Высший пилотаж металлургии стали

По каким направлениям развивают непрерывную разливку стали ведущие практики и теоретики черной металлургии мира. 6-я Европейская конференция по непрерывной разливке стали (Риччионе, Италия)


Высший пилотаж металлургии стали
 
По каким направлениям развивают непрерывную разливку стали ведущие практики и теоретики черной металлургии мира
 
Алексей Смирнов, проф., д.т.н., ДонНТУ
 
Вначале июня 2008г. в италь­янском курортном местеч­ке Риччионе состоялась 6-я Европейская конференция по непрерывной разливке стали. Большая часть докладов, презентованных деле­гатами, была посвящена вполне конк­ретным прикладным вопросам и ре­шениям, которые обеспечивают ме-таллопроизводителям высокую конку­рентоспособность. Кроме того, на кон­ференции весьма наглядно были пред­ставлены наиболее значимые направ­ления развития европейской и миро­вой научно-технической мысли в сфе­ре непрерывной разливки стали.
Их концентрированное обозрение – в статье нашего постоянного авто­ра, также принявшего участие в этом съезде металлургов-ученых и практи­ков (Для удобства восприятия мате­риал подан в привязке к основным научным секциям конференции).
 
Шлакообразующие смеси
 
По мнению многих исследователей, динамика расплавления шлакообразующих смесей (ШОС) в кристаллизаторе МНЛЗ во многом определяет ста­бильность процесса литья и качество поверхности заготовки. Установлено, что для процесса расплавления ШОС весьма важным является минералоги­ческий состав ее компонентов. И в не­скольких докладах, представленных на конференции, детально рассматрива­лась динамика перехода ШОС из твер­дого состояния в жидкое, а также пос­ледующее затвердевание шлаковой пленки.
Так, в докладе шведской фирмы Swerea KIMAB были рассмотрены ре­зультаты исследований по влиянию ШОС на начало формирования твер­дой корочки для нержавеющих марок сталей. Показано, что для повышения качества заготовки целесообразным является уменьшение теплоотвода в кристаллизаторе и особенно в верхней его части. В свою очередь, исследова­ния, выполненные сотрудниками фир­мы Corus RD&T (Голландия), для про­цесса разливки тонкого сляба со ско­ростью 5-6 м/мин показали, что плен­ка шлака, отобранная с поверхности сляба, обладает толщиной 0,2-0,3 мм. Внутри пленки имеют место газовые пузырьки и капли металла. При этом для обеспечения стабильности процес­са разливки с высокими скоростями ре­комендуется прогнозировать свойства шлаковой пленки в соответствии с ус­ловиями литья.
 
А в докладе от корпорации Nippon Steel (Япония) рассматривался меха­низм образования прорывов в сталях, раскисленных кремнием. Отмечено, что пленка ШОС в этом случае может иметь большое количество микропор, что существенно снижает теплопровод­ность между твердой корочкой и стен­кой кристаллизатора. Образование микропор авторы доклада связывают со взаимодействием атомов водоро­да с жидким шлаком, воздухом и жид­кой сталью. Для уменьшения микропо­ристости рекомендуется использовать ШОС с высокой основностью.
 
Весьма интересным показались под­ходы к проблематике, выдвинутые дру­гой японской компанией – Shinagawa, презентовавшей новую концепцию ШОС высокой вязкости для разлив­ки низко- и сверхнизкоуглеродистых (ULC) сталей. В состав этих ШОС вхо­дит LiO2. Для ULC сталей разработаны ШОС, которые не содержат углерода. Расход этих ШОС составляет 0,2 кг/т стали. При этом количество дефектов в холоднокатаном листе сократилось в 8-10 раз.
 
Оборудование и КИП для МНЛЗ
 
На этой секции обсуждались при­кладные решения, направленные на повышение эффективности процесса литья и снижение трудозатрат. Здесь были представлены результаты рабо­ты систем, направленных на:
• раннее обнаружение шлака,
• предупреждение прорывов и конт­роль процесса качания кристалли­затора,
• контроль поверхности заготовки в ЗВО с применением стационарного и сканирующего пирометров,
• непрерывный замер температуры в промковше МНЛЗ,
• контроль механизма качания крис­таллизатора, зазора между подде­рживающими роликами, конфигу­рации внутренней полости кристал­лизатора, распределения охлаждаю­щей воды в ЗВО,
• обнаружение поверхностных дефек­тов типа шлаковые включения на ос­нове лазерного спектрографическо­го анализа и т.п.
 
