Непрерывная разливка стали на металлургических мини-заводах
Тенденции развития мини-заводов для получения плоского проката и листа
В течение последних 10-15 лет в мировой металлургии полностью оформилась и утвердилась концепция мини металлургических заводов для получения плоского проката. Этому в максимальной степени способствует быстрое развитие машин для непрерывной разливки стали на тонкий сляб или непосредственно на полосу, в максимальной степени адаптированных к современным требованиям к качеству металлопродукции. При этом выход годного листа повышается в среднем на 7-8% в сравнении с прокаткой из толстого непрерывнолитого сляба.
Можно считать, что новый этап развития мини-заводов начался в 1989 г., когда в Крофордсвилле (США) компания «Nucor» ввела в эксплуатацию завод, оснащенный электродуговыми печами и МНЛЗ для получения сляба толщиной 50 мм. При этом слябы передавались непосредственно на стан горячей прокатки. Этот процесс получил название CSP (Compact Strip Production), а разработка предложена компанией «Schloeman-Siamag» (Германия) [21]. На рис.4.34 представлена общая схема разливки стали на тонкослябовой МНЛЗ.
Рис.4.34. Принципиальная схема разливки стали на тонкие слябы
Как видно из представленной схемы, для реализации разливки на тонкие слябы необходимо решить следующие задачи:
- оптимизировать геометрическую форму промковша и стабилизировать перемещение в нем металла в ходе разливки;
- оптимизировать подачу металла в кристаллизатор и опре-делить оптимальные условия перемещения стали в жидкой ванне кристаллизатора;
- разработать методики расчета геометрической формы внутренней полости кристаллизатора с учетом конкретных условий разливки и деформации твердой корочки.
На тонкослябовых установках следующего поколения реализована технология литья с обжатием заготовки с жидкой сердцевиной непосредственно под кристаллизатором (до толщины менее 35 мм) и последующей прокаткой на лист толщиной менее 1 мм. Такое технологическое построение позволяет уменьшить число клетей стана горячей прокатки и создать весьма компактное производство.
В январе 1996 г. вышел на проектную мощность 1,5 млн. т стали в год металлургический завод фирмы «Steel Dynamics», (Батлер, США) на котором реализована технология CSP второго поколения, включающая литье, обжатие и прокатку. Этот процесс получил название CPR (Casting-Pressing-Rolling) [360]. При этом, если стандартная толщина сляба МНЛЗ типа CSP равнялась 50 мм, а расстояние между стенками кристаллизатора на уровне мениска составляло 170 мм, то на МНЛЗ типа CPR за счет обжатия сляба (максимальная толщина 80 мм) представляется возможным дополнительно увеличить толщину кристаллизатора на величину обжатия. Иначе говоря, сечение в зоне мениска кристаллизатора приближается к характерному для классических слябовых МНЛЗ. Благодаря большим размерам сечения заготовки уменьшаются эрозия стенок, захват шлакообразующей смеси в металл сляба, склонность к образованию поверхностных трещин и т.п. Кристаллизатор снабжен системой электромагнитного торможения (Electromagnetic braking – EMBR) конвективных потоков и системой изменения толщины заготовки в пределах 40-80 мм. Меньшая толщина сляба позволяет с большей легкостью прокатывать его в тонкий лист.
В целом для МНЛЗ на заводе в Батлере достигнутая скорость разливки составила 7,7 м/мин. Вместе с другими факторами это обусловило высоту машины от пола на уровне разливочной площадки, равную 11,3 м, что примерно на 2 м выше существующих. По имеющимся данным, использование кристаллизаторов конической формы (рис. 4.5) не ухудшает качество поверхности заготовки. Для обеспечения быстрого ввода затравки без повреждения поверхности кристаллизатора используется оригинальная система, содержащая механизм отвода на большое расстояние противолежащих стенок кристаллизатора. В сравнении с «классическими» слябовыми МНЛЗ следует обратить внимание на повышенные эксплуатационные расходы, которые обусловлены тем фактом, что подвод металла в кристаллизатор на тонкослябовых МНЛЗ достаточно затруднен за счет уменьшения открытой зоны для установки погружного стакана. Это требует разработки специальной геометрической формы погружного стакана, что сокращает срок его службы и, соответственно, ограничивает серийность разливки (рис. 4.35).
Основная проблема в создании погружных стаканов оптимальной геометрической формы заключается в минимизации интенсивности перемешивания металла в кристаллизаторе в условиях литья со скоростями 5 - 7 м/мин и более. Основной поток металла направляется на узкие стенки и, достигнув их, распределяется: примерно 80% металла стекает вниз, а около 20% направляется вверх. Оба эти потока сливаются в движении обратного потока к центру кристаллизатора, причем это движение в нижней части кристаллизатора из-за избытка металла даже направлено вверх.
