Играя в машинки
Перспективные варианты развития сталеплавильных цехов с непрерывной разливкой стали
Развитие технологий и конструкций машин для непрерывной разливки стали будет происходить в части создания высокоэффективных производственных модулей, которые приобретут гибкую технологическую связь при совмещении процессов выплавки стали, ее разливки и последующей прокатки заготовки.
НЕПРЕРЫВНАЯ РАЗЛИВКИ СТАЛИ: СЕГОДНЯ И ЗАВТРА
Перспективные
варианты развития сталеплавильных цехов с непрерывной разливкой стали
Развитие
технологий и конструкций машин для непрерывной разливки стали будет происходить
в части создания высокоэффективных производственных модулей, которые приобретут
гибкую технологическую связь при совмещении процессов выплавки стали, ее
разливки и последующей прокатки заготовки.
Процесс
непрерывной разливки стали является одним из наиболее быстро развивающихся в мировой
металлургии. Так, по разным оценкам, в 2003г. примерно 850-860 млн.т стали было
разлито на около 1800 машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ). Сегодня эти
агрегаты работают более чем в 90 государствах. При этом в большинстве стран
мира доля стали, разливаемой на МНЛЗ, превышает 90-95%. (Исключение составляют
такие государства, как Россия, Украина, Казахстан, Бразилия и некоторые другие,
доля непрерывной разливки в которых значительно ниже в силу продолжающейся
реконструкции сталеплавильного комплекса). Примечательно и то, что 50-55% всех
МНЛЗ были либо сооружены, либо реконструированы именно в последние 10-12 лет. А
к началу XXI века в количественном плане произошло практически полное насыщение
металлургических предприятий мира различного рода МНЛЗ и соответствующим технологическим
обеспечением.
Основные
направления развития техники и технологии непрерывной разливки стали
фокусируются на совершенствовании процессов литья заготовок традиционных сечений
(сляб, блюм) и на создании новых МНЛЗ для получения сортовых заготовок
квадратного и круглого сечения, тонких слябов, листа и фасонных профилей.
Наряду с
этим, наблюдающееся в последнее время заметное увеличение удельной производительности
сталеплавильных агрегатов способствует развитию тенденции ускоренной модернизации
существующих МНЛЗ с целью повышения их производительности при одновременном
повышения качества заготовки. Это прежде всего относится к слябовым и сортовым
МНЛЗ.
Одним из
определяющих направлений в части развития концепции непрерывной разливки стали
является также сокращение объемов инвестиций и срока их окупаемости как при
строительстве новых цехов, так и при реконструкции существующих. При этом
особое внимание уделяется уменьшению затрат на производство металлопродукции.
С учетом
сказанного представляется целесообразным выполнить дифференцированный анализ главных
тенденций развития основных технологических и конструктивных решений,
используемых в современных сталеплавильных цехах с непрерывной разливкой стали.
Минуя слябы
Производители
металлургического оборудования совершенствуют
«классические» слябовые МНЛЗ и активно разрабатывают технологии непрерывной
разливки с прямым получением стального листа
Сейчас в
мире насчитывается около 500 слябовых МНЛЗ с общим числом ручьев свыше 700.
Основными производителями непрерывнолитых слябов являются Япония, США, КНР,
Германия, Корея и Россия. На их долю приходится более 2/3 общего объема
производства слябов в мире. При этом на МНЛЗ получают главным образом сляб толщиной
180-300 мм.
1.
непрерывнолитой заготовки (сляба)
осуществляется по классической схеме: доменная печь – конвертер – внепечная
обработка – непрерывная разливка – прокатный стан. Однако в последнее время для
получения «классического» сляба МНЛЗ претерпевают серьезные конструкционные
изменения, а именно:
применяется
криволинейная схема технологической линии МНЛЗ с многоточечным загибом и
разгибом заготовки, что в совокупности со значительным уменьшением диаметра
поддерживающих роликов и более плотным их расположением, позволяет уменьшить деформации
в твердой корочке; tab-stops:list 36.0pt’>·
увеличивается
емкость промковша до 45-60 т, что обеспечивает увеличение времени пребывания в
нем металла и более устойчивую его подачу в кристаллизатор (в т.ч. и при замене
сталеразливочных ковшей); tab-stops:list 36.0pt’>·
ужесточаются
требования к защите стали от вторичного окисления на всем протяжении движения
металла от ковша до кристаллизатора; tab-stops:list 36.0pt’>·
применяется
электромагнитное перемешивание металла ниже кристаллизатора; tab-stops:list 36.0pt’>·
обязательно
используется система автоматической подачи ШОС в кристаллизатор.