Обратила внимание информация Nippon Steel о пуске новой одноручье-вой слябовой МНЛЗ для получения высококачественных слябов на японском заводе Kimitsu Works. Высокая функци­ональность этого решения была про­иллюстрирована следующими харак­теристиками. Производительность МНЛЗ – 160 тыс.т стали в месяц при толщине сляба 240 и 300 мм, ширине – 980-2200 мм. В обслуживании МНЛЗ участвуют только 3 оператора на раз­ливочной площадке и 2 в зоне транс­портировки слябов (один для контро­ля качества сляба, второй – для управ­ления краном). Это достигается бла­годаря применению различных авто­матических систем и рациональному подходу к выбору оборудования. Вся информация по работе МНЛЗ архиви­руется, что позволяет развивать авто­матические системы управления в бу­дущем и использовать молодых опера­торов, не имеющих большого опыта уп­равления МНЛЗ.
 
Огнеупорные изделия и материалы
 
Специфика эксплуатации МНЛЗ прямо подразумевает необходимость контроля за стойкостью огнеупоров, обеспечивающих процесс непрерыв­ной разливки стали. Одна из потенци­ально проблемных зон здесь – погружные стаканы с характеризующими их процессами зарастания и эрозионного разрушения. Именно на этих момен­тах акцентировали внимание многие докладчики. Например, специалисты аргентинской фирмы Tenaris Siderca представили модель, прогнозирующую профиль износа погружного стакана в зоне шлакового пояса. Это позволяет повысить его эксплуатационную стой­кость посредством изменения положе­ния промковша по ходу разливки в со­ответствии с реальным износом.
 
А в двух докладах японской компании Shinagawa весьма подробно была про­анализирована эффективность приме­нения погружных стаканов конструк­ции Mogul (Предполагает специальную форму внутренней полости погружного стакана: на ней располагается большое количество сферических выступов, кото­рые выполняют функцию торможения струи и предотвращают зарастание). В теории такая конструкция погружного стакана обеспечивает лучшее распре­деление инжектированных пузырьков аргона в жидкой ванне кристаллизато­ра, что сильно снижает интенсивность отложения алюминатов на его внутрен­ней поверхности. Практика в целом подтверждает эти выводы – по информации завода ArcelorMittal Florange (Франция), погружной стакан Mogul обеспечивает стабилизацию процесса литья, в том числе и уменьшает развитие волн ме­талла в кристаллизаторе. Это также спо­собствует некоторому увеличению про­изводительности ручья МНЛЗ и повыша­ет качество поверхности сляба вследс­твие снижения захвата ШОС металлом (данные японского завода Chubu Steel Plate).
Основные направления исследова­ний в области развития огнеупоров для непрерывной разливки рассматривались в докладе, представленном фирмой RHI AG (Австрия). По мнению ее представителей, необходимость со­вершенствования огнеупорных изде­лий обусловлена совокупностью фак­торов. Среди последних можно выде­лить рост цен на рынке сырьевых ма­териалов и энергоносителей, а также совершенствование технологической системы разливки в части снижения удельного расхода огнеупоров при од­новременном повышении качества ме­таллопродукции. В докладе показано, что значительным потенциалом обла­дает направление оптимизации работы промковша. Автоматизация процесса подготовки системы дозирования ста­ли с применением шиберных затворов также была выделена как весьма важ­ный элемент в обеспечении высокой надежности разливки. При этом RHI AG относит к самостоятельным направле­ниям развития огнеупоров для МНЛЗ создание изделий и материалов, кото­рые в максимальной степени учитыва­ют условия разливки новых высококачественных марок сталей. Среди тако­вых – плиты шиберных затворов, изостатически прессуемые защитные тру­бы, стопоры, погружные стаканы и ста­каны-дозаторы.
 
