Непрерывная разливка стали
СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛ 1.1

История развития, сущность, преимущества и особенности непрерывной разливки стали

Под непрерывной разливкой стали обычно принято подразумевать систему технологий и операций, которые обеспечивают квазинепрерывный перевод жидкой стали, находящейся в сталеразливочном ковше, в твердое состояние в виде заготовок определенной геометрической формы.

Процесс непрерывной разливки металла обеспечивает последовательную (без остановок) разливку определенного количества ковшей, подаваемых от сталеплавильных агрегатов, а получаемая заготовка при этом разрезается на мерные длины в соответствии с требованиями потребителей и затем отправляется на перекат в соответствующие прокатные цехи. При этом выход годной заготовки составляет 98,5-99,5% от массы разлитой жидкой стали. Разливку стали непрерывным способом осуществляют на специальных машинах, называемых машинами непрерывного литья заготовок (МНЛЗ), которые имеют определенную конструкционную архитектуру (рисунок 1.1), включающую поворотный стенд для замены сталеразливочных ковшей, промежуточный ковш, кристаллизатор, зону вторичного охлаждения заготовки, тянуще правильный механизм и пр.

Общая схема непрерывной разливки сталиСущество процесса непрерывной разливки заключается в том, что жидкая сталь из сталеразливочного ковша поступает в промежуточный ковш, а далее в интенсивно охлаждаемую сквозную форму прямоугольного, квадратного, круглого или специального фасонного сечения – кристаллизатор, где происходит частичное затвердевание непрерывно вытягиваемого слитка и образуется твердая оболочка, заполненная жидкой сталью по форме и сечению, соответствующая готовой заготовке. Частично затвердевшая заготовка с помощью транспортирующей системы (тянущей клети) поступает в зону вторичного охлаждения, где происходит ее полное затвердевание. Полученный слиток режется на мерные длины, охлаждается и с помощью рольганга или других транспортных средств направляется в соответствующий прокатный цех или на склад.

При подготовке МНЛЗ к разливке в каждом кристаллизаторе с помощью специального устройства – затравки устраивается сплошное подвижное «дно». Верхний конец затравки, имеющий пазы, вводится в кристаллизатор, ее противоположный конец находится в зацеплении с тянущим устройством.

Рисунок 1.1 – Общая схема непрерывной разливки стали: 1 – сталеразливочный ковш; 2 – жидкая сталь; 3 – промежуточный ковш; 4 – кристаллизатор; 5 – заготовка; 6 – зона вторичного охлаждения

По мере наполнения кристаллизатора металл затекает в пазы и, быстро затвердевая, образует прочное сцепление с затравкой. Затем включается тянущее устройство, и твердая оболочка с жидкой сердцевиной вытягивается в зону вторичного охлаждения.

Для образования прочной твердой оболочки (корочки металла) стенки кристаллизатора изготавливаются из материала, обладающего высокой теплопроводностью, и интенсивно охлаждаются водой. Для уменьшения трения между коркой (оболочкой) твердого металла и стенками кристаллизатора, предотвращения смачивания стенок кристаллизатора жидкой сталью и создания нейтральной или восстановительной атмосферы на поверхность металла в кристаллизаторе подают жидкую или твердую смазку в виде различных масел, углеводородов, а также экзотермических теплоизолирующих шлаковых смесей. Наряду с этим для предотвращения разрыва оболочки и прилипания корочки металла к стенкам кристаллизатора последний совершает возвратно-поступательное движение (качание) с помощью специальных механизмов.

Из кристаллизатора, как уже указывалось, частично затвердевший слиток попадает в зону вторичного охлаждения, которая состоит из опорных элементов (роликов) и устройств, обеспечивающих охлаждение слитка. Опорные элементы должны, прежде всего, предотвращать деформацию оболочки слитка и искажение ее формы под действием ферростатического давления. Охлаждение осуществляется обычно орошением поверхности слитка водой, расход которой зависит от разливаемой марки стали и скорости вытягивания слитка.

После того, как полностью затвердевший слиток в месте соединения с затравкой выходит из тянущего устройства, затравка отсоединяется от слитка и убирается специальным механизмом, а слиток поступает в устройство для резки.

По окончании разливки остатки слитка выводятся из машины, убирается промежуточный ковш, проводится контроль и настройка действия механизмов и системы охлаждения, затем вновь вводится затравка.

Первые полупромышленные (пилотные) установки появились в мире сразу после окончания второй мировой войны в нескольких ведущих индустриальных странах (таблица 1.1).

