Современные технологии получения тонкого листа и полосы методами непрерывного литья
Украинская Ассоциация Сталеплавильщиков

Современные технологии получения тонкого листа и полосы методами непрерывного литья

Смирнов А.Н.
ДонНТУ

Мировое производство листа и полосы непрерывно возрастает, занимая более 60% всего объема производства стальной продукции, из которой значительная часть приходится на долю тонкого листа и полосы. Учитывая хорошо известные тенденции развития основных отраслей машиностроения и строительства, можно с уверенностью утверждать, что потребление тонкого листа и полосы будет продолжать увеличиваться. При этом спектр областей применения стального листа будет, безусловно, расширяться. Это, соответственно будет обусловливать, и стимулировать интенсивное внедрение новых технологий и оборудования, обеспечивающих получение металлопродукции из новых (более технологичных) марок сталей, обеспечивающих повышение конкурентоспособности изделий, в том числе за счет уменьшения себестоимости продукции и существенного энерго- и ресурсосберегающего эффекта.

Прогресс в области производства тонкого листа и полосы за последние пять десятилетий обеспечил радикальные технологические изменения на этапе производства и разливки стали, которые стали возможными благодаря прогрессу в технологической системе «разливка стали». Эта система поэтапно трансформируется в направлении получения стальной заготовки (в результате разливки), максимально приближенной к геометрическим размерам готовой продукции (по сути, к листу определенной толщины).

1. В 60-е – 70-е годы прошлого века производство листа осуществлялось по крайне консервативной схеме: выплавка стали в конвертере (мартеновской печи) > разливка стали в плоские слитки > прокатка слитков на слябинге (получение слябов) > горячая прокатка до листа заданной толщины > прокатка на станах холодной прокатки. Фактически такая технологическая схема характеризуется громоздкостью, большими потерями металла и затратами энергии (вследствие многочисленных циклов прокатки и нагрева заготовки). В соответствии с многочисленными оценками для получения 1 тонны холоднокатаного листа по такой схеме необходимо использовать 1,40-1,50 тонны жидкой стали.

2. В 70-е – 80-е годы прошлого века получила большое распространение более эффективная технологическая схема, включающая непрерывную разливку стали: выплавка стали в конвертере > доводка стали в ковше (продувка инертным газом) > разливка стали на слябовой МНЛЗ (толщина сляба 200-300 мм) > горячая прокатка прокатка слябов до листа заданной толщины > прокатка на станах холодной прокатки. Первым конвертным цехом в мире, работающим по такой схеме стал ККЦ-1 Новолипецкого металлургического завода, пущенный в эксплуатацию в середине 60-х годов. Такая технологическая схема обеспечивает получение 1 тонны холоднокатаного листа примерно из 1,25-1,30 тонны жидкой стали.

3. С начала 90-х годов прошлого века в практику создания эффективных технологических систем прочно вошло понятие литейно-прокатный модуль (ЛПМ), в котором органично совмещались процесс разливки стали на заготовку и ее последующая горячая прокатка. В целом такая схема может быть представлена следующим образом: выплавка стали в дуговой печи или конвертере > доводка стали на установке «ковш-печь» > разливка стали (толщина сляба 50-70 мм) и его горячая прокатка прокатка на ЛПМ > прокатка на станах холодной прокатки. При этом для получения 1 тонны холоднокатаного листа достаточно 1,10-1,12 тонны жидкой стали, а значительный энерго- и ресурсосберегающий эффект достигается, главным образом, за счет сокращения технологической цепочки и исключения дополнительных циклов охлаждения и нагрева заготовки.

Принято считать, что первый промышленный ЛПМ был пущен в 1989 г. в г. 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 фирмой «Schloeman-Siamag» (Германия). На рис.1 представлена общая схема разливки стали на тонкослябовой МНЛЗ.

На тонкослябовых ЛПМ была реализована технология литья с дополнительным 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. Механические свойства листа, прокатаного из тонкого сляба, характеризуються высокой однородностью (±5%), высоким сопротивлением усталостному разрушению, высокой пластичностью при низких температурах и пр. Существенный потенциал для повышения эффективности литья на тонкослябовых МНЛЗ имеется в случае применения электромагнитного перемешивания металла в кристаллизаторе. Собственно электромагнитное воздействие может серьезно препятствовать развитию различного рода несимметричных течений, приводящих к нарушениям в росте твердой корочки. В конечном счете, это обеспечивает уменьшение числа прорывов и вынужденных остановок.

