Непрерывная разливка стали
СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛ 1.5

Современные тенденции развития технологии и оборудования для непрерывного литья стали

Современная МНЛЗ представляет собой высокотехнологичный агрегат, позволяющий практически полностью защитить металл от вторичного окисления посредством применения высококачественных изостатически прессуемых огнеупоров (защитная труба, погружной стакан и пр.), обеспечить оптимальные режимы качания (за счет использования гидропривода) и автоматическое поддержание уровня металла в кристаллизаторе, осуществлять автоматическое предотвращение прорывов металла, улучшать качество внутренней структуры заготовки посредством наложения на жидкую фазу электромагнитного поля и «мягкого» обжатия заготовки с жидкой сердцевиной и пр.

В целом же к началу XXI века в качественном и количественном аспектах произошло практически полное насыщение металлургических предприятий мира различного рода МНЛЗ и соответствующим технологическим обеспечением. Одним из определяющих направлений в части развития концепции непрерывной разливки стали стало сокращение объемов инвестиций и срока их окупаемости, как при строительстве новых цехов, так и при реконструкции уже существующих. При этом особое внимание уделяется уменьшению удельных затрат на производство металлопродукции. Ведущие мировые производители оборудования для непрерывной разливки достигли высочайших показателей для классических МНЛЗ (разливка сляба, блюма, круга, сортовой заготовки) и сконцентрировали основное свое внимание на альтернативных концепциях по созданию литейно-прокатных агрегатов для получения плоской продукции. Развитие технологий и конструкций машин для непрерывной разливки стали будет происходить в части создания высокоэффективных производственных модулей, которые приобретут гибкую технологическую связь при совмещении процессов выплавки стали, ее разливки и последующей прокатки заготовки.

Мировое производство блюмов (крупных и средних заготовок прямоугольного, квадратного, круглого и фасонного сечений) сегодня оценивается на уровне 210-220 млн.т в год. По состоянию на начало 2008г. в мире насчитывалось примерно 330-340 блюмовых МНЛЗ, около 50 машин для разливки крупной фасонной заготовки и порядка 100 машин для получения круглой заготовки. Средняя производительность одного ручья для блюмовой МНЛЗ составляет около 135-140 тыс.т стали в год. Рекордные показатели производительности на наиболее совершенных блюмовых МНЛЗ мира достигают на японских металлургических заводах «Сумитомо Метал» (размер блюма 300x400 мм) и «Даидо Стил» (размер блюма 370x480 мм) 300 тыс.т стали в год, а на австралийском заводе «БХР Стил» (размер блюма 400x630 мм) – 400 тыс.т стали в год.

Максимальное известное в мире сечение блюмовой заготовки отливается на заводе «БХР Стил» (Австралия). Однако существует еще ряд радиальных блюмовых МНЛЗ в Японии, Корее, Германии и т.д., на которых отливается блюм с размером меньшей стороны 400 мм. При этом базовый радиус таких МНЛЗ составляет 14-15 м.

Между тем, в последнее десятилетие все большее внимание уделяется созданию блюмовых МНЛЗ с небольшим сечением заготовки (180-240 мм). Такие МНЛЗ оказываются более компактными (меньший базовый радиус машины), а также обеспечивают высокое качество внутренней структуры заготовки (уменьшаются осевая ликвация и пористость). В технологическом плане эти МНЛЗ в большей степени адаптированы к применению таких прогрессивных приемов обработки как электромагнитное перемешивание жидкой фазы и «мягкое» механическое обжатие жидкой сердцевины.

В мировой практике в последнее десятилетие строительство новых блюмовых машин носит весьма ограниченный характер (за исключением КНР), что, скорее всего, объясняется насыщенностью рынка блюмовой заготовки. Основным направлением развития этого сегмента в настоящее время является реконструкция действующих МНЛЗ.

Непрерывная разливка круглых заготовок (диаметр свыше 200 мм) осуществляется главным образом для обеспечения трубной промышленности. Кроме того, круглая заготовка является исходным продуктом для производства колес, бандажей, колец различных назначений и т.п. Поэтому МНЛЗ этого типа больше распространены в странах с развитым металлургическим и машиностроительным комплексом. В мире в стадии эксплуатации и строительства насчитывается свыше 140 МНЛЗ (свыше трехсот пятидесяти ручьев) для производства круглых заготовок. Вместе с тем, следует отметить, что примерно половина всех МНЛЗ для разливки круглой заготовки представляют собой комбинированные машины с возможностью разливки заготовок квадратного или прямоугольного сечения.

