изобретения может также содержать неперфорированный третий или защитный слой, имеющий первую основную поверхность третьего слоя, находящуюся в контакте

- 4 032292 или связи со второй основной поверхностью второго слоя. Второй слой может быть образован или иметь толщину, определенную множеством опорных структур, выступающих из первой основной поверхности третьего слоя.

Поры или перфорации в первом слое могут иметь расширяющуюся геометрию на их пересечении с основной поверхностью первого слоя. Поры или перфорации могут иметь геометрию поперечного сечения, выбранную из группы, состоящей из круглой геометрии, эллиптической геометрии, овальной геометрии, квадратной геометрии, прямоугольной геометрии, многоугольной геометрии, геометрии типа параллелограмма и геометрии типа линза. Поры или перфорации имеют минимальный диаметр поперечного сечения от и включая 2 до и включая 50 мм, от и включая 2 до и включая 40 мм, от и включая 2 до и включая 25 мм и от и включая 2 до и включая 15 мм. Поры или перфорации могут иметь вид каналов или щелей, определенных расстоянием между соседними панелями, образующими первый слой, причем каналы или щели обеспечивают гидравлическое сообщение (соединение по текучей среде) между первой основной поверхностью первого слоя и второй основной поверхностью первого слоя.

Настоящее изобретение также относится к использованию структуры футеровки, описанной ранее, в огнеупорной емкости и к металлургической емкости с внутренней поверхностью и внешней поверхностью, причем внутренняя поверхность металлургической емкости содержит структуру футеровки, описанную ранее.

Настоящее изобретение также относится к способу минимизации окисления расплавленного металла при переносе, предусматривающему (а) перенос расплавленного металла в емкость со структурой футеровки, описанной ранее, и (Ь) перенос расплавленного металла из емкости.

На фиг. 2 изображена структура 30 футеровки согласно настоящему изобретению. Первый слой 34 имеет первую основную поверхность 36 первого слоя и вторую основную поверхность 38 первого слоя, расположенную напротив первой основной поверхности 36 первого слоя. Второй слой 42 имеет первую основную поверхность 44 второго слоя и вторую основную поверхность 46 второго слоя, расположенную напротив первой основной поверхности 44 второго слоя. Вторая основная поверхность 38 первого слоя находится в контакте с первой основной поверхностью 44 второго слоя. Третий слой 50 имеет первую основную поверхность 52 третьего слоя и вторую основную поверхность 54 третьего слоя, расположенную напротив первой основной поверхности 52 третьего слоя. Первый слой 34 содержит множество перфораций 60, проходящих от основной поверхности 36 первого слоя до второй основной поверхности 38 первого слоя. Элемент 62 представляет собой поперечное сечение перфорации в плоскости изображения. Второй слой 42 показан как содержащий по меньшей мере один газопоглощающий объем 64, находящийся в гидравлическом сообщении по меньшей мере с одной перфорацией 60 первого слоя. По меньшей мере один газопоглощающий объем 64 находится в гидравлическом сообщении со второй основной поверхностью 54 второго слоя. Элемент 66 представляет собой поперечное сечение газопоглощающего объема 64 в плоскости изображения.

На фиг. 3 изображена металлургическая емкость 80, содержащая структуру футеровки согласно настоящему изобретению и имеющая внутренний объем 82. Элемент 84 представляет собой оболочку, изолирующий слой и огнеупорный защитный слой, в котором содержится структура футеровки. Элемент 84 находится в связи с третьим слоем или защитным слоем 50. Третий слой или защитный слой 50 находится в связи со вторым слоем 42. Второй слой 42 находится в связи с первым слоем 34. Второй слой 42 содержит множество газопоглощающих объемов 64. Открытая первая основная поверхность 36 первого слоя содержит перфорации 60, через которые обеспечивается гидравлическое сообщение между внутренним объемом 82 и газопоглощающими объемами 64. При использовании расплавленный металл подают во внутренний объем 82. Часть расплавленного металла поступает через перфорации 60 в газопоглощающие объемы 64. Движение расплавленного металла в газопоглощающих объемах 64 ограничено. Металл в газопоглощающих объемах 64 может оставаться полностью или частично в расплавленном состоянии или может частично или полностью подвергаться фазовому превращению в твердое состояние. Считается, что металл в любой фазе будет способствовать работе настоящего изобретения, поскольку расплавленный металл будет реагировать с частицами, испускаемыми защитным слоем 50, для предотвращения их прохождения во внутренний объем 82, а твердый металл будет обеспечивать физический барьер для частиц, испускаемых защитным слоем 50.

