Кузнечные слитки для машиностроения: эффективная конфигурация производства в современных условиях

Спецразлив
Владимир Сафонов, Алексей Смирнов, Донецкий национальный технический университет
Кузнечные слитки для машиностроения: эффективная конфигурация производства в современных условиях
Развитие энергетического и тяжелого машиностроения, судостроения, а также металлургической техники сопровождается увеличением единичной мощности энергетических установок. В свою очередь, это требует изготовления крупногабаритных, а порой, уникальных, роторов турбин и генераторов, бандажей, прокатных валков, а также валов для силовых агрегатов большой мощности. В связи с этим в последнее время отмечается глобальная тенденция роста количества изделий, изготовляемых из слитков массой 100-200 т, а также осваивается выпуск уникальных поковок из 300-400-тонных стальных слитков. Другими словами, крупный кузнечный слиток и сегодня остается востребованным как в машиностроении, так и на мировом рынке металлопродукции. В то же время сталеплавильные комплексы по производству крупных кузнечных слитков, за редким исключением, нуждаются в серьезной реструктуризации в части оснащения современными плавильными агрегатами и комплексами внепечной обработки стали.
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ “МЕТАЛЛУРГИИ КРУПНОГО СЛИТКА”
На данный момент производство крупных кузнечных слитков является достаточно привлекательным в коммерческом плане, т.к. обеспечивает выпуск продукции с высокой добавленной стоимостью, которая увеличивается от слитка к поковке и готовому изделию. Вместе с тем производство широкого спектра типоразмеров крупного кузнечного слитка практически невозможно организовать в сталеплавильном цехе “типового” металлургического завода из-за необходимости выплавки “немерных” порций стали сложного сортамента при сравнительно малом годовом объеме производства.
Для обеспечения эффективного производства таких слитков в своем распоряжении необходимо иметь специальное транспортное оборудование, большой парк изложниц в широком диапазоне типоразмеров, поддонов и проч. К тому же анализ производства стальных слитков показывает, что их доля с массой более 10 т, составляет примерно 5-7% от общего количества, однако на их изготовление уходит около трети всех производственных затрат вследствие высокой трудоемкости.
Поэтому производство крупных кузнечных слитков, как правило, организовывают в специализированных сталеплавильных цехах. При этом широкие возможности в достижении конкурентоспособных показателей открываются лишь при условии индивидуального и взвешенного подхода к организации современной системы технологии производства крупного кузнечного слитка с учетом особенностей модернизируемого производства.
Прежде всего, необходимо учитывать, что возможности основных технологических агрегатов и подъемно-транспортного оборудования таких специализированных цехов должны быть рассчитаны на определенную производительность по жидкой стали, причем применительно к производству слитков и типового, и максимального развеса.
Указанное обстоятельство прямо влияет на вместимость используемых в производстве сталеплавильных агрегатов; этот параметр электропечи (а чаще – нескольких ДСП) тесно увязан с максимально допустимым развесом слитков. Последнее, в свою очередь, определяет набор вместимости сталеразливочных ковшей и возможность гармоничного взаимодействия участка внепечной обработки со сталеплавильным агрегатом.
Данный подход естественным образом повышает объем необходимых капитальных затрат на организацию производства крупных кузнечных слитков – уровень инвестиций здесь возрастает примерно в 1,5-2,0 раза при сравнении с конфигурацией типового электросталеплавильного комплекса, рассчитанного на производство того же объема жидкой стали. Но в данном конкретном случае экономия себя не оправдывает. Ведь, скажем, выбор вместимости ДСП по принципу минимизации капитальных затрат и обеспечения заданной производительности по жидкой стали приводит к появлению технического и технологического барьера при разливке слитков большой массы, доля которых в перспективе может существенно возрасти.
Поэтому для сохранения перспективы развития при создании технологического построения цеха по производству крупных кузнечных слитков принято увеличивать вместимость ДСП до уровня, обеспечивающего выплавку слитка максимального развеса, а массу плавки выбирают кратной массе самого крупного слитка.
ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОЙ СХЕМЫ ПОЛУЧЕНИЯ КУЗНЕЧНОГО СЛИТКА
Так, для отливки слитка в 200 т масса плавки дуговой сталеплавильной печи может составлять 200, 100 или 50т. При этом количество печей и их вместимость во многом зависят от уровня техники и технологии плавки, а также внепечной обработки. Допустим, если возможности внепечной обработки ограничены, а продолжительность плавки велика, то для разливки слитка в печном пролете необходимо иметь две ДСП-100, которые последовательно выпустят сталь в два 100-тонных ковша. При наличии же современных технологических агрегатов отливка слитка реализуема по схеме “одна современная высокопроизводительная ДСП-50 – агрегат “ковш-печь”.
Такая схема предусматривает выплавку в течение каждых 1-1,5 часов 50-55 т жидкого полупродукта с последующим выпуском его в 100-тонный ковш, который отправляют на агрегат “ковш-печь”. По заполнении первого ковша металл доводят до марочного химического состава, после чего периодически компенсируют тепловые потери, параллельно накапливая сталь во втором. Наполнение изложницы, как и в первом случае, производят последовательно из двух 100-тонных ковшей.
Специфика внепечной доводки стали при отливке крупных слитков проявляется в наличии нескольких типоразмеров разливочных ковшей, сложном сортаменте стали, организации накопления металла перед разливкой и параллельной его обработке в двух-трех ковшах. Следовательно, конструкция установки “ковш-печь” должна быть универсальной. Кроме того, параметры агрегата (например, мощность печного трансформатора) должны полностью соответствовать режимам форсированного проведения критических (с точки зрения энергетики) технологических операций в заданном ритме работы.
Для достижения необходимого максимально допустимого предела содержания водорода, как правило, выбирают путь камерного вакуумирования раскисленной стали в разливочном ковше непосредственно перед разливкой в слитки с применением способов принудительного перемешивания для усиления массообмена между металлом и газовой фазой. Оборудование камерного вакууматора не контактирует с жидкой сталью, не требует специальных огнеупоров для футеровки камеры; отсутствует также необходимость в предварительном подогреве рабочих узлов установки.
Немаловажное значение следует придавать и организации процесса разливки стали в изложницы. Расчет количества разливочных канав и постановочных мест производят для нескольких групп типоразмеров слитков с учетом логистики готовых слитков, изложниц и поддонов. Следует также учитывать, что охлаждение слитков разного развеса до разной температуры (в зависимости от назначения – товарный или передельный) может отличаться довольно существенно от нескольких часов до 2-3 суток. Для успешной реализации заключительной стадии процесса разливочные канавы часто оборудуют автономными полукозловыми кранами.
Эффективная работа электросталеплавильного мини-завода, конфигурированного под выпуск специализированной продукции, прямо подразумевает бизнес-деятельность согласно стратегии гибкого производства. Она позволяет успешно конкурировать в условиях как современного рынка металлопродукции в целом, так и сегмента стальных слитков в частности. При этом на международном рынке крупных кузнечных слитков можно выделить следующие основные тенденции:
• повышение требований к качеству, служебным и весовым характеристикам продукта;
• выполнение заказов “точно в срок” при соблюдении индивидуальных требований заказчиков – они часто выражаются в разделении заказа на мелкие партии продукции и ужесточении условий поставки;
• рост потребности в слитках из спецмарок стали и со специальными свойствами. Не менее важным аспектом, без которого производство крупных кузнечных слитков невозможно реализовать, является наличие в стране предприятий энергетического, транспортного и тяжелого сектора машиностроения, которые формируют достаточно емкий и относительно стабильный внутренний рынок.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ НЕКОТОРЫХ МИРОВЫХ ИГРОКОВ СЕГМЕНТА КРУПНЫХ КУЗНЕЧНЫХ СЛИТКОВ В СРАВНЕНИИ С УКРАИНСКИМИ ПРОИЗВОДИТЕЛЯМИ
ЗАРУБЕЖНЫЕ ПРЕДПРИЯТИЯ
1. “ОМЗ-Спецсталь” (Россия). Производит поковки, штампованные изделия, отливки, плиты (в т.ч. биметаллические) из различных марок стали. Ежегодный объем производства этой продукции – 100-150 тыс.т. Выплавка стали осуществляется в ДСП-50. Сталеплавильное производство оснащено установкой внепечного рафинирования и вакуумирования (ASEA-SKF) в ковшах вместимостью 70 т и 150 т. Разливка стали в изложницы производится сверху и сифонным способом. Вес кузнечных слитков составляет 3-360 т.