Внешние характеристики непрерывнолитых заготовок
 
На секции «Качество металлопро­дукции и металлургические результа­ты» весьма подробно рассматривались факторы, обуславливающие формиро­вание поверхностных и подповерхнос­тных трещин в непрерывнолитых сля­бах.
Так, в совместном докладе компа­ний Copper Technology LTD (Велико­британия) и KM Europa Metal AG (Германия) было наглядно продемонс­трировано, что износ отдельных зон внутренней поверхности кристаллизатора МНЛЗ может самым существен­ным образом влиять на качество повер­хности сляба. При этом на стойкость кристаллизатора достаточно сильно влияет скорость вытяжки заготовки. Например, при увеличении скорости разливки на литейно-прокатном агре­гате с 4,6 до 5,2 м/мин стойкость крис­таллизатора уменьшилась примерно в 2,4 раза. Это необходимо расценивать как свидетельство того, что при повы­шении скорости разливки тепловая и механическая нагрузка на стенки крис­таллизатора существенно возрастает.
 
В этой связи были рассмотрены так­же новые материалы для кристаллизатора, базирующиеся на сплавах меди с серебром, меди с хромом и цирконием, а также меди с никелем и бериллием. При этом защитное покрытие на внут­ренней поверхности кристаллизатора может быть выполнено из никеля, ни­келевых сплавов, хрома, а также метал­локерамики. Твердость таких покры­тий составляет от 220 до 1200 HV, а теп­лопроводность – от 90 до 30 Вт/(м К). Варьируя тип покрытия для различных условий разливки стали, по мнению до­кладчика, можно достичь существенно­го снижения поверхностных и подпо­верхностных дефектов (допустим, па­укообразных трещин).
 
Швейцарская фирма Concast AG представила результаты промышлен­ного апробирования гильзовых кристаллизаторов для блюмовой МНЛЗ (се­чение заготовки 265х385 мм) завода ArcelorMittal Ruhrort (Великобритания). Отмечено, что такая конструкция крис­таллизатора обеспечивает практически полное подавление угловых продоль­ных трещин, которые наблюдались при применении кристаллизаторов традиционной (сборной) конструкции. Это объясняется, в первую очередь, более рациональной работой кристаллиза­тора в углах гильзы за счет специаль­ного дизайна.
 
Представители Concast AG также проанализировали результаты приме­нения метода «мягкого обжатия» для повышения качества блюмовой заго­товки (400х500 мм) из подшипниковой стали. В представленных эксперимен­тах общая величина обжатия состав­ляла 14 мм, а само обжатие осущест­влялось посредством 8 пар роликов. Показано, что данный метод оказы­вает существенное влияние на подав­ление осевой пористости и уменьшение V-образной ликвации. Докладчики также предложили зависимость между величиной «мягкого обжатия» и коли­чеством твердой фазы в месте воздейс­твия, которая гарантирует отсутствие дополнительных внутренних трещин в заготовке (что обычно связывается с «мягким обжатием»).
 
Представители завода Himeji Works Godo Steel (Япония) презентовали ана­лиз возможностей для повышения качества блюмов из углеродистых сталей. На двухручьевой МНЛЗ этого завода разливают блюмы сечением 220х250 мм, 250х300 мм, 330х360 мм, 330х450 мм и 370х490 мм. При этом скорость разливки колеблется от 1,69 м/мин для минимального сечения до 0,51 м/ мин для максимального. Базовый ра­диус МНЛЗ составляет 16 м, а разгиб заготовки осуществляется в трех точ­ках. Кристаллизаторы МНЛЗ оснаще­ны электромагнитными мешалками типа M-EMS. Для устранения поверх­ностных дефектов на заводе выполнен комплекс исследований, который поз­волил оптимизировать конусность в верхней части кристаллизатора (ко­нусность от мениска до 200 мм вглубь кристаллизатора установлена на уров­не 1,8%, а далее – 0,85%). Кроме того, благодаря использованию погружного стакана конструкции Mogul, удалось существенно уменьшить скорость исте­чения стали в кристаллизатор. В целом эти два мероприятия позволили умень­шить количество обнаруживаемых поверхностных трещин в 9-10 раз.
 