На фиг. 4 изображены графики свойств в металлургической емкости, содержащей футеровку согласно настоящему изобретению. Свойства показаны в зависимости от расстояния до третьего слоя 50 футеровки настоящего изобретения, причем расход О расплава металла, по существу, равен нулю на расстоянии δ от третьего слоя 50 футеровки, который может быть стенкой или основанием, футерованным огнеупорным материалом. Эта граница раздела фаз с толщиной δ называется буферный слой для окисления. В этом варианте осуществления она относится к толщине первого слоя 34, поддерживаемого вторым слоем 42. Первый слой 34 находится в связи с внутренним объемом 82 металлургической емкости. Линия 90 на графике показывает расход металла относительно расстояния от третьего слоя 50, причем значения увеличиваются слева направо. Линия 92 на графике показывает концентрацию оксидов относительно расстояния от третьего слоя 50, причем значения увеличиваются слева направо.

- 5 032292

На фиг. 5 изображено поперечное сечение 100 футеровки настоящего изобретения. Первый слой 34 поддерживается вторым слоем 42, который в свою очередь поддерживается первой основной поверхностью 52 третьего слоя 50. Первый слой 34 содержит перфорации 60, обеспечивающие гидравлическое сообщение между внутренним объемом емкости 82 и газопоглощающими объемами 64. Внутренняя основная плоскость 102 первого слоя представляет собой плоскость, содержащуюся в первом слое 34 параллельно первой основной поверхности 52 третьего слоя 50. Внутренняя основная плоскость 104 второго слоя представляет собой плоскость, содержащуюся во втором слое 42 параллельно первой основной поверхности 52 третьего слоя 50.

Сформированная перфорированная структура настоящего изобретения может быть установлена на защитной футеровке огнеупорной емкости, помещая удаляемую структуру в контакт с защитной футеровкой. Удаляемая структура сконструирована так, что, когда она удаляется при сгорании, приложении тепла, химическом или физическом воздействии, будут образовываться первый и второй слои, которые будут иметь структуры, облегчающие их функционирование согласно настоящему изобретению. Удаляемые структуры могут быть изготовлены из целлюлозных, пластиковых или других органических материалов, графитовых материалов, стекла, проницаемых минералов, газообразных материалов или металлов и их комбинаций. Материал, используемый в удаляемой структуре, может иметь вид листа, порошка, распыляемой суспензии или геля. Один или несколько огнеупорных материалов затем наносят на удаляемую структуру для обеспечения после удаления удаляемой структуры первого и второго слоев согласно настоящему изобретению. Огнеупорные материалы можно наносить струей, распылением, в виде штукатурки, литьем, нанесением вибрацией в сухом виде, торкретированием, заливкой, наливом, впрыском или помещением предварительно сформованных кусков. Огнеупорные материалы можно затем сушить, отверждать или стабилизировать до отверждения их при необходимости. Полученную многослойную структуру затем подвергают физическому или химическому воздействию для удаления или превращения удаляемой структуры для создания газопоглощающих объемов во втором слое, который может находиться в гидравлическом сообщении с внутренним объемом металлургической емкосСтфи.ормированная перфорированная структура настоящего изобретения может быть установлена на защитной футеровке огнеупорной емкости путем обеспечения заранее сформованной структуры в качестве первого слоя и помещения заранее сформованной структуры вблизи третьего слоя. Первый слой и третий слой могут сообщаться друг с другом посредством опор, выступающих из первого слоя, посредством опор, выступающих из третьего слоя, или посредством разделителей, расположенных между первым слоем и третьим слоем. Второй слой образуется между первым слоем и третьим слоем, и газопоглощающий объем образуется в объеме второго слоя, не занятого опорами, разделителями или другими опорными структурами. Опоры, разделители или другие опорные структуры можно помещать для обеспечения второго слоя с толщиной от и включая 0,25, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 и 10 мм до и включая 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 и 100 мм.

