Вклад украинского научно-исследовательского института металлов в развитие технологии непрерывной разливки стали

Сталинский Д.В., Рудюк А.С., Глазков А.Я.
УкрГНТЦ «Энергосталь»

Первые в стране и мире установки непрерывной разливки стали (УНРС) радиального и горизонтального типов были созданы Украинским государственным научно-исследовательским институтом металлов (УкрНИИМетом).

В 1956 году, по Приказу министра черной металлургии СССР И.Ф. Тевосяна, в институте создана лаборатория непрерывной разливки стали, руководителем которой назначен В.Т. Сладкоштеев. Впоследствии в связи с увеличением объема работ на базе лаборатории организован отдел непрерывного литья заготовок. В соответствии с утвержденным положением о специализации научно-исследовательских институтов черной металлургии и координации их деятельности УкрНИИМет был определен ведущим исполнителем по научно-техническому направлению «Непрерывная разливка стали».

На опытном заводе института построена экспериментальная УНРС вертикального типа, на которой отрабатывались технологические параметры, в дальнейшем используемые при освоении УНРС Донецкого метзавода. Разрабатывалась технология непрерывной разливки спокойной, полуспокойной и кипящей стали. С целью предотвращения образования трещин на слябах УкрНИИМетом впервые было предложено осуществлять разливку стали на УНРС в кристаллизаторы с волнистой поверхностью. Кроме того, разработана технология непрерывной разливки котельной и судовой стали в слябы сечением 150–200x600–1200 мм. Однако, наряду с прогрессивностью вертикальных УНРС в целом (высокая экономическая эффективность, ресурсо- и энергосбережение), были выявлены и существенные недостатки, которые заключаются в следующем: высота установки требует строительства дорогостоящего колодца или башни; в связи с вертикальным расположением слитка необходимы механизмы для подачи и уборки затравок, порезки слитка на мерные длины, подъема их на уровень пола цеха и транспортировки; трудности в совмещении непрерывной разливки с непрерывной прокаткой. Кроме того, прочность корочки кристаллизующегося слитка и жесткость поддерживающих устройств не позволяют получить технологическую длину (расстояние от мениска жидкого металла) на вертикальных машинах. Эти задачи были решены коллективом УкрНИИМета при создании машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) радиального типа.

Работы над новым типом машин начаты институтом в 1960 году. Реализация идеи радиальной МНЛЗ зависела от решения целого ряда сложных и принципиально новых задач – теоретических, технологических, конструкторских, эксплуатационных, – ответы на которые могли быть получены только в процессе проведения исследований на опытных машинах.

На первом этапе конструирования экспериментальной установки в УкрНИИМете предпринята попытка расположить технологическую линию МНЛЗ, включая кристаллизатор (с сохранением его естественного вертикального положения) и поддерживающие устройства зоны вторичного охлаждения, по дуге окружности. Машины с изогнутой по дуге окружности технологической осью, впоследствии названые радиальными, позволили в 1,5 раза увеличить технологическую длину и, соответственно, скорость разливки, а также получить другие технико-экономические преимущества по сравнению с УНРС вертикального типа – уменьшение капитальных затрат, упрощение обслуживания и др.

В 1962 году в УкрНИИМете впервые в мире создана и испытана экспериментальная радиальная УНРС [1]. На этой установке проведен большой комплекс научно-исследовательских работ по изучению особенностей процесса разливки стали; детально исследованы теплофизические условия затвердевания стали и установлены закономерности процесса, дающие возможность определять основные конструктивные параметры УНРС и параметры литья слитков различных сечений (радиус кривизны установок, расположение кристаллизаторов относительно центра кривизны, скорости разливки, режимы первичного и вторичного охлаждения). В итоге учеными института созданы теоретические основы процесса отливки слитков на радиальных УНРС, которые позволяют решать вопросы, связанные с разработкой конструкций установок и технологических параметров разливки, обеспечивающих получение металла удовлетворительного качества.