Резкое
изменение представлений о современной слябовой МНЛЗ привело к тому, что
большинство машин в странах Европы, Японии и США подвергаются серьезной модернизации.
А новые МНЛЗ, сооруженные по вышеперечисленным принципам, имеют производительность
в 1,5-1,8 раза выше, чем агрегаты непрерывной разливки стали, построенные 15
лет назад. Это позволяет предположить, что существенного роста числа слябовых МНЛЗ
в мире наблюдаться не будет, поскольку возрастет удельная производительность
машин непрерывного литья заготовок.
2. В
последнее десятилетие все большее распространение получают
Наиболее
серьезным научным прорывом представляется создание рядом западных фирм МНЛЗ для
разливки тонких слябов, обеспечивающей качество на уровне технологии получения листа
из традиционного сляба. Отличительной особенностью таких МНЛЗ является
принципиально новая конфигурация внутренней полости кристаллизатора, имеющая
т.н. «чечевицеобразную форму». При этом толщина сляба в осевой зоне у мениска
составляет, как правило, 150-170 мм при толщине сляба на выходе из
кристаллизатора 55-70 мм. Такая конфигурация кристаллизатора позволяет не только
обеспечить подвод металла с помощью погружного стакана специальной плоской
формы («бобровый хвост»), но и улучшить питание жидкой сердцевины заготовки за
счет обжатия твердой корочки в нижних горизонтах.
Среди
преимуществ тонкослябовых МНЛЗ можно назвать возможность получения слябов
шириной свыше 3000 мм и уменьшение потерь энергии и металла в ходе последующего
прокатного передела. В целом же в этом случае за основу процесса взята
концепция литейно-прокатных модулей, представляющих собой совмещенную систему
технологий по разливке и прокатке металла.
Литейно-прокатные
модули, созданные на базе непрерывной разливки стали на тонкий сляб, в
настоящее время получают все большее распространение в развивающихся странах, где
наращивается потребность в листовом прокате. В этом случае появляется возможность
создания мини-заводов по производству небольших объемов листового проката в
удаленных от главных производителей листа регионах. К основным технологическим
преимуществам таких предприятий можно отнести возможность уменьшения потерь
тепла за счет исключения этапа охлаждения заготовки. В настоящее время подобных
МНЛЗ (литейно-прокатных модулей) в мире насчитывается более 50; в дальнейшем их
число будет увеличиваться.
3. Едва ли
не самым последним по времени концептуальным решением в области литья стали
является (ВЫДЕЛИТЬ П/Ж) технология
непрерывной разливки с прямым получением листа (полосы). (КОНЕЦ) Это
решение позволяет достичь кардинального снижения затрат на производство
металлопродукции, т.к. указанная технология исключает из цепочки дорогостоящие
операции повторного нагрева заготовки и многократного обжатия сляба.
Существо процесса
заключается в том, что сталь поступает из промковша в пространство между
валками, которые вращаются в противоположных направлениях. При контакте с поверхностью
валков образуются твердые корочки, которые двигаются вместе с поверхностью и
выходят из валков в форме листа, толщина которого определяется расстоянием между
валками, а ширина – боковыми стенками кристаллизатора. Обобщая данные различных
разработчиков, можно говорить, что они концентрируют усилия на процессе непрерывной
разливки с прямым получением листа на скоростях 25-100 м/мин. при толщине листа
1,5-6 мм и ширине 1200-1700 мм.
Ожидается,
что технология непрерывной разливки с прямым получением листа позволит создавать
вполне рентабельные мини-заводы с годовым производством 200-300 тыс.т в год.
При этом продукция таких мини-заводов сможет заменить и обычную горячекатаную
полосу, и часть холоднокатаной.
Хорошо отремонтированное
старое
Строительство
новых блюмовых МНЛЗ в последнее время носит ограниченный характер, что
объясняется насыщенностью рынка блюмовой заготовки. Производители таковой сосредоточились
на реконструкции действующих агрегатов
Мировое
производство крупных и средних заготовок прямоугольного, квадратного, круглого
и фасонного (балки) сечений оценивается на уровне 130-135 млн.т в год. По
состоянию на начало 2003г. в мире насчитывалось примерно 285-290 (1050-1070
ручьев) блюмовых МНЛЗ, около 50 машин для разливки крупной фасонной заготовки и
порядка 100 машин для получения круглой заготовки.
