Непрерывная разливка сортовой заготовки
  Раздел 1.1

Технологические комплексы и МНЛЗ
для производства сортовых заготовок

Предприятия черной металлургии Украины и других стран СНГ являются одними из крупнейших поставщиков сортовой заготовки и длинномерного проката на мировой рынок, динамика развития которого характеризуется заметным повышением конкуренции и требований к качеству продукции. В последние два десятилетия наблюдается значительный прогресс в конструкционном оснащении и технологическом оформлении машин непрерывного литья сортовых заготовок. Это позволило адаптировать процесс непрерывного литья к различным технологическим построениям и видам продукции, которые в максимальной степени учитывают конъюнктуру рынка [1, 2].

За это время номинальная производительность типовых сортовых МНЛЗ возросла, по крайней мере, в 2-2,5 раза. Это создало предпосылки для расширения сортамента разливаемых марок стали, снижения удельных затрат на разливку и сокращения обслуживающей инфраструктуры. При этом объем капитальных вложений при строительстве МНЛЗ возрос в значительно меньшей степени, чем ее производительность, что обеспечивает уменьшение реальных инвестиций на тонну разливаемой стали.

В стандартах большинства стран мира под сортовой заготовкой (billet) подразумевается квадратная (или близкая к квадрату) заготовка, полученная при разливке на МНЛЗ или путем прокатки из слитка на блюминге с сечением, как правило, от 100x100 мм до 160x160 мм (встречается также сечение 180x180 мм). Кроме того, к сортовым заготовкам относится круглая заготовка (round) диаметром от 100 до 180 мм и специальные фасонные профили, например, типа «собачья кость» (dog sholder) (рисунок 1.1). Между тем, в металлургической практике не существует строгого разграничения между предельными размерами сечения блюмов и сортовых заготовок [1, 3]. Большинство специалистов считает, что сортовой заготовкой является та заготовка, которая перекатывается в конечную продукцию за один этап. Следуя этой концепции, можно говорить о том, что граница раздела между блюмовой и сортовой заготовкой находится в пределах размеров 220x220 мм или 240x240 мм. В то же время в практике ряда стран (в т.ч. и США) обычно максимальное сечение сортовой заготовки определяется как квадрат 160x160 мм.

Основные виды сортовых заготовок

Рисунок 1.1 – Основные виды сортовых заготовок

В дальнейшем сортовая заготовка используется в качестве исходной заготовки для прокатки на различные профили (круг, арматура, квадрат, швеллер, двутавр и пр.).

Конкуренция на мировом рынке сортовой заготовки непрерывно ужесточается, что является неизбежным следствием быстрого наращивания производственных мощностей в КНР и Индии, а также появлением большого количества металлургических мини-заводов во многих развивающихся странах. Достаточно отметить, что только за последнее десятилетие производство непрерывнолитой сортовой заготовки было освоено более чем на двух десятках металлургических заводов СНГ, в том числе на пяти металлургических предприятиях Украины (всего 37 ручьев) [4-6].

С другой стороны, обострение конкуренции на мировом рынке сортовой заготовки стимулирует процесс совершенствования системы стандартов, регламентирующей качество металлопродукции [7, 8]. В большинстве случаев производители и покупатели сортовой заготовки предпочитают ее сертификацию в системе стандартов ИСО9001 или ИСО9002. При этом предпочтение отдается следующим международным сертификационным бюро: ТUV-CERТ, Det Norske Veritas, Lloyd’s Register, Germanischer Lloyd, Bureau Veritas и т.д. Качество заготовки, используемой, например, в США, регламентируется стандартом ASTM: А 615/А 615М, который допускает выплавку стали в конвертерах и дуговых сталеплавильных печах [9, 10].

В настоящее время основной объем сортовой заготовки в Украине производится металлургическим комбинатом «ArcelorMittal Kryviy Rih» (г. Кривой Рог), ПАО «Енакиевский металлургический завод» (г.Енакиево), ПАО «Днепровский металлургический комбинат» (г. Днепродзержинск) и ЗАО «Донецкий электрометаллургический завод» (г. Донецк) [11].

Украинские производители сортовой заготовки используют на практике различного рода технические условия, которые, с одной стороны, учитывают специфику производственного цикла конкретной группы металлургических предприятий, а с другой – определенную совокупность требований, предъявляемых базовыми трейдерными компаниями, обеспечивающими экспорт украинской металлопродукции. При этом отсутствие полной гармонизации технических условий и международных стандартов приводит в большинстве случаев к снижению экспортного потенциала металлургических предприятий и, как следствие, к заметному уменьшению цены на сортовую заготовку. Поэтому проблема обеспечения конкурентоспособности длинномерной продукции является одной из важнейших для отечественных производителей [12].