Принципиальная схема разливки стали на тонкие слябы

Рис.1. Принципиальная схема разливки стали на тонкие слябы

Между тем с точки зрения производительности тонкослябовые МНЛЗ уступают современным слябовым машинам примерно в 1,5-2,0 раза.

В январе 1996 г. вышел на проектную мощность 1,5 млн. т стали в год металлургический завод Батлер (США) фирмы «Steel Dynamics», на котором реализована технология CSP второго поколения, включающая литье, обжатие и прокатку. Этот процесс получил название CPR (Casting-Pressing-Rolling). При этом если стандартная толщина сляба МНЛЗ типа CSP равнялась 50 мм, а расстояние между стенками кристаллизатора на уровне мениска равнялось 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.

Фирмой «Маннесман Демаг Хюттентехник» разработан процесс ISP, который во многом аналогичен процессу CSP. Тонкий сляб толщиной 60 мм выходит из кристаллизатора с еще жидкой сердцевиной 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 «Арведи» (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 настоящее время количество металлургических 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.

4.В конце ХХ – начале ХХI века на металлургических предприятиях стали появляться опытно-промышленные и промышленные агрегаты для непрерывной разливки стали непосредственно на тонкую полосу. 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.2) кристаллизатор состоит из двух валков, расположенных непосредственно под промковшом и вращающихся в противоположных направлениях. Жидкая сталь при разливке 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. Для отвода выделяющегося тепла валки, изготовленные, как правило, из сплава меди с хромом, охлаждаются водой. В качестве покрытия валков используют различные материалы на основе никеля, хрома или керамики.

Схема непрерывного литья листа на двухвалковой МНЛЗ

Рис.2. Схема непрерывного литья листа на двухвалковой МНЛЗ

Технологическая схема получения тонкого листа с применением двухвалковых МНЛЗ имеет огромный потенциал в части экономии энергетических ресурсов (в 8-10 раз) /рис.3/, снижения потерь с окалиной (в 40-50 раз), повышения производительности работы персонала (5-10 раз), снижения выбросов парникового газа (в 10-20 раз) при существенном снижении затрат на капитальное строительство, что обеспечивает экономическую мотивацию в части его дальнейшего развития и совершенствования.

Большое внимание в исследованиях уделяется непосредственно качеству получаемой продукции и возможностям обеспечения ее конкурентоспособности с традиционным листом. Наиболее глубокие исследования в этой области выполнены фирмой “Castrip LLC” (США) на металлургическом заводе “Nucor Steel” (США), где в 2004 г. отлито 150 тыс. т продукции на двухвалковой МНЛЗ. В целом можно констатировать, что получаемый с помощью двухвалковой МНЛЗ лист соответствует стандарту ASTM A1011 (для горячекатанного листа). Однако стремление обеспечить это соответствие приводит к существенным ограничениям в части развития технологии литья на двухвалковых МНЛЗ. Поэтому соответствующим комитетом в США уже разработан и утвержден новый стандарт ASTM A1039, регламентирующий качество листа, полученного непосредственно на двухвалковых МНЛЗ.

Рис.3. Потребление энергии (МДж/т) при производстве тонкого листа по различным технологическим схемам:
1 – при разливке стали в слитки с последующей прокаткой;
2 – при разливке стали на слябовой МНЛЗ с охлаждением слитков до нормальной температуры и с последующей прокаткой;
3 - при разливке стали на слябовой МНЛЗ и передачей слябов горячими для последующей прокатки;
4 – при разливке стали на тонкослябовой МНЛЗ (ЛПМ);
5 – при разливке стали непосредственно на тонкий лист на двухвалковой МНЛЗ и холодной прокатке.