Средняя
производительность одного ручья для блюмовой МНЛЗ составляет примерно 125-130 тыс.т
стали в год. Рекордные показатели производительности одного ручья на лучших блюмовых
МНЛЗ мира значительно выше. Например, на японских металлургических заводах
«Сумитомо Метал» (размер блюма 300х400 мм) и «Даидо Стил» (размер блюма 370х480
мм) она составляет 300 тыс.т стали в год, а на австралийском заводе «БХР Стил»
(размер блюма 400х630 мм) – 400 тыс.т стали в год.
По оценкам
различных экспертов, средняя годовая производительность одного ручья для
современных блюмовых МНЛЗ должна составлять 200-250 тыс.т в год. Следовательно,
для большинства блюмовых МНЛЗ средний показатель их удельной производительности
представляется достаточно низким с позиций последних достижений в области
непрерывной разливки. Вместе с тем, как показывает анализ работы современных
МНЛЗ, далеко не все производители стали стремятся к максимальной скорости разливки.
Учитывая высокие требования машиностроителей, многие металлургические
предприятия акцентируют внимание на качестве блюмовой заготовки.
Существующие
блюмовые МНЛЗ можно условно классифицировать по следующим признакам:
по
конструкции (вертикальная, вертикальная с загибом после затвердевания, радиальная,
криволинейная); tab-stops:list 36.0pt’>·
по
числу ручьев (одноручьевые, двухручьевые и многоручьевые – 3-6 ручьев).
Такая
классификация позволяет осуществить наиболее точный анализ усилий
машиностроителей в сфере создания и совершенствования агрегатов непрерывного
литья заготовок.
1.
общего назначения используются, как правило, блюмовые МНЛЗ радиального и
криволинейного типа. Для МНЛЗ этого класса характерно наличие возможности
получения заготовок нескольких сечений. Причем сечение заготовки определяется
главным образом требованиями сопряженных прокатных цехов.
Обычно к таким
блюмовым МНЛЗ предъявляется условие обеспечения высокой производительности. Для
выполнения этой задачи в практике многих металлургических заводов мира
применяются многоручьевые машины. Основная часть блюмовых МНЛЗ имеет 2-4 ручья.
На долю 6-ручьевых машин приходится около 1/5 от всего количества блюмовых
ручьев МНЛЗ. На наш взгляд, это следует связывать с ограниченным числом
сталеплавильных цехов, где возможно применение таких МНЛЗ (большая единичная
мощность сталеплавильного агрегата). Кроме того, применение 6 (и более)
ручьевых МНЛЗ имеет ряд специфических особенностей, связанных, например, с
необходимостью использования промковшей большой протяженности, повышенным
требованиям к температурной однородности стали и проч.
В целом
анализ находящихся в эксплуатации блюмовых МНЛЗ показывает, что в последнее
десятилетие строительство новых машин носит весьма ограниченный характер. По
всей видимости, это объясняется насыщенностью рынка блюмовой заготовки. В то же
время большинство производителей блюмовой заготовки акцентируют свое внимание
на реконструкции действующих МНЛЗ.
2.
МНЛЗ криволинейного типа с вертикальным кристаллизатором, а также вертикального
типа с загибом твердой заготовки. Как правило, это одно-, двух- или
четырехручьевые МНЛЗ, которые расположены в электросталеплавильных цехах,
оснащенных вакуумными станциями и агрегатами «ковш-печь». На таких МНЛЗ
разливают высоколегированные и нержавеющие стали, а также стали с особыми
свойствами. Скорость вытягивания заготовки при этом оказывается достаточно
низкой – 0,35-0,50 м/мин.
Чисто
вертикальных блюмовых МНЛЗ в мире работает достаточно мало; большее
распространение получили машины с вертикальным кристаллизатором и многоточечным
загибом и разгибом заготовки.
3. Перспективным
направлением при производстве широкополочных балок является
получения фасонной заготовки, что позволяет существенно снизить себестоимость
готового проката. Так, к основным преимуществам разливки балочных фасонных
заготовок относят:
повышение
производительности на 15% (за счет исключения черновой клети и связанных с ней
черновых проходов); tab-stops:list 36.0pt’>·
повышение
выхода годного на 1,0-1,5%.
Эта
совокупность преимуществ хорошо проявляется при строительстве новых
производств. Более проблематичным выглядит экономический эффект от применения непрерывнолитых
балочных фасонных заготовок в существующем прокатном производстве, т.к. это
требует существенной коррекции режимов прокатки, а также адаптации оборудования
к прокатке непрерывнолитой заготовки. С учетом сказанного, наиболее эффективным
оказывается технологическое построение, в котором МНЛЗ для литья балочных
заготовок совмещена непосредственно с прокатным станом.