По исходным данным УкрНИИМета была построена опытно-промышленная радиальная УНРС на Уральском заводе тяжелого машиностроения (УЗТМ) и проведены экспериментальные исследования конструкций оборудования, разливаемости непрерывным способом самых разнообразных марок сталей, а также отработана технология непрерывной разливки квадратных заготовок, слябов и фасонных заготовок балочного профиля, проанализировано качество получаемых слитков. Исследования на опытной и опытно-промышленной установках позволили получить все необходимые данные для проектирования и строительства промышленных МНЛЗ радиального типа.

Первая из них спроектирована ВНИИМетмашем по технологическому заданию УкрНИИМета и введена в эксплуатацию в 1966 году в мартеновском цехе Руставского металлургического завода. Радиальная МНЛЗ снабжена двумя ручьями для разливки стали в слябы сечением 160x900 и 180x900 мм из разливочных ковшей емкостью 200 т. Ковши такой емкости до этого на МНЛЗ не применялись. Базовый радиус машины – 8 м, длина технологической линии – 12 м, проектная производительность – 220 тыс. т в год.

В конструктивном отношении радиальная МНЛЗ отличается рядом передовых технических решений, обусловленных ее принципиально новой схемой:

• применение для установки промковшей двух независимых тележек, что позволяет сменить промковши в процессе разливки;
• наличие механизма качания кристаллизатора с качающейся рамой, закрепленной в центре кривизны;
• использование в зоне вторичного охлаждения легкосъемных роликовых секций, устанавливаемых на несущую раму в собранном виде;
• переменный шаг роликов вдоль зоны вторичного охлаждения в соответствии с ростом толщины закристаллизовавшейся корочки слитка;
• выполнение дугообразной затравки с радиусом, соответствующим базовому радиусу машины;
• консольное изготовление роликов рольганга в зоне резки сляба на мерные длины и их уборка с линии огня в направлении, перпендикулярном оси рольганга.

В процессе эксплуатации радиальной МНЛЗ освоена промышленная технология разливки углеродистой спокойной стали, обеспечивающая стабильную разливку 200-тонных плавок в слябы сечением 160x900 и 180x900 мм и удовлетворительное качество слябов при скоростях 0,8–1,0 м/мин.; проведен анализ качества получаемых слябов и прокатанных из них листов, классифицированы имеющиеся в них дефекты и доказано соответствие всех качественных показателей требованиям ГОСТ [2, 3].

В 1972 году МНЛЗ Руставского метзавода переоборудована на четыре ручья для отливки сортовых и трубных заготовок сечением 220x280 мм. Полученные непрерывнолитые заготовки прокатывались на стане 900/750 для производства сорта (круг и арматура диаметром 12–30 мм) на стане 320 и труб (диаметром 63–95 мм с толщиной стенки 5–20 мм) на стане 140. При производстве труб и сорта из заготовок, отлитых на радиальной МНЛЗ по разработанной технологии, отмечалось высокое качество поверхности и макроструктуры готового проката. Выход годного сортового проката составил 100 %, выход годных труб – 99,6 %. С первой разливки МНЛЗ характеризуется хорошей работоспособностью всех основных узлов, доказана возможность получения качественных слитков из различных марок сталей [4, 5].

Однако ограничение скорости разливки величиной, при которой затвердение заканчивалось на дуговом участке технологической линии, не обеспечивает в дальнейшем, согласно расчетам, необходимого уровня производительности промышленных радиальных МНЛЗ.

Для преодоления этого ограничения конструкторами УЗТМ совместно со специалистами УкрНИИМета в 1964 году проведены работы по теоретическому обоснованию возможности увеличения скоростей разливки за счет выведения жидкой фазы слитка на горизонтальный участок установки и правки его в дугофазном состоянии. С целью исключения появления внутренних дефектов в слитке в процессе его разгиба была найдена определенная переходная кривая технологической линии в месте сопряжения дуги с горизонталью, обеспечивающая наиболее оптимальные условия правки слитка. На базе теоретических исследований УЗТМ в 1965 году проведена реконструкция опытно-промышленной радиальной МНЛЗ и создана первая МНЛЗ криволинейного типа. При этом правка слитка в двухфазном состоянии обеспечена роликовой проводкой, в которой ролики расположены по переходной кривой с плавным увеличением радиуса кривизны до бесконечности. Общая длина технологической линии увеличена с 5,2 до 12 м.