Несомненно, что для изготовителей длинномерной продукции понятие «обеспечения требуемого качества» имеет особое значение, потому что их продукция подвергается многократному переделу промежуточными и окончательными переработчиками, как правило, крупными партиями и без проведения индивидуального входного контроля, а уровень качества исходного продукта отображается только результатами выборочных испытаний конечной продукции. В этих условиях текущий технологический уровень производства и разливки стали приобретает крайне важное значение.

На мировом рынке длинномерной металлопродукции в настоящее время имеется достаточно большое разнообразие выбора сортовой заготовки, полученной по различным технологическим схемам: непосредственно при непрерывной разливке стали на МНЛЗ; путем переката непрерывнолитых блюмов на заготовки меньшего сечения; продольным разделением непрерывнолитых слябов методом прокатки в сочетании с огневым разделением; путем разливки в слитки с последующим перекатом на блюминге или перекатом методом разделения и т.п. [4].

Прямое получение сортовой заготовки обеспечивает существенное технологическое преимущество металлургическому предприятию, поскольку исключает из технологического цикла группу обжимных и крупносортных станов, обеспечивая тем самым существенный энергосберегающий эффект. На рисунке 1.2 представлено схематическое сравнение технологической цепочки процессов получения длинномерной металлопродукции из непрерывнолитых блюма и сортовой заготовки.

В настоящее время в мире производится свыше 360-380 млн. т непрерывнолитой сортовой заготовки в год [13].

Сравнительная схема технологической цепочки получения длинномерной  металлопродукции из непрерывнолитых блюма и сортовой заготовки

Рисунок 1.2 – Сравнительная схема технологической цепочки получения длинномерной металлопродукции из непрерывнолитых блюма и сортовой заготовки

Высокопроизводительные сортовые МНЛЗ устанавливаются как в конвертерных, так и в электросталеплавильных цехах. Весьма характерным при этом является то, что в группе длинномерной продукции наблюдается как бы «смесь» из крупных производств на интегрированных металлургических заводах и гибких металлургических предприятий сравнительно небольшой годовой производительности (металлургических мини- и микро-заводов) [4]. Однако и для одних, и для других производств не существует гарантированно надежной технологической схемы, обеспечивающей оптимальный результат и гарантированную конкурентоспособность [14-16].

Значительная часть непрерывнолитой сортовой заготовки производится на мини металлургических заводах, которые в силу их концептуального построения являются сравнительно гибкими технологическими системами, обеспечивающими низкие удельные расходы энергии и труда, а также минимальные капитальные вложения. Примером такого построения является ЗАО «Донецкий электрометаллургический завод», в состав которого входит высокомощная дуговая сталеплавильная печь емкостью 120 т (введена в эксплуатацию в 2000 г.), установка ковш-печь (УКП) (пущена в эксплуатацию в 1999 г.), вакууматор VD/VOD (пущен в эксплуатацию в 2001 г.) и шестиручьевая МНЛЗ (производительность 1 млн. т/год) [17]. Сталь разливают в квадратную заготовку со стороной 100, 120, 125, 150 мм и круглую трубную заготовку диаметром 120, 130, 150, 180 мм. Такое технологическое оформление ЭСПЦ позволило значительно повысить конкурентоспособность продукции предприятия и впервые для украинских производителей сертифицировать сортовую заготовку в международном бюро «TUV-NORD» на соответствие требованиям международным стандартам ИСО 9002.

Другим весьма эффективным технологическим построением для производства сортовой заготовки является ее получение в конвертерных цехах интегрированных металлургических заводов. Само по себе производство сортовой заготовки по схеме «доменная печь – конвертер – установка для внепечной доводки стали – сортовая высокопроизводительная МНЛЗ» является весьма привлекательным, поскольку обеспечивает получение сортовой заготовки высокого ка-чества за счет чистоты первичного металлического сырья (в сравнении с мини-заводами). Примером такого построения является конвертерный цех ПАО «Енакиевский металлургический завод», реконструкция которого завершена в 2004 г. [4, 18, 19]. В состав цеха входят 3 конвертера вместимостью 160 т каждый, две УКП, две высокопроизводительные сортовые МНЛЗ (производительность свыше 1 млн. т/год каждая). Сталь разливают в квадратную заготовку со стороной 100, 125, 150 мм. В 2011 г. в условиях ПАО «Енакиевский металлургический завод» было произведено 2,556 млн. т непрерывнолитой сортовой заготовки.