При всем
том непрерывная разливка фасонных заготовок получила широкое распространение в
мире. Большинство МНЛЗ для производства балочных фасонных заготовок находится
на металлургических заводах США, Японии и Южной Кореи. В основном эти МНЛЗ расположены
в электросталеплавильных цехах, большая часть из которых работает с использованием
шихты прямого восстановления. Практически все МНЛЗ для производства балочных
фасонных заготовок в конструкционном плане являются комбинированными, что предполагает
разливку на них прямоугольных заготовок.
Ведущими производителями
таких МНЛЗ являются фирмы SMS-Concast (Германия-Швейцария) и MDM (Германия), а
также японские концерны Mitsubishi и Sumitomo. Крайне слабо на рынке представлены
соответствующие технические решения от фирм VAI (Австрия) и Danieli (Италия).
4.
заготовок, являющихся исходным продуктом для производства бесшовных труб,
колес, бандажей, колец различных назначений и катанки, получило наиболее
широкое развитие в последние два десятилетия. Этому способствовали достижения в
области внепечной обработки, а также дальнейшее усовершенствование процесса
непрерывной разливки стали.
Исследованиями,
проведенными в ФРГ, США, Японии и бывшем СССР, установлено, что использование
круглой заготовки по сравнению с применением непрерывнолитых блюмов при
производстве труб имеет определенные преимущества. Во-первых, поверхность круглой
заготовки имеет более высокое качество, чем квадратной (нет продольных и
угловых трещин). Это непосредственно приводит к более высокому качеству труб,
изготовленных из круглой непрерывнолитой заготовки. Во-вторых, повышенная
плотность равноосной структуры в осевой зоне круглых заготовок обеспечивает
снижение количества микродефектов. Последние обычно образуются на внутренней
поверхности трубы из-за наличия осевой пористости у квадратных заготовок.
Размерный
сортамент литых круглых трубных и колесных заготовок довольно широк: от 150 до
500 мм. Качественные трубные марки сталей разливаются преимущественно на
радиальных или криволинейных МНЛЗ с многоточечным загибом и разгибом заготовки,
что позволяет получать заготовки диаметром 300-400 мм. Базовый радиус на этих
машинах колеблется в пределах 12-14 м в зависимости от максимального диаметра отливаемой
заготовки. Исключение, видимо, составляет пятиручьевая МНЛЗ №7 на заводе
«Маннесман» в г. Дуйсбург (Германия), имеющая базовый радиус 10,5 м и три
последующих радиуса выпрямления (13,5, 18,0 и 36,6 м). На этой МНЛЗ отливают
заготовки диаметром от 177 до 435 мм.
В целом же МНЛЗ
для получения круглой заготовки больше распространены в странах с развитым
металлургическим и машиностроительным комплексом, в т.ч. в государствах Восточной
Европы. Так, в последние годы были сооружены:
6-ручьевая
МНЛЗ для разливки круга диаметром 210 мм – в Чехии; tab-stops:list 36.0pt’>·
4-ручьевая
МНЛЗ для разливки круга диаметром 180-350 мм, 3-ручьевая и 2-ручьевая МНЛЗ с
максимальным диаметром заготовки соответственно 430 мм и 500 мм – в КНР;
1. Сортовые МНЛЗ как обязательная составляющая
современных мини-металлургических заводов.
В начале
2003г. в мире насчитывалось свыше 3900 ручьев сортовых МНЛЗ, что обеспечило
разливку примерно 185-190 млн.т стали. Непрерывная разливка стали на сортовую
заготовку сечением квадрат 100-180 мм в первую очередь связывается с распространением
концепции мини-металлургических заводов. Инновационные решения в области
интенсификации работы электросталеплавильной печи (плавка менее чем за 60
минут) и применение в технологической системе агрегатов «ковш-печь» обусловили
в начале 90-х годов прошлого века целесообразность создания высокопроизводительных
многоручьевых сортовых МНЛЗ для мини-заводов.