Таблица 1.1 – Основные этапы конструирования МНЛЗ и усовершенствования технологии для непрерывной разливки стали

Основные этапы конструирования МНЛЗ и усовершенствования технологии для непрерывной разливки стали

Основные этапы конструирования МНЛЗ и усовершенствования технологии для непрерывной разливки стали

Основные этапы конструирования МНЛЗ и усовершенствования технологии для непрерывной разливки стали

Основные этапы конструирования МНЛЗ и усовершенствования технологии для непрерывной разливки стали

Так, опытные машины вертикального типа были сооружены в 1946 г. на заводе в городе Лоу Мур (Великобритания), в 1948 г. – на фирме «Бабкок и Уилкокс» (г.Бивер Фоле, США), в 1950 г. – на фирме Маннесманн АГ (г.Дуйсбург, Германия) и т.д. В СССР первая опытная МНЛЗ вертикального типа ПН-1-2 была сооружена в 1945 г. в институте ЦНИИчермет и предназначалась для отливки заготовок круглого и квадратного сечений (размер стороны квадрата и диаметр до 200 мм). Опыт работы на этой установке позволил определить некоторые основные особенности технологического процесса разливки и связанные с ними требования к конструкции отдельных узлов машины.

В 1947 г. была пущена экспериментальная МНЛЗ ПН-3 ЦНИИчермета, предназначенная для исследований и разработки технологического процесса полунепрерывной разливки стали и специальных сплавов в заготовки мелких сечений.

В 1948 г. была построена установка ПН-4 для разливки стали различных марок на слябы толщиной 200 мм и шириной 500 мм, а в 1949 г. - установка ПН-5 ЦНИИчермета, позволявшая разливать слиток с максимальной толщиной 300 мм и шириной 900 мм.

Первая горизонтальная МНЛЗ в СССР была построена на Московском металлургическом заводе «Серп и молот» в конце 1949 г. (машина М.Ф.Голдобина), на которой в течение пяти лет было отлито примерно 9500 т стали. Двумя годами позже в мартеновском цехе Бежецкого машиностроительного завода была сооружена опытно-промышленная машина непрерывной разливки наклонного типа (квадратная заготовка).

Однако установки горизонтального и наклонного типов получили гораздо меньшее распространение в промышленности, чем вертикальные, из-за целого ряда существенных конструктивных проблем и недостатков. С 1951 г. на заводе «Красный Октябрь» (г. Волгоград) заработала первая в СССР опытно-промышленная установка непрерывной разливки стали вертикального типа.

Между тем, в течение первого десятилетия после начала экспериментальных работ промышленное использование процесса непрерывной разливки развивалось относительно медленно, что, вероятно, объясняется некоторой инерционностью в развитии новых технологий.

Первые промышленные МНЛЗ были запущены в эксплуатацию в конце 50-х – начале 60-х годов ХХ века. Одна из первых промышленных слябовых МНЛЗ была запущена 30 июня 1960 г. в мартеновском цехе Донецкого металлургического завода. Примечательно, что эта машина продолжает работать и в настоящее время.

Бурное распространение и широкое внедрение непрерывной разливки стали происходило с начала 70-х г.г. в странах Западной Европы, СССР, Японии и США. Так, еще в 1970 г. только 4,5% стали разливалось на МНЛЗ, а в 1987 г. этот показатель превысил 50% (рисунок 1.2).

Динамика наращивания объемов стали, разливаемой на МНЛЗ в период с 1970 по 2010 г.г.

Рисунок 1.2 – Динамика наращивания объемов стали, разливаемой на МНЛЗ в период с 1970 по 2010 г.г.

Этому способствовал экономический рост, наблюдаемый в большинстве промышленно развитых стран мира, что обусловило, по сути, быстрое внедрение многих высокоэффективных технологических процессов и стимулировало развитие новых технологических построений в черной металлургии.

На практике в это время было реализовано много высокоэффективных решений относительно конструкции кристаллизатора, использования новых расходуемых материалов (шлакообразующая смесь, огнеупоры для дозирования истечения стали), оптимизации работы зоны вторичного охлаждения и пр. В целом к концу 80-х г.г. процесс непрерывной разливки стали получил всемирное признание и стал определяющим в сталелитейном производстве. Сегодня МНЛЗ успешно работают более чем в 90 государствах мира, а их общее количество превышает 2000 единиц.

К началу третьего тысячелетия практически все более или менее современные сталеплавильные цехи были полностью оснащены МНЛЗ, что позволило достичь показателя доли непрерывной разливки в мире на уровне 94,1% в 2009 г.

При этом в большинстве стран мира доля стали, разливаемой на МНЛЗ, превышает 95-97%, а в целом ряде стран составляет 100%. Исключение составляют такие государства, как Россия, Украина, Бразилия и некоторые другие, в которых доля непрерывной разливки значительно ниже в силу продолжающейся модернизации сталеплавильного комплекса.