Модернизация и операционная практика
 
Особого внимания заслуживает ряд докладов (оглашены в нескольких сек­циях), посвященных новым или реконструированным слябовым МНЛЗ, имеющим крайне высокие производс­твенные показатели.
 
Так, немецкая фирма SMS Demag предоставила доклад об одноручьевой слябовой МНЛЗ для разливки сверхширокого сляба (3250 мм) на китайском заводе Anyang Iron & Steel. Машина имеет следующие характеристики: тол­щина сляба – 150 мм; максимальная скорость разливки – 2 м/мин, произ­водительность – 1,1 млн.т в год, мас­са металла в ковше – 120-150 т, базо­вый радиус – 6,77 м; металлургичес­кая длина – 18,687 м. Создание такой МНЛЗ потребовало решения вопросов оптимизации движения потоков ста­ли в 34-тонном промковше, создания специальной конструкции погружно­го стакана (максимальный расход ста­ли – 7,5 т/мин; обеспечивает разливку сляба шириной 1600-3250 мм), а так­же развития системы водо-воздушного охлаждения в ЗВО.
 
В докладе завода Voestalpine Stahl (Линц, Австрия) была рассмотрена информация о реконструкции ради­альной МНЛЗ (базовый радиус 10 м), что позволило отливать слябы толщи­ной 215 мм, 285 мм и 355 мм. В новой машине предусмотрен вертикальный кристаллизатор и вертикальная зона под ним, зона загиба заготовки, а так­же ряд автоматических систем, позво­ляющих оперативно управлять процес­сом литья. Максимальная скорость раз­ливки – 0,7 м/мин для трубных марок сталей. Система «мягкого обжатия», реализованная на этой МНЛЗ, обеспе­чивает уменьшение толщины сляба на 3-4 мм при скорости разливки до 2,0 м/ мин и интенсивности обжатия 1,1-1,2 мм/м.
 
Корпорация POSCO (Южная Корея) представила расширенную информа­цию о реконструкции слябовой МНЛЗ на своем заводе Gwangyang. В результа­те этого мероприятия была обеспечена скорость разливки 2,7 м/мин для сля­ба толщиной 250 мм и шириной 1600 мм (металлургическая длина машины -47 м). При этом базовый радиус МНЛЗ составляет 9 м, длина вертикального кристаллизатора – 0,95 м, а годовая производительность – 3,5 млн.т стали в год. А корпорация Nippon Steel сооб­щила о пуске в 2007г. новой одноручье­вой слябовой МНЛЗ с проектной произ­водительностью 2,1 млн.т стали в год.
 
Тенденции
 
Толщина сляба, получаемого на этой машине, составляет 240 и 300 мм, ши­рина – 980-2300 мм, а металлургическая длина МНЛЗ – 41,2 м. Вместимость промковша составляет 60 т, а скорость разливки – 5 т в минуту.
 
Завод ArcelorMittal Tubarao (Брази­лия) также презентовал данные о пуске в середине 2007г. новой двухручьевой слябовой МНЛЗ с номинальной про­изводительностью 3 млн. т в год (пос­тавщик оборудования – Steel Plantech CO). Машина обладает следующими характеристиками: толщина сляба -200, 225 и 250 мм; ширина – 1050-2325 мм; длина – 5,0-12,5 м; базовый ради­ус – 10 м; металлургическая длина -32,97 м; кристаллизатор – вертикаль­ный; максимальная скорость – 2,0 м/ мин (для толщины 200 мм), 1,8 м/мин (для толщины 225 мм), 1,5 м/мин (для толщины 250 мм). В докладе рассмот­рены особенности разливки слябов со сверхвысокими скоростями, что поз­волило обеспечить стабильную рабо­ту систем автоматики.
 
В презентации Новокраматорского машиностроительного завода (Укра­ина) были рассмотрены особенности реконструкции 2-х двухручьевых ради­альных слябовых МНЛЗ на комбинате «Азовсталь» (Украина). Сечение отли­ваемого сляба – от 200 х 1200 до 315 х 1900 мм, базовый радиус машины – 10 м. Основное внимание при проведении реконструкции уделялось ЗВО. В соот­ветствии с рассчитанными по специ­альной программе диапазонами были выбраны двухфазные форсунки, обес­печивающие 10-кратное изменение расходов воды для зон 3-9, и однофаз­ные форсунки, обеспечивающие изме­нение расходов в 3,7 раза. Для управ­ления процессом охлаждения разра­ботана оригинальная модель динами­ческого управления, позволяющая раз­ливать различные марки сталей, в т.ч. API-X70 и т.п.
 