Использование круглой заготовки по сравнению с применением непрерывнолитых блюмов при производстве труб имеет определенные преимущества. Во-первых, поверхность круглой заготовки имеет более высокое качество, чем квадратной (нет угловых трещин), что обеспечивает более высокое качество и механическую прочность труб. Во-вторых, повышенная плотность равноосной структуры в осевой зоне круглых заготовок обеспечивает снижение количества микродефектов. Последние обычно образуются на внутренней поверхности трубы из-за наличия осевой пористости у квадратных заготовок.

Качественные трубные марки сталей разливаются преимущественно на радиальных или криволинейных МНЛЗ с многоточечным загибом и разгибом заготовки, что позволяет получать заготовки диаметром 300-450 мм (максимально до 600 мм, завод «ELLWOOD STEEL», Бельгия). Базовый радиус на этих машинах колеблется в пределах 12-14 м в зависимости от максимального диаметра отливаемой заготовки. В целом, говоря о непрерывной разливке круглых стальных заготовок, можно отметить, что в последнее время полностью оформилась тенденция создания комбинированных МНЛЗ, которые позволяют разливать несколько различных сечений блюмов, а также круглых заготовок. Примером такого подхода является четырехручьевая радиальная МНЛЗ-1 с диаметром круглой заготовки 430 мм на Нижнетагильском металлургическом комбинате (Россия). Она представляет собой четырехручьевую машину криволинейного типа с базовым радиусом 12 м и радиальным кристаллизатором. Скорость разливки 0,45-0,50 м/мин для круглой заготовки. Кроме того, машина позволяет разливать блюм сечением 300x360 мм со скоростью до 0,6 м/мин.

В 2006 г. на Таганрогском металлургическом заводе (Россия) вступила в эксплуатацию комбинированная пятиручьевая МНЛЗ для получения круга диаметром 150-400 мм.

При этом МНЛЗ позволяет также разливать квадратную заготовку сечением от 150x150 мм до 340x340 мм. Проектная производительность машины составляет 950 тыс. т в год.

Аналогичная МНЛЗ поставлена фирмой «SMS-Demag» на Северском трубном заводе.

В 2008 г. на мини-заводе ЗАО «Азовэлектросталь» (г.Мариуполь) в электросталеплавильном цехе запущена в эксплуатацию двухручьевая комбинированная блюмовая МНЛЗ, обеспечивающая производство квадрата 250х250 мм и круга диаметром 400 мм. Качество стали обеспечивается ее обработкой на установке ковш-печь и вакууматоре.

Разработка и промышленная реализация процесса непрерывной разливки фасонной заготовки, имеющей геометрическую форму близкую к двутавровой балке, является одним из значимых технологических достижений в области литья стали. Использование непрерывной разливки для получения фасонной балочной заготовки (так называемая «собачья кость») позволяет существенно снизить себестоимость готового проката, а также сократить потребление энергии и выбросы двуокиси углерода. Так, к основным преимуществам этой технологии относят:

  • экономию капитальных затрат для нового балочного стана до 25-30% за счет исключения черновой клети;
  • повышение производительности прокатного передела на 15% за счет исключения черновой клети и связанных с ней черновых проходов;
  • снижение потребности в электроэнергии на 50% за счет уменьшения числа обжатий;
  • повышение выхода годного на 1,0-1,5%.

Непрерывная разливка фасонных заготовок получила широкое распространение в мире, особенно на металлургических заводах США, Японии и Южной Кореи. В основном эти МНЛЗ расположены в электросталеплавильных цехах, большая часть из которых работает с использованием шихты прямого восстановления. Практически все МНЛЗ (их число на сегодняшний день превышает 60 единиц) для производства балочных фасонных заготовок в конструкционном плане являются комбинированными, что предполагает разливку на них прямоугольных заготовок.

На территории СНГ в 2000 г. на Нижнетагильском металлургическом заводе была введена в эксплуатацию двухручьевая МНЛЗ-3 с базовым радиусом 12 м для отливки фасонной заготовки нескольких типоразмеров, предназначенной для прокатки колонных профилей и крупных широкополочных балок с высотой 600-1000 мм. На машине отливают также прямоугольные заготовки сечением 200х(500-600) мм.

В целом же следует ожидать, что новые металлургические комплексы с разливкой стали на фасонную заготовку будут сооружаться в быстро развивающихся регионах мира (например, КНР, Латинская Америка и пр.). При этом дополнительным стимулирующим фактором будет ограничение применения в строительстве материалов на основе древесины.

Машины, разливающие сортовую заготовку (сечение – квадрат 100-160 мм), получили максимальное распространение в последние два десятилетия, что, прежде всего, объясняется радикальным увеличением удельной производительности одного ручья. В настоящее время годовой объем стали, разливаемой на одном ручье современной МНЛЗ для сортовой заготовки составляет 200-250 тыс. т при скорости вытяжки заготовки 4,5-6,6 м/мин. Наиболее часто МНЛЗ для сортовой заготовки имеют в своем составе 4-6 ручьев, что позволяет им работать по совмещенной модульной схеме (сталеплавильный агрегат – ковш-печь – МНЛЗ) практически в любом сталеплавильном цехе.