Впервые в мировой практике на установке использован ряд новых технологических решений, впоследствии ставших общепринятыми не только в СССР, но и за рубежом.

Положительные результаты эксплуатации первых промышленных МНЛЗ (радиальной и криволинейной) стали основой для принятия правительственных решений об оснащении криволинейными МНЛЗ строящихся УНРС.

Так, в 1975 году на Новолипецком комбинате был сооружен металлургический комплекс большой мощности в составе 350-тонных конвертеров и четырех двухручьевых криволинейных УНРС для отливки слябов сечением 250–350x1150–2200 мм. Комплекс включал установки для продувки стали аргоном в ковшах и транспортно-отделочное оборудование. Такой же металлургический комплекс в 1977 году построен на МК «Азовсталь» с тремя двухручьевыми криволинейными УНРС для отливки слябов сечением 200–315x1250–1900 мм. На криволинейных установках Новолипецкого меткомбината и МК «Азовсталь» освоена технология разливки стали широкого марочного сортамента: низколегированной, углеродистой спокойной и конструкционной. Слябы прокатывались на листы широкого диапазона по толщине от 1,2 мм до толстостенных плит. Качество проката удовлетворяло всем требованиям ГОСТ. УкрНИИМет принимал непосредственное участие в освоении этих металлургических комплексов совместно с Уралмашзаводом, ВНИИМетмашем, ЦНИИЧерметом, Гипромезом, Новолипецким металлургическим комбинатом, МК «Азовсталь» и В/О «Союзпромавтоматика».

За освоение металлургических комплексов 350-тонных конвертеров с высокопроизводительными криволинейными МНЛЗ авторскому коллективу Новолипецкого меткомбината и МК «Азовсталь» в 1979 году была присуждена Государственная премия СССР. Лауреатом премии от УкрНИИМета стал доктор технических наук, профессор В.Т. Сладкоштеев.

Исследование и освоение в промышленных условиях производства непрерывнолитых заготовок различного марочного и профилеразливочного сортамента связано с сотрудничеством УкрНИИМета с другими технологическими и проектно-конструкторскими организациями [6–10]. Так, УкрНИИМет совместно с ЦНИИЧерметом, ВНИИМетмашем, ВИО, ЮУМЗ участвовал в освоении технологического процесса непрерывной разливки стали на четырехручьевой радиальной УНРС Узбекского метзавода, где отливались заготовки сечением 250x320 мм для производства труб и сорта. Институтом разработаны и внедрены новые технические решения: усовершенствованная конструкция форсунок и система вторичного охлаждения с удельным расходом воды 0,35 л/кг, продувка жидкого металла азотом в сталеразливочном ковше, стабилизация температурного и скоростного режимов разливки, а также даны рекомендации по использованию моноблочных стопоров и цирконографитовых стаканов в промежуточных ковшах, что позволило уменьшить количество аварийных разливок и плавок с затягиванием стаканов.

УкрНИИМетом предложена и освоена на УНРС Оскольского электрометаллургического комбината и Белорусского металлургического завода первая в СССР промышленная технология непрерывной разливки рельсовой стали в заготовки сечением 300x360 и 300x400 мм. Разработанные и освоенные температурно-скоростные режимы разливки, эффективные способы защиты металла от вторичного окисления, современные способы внепечного рафинирования металла (продувка аргоном, вакуумирование, обработка в системе «печь-ковш») и мягкие режимы вторичного охлаждения обеспечили высокое качество поверхности заготовок, их химическую и структурную однородность и чистоту по неметаллическим включениям. В результате проведенных работ получены научно обоснованные технические и технологические решения, с использованием которых создана технология промышленного производства высококачественных рельсов. Оценка эффективности такой технологии и уровня потребительских свойств рельсов проводилась на основании полигонных и эксплуатационных испытаний [11, 12].