Перфорации в первом слое могут иметь любую структуру, которая облегчает течение из массы расплава металла через первый слой в газопоглощающий объем второго слоя. Перфорации в первом слое могут иметь любую форму или комбинацию форм, что облегчает их функционирование согласно настоящему изобретению. Перфорации имеют цилиндрическую, призматическую форму или форму усеченного конуса. Перфорации могут иметь скошенный, конический, прямоугольный или закругленный профиль при их пересечении с первой поверхностью первого слоя. Перфорации в первом слое могут иметь вид каналов, или щелей, или зазоров, образованных между соседними панелями в конфигурациях, в которых первый слой содержит множество соседних панелей. Каналы, или щели, или зазоры могут образовывать сплошную сеть. Отдельные каналы, или щели, или зазоры, разделяющие пару соседних панелей, могут быть сплошными или могут быть прерывистыми. Панели могут быть снабжены опорами, которые могут быть ориентированы в направлении третьего слоя. Перфорации могут быть образованы механическими способами, такими как удаление удаляемого материала, путем высекания или высверливания.

Перфорации в первом слое могут быть образованы путем обеспечения удаляемого материала в монолитном материале, нанесенном на третий слой, совместно с удаляемой структурой, находящейся в связи с третьим слоем, или в ее отсутствие. Удаляемый материал и удаляемую структуру можно затем удалять или трансформировать при помощи способов, описанных ранее.

Газопоглощающие соединенные пустоты во втором слое могут находиться в виде объема, в котором расстояние между первым слоем и третьим слоем поддерживается цилиндрическими формами, коническими твердыми формами, формами в виде прямоугольной призмы, формами в виде многогранной призмы, сферами или ребрами.

На фиг. 6 изображена удаляемая структура 110, которую можно использовать для получения сформированной перфорированной структуры согласно настоящему изобретению. Удаляемая структура содержит удаляемый шаблон 112 для получения пустот, находящийся в контакте с шаблоном 114 для перфораций первого слоя. Удаляемый шаблон 112 для получения пустот может содержать перфорации 116 для получения опор второго слоя, которые обеспечивают связь между первым слоем и третьим слоем, установленными в огнеупорной емкости. При использовании удаляемая структура 110 помещается в

- 6 032292 контакте с третьим слоем так, что удаляемый шаблон 112 для получения пустот находится в контакте с третьим слоем. Огнеупорный материал затем льют на шаблон для перфораций первого слоя так, что панели первого слоя образуются между компонентами шаблона 114 для перфораций первого слоя, и так, что литьевой материал заполняет перфорации 116 для получения опор второго слоя. Альтернативно удаляемая структура 110 может быть сконфигурирована для сопряжения с третьим слоем так, что выступы из третьего слоя занимают по меньшей мере часть перфораций 116 для получения опор второго слоя. Литьевой материал, заполняющий перфорации 116 для получения опор второго слоя, образует опорные структуры между первым слоем сформированной перфорированной структуры и третьим слоем футеровки огнеупорной емкости. Удаляемый материал можно затем удалять способами, описанными ранее. Первый слой сформированной перфорированной структуры, полученной из отлитого материала, заполняющего пустые объемы в шаблоне 114 для перфораций первого слоя, содержит перфорации, которые могут иметь вид каналов, или щелей, или зазоров между соседними панельными структурами. Каналы, или щели, или зазоры могут быть непрерывными вдоль кромки панельной структуры или могут быть прерывистыми. Каналы, или щели, или зазоры могут определять интервал между панелями от и включая 0,1 до и включая 10 мм, от и включая 0,5 до и включая 10 мм, от и включая 1 до и включая 10 мм, от и включая 2 до и включая 10 мм, от и включая 5 до и включая 10 мм, от и включая 0,1 до и включая 20 мм, от и включая 0,5 до и включая 20 мм, от и включая 1 до и включая 20 мм, от и включая 2 до и включая 20 мм, от и включая 5 до и включая 20 мм, от и включая 0,1 до и включая 30 мм, от и включая 0,5 до и включая 30 мм, от и включая 1 до и включая 30 мм, от и включая 2 до и включая 30 мм, и от и включая 5 до и включая 30 мм. Щель представляет собой длинное, узкое отверстие. Щель может иметь длину, равную или большую чем порядок величины ее ширины.