Достижение высоких скоростей вытяжки сортовой заготовки (до 5,5-6,5 м/мин) обеспечивается, прежде всего, за счет улучшения контакта поверхности заготовки с внутренней поверхностью медной водоохлаждаемой гильзы. При этом лимитирующим звеном является величина толщины твердой корочки на выходе из кристаллизатора, которая обеспечивает прочность твердого каркаса заготовки и предотвращает прорывы жидкого металла.

В практике современных сортовых МНЛЗ широко используются гильзы для кристаллизаторов с так называемым параболическим профилем, который в максимальной степени учитывает уменьшение сечения заготовки по мере продвижения в кристаллизаторе, связанное с усадкой металла. Рабочая поверхность таких гильз обычно имеет специальное защитное покрытие на основе хрома или никеля, что обеспечивает повышенную эксплуатационную стойкость (до 20-25 тыс. т стали для одной гильзы).

Дальнейшее развитие концепции высокоскоростного кристаллизатора для сортовых МНЛЗ, видимо, будет происходить в части оптимизации внутреннего профиля гильзы и совершенствования состава защитного покрытия, наносимого на его внутреннюю поверхность. Наиболее вероятным вариантом в будущем представляется нанесение специальных керамических покрытий, что наряду с повышением его износостойкости может обеспечить существенное уменьшение сил трения между заготовкой и кристаллизатором в процессе литья.

Учитывая тот факт, что с повышением скорости литья существенно турбулизируется процесс перемешивания металла в кристаллизаторе, в современных сортовых МНЛЗ все большее распространение получает метод электромагнитного торможения потоков стали, инициируемых падающей струей.

Вместе с тем, следует иметь в виду, что использование электромагнитного перемешивания требует существенных капитальных вложений и заметных удельных затрат в процессе литья, что, собственно, пока и ограничивает применение этого метода.

Существенным резервом повышения производительности сортовых МНЛЗ является разливка стали длинными и сверхдлинными сериями. Мировая практика показывает, что на современных сортовых МНЛЗ может быть осуществлена разливка 300-400 плавок без остановки машины. При этом лимитирующим звеном, ограничивающим цикл разливки из одного промковша, является износ (эрозия или зарастание) стакана-дозатора. Фактически это огнеупорное изделие имеет ограниченный эксплуатационный ресурс (15-20 часов). В связи с этим сортовые МНЛЗ оснащаются специальными устройствами, обеспечивающими быструю замену стакана-дозатора без остановки процесса литья. Такая система разливки представляется достаточно перспективной в части увеличения длительности эксплуатации промковша (и, следовательно, снижения удельных затрат на огнеупоры). Кроме того, она обеспечивает возможность корректирования скорости разливки посредством использования стаканов-дозаторов различного диаметра.

Принимая во внимание тот факт, что сортовая заготовка является высоколиквидным товаром на мировом рынке, следует ожидать дальнейшего ужесточения требований к ее конфигурации (минимизация показателя «ромбичность») и к качеству поверхности. Это обеспечит дальнейший прогресс в части оптимизации конструкции кристаллизатора, включая применение гидравлического привода качания и электромагнитного перемешивания, а также совершенствования состава защитного покрытия на внутренней поверхности гильзы. Соответственно, на практике продолжится процесс совершенствования конструкции функциональных узлов сортовых МНЛЗ, что обусловит необходимость реконструкции находящихся в эксплуатации машин. Вероятно, все большее распространение для сортовых МНЛЗ получит метод разливки стали закрытой струей с использованием классической схемы дозирования «стопор-моноблок» - «стакан-дозатор», что обеспечит существенное повышение качества заготовки. В целом ведущие производители изостатических огнеупоров уже освоили производство необходимых изделий.

Примерно 2/3 всего объема производимой в мире стали разливается на слябовых МНЛЗ. Основными производителями непрерывнолитых слябов являются КНР, Япония, США, Германия, Корея и Россия. На их долю приходится более 80% общего объема производства слябов в мире. При этом в мире насчитывается более 650 слябовых МНЛЗ с общим числом ручьев свыше 900 штук.

На МНЛЗ получают главным образом сляб толщиной 150-300 мм. Максимально известная на сегодня толщина сляба, составляет 400 мм и разливается такой сляб на МНЛЗ вертикально типа. Наибольшую ширину слябов можно получить на МНЛЗ, работающей на металлургическом заводе «Anyang Iron & Steel» (Китай). При толщине заготовки 150 мм эта машина позволяет разливать сляб шириной от 1600 до 3250 мм со скоростью до 2 м/мин.