В 1994 году введена в эксплуатацию первая мощная машина криволинейного типа с прогрессивным разгибом для отливки блюмов и сортовых заготовок в конвертерном цехе Днепровского металлургического комбината им. Дзержинского, где с участием специалистов УкрНИИМета был освоен новый способ комбинированного непрерывного литья заготовок. В результате разработаны и внедрены основные технологические параметры выплавки и одновременной разливки в кристаллизаторы сечением 160x160 и 335x400 мм углеродистых, низколегированных и легированных марок стали для производства сортовых и трубных заготовок на среднесортном и трубозаготовочном станах. Непрерывное литье мелких заготовок обеспечило снижение отходов металла и повышение производительности сортовых прокатных станов, исключило передел на заготовочном стане, позволило производить продукцию более широкого сортамента небольшими партиями, что соответствовало требованиям широкого круга потребителей металлопродукции. В результате комплексного подхода к организации рациональной схемы выплавки, внепечной обработки и непрерывной разливки стали на Днепровском металлургическом комбинате им. Дзержинского достигнуты высокие показатели по ресурсо- и энергосбережению.

Отечественная технология и оборудование непрерывной разливки стали внедрены при участии УкрНИИМета на Енакиевском металлургическом заводе. Сортовая УНРС криволинейного типа, выпускающая квадратные заготовки сечением от 100x100 до 150x150 мм, конструкции Новокраматорского машиностроительного завода (НКМЗ), установлена в действующем кислородно-конвертерном цехе [13, 14].

За разработку и реализацию ресурсо- и энергосберегающих технологических циклов конкурентоспособных металлопроизводств на основе комплекса «печь-ковш» и МНЛЗ коллектив специалистов, в том числе А.Я. Глазков (УкрНИИМет), создавших и освоивших эти комплексы на Днепровском металлургическом комбинате им. Дзержинского, Донецком и Енакиевском металлургических заводах, в 2002 г. был удостоен Государственной премии Украины в области науки и техники.

Учеными УкрНИИМета впервые в СССР и мире разработан процесс непрерывной разливки стали на установках горизонтального типа. В сравнении с УНРС других типов горизонтальные установки обладают следующими преимуществами:

• непосредственное соединение металлоприемника (промежуточного ковша) с кристаллизатором и ликвидация мениска металла в кристаллизаторе позволяют исключить стопоры в металлоприемнике, погружные стаканы, а также наведение шлаковых смесей в кристаллизаторе и получить высокое качество поверхности без заворотов корки и шлаковых включений;
• расположение оборудования УНРС на уровне пола цеха снижает капитальные затраты (не нужно строить колодец или башню для его размещения), облегчает настройку и ремонт оборудования, а также условия его эксплуатации;
• незначительное ферростатическое давление на оболочку по всей длине жидкой лунки в отливаемом слитке исключает необходимость создания громоздких систем вторичного охлаждения.

На опытных установках УкрНИИМета впервые в мировой практике в 1960 году был осуществлен стабильный процесс горизонтального непрерывного литья стали и сплавов. Разливка производилась в слитки круглого, квадратного и прямоугольного сечений. При проведении экспериментов был вскрыт механизм формирования заготовок, установлены закономерности теплоотдачи от заготовки к кристаллизатору, выявлены факторы, влияющие на образование физической и химической асимметрии в литом металле, в результате чего созданы научные основы процесса горизонтального непрерывного литья стальных заготовок, с учетом особенностей процесса разработаны конструктивные и технологические параметры, обеспечивающие получение качественного литого металла в слитках различных сечений [15].

На основании исходных данных, разработанных институтом, в НПО «Тулачермет» построены двухручьевые горизонтальные УНРС для отливки заготовок круглого и квадратного сечений. На этих установках УкрНИИМетом совместно с НПО «Тулачермет» освоена технология литья из 10-тонных ковшей заготовок диаметром 80–150 мм из среднеуглеродистой стали, отлиты заготовки требуемого качества из высоколегированной стали для электрошлакового переплава. Круглые заготовки прокатывались также на трубы. Качество литого металла соответствовало техническим условиям, а качество проката – установленным стандартам.