Емкость, сконструированную согласно настоящему изобретению, можно использовать в металлургических процессах. Способ применения может предусматривать подачу расплавленного металла в емкость с футеровкой согласно настоящему изобретению и последующее удаление расплавленного металла из емкости через разливочный стакан.

Пример I.

Получали образцы панелей многослойной футеровки промежуточного разливочного устройства с нестойким (или удаляемым) внутренним (или вторым) слоем. Нестойкий внутренний слой конструировали для разделения первого (или наружного) слоя и третьего (или защитного) слоя при получении панели.

Удаляемый слой может быть образован из листа полистирола, листа вспененного полиэтилена, картона, вспененного полимера или гофрированного листа или любого подобного материала, который будет сгорать при 2000°Б (1100°С) и оставлять минимальный остаток. Для конкретных описанных примеров использовали картон с гофрами на каждой стороне (сверхпрочный с мелкими гофрами профиля В). Высота гофр на каждой стороне картона составляла приблизительно 3 мм.

Стальной формирователь входных отверстий использовали для получения отверстий в гофрированном картоне. Деревянные штыри с диаметром 3 мм и длиной 38 мм вставляли в отверстия перпендикулярно плоскости картона.

Для тестирования готовили пять панелей.

Базовые панели получали из цементного огнеупора со сверхнизким содержанием оксида алюминия, аналогичного материалу, используемому в качестве защитной футеровки внутри стального промежуточного разливочного устройства. Размеры каждой базовой панели составляли 36 дюймах 24 дюймах 5 дюймов (90 смх60 смх12,5 см). Во-первых, материал футеровки промежуточного разливочного устройства (базилит, легкий магнезитный распыляемый материал, содержащий >70 мас.% оксида магния) распыляли на базовую панель с толщиной приблизительно 1 дюйм (2,5 см), используя распылительную машину для базилита. Листы удаляемого слоя (20 дюймовх12 дюймов или 50 смх30 см) с различными конфигурациями отверстий согласно таблице затем надежно прижимали к футеровке из базилита. Затем материал на основе оксида алюминия (оксид алюминия >80 мас.%) распыляли с толщиной приблизительно 1 дюйм (2 см) на всю поверхность.

В панелях, в которых использовали два отдельных примыкающих листа удаляемого слоя (панели 2, 3 и 4), примыкающие листы удаляемого слоя располагали так, чтобы они разделялись зазором приблизительно в один дюйм (2,5 см).

В конструкции выбранных панелей прямоугольные отверстия обеспечивали в листах удаляемого слоя. Прямоугольные отверстия в листах удаляемого слоя измеряли как 1 дюймх6 дюймов (2,5 смх15 см). Объемы этих отверстий заполняли огнеупорным материалом при конструировании панели, чтобы получать прямой контакт через отверстия между футеровками, находящимися в контакте с каждой из поверхностей листов удаляемого слоя.