Изменение представлений о современной слябовой МНЛЗ привело к тому, что большинство машин в странах Европы, Японии и США подверглись или подвергаются серьезной модернизации. А новые МНЛЗ, сооруженные по вышеперечисленным принципам, имеют производительность в 1,5-1,8 раза выше, чем агрегаты непрерывной разливки стали, построенные 15 и более лет назад. Благодаря этому заметно возрастает удельная производительность машин непрерывного литья заготовок, поэтому, вряд ли можно ожидать существенного прироста количества слябовых МНЛЗ (за исключением КНР). Более того, развитие технологии непрерывной разливки заготовки для плоского проката все в большей степени концентрируется на получении тонкого сляба с его последующей прокаткой без охлаждения. Отличительной особенностью тонкослябовых МНЛЗ является принципиально новая конфигурация внутренней полости кристаллизатора, имеющая так называемую «чечевицеобразную форму» (рисунок 1.12). При этом толщина сляба в осевой зоне у мениска составляет, как правило, 130-150 мм при толщине сляба на выходе из кристаллизатора 60-80 мм.

Такая конфигурация кристаллизатора позволяет не только обеспечить подвод металла с помощью погружного стакана специальной плоской формы («бобровый хвост»), но и улучшить питание жидкой сердцевины заготовки за счет обжатия твердой корочки в нижних горизонтах.

Современная технология совмещения непрерывного литья тонких слябов и горячей прокатки первоначально была создана в странах Европейского Союза (ЕС), и затем эта технология была существенным образом усовершенствована в ходе промышленного внедрения. ЛПМ (рисунок 1.16) хорошо вписываются в технологическую цепочку, как с конвертерами, так и с современными дуговыми печами. Последнее преимущество способствовало быстрому распространению технологии разливки на тонкие слябы в рамках создания мини-заводов для выпуска плоского проката. Особенно актуальными являются ЛПМ для новых мини-заводов в развивающихся странах. Характерной чертой современных ЛПМ является высокий уровень автоматизации всех операций и этапов разливки и прокатки заготовки.

В последние десятилетия в металлургической практике большое внимание уделяется созданию машин для непрерывной разливки стали непосредственно на тонкий лист (рисунок 1.13). Целесообразность их создания стимулируется достаточно высокими показателями, обеспечивающими их конкурентоспособность с точки зрения высокого уровня энергосбережения, низкого уровня капитальных вложений и высокой адаптивностью к различным объемам производства стали (то есть возможностью реализации в условиях мини- и микрозаводов).

Между тем создание двухвалковых МНЛЗ представляется сложной комплексной задачей, решение которой требует новых конструкционных материалов, а также развития теоретических положений в части обеспечения затвердевания стали в условиях разливки со скоростями 50-100 м/мин при повышенных требованиях к качеству поверхности непрерывнолитой заготовки (листа).

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 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, производительность – 400 тыс. т в год.

Главным объектом внимания при разливке стали на двухвалковых МНЛЗ является качество получаемой продукции. Это относится, прежде всего, к качеству поверхности листа и наличию в нем трещин.

В целом развитие технологии и оборудования для непрерывной разливки стали в последние полтора-два десятилетия обеспечило существенный прогресс в этой области. Практически для всех типов МНЛЗ (блюмовые, сортовые, слябовые) ведущими фирмами-изготовителями предлагаются комплексные решения, обеспечивающие высокую производительность в сочетании с гарантированно высоким качеством заготовки.

Можно утверждать, что на рубеже нового столетия в мировой металлургической практике сформировалось новое поколение МНЛЗ, характеризующееся высокой эффективностью и конкурентоспособностью. Это, в свою очередь, стимулирует модернизацию и реконструкцию действующих МНЛЗ. Процессы эти, видимо, будут продолжаться и далее, что обусловливается повышением требований к качеству металлопродукции, а также расширением марочного состава сталей.

Наиболее серьезным научным и технологическим прорывом представляется создание ведущими западными фирмами ЛПМ для разливки тонких слябов, обеспечивающей качество на уровне технологии получения листа из традиционного сляба. Среди важнейших преимуществ тонкослябовых МНЛЗ можно выделить возможность получения слябов шириной свыше 3000 мм и существенное уменьшение потерь энергии и металла в ходе последующего прокатного передела. Немаловажым представляется и тот факт, что ЛПМ успешно используются в технологическом построении типа мини-завод.

СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛ 1.5

СТАТЬИ

ПОПУЛЯРНОЕ

КОНФЕРЕНЦИИ

КНИГИ