Рис.4.35. Конструкция погружного стакана для металла в кристаллизатор тонкослябовой МНЛЗ
Фирмой «Mannesmann Demag Huten-Technic» разработан процесс ISP, который во многом аналогичен процессу CSP. Тонкий сляб толщиной 60 мм выходит из кристаллизатора и подвергается на участке опорных роликов мягкому обжатию до толщины 45 мм. Затем после полного затвердевания сляб прокатывается в трехклетьевой группе на полосу толщиной 15-20 мм. После индукционного промежуточного подогрева полоса подвергается смотке. На установке ISP фирмы «Аrvedi» (Италия) можно получать полосу толщиной менее 2 мм. Годовой объем производства составляет 800 тыс. т.
При прямом сопоставлении способов CSP и ISP сторонники способа ISP отмечают следующие преимущества: меньшая установочная длина МНЛЗ; возможность дополнительного производства полосы для более толстых листов путем ответвления части потока металла после первой деформации.
В 1993 г. компания «Tippins» (США) разработала процесс TSP (Tippins Strip Process), заключающийся в получении литых слябов средней толщины (100-150 мм), пропуске их через томильную печь и прокатке на стане Стеккеля на полосу толщиной до 1,2 мм [361]. По мнению экспертов, основными преимуществами получения слябов средней толщины TSP по сравнению с процессами получения тонких слябов являются: высокое качество продукции, возможность получения слябов шириной более 2500 мм, более высокая производительность комплекса. Вместе с тем, серьезным недостатком технологии получения слябов средней толщины являются более высокие удельные затраты на капитальные вложения и себестоимость продукции. Процесс TSP реализован на ряде металлургических заводов в США и Азии, а также на металлургическом заводе «Nova Hut» (Чехия).
В настоящее время количество мини-заводов в мире с получением тонких слябов и слябов средней толщины оценивается на уровне 50-55 штук. При этом около 80% из них оснащено тонкослябовыми МНЛЗ. Основная доля таких мини-заводов приходится на США (около 40%), Западную Европу (18%) и развивающиеся страны (27%), то есть на страны, где наблюдается наибольший темп прироста объемов производства плоского проката. Между тем, даже в самых благоприятных условиях уровень себестоимости продукции мини-заводов не опускается ниже уровня себестоимости плоского проката лучших заводов полного цикла. Следовательно, строительство мини-завода может оказаться экономически эффективным, прежде всего в случае, когда речь идет о наращивании объемов производства, а существующие производственные мощности имеют высокий уровень загрузки. Наиболее вероятным направлением повышения конкурентоспособности мини-заводов для производства плоского проката является литье заготовок близких по форме к конечному продукту, то есть фактически получение тонкого листа толщиной 2-6 мм. Основное преимущество прямой отливки тонкого листа – исключение из технологической схемы операции горячей прокатки с соответствующим сокращением энерго- и трудозатрат.
В агрегатах прямой отливки тонкого листа (рис. 4.36) кристаллизатор состоит из двух валков, расположенных непосредственно под промковшом и вращающихся в противоположных направлениях. Жидкая сталь поступает в пространство между валками и при контакте с поверхностью валков кристаллизуется, образуя корочки, которые двигаются вместе с поверхностью и выходят из валков в форме листа, толщина которого определяется расстоянием между валками, а ширина – боковыми стенками кристаллизатора [362]. Для отвода выделяющегося тепла валки, изготовленные, как правило, из сплава меди с хромом, охлаждаются водой.
Одну из важнейших проблем в литье тонкого листа представляет формирование боковых стенок заготовки, поскольку конструкция боковых стенок должна обеспечивать удержание жидкой стали в кристаллизаторе, предотвращая ее прорывы, а также поддерживать одинаковую температуру металла около стенок и средней части кристаллизатора, чтобы исключить деформацию кромок листа.
В качестве материала боковых стенок используют нитрид бора и нитрид кремния. Итальянская фирма AST предложила использовать композиционный материал, в котором участок стенки, соприкасающийся с жидкой сталью, изготавливается из низкотеплопроводного материала, а участок стенки, прилегающий к торцам валков, - из материала, обладающего высокой ударной стойкостью и малосмачиваемого жидкой сталью.
Рис. 4.36. Схема непрерывного литья листа
Вероятно, весьма перспективным в этом плане может быть метод удержания жидкой стали с помощью электромагнитного поля [363]. Вместе с тем, чтобы удерживать ванну с большой массой жидкого металла, одной только силы Лоренца недостаточно, и необходимо дополнительно использовать твердую стенку. При такой схеме пропускаемый электрический ток направлен от электрода в твердой стенке к отлитой полосе, а пара магнитов, установленных в двух валках создает магнитное поле. Твердая стенка не перекрывает всю боковую поверхность ванны жидкого металла: некоторая придонная часть вблизи раствора валков остается за пределами стенки, и здесь металл удерживается силой Лоренца. Направление электрического тока – в основном вертикальное, а магнитное поле приложено в поперечном направлении. Сила Лоренца направлена внутрь кристаллизатора и препятствует вытеканию металла из ванны.
