Сергей Еронько, Донецкий национальный технический университет

На чужих ошибках

За счет чего украинские разработчики шиберных систем для технологических переливов стали могут конкурировать с зарубежными производителями аналогичной продукции

Начало истории бесстопорной разливки стали связано с первым патентом, полученным еще в 1898г. в Англии на шиберный затвор для дозированного выпуска жидкого металла из ковша. Практическая же реализация заявленной идеи стала возможной лишь в начале 1960-х гг. с появлением огнеупорных плит нужного качества и освоением технологии их массового производства.

Благодаря целому ряду преимуществ в сравнении со стопорами, особенно проявившимися в условиях широкого использования различных способов внепечной обработки стали, к концу 1970-х гг. все предприятия черной металлургии мира перешли на разливку с использованием скользящих затворов.

За последние 35 лет в развитых странах разработаны десятки конструкций шиберных систем, отличающихся:

В мировой практике сталеплавильного производства процесс совершенствования разливочных устройств шиберного типа включал несколько этапов. Последний из них связан с необходимостью существенного повышения оборачиваемости разливочных ковшей, что обусловлено резким сокращением межплавочного периода дуговых сталеплавильных печей, а также ростом объемов стали, обрабатываемой на установках “ковш-печь”, функционирующих в комплексе с высокопроизводительными МНЛЗ при литье заготовок длинными сериями.

И в этих условиях потребовалось уменьшение продолжительности подготовки к работе разливочных устройств ковшей с 3 часов до 25-30 минут. Это стало возможным с разработкой конструкций ковшовых затворов кассетного типа, где замену отработанных огнеупорных элементов производят непосредственно на ковше, а не в шиберной мастерской.

Другим важным обстоятельством дальнейшего совершенствования скользящих затворов стало стремление расширить их функциональные возможности. Речь идет о целесообразности установки шиберных затворов на промежуточные ковши МНЛЗ, а также на современные кислородные конвертеры.

В первом случае благодаря применению трехплитных затворов или работающих по их принципу устройств для быстрой смены стаканов-дозаторов обеспечивается повышение стабильности скоростных режимов истечения жидкого металла из промежуточного ковша при непрерывной разливке стали длинными и сверхдлинными сериями.

Использование скользящих затворов для перекрытия в нужный момент выпускного канала кислородного конвертера позволяет реализовать эффективную отсечку конечного шлака при сливе металла в разливочный ковш, без которой невозможно достичь высоких результатов во время последующей внеагрегатной обработки стали.

Монополия смежников

Ведущие зарубежные фирмы, специализирующиеся на выпуске оборудования для внепечной обработки и разливки металла, сумели в кратчайшие сроки наладить производство скользящих затворов нового поколения, что позволило им осуществить стремительный прорыв в области передовых металлургических технологий.

Прекращение активной деятельности украинских отраслевых и проектных институтов, исчезновение из бюджета металлургических предприятий статьи затрат на выполнение разработок по новой технике, явились главными причинами снижения уровня отечественных разработок, предназначенных для сталеплавильного производства. Такая ситуация, естественно, позволяла западноевропейским фирмам без труда выигрывать тендеры на поставку оборудования для строящихся или реконструируемых сталеплавильных цехов украинских и российских металлургических комбинатов. Упреки в отсутствии патриотизма у отечественных производителей металла в современных экономических условиях совершенно неуместны. Коль не можем самостоятельно устранить возникшую проблему, за ее быстрое и качественное решение приходится платить экспортеру, готовому к тому же предоставить кредит на льготных условиях для приобретения комплексов оборудования.

Тем не менее, отдавая полное предпочтение зарубежным новациям, мы не стимулируем рост внутреннего потребления продукции отечественной металлургии, вынуждая ее работать лишь на экспорт в большинстве случаев непрерывнолитой заготовки. При этом становятся призрачными перспективы не только предприятий металлургического машиностроения Украины, а и находящихся с ними в тесной кооперации огнеупорных заводов. В этом ракурсе легко просматривается стратегия всемирно известных фирм, предлагающих потребителю ковшовые затворы кассетного типа, имеющие достаточно высокую цену (от $12 тыс. до $16 тыс.) и рассчитанные на комплектацию дорогостоящими керамическими плитами и стаканами-коллекторами ($70-100 за одно изделие), исключающими даже частичную унификацию. После приобретения такого кассетного затвора потребитель жестко связан с одним конкретным поставщиком огнеупорных изделий, имеющим, как правило, общие экономические интересы с производителем шиберной системы. По сути дела, сталеплавильный цех в таком случае становится заложником иностранной фирмы, поскольку может оказаться на грани остановки в случае прекращения поставок огнеупоров нужного типоразмера.