Для обеспечения высокого качества листа разработчики концепции двухвалковой МНЛЗ “MAINSTRIP”, выполняемой швейцарской фирмой “MTAG Marti-Technology AG” и немецкой фирмой “SMS Demag AG”. считают целесообразным осуществлять очистку поверхности валков непосредственно в процессе литья. Для этого предлагается увеличить диаметр валков до 1,5 м. В этом случае на их тыльной стороне располагается все необходимое для очистки поверхности валков оборудование. Кроме того большой диаметр валков обеспечивает более глубокую ванну металла в межвалковом пространстве, что улучшает условия распределения и поддержания его уровня. Также считается, что при большем диаметре рабочих валков будут существенно снижены напряжения на оболочку валка и его коробление. Дополнительно разработчики рассматривают возможность решения проблемы изменения ширины листа непосредственно в процессе разливки.

Одной 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 обычно 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.

Тем не менее, в настоящее время не существует единого мнения относительно рационального диаметра валков для разливки полосы (фирма Castrip использует валки диаметром 0,5 м, фирма Nippon – 1,2 м, а фирма Eurostrip – 1,5м). На первый взгляд, увеличение диаметра валков обусловливает наличие большей жидкой ванны металла, расположенного между валками, и соответственно расширение зоны деформации заготовки. В совокупности с возможностью отвода большего количества тепла и повышением производительности МНЛЗ это обеспечивает большую стабильность процесса литья. Однако при увеличении диаметра валков повышается расход дорогостоящих материалов на изготовление боковых стенок и нанесения специальных покрытий на рабочую поверхность валков. В целом диаметра валков будет в дальнейшем определяться как технологическими (обеспечение стабильного литья полосы заданного качества), так и коммерческими соображениями.

Целесообразность создания агрегатов для прямого литья тонкого листа и полосы в целом стимулируется достаточно высокими показателями, обеспечивающим им 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 микро заводов).

Между тем создание двухвалковых МНЛЗ представляется сложной комплексной задачей, решение которой требует новых конструкционных материалов, а также развитии 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).

Создание промышленных и опытно-промышленных агрегатов для литья тонкого листа и 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 былы 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, производительность – 400 тыс. т в год.

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 проекта базовая установка для литья тонкого листа установлена на заводе фирмы «Nucor» в Кроуфордсвилле. Основные характеристики проекта:
размеры цеха,м: 155х135
масса плавки, т : 110
диаметр валков МНЛЗ, мм : 500
скорость разливки, м/мин: 80 (номинал) -150 (максимально)
толщина отливаемой заготовки, мм: 0,7-2,0
ширина заготовки, мм: 2000 (максимально)
общая скорость кристаллизации, с: 0,15
средняя скорость охлаждения полосы, оС/с: 1700
масса рулона, т : 25
клеть в линии процесса : одна четырехвалковая с гидравлическим регулированием толщины
размеры рабочих валков, мм: 475х2050
размеры опорных валков, мм: 1550х2050
усилие прокатки, МН : 30 (максимально)
главный привод, кВт : 3500
рольганг охлаждения : 10 верхних и нижних форсунок
размеры рулона : 2х40 т
оправка рулона, мм диаметр: 760
годовая производительность, тыс. т/год: 500

Таблица 1. Свойства литых полос, полученных процессом Castrip в соответствии с SS Grade 275 по ASTM A1011M

Таблица 2. Сравнительная шероховатость поверхности литых и обычных горячекатаных полос

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 сталей 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. Скорость разливки составляет 40-100 м/мин при толщине листа 1,9-3,1 мм (сталь StW22) и 2,3-3,7 мм (сталь AISI 304). Ширина полосы – 1360 мм.

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 направления: улучшение конструкции функциональных узлов установки для обеспечения возможности серийной разливки и углубленном изучении характеристик литой полосы для более полного использования ее потенциала.

Обобщая известные исследования по созданию промышленных образцов двухвалковых МНЛЗ, следует отметить, что главным объектом внимания является качество получаемой продукции. Это относится, прежде всего, к качеству поверхности получаемого листа и наличия в нем трещин. Трещина, как известно, может возникнуть тогда, когда внутренние напряжения в твердой корочке превышают локальный предел прочности материала. Наиболее вероятные источники напряжений в процессе разливки на двухвалковой МНЛЗ, видимо, следует связывать с механизмом формирования разливаемого листа (рис.4).