В технологическом плане важнейшей задачей при литье тонкого листа является обеспечение заданной его толщины. Расширение рабочих валков при нагреве приводит к уменьшению зазора между ними. Кроме того, при отливке листа решающими становятся первые миллисекунды контакта жидкой стали с поверхностью валка, так как теплоотвод при этом значительно сильнее, чем при отливке традиционного сляба, из-за отсутствия шлаковой прослойки между валком и листом. Однако равномерность теплоотвода от затвердевающей корочки во многом зависит от состояния поверхности рабочих валков и количества жидких и твердых оксидов между поверхностями заготовки и валков [361,365].
Учитывая специфические требования к литью тонкого листа, необходимо отметить, что эти условия не могут быть решены путем применения традиционных подходов. Так, с увеличением скорости разливки возрастает влияние формирования потока в кристаллизаторе на качество получаемой заготовки. С учетом этого необходимо иметь технику и технологию подачи металла из промковша в полость кристаллизатора, обеспечивающую равномерное его распределение в жидкой ванне при литье с большими скоростями (50-100 м/мин). При отливке тонкого листа скорости движения затвердевающей корочки и кристаллизатора одинаковы, что исключает необходимость применения технологической смазки. Для защиты металла от теплопотерь и вторичного окисления, как правило, используют металлическую крышку, футерованную огнеупорным материалом с отверстиями для подачи инертного газа.
Создание промышленных и опытно-промышленных агрегатов для литья тонкой полосы осуществляется в соответствии с несколькими конкурирующими проектами. Так, в Европе несколько лет назад немецкая фирма KTS, итальянская фирма AST и австрийская VAI создали объединение для разработки и внедрения установки и технологии для получения тонкого листа на двухвалковой МНЛЗ (проект Eurostrip). В декабре 1999 г. на заводе в Крефельде была разлита первая промышленная плавка массой 36 т с получением листа шириной 1100 мм и толщиной 3 мм. С марта 2000 г. на этом заводе устойчиво разливается полный ковш вместимостью 90 т. МНЛЗ имеет следующие характеристики: диаметр валка - 1500 мм, скорость разливки - 60-100 м/мин (макс. 150 м/мин), толщина листа - 1,5-4,5 мм, ширина листа 1100 мм, емкость промковша - 16 т, годовая производительность – 400 тыс.т.
В январе 2000 г. было объявлено о подписании соглашения между американской фирмой «Nucor», австралийской фирмой BHP и японской фирмой IHI о создании совместного проекта Castrip. Согласно проекту, базовая установка для литья тонкого листа установлена на заводе фирмы «Nucor» в Кроуфордсвилле. При этом намечено получать лист шириной 1524 мм, толщиной 1 мм при диаметре валков 500 мм.
В конце 2000 г. германская фирма «SMS Demag AG» и швейцарская фирма «MAIN AG/Marti-Technologie AG» подписали лицензионное соглашение о строительстве промышленной двухвалковой установки по отливке тонкого листа из углеродистых и нержавеющих марок стали производительностью 300-800 тыс. т в год. Установка оборудована системой привода, обеспечивающей быструю замену валков, а также оригинальным устройством боковых стенок кристаллизатора, позволяющим изменять ширину отливаемого листа. Весь процесс происходит в инертной атмосфере.
Между тем, альтернативные исследования по созданию эффективных технологий литья тонкого листа ведутся в ряде стран мира (Франция, Южная Корея, Япония, Италия, Англия, Германия, Канада). Вероятно, в ближайшем будущем исследования в области непрерывного литья тонкого листа будут сосредоточены на двух основных направлениях: улучшении конструкции функциональных узлов установки для обеспечения возможности серийной разливки и углубленном изучении характеристик литой полосы для более полного использования ее потенциала.
Обобщая все известные исследования, можно утверждать, что технология прямой отливки тонкого листа исключает такие операции традиционного процесса, как отливка и зачистка слябов, их повторный нагрев и прокатку. В результате этого значительно сокращаются капитальные вложения, связанные с оборудованием, и уменьшаются энергозатраты. Опыт работы установки в Крефельде показал, что расход энергии сократился на 2,8 ГДж на тонну стали, или на 85 %, по сравнению с традиционной технологией. Значительно уменьшился выброс парниковых газов: выделение СО2 – на 160 кг/т, или на 85 % по сравнению с использованием для обогрева печей природного газа; выделение NOx – на 207 г/т или на 90 %; выделение SO2 – на 36 г/т или 70%. В то же время некоторые специалисты считают, что максимальная экономия на 1 т проката при производстве углеродистых сталей не превысит 25 долларов США. Однако существенным преимуществом новых процессов является резкое уменьшение затрат на капиталовложения.
Таким образом, обобщая приведенные данные, можно утверждать, что сталеплавильные мини-заводы для получения листовой продукции могут быть достаточно привлекательными для инвесторов в силу ряда экономических и технологических преимуществ (более низкие капитальные затраты, снижение энергоемкости, короткое время прохождения заказов, меньшие затраты на планирование, административное управление и транспорт, уменьшение нагрузки на окружающую среду и пр.). При этом крайне широкие перспективы для использования в технологических системах современных мини-заводов могут иметь двухвалковые МНЛЗ для получения тонкого листа.