В 1981–1985 гг. в соответствии с Комплексной программой ГКНТ СССР выполнялись работы по горизонтальной непрерывной разливке и было намечено строительство горизонтальных УНРС на Петровск-Забайкальском, Омутнинском, Сулинском и Узбекском метзаводах. УкрНИИМет разработал и предоставил институту «Гипросталь» исходные данные для проектирования оборудования горизонтальных УНРС (изготовители оборудования – ЮУМЗ и ДЗМО). Кроме того, Совмин СССР Постановлением от 12.03.1981 г. № 264 обязал Минтяжмаш изготовить и поставить в 1981–1985 гг. более 20 горизонтальных УНРС различным предприятиям.

В 1985 году при непосредственном участии УкрНИИМета пущена в эксплуатацию четырехручьевая горизонтальная машина непрерывного литья стальных заготовок в мартеновском цехе Карметкомбината (Казахстан). Разливка производилась из 65-тонного ковша (сечение заготовки – 150x150 мм). Получено удовлетворительное качество слитка. Впоследствии на промышленной установке Карметкомбината предусмотрены сталеразливочные ковши емкостью до 120 т для отливки слитков круглого или квадратного сечений размером от 70 до 200 мм.

УкрНИИМетом проданы лицензии на горизонтальную УНРС и технологию разливки стали на ней итальянской фирме «Даниэли», немецкой фирме «Маннесман-Демаг» и бразильской фирме «Узимек». По лицензии и при участии специалистов института итальянской фирмой «Даниэли» построена двухручьевая УНРС. При отливке заготовок диаметром 120 мм скорость разливки составляет 2,2–2,4 м/мин. Качество продукции соответствует требованиям зарубежных стандартов. Фирма «Даниэли» приступила к массовому изготовлению УНРС горизонтального типа для продажи на мировом рынке.

В связи с ростом строительства мини-металлургических заводов во всем мире в последние годы возрос интерес к горизонтальной разливке стали: известны промышленные установки горизонтальной разливки на заводах «Ниппон-Кокан» (Япония), «Деви-Леви», «Виггин стил энд Элойз» (Англия), «Велер» (ФРГ), машины фирмы «Даниэли» – на металлургических мини-заводах Канады, США, стран Латинской Америки [16].

Принципиально новое техническое решение – создание литейно-прокатных модулей (ЛПМ), в которых разливка стали на горизонтальных или радиальных МНЛЗ успешно совмещается с прокаткой в единой технологической цепочке. На основании проведенных исследований в УкрНИИМете разработана новая технология непрерывнолитой заготовки и предложения по стыковке МНЛЗ с прокатным станом [17–19].

За создание и широкое внедрение технологии и установок горизонтального непрерывного литья цветных металлов коллектив УкрНИИМета в 1985 г. награжден премией Совета Министров СССР.

В настоящее время УкрНИИМет в составе Украинского государственного научно-технического центра «Энергосталь» сохранил и преумножает научно-технический потенциал по направлению «Непрерывная разливка стали»: УкрГНТЦ «Энергосталь» имеет 347 изобретений и 66 патентов девяти зарубежных стран; издано 8 книг, 26 брошюр и 295 научно-технических статей; 17 работ в данной области экспонировалось на ВДНХ, за что сотрудники Центра награждены 43 медалями. Работы Центра, в которых принимали участие 2 доктора и 20 кандидатов технических наук, получили высокое признание как в нашей стране, так и за рубежом. Мировой известностью пользуются труды по непрерывной разливке стали доктора технических наук, профессора В.Т. Сладкоштеева, доктора технических наук, профессора О.А. Шатагина, лауреата Государственной премии Украины, кандидата технических наук А.Я. Глазкова и других ученых.

УкрНИИМет эффективно и комплексно решает технологические, проектные, производственные, энергосберегающие и экологические проблемы в сотрудничестве с машиностроительными и металлургическими предприятиями в Украине и за рубежом, реализует задания Государственной программы развития и реформирования горно-металлургического комплекса Украины до 2012 года.

Библиографический список:

1. Опытно-промышленная установка непрерывной разливки стали / В.Т. Сладкоштеев, Р.В. Потанин, В.И. Ахтырский и др. // Сборник трудов УНИИМ. – М.: Металлургиздат, 1961.

2. Качество стали при непрерывной разливке / В.Т. Сладкоштеев, В.И. Ахтырский, Р.В. Потанин. – М. : Металлургиздат, 1963. – 174 с.