2. SKODA STEEL (Чехия) выпускает кузнечные слитки из низкоуглеродистой, среднеуглеродистой и конструкционной стали, которые используются в судостроении, энергетическом (для генераторов) и металлургическом производстве, а также крупные поковки до 140 т и прокат. Возможный вес слитка – до 170т (из коррозионностойкой стали отливаются слитки до 25 т). Объем их производства в последнее время составляет 50-60 тыс.т в год. Сталеплавильное производство оснащено ДСП с массой плавки 14 т, 25 т и 50 т, а также 60-тонной установкой “ковш-печь” типа ASEA – SKF.
3. Finkl & Sons Co. (США) производит свыше 100 тыс.т кузнечных слитков в год и поставляет продукцию в 18 стран мира. В составе завода – ДСП массой 10-35 т, установки внепечной обработки и вакуумирования стали, а также соответствующие кузнечные мощности. Предельно возможная масса слитков и поковок достигает 400 т.
УКРАИНСКИЕ ЗАВОДЫ
1. ОАО “Энергомашспецсталь”. До середины 1980-х гг. здесь был введен в эксплуатацию электросталеплавильный цех с четырьмя ДСП вместимостью 12 т, 50 т и двумя по 100 т. Тогда предприятие располагало возможностью отливки под вакуумом крупных слитков (до 205 т); в общем же сталелитейный комплекс завода работал по схеме производства отливок массой от 0,5 т до 160 т.
С 2000г. “Энергомашспецсталь” модернизирует и восстанавливает мощности для производства слитков и поковок. В настоящее время в электросталеплавильном цехе предприятия проводят реконструкцию. Ее первый этап уже завершен, что обеспечило повышение уровня качества крупного слитка за счет ввода в эксплуатацию комплекса внепечной обработки стали (“ковш-печь” – камерный вакууматор VD/VOD). Второй этап предполагает строительство современной ДСП вместимостью 60-70т. Данный агрегат заменит действующие плавильные установки, а с его вводом в строй появится возможность гармоничного взаимодействия с участком внепечной обработки (в т.ч. при отливке слитков массой до 360 т).
На данный момент годовая производительность завода составляет 110-120 тыс.т слитков. После завершения реконструкции она достигнет 240-250 тыс.т/год.
2. ЗАО “Новокраматорский машиностроительный завод” (НКМЗ). В сталеплавильном цехе этого предприятия производят слитки массой от 2 до 150 т. На участке
внепечной обработки стали применяют три типоразмера ковшей (30 т, 60 т и 90 т). Все ковши совмещаются с агрегатом внепечной обработки стали и камерным вакууматором.
В сфере производства слитков широкого марочного состава НКМЗ ориентируется на современную технологическую концепцию выплавки жидкого полупродукта в 50-тонной дуговой электропечи с последующей его доводкой в сталеразливочном ковше на участке внепечной обработки. Годовой уровень выпуска крупных слитков на этом предприятии составляет около 100-110 тыс.т.
3. ДП “Завод утяжеленных бурильных и ведущих труб” (входит в состав Сумского НПО им. М.Фрунзе). Металлургическое производство этого предприятия включает две трехфазные ДСП вместимостью 20 т каждая, установку комплексной обработки стали ASEA-SKF (скачивание шлака, подогрев металла, электромагнитное перемешивание, вакуумирование и пр.), установку VOD (для получения низкоуглеродистых коррозионностойких марок стали), двухручьевую МНЛЗ вертикального типа. Кроме того, предусмотрена разливка сифонным методом в изложницы развесом слитка 6т (прямоугольная) и 9 т (восьмигранная).
Номинальная мощность завода по выплавке жидкой стали – 92 тыс.т в год. Однако завод выплавляет несколько меньший объем, что диктуется конъюнктурой мирового рынка бурильных труб. Уровень производства стальных слитков (разливка в изложницы) в последние годы составил примерно 10-12 тыс.т.