Вместе с тем гарантированно высокое качество сортовой заготовки может быть достигнуто при перекате непрерывнолитых блюмов, поскольку в этом случае достигается высокая химическая и физическая однородность металла. Кроме того, разливка блюмов на МНЛЗ предполагает защиту металла от вторичного окисления на всех этапах технологических переливов.

В целом анализ работы находящихся в эксплуатации блюмовых МНЛЗ показывает, что в последнее десятилетие строительство новых машин носит весьма ограниченный характер и направлено на получение высококачественной заготовки, что, вероятно, объясняется насыщенностью рынка блюмовой заготовки в большинстве регионов мира. В то же время основные производители блюмовой заготовки акцентируют все больше внимания на реконструкцию и модернизацию действующих МНЛЗ. Вместе с тем, принимая во внимание сложившуюся в мире конъюнктуру, можно принять, что технология переката непрерывнолитого блюма до сортовой заготовки, реализуемой на экспорт, может иметь экономическую целесообразность, в первую очередь, в части получения высококачественной квадратной заготовки, а также для круглой заготовки, используемой при производстве труб. Дополнительно следует отметить, что такая технология сопряжена с заметным удлинением технологического цикла и определенными дополнительными затратами энергии и снижением выхода годного в сравнении с непрерывнолитой сортовой заготовкой. Например, выход годного проката при переходе с блюма крупного сечения на сортовую заготовку может быть повышен в среднем на 3-5%, а общая экономия энергии составляет 2-3 ГДж/т.

Одной из наиболее актуальных задач при производстве сортовой непрерывнолитой заготовки в настоящее время является расширение сортамента заготовок, отливаемых на одной МНЛЗ при сохранении номинальной производительности и обеспечении требуемого качества, что обеспечивает высокую степень адаптации на мировом рынке. Так, в последнее десятилетие много внимания уделяется получению сортовой заготовки путем продольного разделения непрерывнолитых слябов методом прокатки в сочетании с огневым разделением. Следует отметить, что применять только огневую резку для разделения непрерывнолитых слябов при получении блюмов и сортовых заготовок представляется нецелесообразным в силу целого ряда достаточно очевидных причин. Так при огневой порезке в местах разделения при последующей деформа-ции наблюдается выход на поверхность раската скоплений ликватов, раскатанных пор, неметаллических включений и пр. Кроме того, каждый рез сляба сопровождается угаром металла на уровне 1% от веса заготовки и ухудшением санитарно-гигиенических норм на производстве вследствие выделения газообразных продуктов горения.

Комбинированная технология продольной порезки непрерывнолитых слябов методом прокатки в сочетании с огневым разделением на два или три узких сляба при обеспечении вытяжки в местах разделения на уровне 6,5 отработана фирмами «Бритиш Стил» (Великобритания) и «Металформ» (Швеция). Установлено, что при таком методе разделения осевая рыхлость в непрерывнолитых заготовках устраняется практически полностью. При этом потери металла, связанные с огневой резкой, сохраняются на уровне 1%.

Эксперименты по разделению непрерывнолитых слябов выполнялись в условиях конвертерного цеха металлургического комбината «Азовсталь» [20]. Порезку сляба сечением 300x1850 мм осуществляли газокислородной резкой с шириной реза 10-15 мм. Однако слябовая непрерывнолитая заготовка имеет характерную особенность строения – развитую осевую химическую и структурную неоднородность. Поэтому при продольной порезке слябовая осевая сегрегация не оставалась заключенной внутри разделенных заготовок, а выходила на их узкую грань. Этот факт может служить причиной снижения качества заготовки и длинномерного проката в части различного рода поверхностных дефектов.

Не останавливаясь на технологических аспектах различных методов разделения слябов на сортовую заготовку, все же отметим тот факт, что полученная сортовая заготовка в любом случае будет иметь макро- и микроструктуру, существенно отличающуюся от традиционных представлений и требований, предъявляемых к качеству сортовых заготовок международными и государственными стандартами. Соответственно, такая заготовка может быть использована только в условиях внутреннего производства для получения сортового проката. Однако и в этом случае, проблема аттестации (сертификации) металлопродукции по высоким требованиям международных стандартов ИСО9001 и ИСО9002 представляется, на наш взгляд, крайне проблематичной.