3. Непрерывная разливка стали на радиальных установках / В.Т. Сладкоштеев, Р.В. Потанин, О.Н. Сулидзе и др. – М. : Металлургия, 1974. – 286 с.

4. Разливка стали на радиальной МНЛЗ на заготовки для производства труб и сорта / В.Т. Сладкоштеев, Р.В. Потанин, Д.П. Евтеев и др. // Сталь. – 1978. – № 10. – С. 889–892.

5. Улучшение технологии непрерывного литья стали для производства бесшовных труб / В.Т. Сладкоштеев, А.Я. Глазков, Д.М. Харадзе и др. // Сталь. – 1981. – № 12. – С. 33–35.

6. Исследование влияний повышенных скоростей разливки на качество металла, получаемого на криволинейных МНЛЗ / И.Г. Панченко, В.Т. Сладкоштеев, А.М. Поживанов и др. – В сб. : Прогрессивные способы получения стальных слитков. – Киев : ИПЛ АН УССР, 1980. – С. 63–66.

7. Качество слябов, полученных на УНРС криволинейного типа / И.Г. Панченко, В.Т. Сладкоштеев и др. – В сб. : Создание и исследование сталеплавильных агрегатов и машин непрерывного литья высокой производительности. – М. : ВНИИМЕТМАШ, 1982. – С. 40–43.

8. Исследование процесса непрерывной разливки на сортовые заготовки с защитой стали от вторичного окисления / А.Н. Смирнов, С.С. Бродский, А.Я. Глазков, В.В. Несвет // Процессы литья. – 2001. – № 2. – С. 10–17.

9. Разработка способа подвода металла в кристаллизаторы сечением 160х160 мм и 335х400 мм для комбинированного литья заготовок на шестиручьевой криволинейной МНЛЗ Днепровского металлургического комбината им. Дзержинского / С.С. Бродский, М.И. Пикус, А.Я. Глазков и др. // Металл и литье Украины. – 1999. – № 3–4. – С. 26–27.

10. Теория и практика непрерывного литья заготовок / А.Н. Смирнов, А.Я. Глазков, В.А. Пилюшенко и др. – Донецк: Гос. техн. ун-т, 2000. – 369 с.

11. Освоение МНЛЗ и производство рельсов из непрерывнолитых заготовок / Д.К. Нестеров // Металл и литье Украины. – 2000. – № 1–2. – С. 46–49.

12. Нестеров Д.К., Глазков А.Я. Производство железнодорожных рельсов из непрерывнолитых заготовок // Сталь. – 1995. – № 8. – С. 36–44.

13. Сусь Ю.В. Перспективы создания современных отечественных машин непрерывного литья заготовок // Труды научно-технической конференции. – Харьков, 2001. – 49–52 с.

14. Реконструкция ОАО «Енакиевский металлургический завод» с переводом на использование непрерывнолитых заготовок / Л.Ф. Литвинов, Ю.В. Оробцев, А.Я. Глазков и др. // Труды научно-технической конференции. – Харьков, 2001. – С. 15–24.

15. Штагин О.А., Сладкоштеев В.Т. Непрерывное литье на горизонтальных машинах. – М. : Металлургия, 1976. – 184 с.

16. Опыт непрерывной разливки на горизонтальных машинах в сортовом производстве / А.М. Чигринов, В.М. Паршин, М.Г. Чигринов и др. // Сталь. – 1998. – № 6. – С. 14–17.

17. Смирнов А.Н., Сафонов В.М. Металлургические мини-заводы: прошлое, настоящее и будущее // Сталь. – 2007. – № 1. – С. 37–41.

18. А. с. 1707845 СССР. Способ горячей прокатки непрерывнолитых заготовок / Н.Ф. Грицук, И.Г. Курандо, А.Н. Козоброд и др. // Открытия. Изобретения. – 1993. – № 3.

19. Курандо И.Г., Афанасьев С.И., Нестеров С.Д. Технологические аспекты совмещения МНЛЗ с сортовыми прокатными станами // Сталь. – 1996. – № 7. – С. 31–33.

© Сталинский Д.В., Рудюк А.С., Глазков А.Я., 2010