Конкуренция по аналогии

Таким образом, в настоящее время перед отечественными разработчиками металлургического оборудования стоит важная задача создания образцов скользящих затворов нового поколения, способных составить конкуренцию зарубежным аналогам как по техническим, так и по стоимостным характеристикам.

Процесс запуска в производство нового скользящего затвора является довольно длительным и включает несколько стадий. При этом уровень выполняемых технических разработок во многом определяется наличием информации о предшествующем опыте использования в производстве данного вида оборудования, имеющимися в распоряжении специалистов методами расчета проектируемых систем разливочных устройств, совершенством материально-технической базы для экспериментальных исследований в лабораторных и промышленных условиях надежности их функционирования.

Для преодоления в кратчайшие сроки отставания от конкурентов в области создания высокоэффективного сталеразливочного оборудования, прежде всего, необходимо тщательно изучить имеющийся опыт использования и выявленные недостатки импортных шиберных систем при эксплуатации в условиях украинских металлургических предприятий, а также выработать оригинальные технические решения по их устранению.

На основании результатов выполненного анализа конструктивных особенностей скользящих затворов иностранных фирм Interstop, Uberzetta, Sanac и др. установлено, что в зарубежной практике при проектировании затворов нового поколения предпочтение отдается системам с жестким массивным корпусом коробчатой формы с размещенными внутри упругими элементами в виде комплектов витых или тарельчатых пружин, прижимающих огнеупорные плиты. Наличие избыточных (пассивных) связей в конструкциях таких затворов требует высокой точности размеров металлических и керамических частей, поскольку даже незначительные изменения их геометрии из-за упругих деформаций и износа могут стать причиной появления зазоров в кинематических парах. Этим и обусловлено использование при изготовлении импортных затворов специальных жаропрочных и износостойких сталей, что, естественно, связано со значительным их удорожанием. Необходимость систематического диагностирования на специальных стендах пружинных элементов, а также обеспечения их воздушного охлаждения во время разливки усложняет обслуживание и эксплуатацию импортных ковшовых затворов кассетного типа.

С учетом результатов выполненного анализа известных конструктивных схем импортных затворов нового поколения при разработке аналогичных отечественных образцов в проектно-конструкторские решения были заложены следующие принципы:

Самоустановка подвижного огнеупорного элемента, позволяющая устранить возможность образования зазора между огнеупорными плитами из-за их клиновидности, достигнута за счет применения балансирных и шарнирных систем в опорном узле нижней металлической обоймы.

Уменьшение силы сопротивления, создающей нагрузку на привод затвора, обеспечено применением линейных подшипников с телами качения.

Ослабление влияния теплового воздействия на работоспособность затвора во время разливки и возможность использования для его изготовления конструкционной стали вместо жаропрочной достигли посредством применения полужесткого режима прижатия огнеупорных плит с помощью рычагов, допускающих значительные упругие деформации.

Одним из негативных факторов, снижающих технико-экономическую эффективность технологии непрерывной разливки стали методом “плавка на плавку”, а также операций по обработке металла в промежуточном ковше в так называемом поточном режиме, является недостаточная стойкость стопоров-моноблоков, подверженных в этих случаях одновременному разрушающему воздействию агрессивных шлаков, высоких тепловых и механических нагрузок. В связи с этим некоторыми зарубежными фирмами предприняты успешные попытки замены стопорных механизмов на промежуточных ковшах МНЛЗ скользящим трехплитными затворами с неподвижным стаканом-коллектором.

В качестве перспективного образца разливочного устройства промковша МНЛЗ в Донецком национальном техническом университете разработана и изготовлена конструкция трехплитного балансирного затвора. К основным его достоинствам следует отнести простоту кинематической схемы и возможность использования в нем керамических плит, выпускаемых отечественными огнеупорными заводами. Примененная в данном затворе балансирная система прижатия плит с помощью четырех винтовых стяжек обеспечивает надежный контакт рабочих поверхностей плит при наличии разнотолщинности по длине огнеупорного изделия до 2,5-3 мм. Для сравнения отметим, что у зарубежных аналогов значение этой характеристики не должно превышать 0,1 мм. Разработанный затвор можно эксплуатировать как в блочном, так и в кассетном варианте (при наличии огнеупорных плит в металлических обечайках).

При повышении серийности разливки стали после выхода на проектную производительность новых отечественных сортовых МНЛЗ, введенных в эксплуатацию в конвертерном цехе ОАО “Енакиевский металлургический завод” по проектам Новокраматорского машиностроительного завода, проявилась проблема низкой стабильности скоростных режимов истечения жидкого металла из промежуточного ковша в кристаллизаторы по причине изменения проходного сечения канала стаканов-дозаторов.