Компания Corus представила доклад, посвященный удлинению срока служ­бы кристаллизаторов при применении керамического покрытия CASTCOAT.
 
Применение этого покрытия и техно­логии его нанесения на ряде заводов Европы, Кореи и США обеспечило по­вышение стойкости кристаллизато­ров от 2,5 до 10 раз. Максимальный показатель достигнут на английс­ком заводе Scunthorpe на 6-ручьевой блюмовой МНЛЗ (сечение заготовки 254х330 мм): разливка 2000 плавок массой 300 т каждая.
 
Технология и автоматизация
 
В рамках этой секции в основном были «размещены» доклады-презен­тации от ведущих производителей автоматических систем управления непрерывной разливкой. Поэтому здесь, несмотря на высокий науч­ный и технический уровень докла­дов, достаточно легко просматривал­ся рекламный характер представлен­ных материалов. Однако некоторые общие тенденции выделить вполне можно.
 
На данный момент ведущие произ­водители непрерывно-литой стали все больше концентрируются на таком аспекте автоматизации, как системный подход к архивированию данных о раз­личных прецедентах, возникающих в процессе литья. Подобные ситуации анализируются не только в техноло­гическом аспекте, но и в части изме­нения качества заготовки. В дальней­шем для каждой из них отрабатыва­ется стратегия работы оборудования. Например, испанская фирма Sidenor Investigacion представила анализ ком­плексной системы, позволяющей обес­печить разливку стали сверхдлинны­ми сериями (50-60 плавок) на сорто­вой МНЛЗ с учетом производственной программы и длительности технологи­ческих циклов.
 
А фирмы RHI AG и Interstop (Швей­цария) основной аспект в своих пре­зентациях сделали на системах, обеспечивающих автоматический контроль за процессами движения стали от сталеразливочного ковша до кристалли­затора МНЛЗ. Высокая эффективность таких систем достигается на базе сов­мещенного физического и математи­ческого моделирования.
 
Модельная металлургия
 
Сегодня моделирование уже стало основой дальнейшего инновационно­го развития процесса непрерывной разливки, т.к. позволяет глубже понять фи­зические процессы, сопровождающие процессы литья и затвердевания. Это же предоставляет возможности в том числе и для того, чтобы предсказывать и оптимизировать параметры литья для новых марок промышленных сталей, а также -обеспечивать создание новых конструк­ционных решений для отдельных узлов МНЛЗ. Конференция в Риччионе только подтвердила данные тезисы – по коли­честву и качеству озвученной здесь те­матической информации.
 
Наибольшее внимание в докладах уделялось исследованию и модели­рованию процессов, происходящих в кристаллизаторе МНЛЗ. Это объ­ясняется тем фактом, что именно в кристаллизаторе закладывается ка­чество непрерывно-литой заготовки. Также очень широко были представле­ны идеи и разработки, посвященные моделированию процессов, происхо­дящих в промковшах. Большинство исследователей рассматривают промковш как агрегат, позволяющий су­щественно повысить чистоту стали за счет флотации неметаллических включений. При этом важнейшим вопро­сом является взаимодействие циркуля­ционных потоков, формирующихся в жидкой ванне промковша, с различно­го рода неметаллическими включени­ями, которые могут агломерировать­ся, всплывать в шлак или попадать в кристаллизатор, где их удаление ста­новится практически невозможным. Проследить эти процессы на физичес­ких моделях, по мнению большинства исследователей, не представляется ре­альным. Поэтому основным операци­онным инструментом для исследова­ний является математическое моде­лирование.
 