- 7 032292

Панель	Описание
1	Без листа удаляемого слоя
2	Два (примыкающих) листа удаляемого слоя a) лист удаляемого слоя с 22 поперечными штырями, одним прямоугольным отверстием с продольным направлением отверстия, ориентированным в продольном направлении панели. b) лист удаляемого слоя с 21 поперечными штырями, двумя прямоугольными отверстиями, расположенными встык с продольным направлением отверстий, ориентированных в продольном направлении панели.
3	Два (примыкающих) листа удаляемого слоя a) лист удаляемого слоя с 25 поперечными штырями, двумя прямоугольными отверстиями, расположенными вдоль линии диагонали угол панели-угол панели, с продольным направлением отверстий, ориентированными в продольном направлении панели. b) лист удаляемого слоя с 10 поперечными штырями, тремя прямоугольными отверстиями, расположенными вдоль линии диагонали угол панели-угол панели, с продольным направлением отверстий, ориентированных в продольном направлении панели.
4	Два (примыкающих) листа удаляемого слоя a) лист удаляемого слоя с 14 поперечными штырями, двумя прямоугольными отверстиями, расположенными встык и ориентированными перпендикулярно продольному направлению панели. b) лист удаляемого слоя с 8 поперечными штырями, тремя прямоугольными отверстиями, расположенными встык и ориентированными перпендикулярно продольному направлению панели.
5	Один лист удаляемого слоя без поперечных штырей, с тремя прямоугольными отверстиями: по одному на каждом конце панели удаляемого слоя, ориентированном перпендикулярно продольному направлению панели, и одно отверстие, расположенное в центре листа удаляемого слоя и ориентированное в продольном направлении панели.

Панели 1, 2, 3 и 4 оставались неизменными после распыления оксида алюминия. На панели 5 распыленный оксид алюминия начинал соскальзывать вниз. Видимая трещина получалась в поверхности оксида алюминия панели 5.

Через три часа сушки нагретым воздухом все панели вертикально поднимали и перемещали к основанию печи.

Наблюдали, что отслоение и разглаживание гофрированного картона происходило, когда он был влажным и без подложки, как в случае панели 5. Гладкость поверхности футеровки из базилита важна для надлежащего размещения нестойкого слоя. Получение отверстий после распыления слоя на основе оксида алюминия и помещение штырей в отверстия может работать, только если картон находится на подложке после распыления слоя базилита.

Панели затем помещали на основание печи для сушки при 900°Г (480°С). После сжигания панели 1 и 2 не имели значительных разделяющих трещин. Панели 3, 4 и 5 имели разделяющую трещину, главным образом на поверхности контакта базовой панели и базилита.

Проверку непрерывности зазора проводили на панели 2. Чернила вводили в отверстие, образованное в первом (или наружном) слое панели. Наблюдали, как чернила текут в другие отверстия, образованные в первом слое панели, таким образом подтверждая образование сети газопоглощающих объемов, проходящих по всей площади, образованной удалением удаляемого слоя.

Снижение силы связи как базилита, так и оксида алюминия наблюдали в областях контакта, полученных при помощи прямоугольных прорезей в нестойком слое.

Пример II.

Часть многослойного материала удаляли с панели, полученной согласно описанию в примере I, и устанавливали для сжигания при 2000°Г (1100°С) в течение 2 ч. Картонный нестойкий слой, как обнаруживали, оставлял остаток 9 мас.% после сжигания, с значением ЬО1 (потери при прокаливании) 90,8 мас.%. Остаток содержал 15,51 мас.% А1₂О₃, 23,84 мас.% 81О₂, 51,32 мас.% СаО, 3,15 мас.% МдО, 0,70 мас.% \а₂О, 0,330 мас.% Р₂О₅, 1,63 мас.% Ге₂О₃, 0,62 мас.% К₂О, 0,019 мас.% Сг₂О₃, 1,020 мас.% Т1О₂ и 0,053 мас.% /тО₂.

Нестойкий внутренний слой превращается в золу или другой остаток после сжигания панелей. В

- 8 032292 этом случае основная часть остатка состоит из добавок для обработки, используемых для получения гофрированного картона.