Схема формирования заготовки на двухвалковой МНЛЗ

Рис.4. Схема формирования заготовки на двухвалковой МНЛЗ

Поскольку в начале процесса формирования твердой фазы на вращающихся барабанах образуются две раздельные корочки, то в месте их соединения металл начинает испытывать значительные нагрузки. При этом в точке соединения этих корочек металл начинает испытывать внутренние напряжения, а теплопередача валкам увеличивается, что дополнительно способствует развитию термических напряжений. Фактически на этом же участке возникает также эффект «прокатки» листа, который порождает дополнительные напряжения и деформации. После выхода заготовки из валков продолжается ее охлаждение, сопряженное с повышением внутренних напряжений. В принципе внутренние напряжения также возникают при изгибе полосы, однако этот фактор, как правило, не столь важен, потому что не наблюдается различий в характере растрескивания верхней и нижней поверхности полосы.

В получаемом непрерывной разливкой тонком листе присутствуют преимущественно поперечные трещины, что позволяет заключить, что они образовались на той стадии процесса, когда проявляется различие механических свойств стали в продольном и поперечном направлениях. Соответственно эта ситуация в наибольшей мере проявляется в момент прокатки листа в валках (при этом поперечные трещины могут раскрыться в продольном направлении). Между тем, уширение в этот момент проявляется в гораздо меньшей степени (то есть достаточно маловероятно поперечное раскрытие продольных трещин).

В ходе промышленных экспериментов установлено, что уменьшению и предотвращению растрескивания заготовки способствуют все мероприятия, направленные на выравнивание температуры поверхности полосы, в том числе за счет увеличения шероховатости поверхности валков и керамического (оксидциркониевого) покрытия на валках. С другой стороны, эти меры представляются достаточно ограниченными вследствие влияния на стойкость валков, так как они уменьшают теплопередачу.

В целом процессы трещинообразования могут различаться на так называемых горячих и холодных участках заготовки. Как видно из рис.5 формирование твердой корочки литой заготовки происходит неравномерно вследствие, например, наличия оксидных пленок между внешней поверхностью заготовки и кристаллизатора (валка). При этом сама неравномерность в толщине твердой корочки заготовки носит вероятностный характер.

Схематическое представление процесса затвердевания твердой корочки стали на валке

Рис.5. Схематическое представление процесса затвердевания твердой корочки стали на валке

Следовательно, из-за случайно малых отклонений толщины двух корочек на валках прокатываются и сильно охлаждаются только более толстые участки. Вследствие такого интенсивного теплоотвода может усилиться разграничение на горячие и холодные участки. На холодных участках важную роль играет отвод тепла под давлением, процесс которого в зонах действия обжатия со стороны валков приближается к идеальному, то есть температурное поле на поверхности контакта полосы и валка испытывает резкий перепад, достигающий нескольких сот градусов. Вследствие этого в полосе возникают напряжения, которые весьма велики при гладких металлических валках и гораздо меньше при валках с керамической защитой.

Дополнительным фактором, обусловливающим возникновение термических напряжений является нагрев валков при контакте с жидкой сталью и их неизбежная деформация. Вполне очевидно, что изменение теплового потока имеет место в поперечном сечении валка. Вероятно, применение валков с вогнутыми поверхностями (диаметр валка в центре меньше, чем по кромкам) позволит получить требуемый профиль полосы.

Крайне важным для обеспечения технологии литья тонкой полосы оказывается также вопрос поддержания кромок жидкой лунки (с торцов валков). Эта проблема связана с тем фактом, что застывание в большей степени происходит именно в этой области из-за потери тепла как через материал ограждения в боковой части, так и через валки. Преждевременное застывание может привести к низкому качеству кромки, инициируя цепь явлений, приводящих к остановке МНЛЗ. Для обеспечения требуемых кондиций литья, видимо, необходимо использование специальных керамических материалов (данные о них в литературе отсутствуют) в совокупности со специальной системой подачи металла в направлении этих кромок.

Таким образом, обобщая рассмотренные данные, можно утверждать, что сталеплавильные мини заводы для получения листовой продукции могут быть достаточно привлекательными для инвесторов в силу ряда экономических и технологических преимуществ. При этом крайне широкие перспективы для использования в технологических системах современных мини заводов могут иметь двухвалковые МНЛЗ для получения тонкого листа. При этом можно утверждать, что технология прямой отливки тонкого листа на двухвалковой МНЛЗ 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. Например, 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 тоже 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 и возможность его применения в условиях мини и микро производств.

© Смирнов А.Н., 2010