Одной из радикальных мер по стабилизации скорости разливки, как показал мировой опыт, является использование специальных механических систем, работающих по принципу шиберного затвора и позволяющих за доли секунды, т.е. практически без прерывания струи истекающей стали, осуществлять замену вышедшего из строя стакана-дозатора новым.

Анализ конструктивных особенностей импортных устройств для быстрой смены стаканов-дозаторов промежуточных ковшей сортовых МНЛЗ и порядок выполнения операций по их подготовке к работе и обслуживанию показал, что у этих систем есть один существенный недостаток. Он связан с необходимостью снятия с ковша устройства и последующей его полной разборкой и сборкой на специальном стенде для осуществления контроля работоспособности или замены упругих элементов, обеспечивающих надежное прижатие сменного стакана-дозатора к базовой огнеупорной плите.

Благодаря изменениям, внесенным отечественными разработчиками в кинематику узла прижима стакана-дозатора, обеспечена возможность индивидуального контроля и регулирования силы, развиваемой каждым упругим элементом, а также его замены без снятия с ковша устройства.

Предотвращение попадания конечного шлака в сталеразливочный ковш во время выпуска металла из кислородного конвертера считается в настоящее время важной технологической операцией при производстве качественной стали с меньшими издержками, обусловленными повышенными расходами лигатур и раскислителей, а также интенсивным износом футеровки ковшей.

Одним из вариантов эффективного решения задачи активного влияния на количество шлака, стекающего вместе с жидкой сталью в ковш из плавильного агрегата, является оборудование его шиберным затвором, позволяющим в нужный момент перекрыть выпускной канал с целью отсечки шлакового расплава. Положительный опыт компаний Salzgitter AG, Stopinc AG и RHI Refractories, совместно разработавших конструкцию скользящего затвора для бесшлакового выпуска стали из 200-тонного кислородного конвертера, успешно эксплуатируемого с 1997г. на металлургическом заводе фирмы Salzgitter, свидетельствует о перспективности дальнейших работ по созданию подобных систем.

С целью снижения эксплуатационных затрат, связанных с заменой отработанных огнеупорных плит, в разработанной сотрудниками ДонНТУ конструкции затвора для выпускного отверстия конвертера предусмотрено применение вращательного движения огнеупорного элемента, запирающего канал плавильного агрегата. При этом использованы результаты испытаний опытного поворотного затвора, проведенные в 1985г. в конвертерном цехе Енакиевского металлургического завода.

Разработанная конструкция поворотного затвора имеет несколько существенных преимуществ в сравнении с зарубежными аналогами: обеспечение самоустановки подвижной огнеупорной плиты благодаря сферической опорной поверхности ее металлической обоймы; защищенность зубьев приводной конической передачи от пыли и брызг жидкой стали за счет ее размещения внутри корпуса затвора, устранение быстрого износа поверхностей трения и уменьшение нагрузки на привод благодаря установке вращающейся обоймы на комбинированный подшипник качения.

Электромеханический привод затвора установлен ниже опорного кольца на корпусе конвертера и передает вращение вал-шестерне с помощью карданного вала, что позволяет вынести приводную систему из зоны интенсивного теплового облучения.

Использование вращательного движения подвижной огнеупорной плиты позволяет увеличить минимум в 3 раза площадь ее рабочей поверхности, перекрывающей в процессе работы затвора сталевыпускное отверстие конвертера, что дает возможность во столько же раз повысить кратность применения шиберного устройства до очередной замены.

Задача создания отечественных скользящих затворов нового поколения может быть успешно решена при сотрудничестве ведущих научных и проектных организаций, занимающихся разработкой металлургического оборудования; специализированных машиностроительных заводов, владеющих сегодня передовыми технологиями металлообработки; производителей высококачественных огнеупорных изделий для шиберных систем; а также предприятий, являющихся покупателями разливочных устройств и определяющих уровень предъявляемых к ним требований. В связи с этим в Донецком регионе создана научно-производственная группа, участвующая в совместной разработке и выпуске конкурентоспособных типов скользящих затворов. В ее состав вошли специалисты и сотрудники Донецкого национального технического университета, НПО “ДОНИКС”, ЗАО “НКМЗ”, ОАО “ММК им. Ильича”. Уже имеются первые результаты деятельности этой группы. Речь идет о созданном отечественном образце кассетного ковшового затвора, прошедшего успешное промышленное опробование в условиях кислородно-конвертерного цеха ОАО “ММК им. Ильича”. Стоимость такого затвора в 5-7 раз ниже в сравнении с зарубежными аналогами.

В заключение следует отметить, что успешное внедрение в производство новых шиберных систем возможно только после освоения отечественными огнеупорными заводами выпуска соответствующего класса керамических плит.