Судя по озвученным данным, совре­менные математические модели весь­ма адекватно описывают процессы затвердевания. В свою очередь, это поз­воляет оптимизировать условия фор­мирования заготовки как в кристаллизаторе, так и в ЗВО, а также обеспе­чивать работу МНЛЗ при использова­нии системы «мягкого» обжатия. Более того, такие модели дают возможность прогнозировать формирование крис­таллической структуры заготовки, зон ликвации, глубину жидкой лунки, а также возникновение различного ро­да трещин и осевой пористости.
 
В целом, очередная Европейская кон­ференция по непрерывной разливке стали еще более четко обрисовала основные векторы перспективного раз­вития технологии разливки и конструк­ции МНЛЗ. К таковым сегодня можно смело относить:
• наращивание удельной производи­тельности одного ручья МНЛЗ, в пер­вую очередь, за счет увеличения скорости разливки;
• обеспечение непрерывно повышаю­щихся требований к качеству непре-рывнолитой заготовки и особенно к ее поверхности;
• стремление приблизить профиль за­готовки к конечной металлопродук­ции (с учетом последующей прокат­ки);
• повышение уровня контроля процес­сов и их автоматизация как по отде­льным функциональным узлам, так и машине в целом.
 
Говоря о технической стороне обес­печения процесса непрерывной раз­ливки, необходимо отметить, что на мировом рынке наблюдается тенден­ция дальнейшего усиления домини­рования крупных машиностроитель­ных корпораций, производящих МНЛЗ различной конструкции (SMS Demag, Siemens VAI, Danieli). При этом весьма большое количество малых фирм спе­циализируется на производстве отде­льных механизмов, приспособлений и автоматических систем, обеспечи­вающих высокоэффективную работу МНЛЗ.
 
Шестая Европейская конференция по непрерывной разливке стали: паспорт мероприятия (июнь 2008г.)
Вставшей уже традиционной конференции приняли участие около 500 делегатов из 38 стран мира. Наиболее многочисленны­ми делегациями были представлены Италия (бо­лее 100 человек, 18 докладов), Германия (около 60 человек, 14 докладов), Австрия (свыше 40 че­ловек, 17 докладов), Великобритания (34 челове­ка, 13 докладов) и Япония (27 человек, 10 докла­дов). От Украины присутствовали 6 делегатов (8 докладов), от России – 2 представителя с 3 докла­дами. Всего было заслушано около 140 докладов. Наибольшее их количество было представлено фир­мами Corus, ArcelorMittal и Siemens VAI. Интересно, что более чем в 40 докладах принимали участие представители различных университетов (25 уни­верситетов из 15 стран).
 
Пленарное заседание открыл президент Ассоциации итальянских металлургов В.Никодеми, который в очередной раз подчеркнул весьма значи­мую роль процессов непрерывной разливки в сов­ременной металлургии – сегодня около 95% стали в мире разливается на МНЛЗ. Сопредседатель кон­ференции, президент Германской федерации стали профессор Д.Амелинг в своем вступительном сло­ве акцентировал внимание на особенностях перс­пективного производства стали в ЕС с учетом гло­бализации рынка. По его мнению, в ближайшее десятилетие черная металлургии Европы будет пос­ледовательно развиваться по двум стратегичес­ким направлениям: дальнейшее снижение удель­ных энергозатрат и уменьшение выбросов пыли и углекислого газа в атмосферу на тонну стали. По оценкам, представленным в докладе, прирост объ­емов производства стали в ЕС к 2020г. может составить до 20% только за счет повышения внут­реннего потребления.
 
Конференция стала примечательной и тем, что в ее ходе была проведена торжественная церемо­ния вручения медали «Луиджи Лозана» профессо­ру швейцарского Федерального института техно­логии Вилфреду Курцу – известному специалисту в области теории затвердевания стали. Это награ­да присуждается с 1950г. один раз в 3-5 лет, ста­тус ее в научно-металлургической среде – весьма высок. Среди ее лауреатов много известных уче­ных с мировым именем. Достаточно сказать, что в 1972г. такая медаль была вручена академику Борису Патону.

Параллельно с конференцией проводилась вы­ставка современных расходуемых материалов и оборудования для непрерывной разливки стали, в которой приняли участие многие известные произ­водители оборудования и автоматики для непре­рывной разливки (всего около 25 фирм).

Добавить комментарий