Как показывает анализ, более перспективным направлением расширения сортамента заготовок, разливаемых на МНЛЗ, вероятно, является создание комбинированных машин в комплексе с универсальными агрегатами для внепечной обработки стали [21-25]. В этом случае удается обеспечить высокое качество непрерывнолитой заготовки в сочетании с геометрическими размерами, которые представляются оптимальными с точки зрения получения конечной продукции. Например, на заводе «Yieh United Steel Corp.» (Каошиюнг, Тайвань) уже несколько лет функционирует комбинированная МНЛЗ для получения сортовой заготовки сечением 130x130 мм, 140x140 мм и 159x159 мм (5 ручьев) и слябовой заготовки сечением 170x(800-1300) мм (1 ручей).

Определенная устойчивая ниша рынка существует для производителей сортовой заготовки малыми партиями. В этой связи перспективным представляется применение сортовых машин полунепрерывного литья заготовок (МПНЛЗ) в условиях небольших сталеплавильных цехов с малой емкостью плавильных агрегатов (10-15 т и менее). Сооружение таких микро комплексов возможно на базе существующих металлургических и литейных цехов, что обеспечивает небольшую стоимость затрат и быструю окупаемость. Эффективность их применения достаточно очевидна при производстве немассовых видов продукции, получение которых, как правило, связано с определенными технологическими затруднениями [26-27].

Технологический цикл производства сортовой заготовки из слитков в настоящее время полностью отработан, и дальнейшее повышение качества такой заготовки, в целом, представляется крайне проблематичным. Это связано с тем, что затвердевание слитков большой единичной массы сопровождается формированием ряда специфических видов физической и химической неоднородности. Следовательно, получаемая из слитка сортовая заготовка имеет определенный спектр сопутствующих «технологических» дефектов, которые, безусловно, ограничивают возможность получения высококачественной продукции [7-9]. Кроме того, получение сортовой заготовки из слитков сопровождается существенными потерями металла за счет обрези и окалины, а также потерь тепла при нагреве слитков и заготовок. Общие потери металла при этом могут составлять 15-20%, что не позволяет рассматривать технологию получения сортовой заготовки из слитков с последующим многократным обжатием как современный энерго- и ресурсосберегающий процесс, обеспечивающий высокую конкурентоспособность продукции на мировом рынке.

Одним из путей снижения энергозатрат при получении сортовой заготовки из слитков является метод многоручьевой прокатки-разделения, сущность которого сводится к тому, что из одной заготовки (слитка) в многоручьевых калибрах происходит одновременное формирование нескольких, соединенных перемычками или переходящих друг в друга профилей или заготовок, которые затем разделяются [28]. Использование метода прокатки-разделения способствует увеличению производительности прокатных станов, что представляет наибольший интерес для комбинатов с большим объемом производства. Вместе с тем, этот метод требует дополнительной деформации слитка в сляб, что нивелирует снижение себестоимости проката в сравнении с традиционной технологией.

В конструкционном плане машины для разливки на сортовые заготовки (таблица 1.1) представляют собой, главным образом, радиальные МНЛЗ, что объясняется их простотой и высокой функциональностью (рисунок 1.3). Для высокопроизводительных сортовых МНЛЗ количество ручьев колеблется в пределах от 4 до 8 единиц. При этом распространение 7-8 ручьевых МНЛЗ в мире носит все же ограниченный характер (всего несколько десятков машин). Основными разработчиками высокопроизводительных сортовых МНЛЗ являются фирмы «Concast Standard», «SMS-Demag», «Danieli», «Siemens-VAI». Некоторые другие крупные машиностроительные фирмы также занимаются разработкой и изготовлением сортовых МНЛЗ. Так, на ряде металлургических предприятий стран СНГ хорошо зарекомендовали себя сортовые МНЛЗ ПАО «Новокраматорский машиностроительный завод» [29].

Базовый радиус скоростных сортовых МНЛЗ обычно составляет 6-9 м. Зона вторичного охлаждения имеет, как правило, 4-5 секций, которые оборудованы форсунками для разбрызгивания воды (для последних секций это может быть также водовоздушная смесь) [30-32].

Как правило, отечественные сортовые машины обспечивают разливку квадратной заготовки нескольких сечений с размером стороны в диапазоне 100-160 мм. В ряде случаев сортовые машины охватывают более широкий спектр сечений, и, в том числе, позволяют, например, разливать круглую заготовку диаметром до 180-200 мм.