В настоящее время ведущими производителями МНЛЗ в мире, определяющими направление развития оборудования и технологии непрерывной разливки, являются фирмы Siemens-VAI (Австрия, Германия), SMS-Demag (Германия), Danieli (Италия), Sumitomo (Япония) и пр. В Украине единственным производителем МНЛЗ является ОАО «Новокраматорский машиностроительный завод». В России производство МНЛЗ осуществляется на ЗАО «Машиностроительная корпорация «Уралмаш».

Преимущества машин непрерывного литья стали по сравнению с разливкой стали в изложницы обусловлены следующими основными факторами:

  • повышение выхода годного металла по заготовке за счет уменьшения головной и донной обрези на 15-25%;
  • снижение уровня капиталовложений (за счет сокращения площадей под оборудование на 30-35%, а в некоторых случаях до 50%): отпадает необходимость в большом парке изложниц и сталеразливочных тележек, в применении стрипперных кранов и стационарных машин для извлечения слитков из изложниц, установок для охлаждения и подготовки составов с изложницами и пр.;
  • устранение необходимости оснащения завода обжимным цехом и выполнения целого ряда дополнительных операций по обработке металла;
  • обеспечение на 20-35% экономии сырьевых и энергетических ресурсов (внедрение МНЛЗ с выводом из эксплуатации обжимных цехов позволяет уменьшить энергоемкость продукции на 600-620 МДж/т заготовки при доле горячего посада слитков 90% и на 1550-1600 МДж/т при доле холодного посада 100%);
  • повышение производительности сталеплавильного цеха за счет повышения выхода годного и увеличения ритмичности производства;
  • оптимальное совмещение работы МНЛЗ с работой прокатных станов в части получения оптимальных геометрических форматов продукции;
  • высокое качество продукции (повышение физической однородности слитка, снижение уровня ликвации и т.п.);
  • сокращение на 20-30% численности обслуживающего персонала;
  • высокий уровень автоматизации технологического процесса непрерывной разливки стали, позволяющий контролировать качество заготовки в процессе литья;
  • улучшение экологической обстановки за счет снижения запыленности производственного пространства, уменьшения загрязненности воды (вода, используемая для кристаллизатора и механизмов МНЛЗ, циркулирует по замкнутым оборотным системам водоснабжения) и пр.;
  • улучшение условий труда (устраняются такие тяжелые работы, как уборка скрапа и боя огнеупоров, укладка сифонных проводок, установка изложниц и пр.).

Основными видами непрерывнолитой заготовки (рисунок 1.3), которые отличаются, прежде всего, геометрической формой, являются: сляб (Slab) – заготовки прямоугольного сечения с большим значением отношения ширины к толщине, блюм (Bloom) – заготовки квадратного или прямоугольного сечения с небольшим отношением ширины к толщине и толщиной более 200 мм, сортовая заготовка (Billet) – квадратного сечения толщиной до 200 мм, круг (Round) и специальные фасонные профили, например, типа «собачья кость» (Dog Sholder). В мировой металлургической практике промышленно производятся непрерывнолитые заготовки следующих максимальных сечений: блюм 600х670 мм, круг диаметром 600 мм, сляб толщиной до 400 мм и сляб шириной до 3300 мм.

Однако основные направления развития техники и технологии непрерывной разливки стали продолжают фокусироваться на совершенствовании процессов литья заготовок традиционных сечений (сляб, блюм) и на создании новых МНЛЗ для получения сортовых заготовок квадратного и круглого сечения, тонких слябов, листа и фасонных профилей, которые в максимальной степени приближены к готовой продукции (с учетом необходимого обжатия при прокатке).

Основные виды сечений непрерывнолитой заготовки

Рисунок 1.3 – Основные виды сечений непрерывнолитой заготовки

Преимущества такого подхода легко увидеть на рисунке 1.4, позволяющем сравнить систему технологий производства квадратной заготовки с использованием сортовых МНЛЗ и консервативную систему производства квадратной заготовки с разливкой в изложницы и прокаткой на блюминге и крупносортном стане.

Наблюдающееся в последнее время заметное увеличение удельной производительности сталеплавильных агрегатов (особенно дуговых сталеплавильных печей) способствует развитию тенденции ускоренной модернизации существующих МНЛЗ с целью повышения их производительности при одновременном повышении качества заготовки.

Примечательно то, что 50-55% всех МНЛЗ были либо сооружены, либо реконструированы именно в последние 10-15 лет, что свидетельствует о непрерывном научно-техническом прогрессе в технологии и оборудовании для непрерывной разливки. Это, прежде всего, относится к слябовым и сортовым МНЛЗ.

СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛ 1.1

СТАТЬИ

ПОПУЛЯРНОЕ

КОНФЕРЕНЦИИ

КНИГИ