Различные модификации и варианты настоящего изобретения возможны. Таким образом, понятно, что в объеме следующей формулы изобретения изобретение можно осуществлять на практике способом, отличным от конкретно описанного.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Структура футеровки для огнеупорной емкости, содержащая:

a) первый слой, имеющий первую основную поверхность первого слоя и вторую основную поверхность первого слоя, расположенную напротив первой основной поверхности первого слоя,

b) второй слой, имеющий первую основную поверхность второго слоя и вторую основную поверхность второго слоя, расположенную напротив первой основной поверхности второго слоя, причем вторая основная поверхность первого слоя находится в контакте с первой основной поверхностью второго слоя, причем первый слой содержит множество перфораций, проходящих от первой основной поверхности первого слоя до второй основной поверхности первого слоя, причем второй слой содержит по меньшей мере один газопоглощающий объем, причем по меньшей мере один газопоглощающий объем находится в гидравлическом сообщении по меньшей мере с одной перфорацией первого слоя, и причем по меньшей мере один газопоглощающий объем находится в гидравлическом сообщении со второй основной поверхностью второго слоя, причем суммарная площадь поперечного сечения всех перфораций в первом слое меньше, чем суммарная максимальная площадь поперечного сечения всех газопоглощающих объемов во втором слое.
2. Структура футеровки по п.1, в которой первый слой и второй слой имеют одну монолитную структуру.
3. Структура футеровки по п.1, причем структура футеровки состоит из материала, выбранного из группы, состоящей из оксида магния, оксида алюминия, диоксида циркония, муллита и комбинаций этих материалов.
4. Структура футеровки по п.1, в которой суммарная максимальная площадь поперечного сечения всех газопоглощающих объемов во втором слое по меньшей мере в 10 раз больше, чем суммарная площадь поперечного сечения всех перфораций в первом слое.
5. Структура футеровки по п.1, в которой второй слой содержит множество опорных структур, выступающих из второй основной поверхности первого слоя.
6. Структура футеровки по п.1, в которой по меньшей мере один газопоглощающий объем содержит по меньшей мере одну нишу.
7. Структура футеровки по п.1, в которой по меньшей мере один газопоглощающий объем содержит по меньшей мере одну выемку.
8. Структура футеровки по п.1, в которой первый слой имеет толщину в диапазоне от и включая 5 до и включая 100 мм.
9. Структура футеровки по п.1, в которой второй слой имеет толщину в диапазоне от и включая 1 до и включая 50 мм.
10. Структура футеровки по п.1, дополнительно содержащая неперфорированный третий слой, имеющий первую основную поверхность третьего слоя, находящуюся в связи со второй основной поверхностью второго слоя.
11. Структура футеровки по п.10, в которой второй слой содержит множество опорных структур, выступающих из первой основной поверхности третьего слоя.
12. Структура футеровки по п.1, в которой перфорации имеют расширяющуюся геометрию на их пересечении с первой основной поверхностью первого слоя.
13. Структура футеровки по п.1, в которой перфорации имеют геометрию поперечного сечения, выбранную из группы, состоящей из круглой геометрии, эллиптической геометрии, овальной геометрии, квадратной геометрии, прямоугольной геометрии, многоугольной геометрии, геометрии типа параллелограмма и геометрии типа линза.
14. Структура футеровки по п.1, в которой перфорации имеют минимальный диаметр поперечного сечения от и включая 2 до и включая 50 мм.
15. Структура футеровки по п.1, в которой первый слой содержит множество соседних панелей, причем перфорации содержат множество прорезей, описанных соседними панелями.
16. Металлургическая емкость, имеющая внутреннюю и наружную поверхности, причем внутренняя поверхность металлургической емкости содержит структуру футеровки по п.10.
17. Способ минимизации окисления расплавленного металла, предусматривающий:

a) перенос расплавленного металла в емкость со структурой футеровки по п.1,

b) перенос расплавленного металла из емкости.

- 9 032292

- 10 032292