Таблица 1.1 – Основные технические характеристики современных сортовых МНЛЗ ведущих производителей

Основные технические характеристики современных сортовых МНЛЗ ведущих производителей

Схема 6-ти ручьевой сортовой МНЛЗ

Рисунок 1.3 – Схема 6-ти ручьевой сортовой МНЛЗ: 1 – поворотный стенд со сталеразливочными ковшами; 2 – промковш; 3 – разливочная дуга и ЗВО; 4 – тянуще-правильная машина; 5 – устройство для порезки заготовки

В последние полтора десятилетия в металлургии резко обозначилась тенденция использования многоручьевых сортовых МНЛЗ с высокой скоростью разливки (до 5-6 м/мин), что позволяет получать сортовую заготовку в сталеплавильных цехах с плавильными агрегатами высокой единичной производительности [33-35]. Современная сортовая МНЛЗ, как правило, обеспечивает разливку 200-250 тыс.т стали в год или 0,45-0,55 т/мин на ручей. Ожидается, что уже в ближайшее время эти показатели удастся повысить на 30-50% за счет реализации новых решений в части формирования твердой корочки в кристаллизаторе и ЗВО.

Обобщая известные подходы в области технологии разливки сортовой заготовки, следует отметить, что технологические переливы стали осуществляются как открытой (незащищенной), так и закрытой (специальная огнеупорная проводка) струей (рисунок 1.4).

Схема разливки стали на сортовой МНЛЗ закрытой и открытой струей

Рисунок 1.4 – Схема разливки стали на сортовой МНЛЗ закрытой (а,б, в, д) и открытой (г, е) струей: 1 – защитная труба; 2 – крышка промковша; 3 – стопор-моноблок; 4, 5, 6 – рабочий, теплоизоляционный и арматурный слой футеровки; 7 – ТИС; 8 – жидкий металл в промковше; 9 – стакан-дозатор; 10 – погружной стакан; 11 – кристаллизатор; 12 – погружной стакан, совмещенный со стаканом дозатором; 13 – ШОС; 14 – жидкий металл в кристаллизаторе; 15 – трехплитный шиберный затвор; 16 – сильфон; 17 – БСС

При разливке сталей рядового качества производители стремятся в максимальной степени реализовать стратегию минимизации издержек, что предполагает, в том числе, и разливку стали открытой струей. Совместно с технологией разливки сверхдлинными сериями это позволяет уменьшить удельные затраты только на огнеупоры примерно в 2-3 раза. Разливка стали закрытой струей применяется при литье качественных и специальных марок сталей, склонных к вторичному окислению (например, раскисленных алюминием), и осуществляется с помощью защитной трубы между сталеразливочным ковшом и промковшом, а также погружных стаканов между промковшом и кристаллизатором. При этом наиболее сложным для практической реализации представляется расположение погружного стакана в полости кристаллизатора малого сечения (100x100 мм или 120x120 мм) с регламентируемым зазором между стаканом и стенками кристаллизатора.

В целом мировому развитию и тотальному применению метода непрерывной разливки сортовой заготовки способствовали следующие основные достижения [36-39]:

  • усовершенствование основных конструктивных элементов МНЛЗ и улучшение их функциональных параметров;
  • применение гидроприводов для обеспечения возвратно-поступательного движения кристаллизатора;
  • внедрение комплексной системы автоматизации процесса разливки в совокупности с широким применением аппаратов для контроля отдельных параметров работы машины в течение всего цикла разливки;
  • освоение технологии непрерывной разливки сортовой заготовки с использованием защиты стали от вторичного окисления и электромагнитного перемешивания металла в кристаллизаторе;
  • кардинальное повышение качества непрерывнолитой заготовки за счет обработки стали в промковше, использования метода мягкого обжатия заготовки с жидкой сердцевиной, автоматизации процесса разливки и оптимизации химического состава, а также эксплуатационных показателей расходуемых и огнеупорных материалов;
  • повышение выхода годного за счет увеличения серийности разливки, снижения отходов стали при отрезании головной и концевой частей непрерывнолитой сортовой заготовки, а также уменьшения отходов металла с остатком в промковше, выводимом из эксплуатации;
  • повышение производительности МНЛЗ до уровня блюмовых за счет увеличения числа ручьев (до 6-8) при повышении скорости вытяжки заготовки до 5-6 м/мин;
  • создание и конструктивное оформление концепции универсальных высокоэффективных технологических модулей (мини-заводов), объединяющих высокопроизводительный плавильный агрегат (мощную дуговую сталеплавильную печь), агрегат для комплексной доводки стали в ковше («ковш-печь») и высокопроизводительную многоручьевую МНЛЗ.
  Раздел 1.1
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