Так, в
последние годы активно создаются высокопроизводительные технологические модули
по схеме: «дуговая сталеплавильная печь» – «ковш-печь» – «сортовая высокоскоростная
МНЛЗ». Годовое производство такого модуля составляет 0,9-1,2 млн.т для
6-ручьевой МНЛЗ. Причем в таких технологических построениях получаемая сортовая
заготовка, как правило, является конечным продуктом, поставляемым на внешний
рынок. Собственно такая стратегия развития диктуется высокой ценой на сортовую
заготовку на мировом рынке стали и характерна для большинства современных мини-металлургических
заводов. Одним из примеров такого построения является ЗАО «Мини-металлургический
завод «ИСТИЛ (Украина)». (Подробнее см. «Металл» №4 за 2003г., или на
www.infor-metal.com – прим. ред.).
А развитию
и тотальному применению метода непрерывной разливки сортовой заготовки
способствовали следующие достижения:
прогресс
в стойкости огнеупорных материалов, используемых для дозирования стали
(стаканы-дозаторы) и для рабочего слоя футеровки промковша, что обеспечивает
разливку сериями 20-30 плавок из одного промковша с последующей его заменой без
остановки МНЛЗ;
2. Отдельные направления
технического совершенствования сортовых МНЛЗ.
В настоящее
время тенденция увеличения производительности сортовой МНЛЗ путем повышения
скорости разливки продолжает свое развитие. Многие научно-технические
разработки в этой области направлены на усовершенствование конструкции
кристаллизатора за счет повышения интенсивности и равномерности теплоотвода. Ведущие
фирмы-производители кристаллизаторов стремятся делать поправку на естественную
усадку непрерывнолитого слитка и выполнять внутреннюю поверхность
кристаллизатора в виде так называемого параболического профиля.
Промышленное
использование таких кристаллизаторов продемонстрировало, что они позволяют в
2,5-3 раза увеличить скорость литья для заготовок малого сечения (до 5,5-6,5
м/мин.). Обычно рабочая поверхность этих кристаллизаторов имеет специальное
многослойное покрытие, обеспечивающее повышенную эксплуатационную стойкость. При
этом благодаря улучшению условий теплопередачи по всей длине кристаллизатора его
технологическая длина увеличивается до 1000-1200 мм. Вместе с тем следует
отметить, что при использовании параболических кристаллизаторов может
наблюдаться повышенное трение заготовки на выходе из него. Это приводит к
повышенному износу стенок кристаллизатора в нижней части, что обусловливает
ухудшение условий теплоотвода и появление дефекта геометрической формы
заготовки – т.н. «ромбичность».
Альтернативной
конструкцией кристаллизаторов для высокоскоростной разливки является технология
«КОНВЕКС» (фирма Concast). Она предполагает использование кристаллизатора
переменного поперечного сечения: в зоне мениска поверхность заготовки имеет
ярко выраженную выпуклую форму, что улучшает условия теплоотвода через стенки
кристаллизатора. По мере опускания заготовки выпуклость боковых граней, которая
формируется стенками кристаллизатора, плавно уменьшается и в нижней части
кристаллизатора заготовка приобретает строго квадратную форму. При этом толщина
твердой корочки по всему поперечному сечению заготовки сохраняется постоянной.
Использование технологии «КОНВЕКС» позволило повысить скорость разливки до 6,4
м/мин. (квадрат 108 мм) на сортовой МНЛЗ металлургического завода «Тршинецке
Железарни» (Чехия).
С учетом
сказанного современная сортовая МНЛЗ обязательно несет в себе следующие конструктивные
и технологические решения:
скорость
разливки – до 6-6,5 м/мин.; tab-stops:list 36.0pt’>·
кристаллизатор
удлиненный параболический или другой специальной геометрической формы,
способствующей эффективному формированию качественной твердой корочки; tab-stops:list 36.0pt’>·
автоматический
контроль уровня металла в кристаллизаторе, электромагнитное перемешивание в
кристаллизаторе и т.п.
На данный
момент только 15-18% от общего количества сортовых МНЛЗ в мире можно считать
современными высокоскоростными агрегатами.
Стоимость того или иного типа МНЛЗ зависит от нескольких
факторов и колеблется в диапазоне 20-30% в зависимости от:
металлических конструкций и технологических узлов,
запчастями и периферийным оборудованием,
системы автоматики,
(или непередачи) "know how",
условий по оплате, кредитам и др.
К примеру, шестиручьевая сортовая МНЛЗ может быть оценена в $11-12
млн., двухручьевая слябовая – в $35-40 млн., четырехручьевая блюмовая МНЛЗ – в $20-25
млн.
Есть и другие параметры
установления стоимости, согласно которым МНЛЗ оценивается из расчета $3-3,2 за
1 кг в металлоконструкциях и до $7-8 за 1 кг в высокотехнологичных узлах.