Лтейно-прокатные комплексы кардинально изменяют производство стального проката
Задача дорогостоящая, но иного пути нет
Валентин ДАНЧЕНКО, Национальная металлургическая академия Украины
Лтейно-прокатные комплексы кардинально изменяют производство стального проката
Настоящее время требует осуществления реструктуризации металлургического производства Украины на базе широкого использования процессов непрерывной разливки стали в сочетании с созданием литейно-прокатных комплексов (ЛПК) листового и сортового проката. Что позволит снизить в среднем на 15% расход стали на 1 тонну проката, а также до 30-50% – расход энергии.
Последние достижения выплавки, непрерывной разливки стали и эффективное совмещение разливки с прокаткой создали новую концепцию производства длинномерной металлопродукции [1-5]. Это обусловило реструктуризацию металлургической промышленности в развитых странах мира.
К сожалению, на фоне эффективных преобразований в мировой металлургии, связанных с широким использованием процессов непрерывной разливки стали, Украина выглядит весьма скромно. Еще в начале 90-х годов наша страна, занимая пятое место в мире по производству стали, всего лишь 8% этого металла разливала непрерывным способом. Сегодня, с вводом в эксплуатацию новых установок непрерывной разливки (и одновременно с учетом резкого спада производства стали из-за экономического кризиса) этот показатель увеличился где-то до 20%. Между тем, в странах Западной Европы – 87%, а в Японии – 94,4% стали разливают на МНЛЗ.
В следствие этого в Украине расход энергии на производство 1 тонны стали на 30% больше, чем в Японии. Расход стали на производство 1 тонны проката составляет в Украине 1,3 тонны, тогда как в России 1,24 тонны, а в Японии 1,044 тонны.
Это сегодня и делает значительную часть металлопродукции Украины неконкурентоспособной на мировом рынке, и лишь низкие затраты на заработную плату и охрану окружающей среды еще позволяют осуществлять ее экспорт потребителям, учитывающим соотношение цены к качеству.
В развитых странах мира широко развернуты процессы реструктуризации металлургии, децентрализации больших металлургических компаний (например, “Бритиш Стил” в Великобритании), вывода из эксплуатации устаревших производств и создания мини-заводов (производство до 2 млн. тонн стали в год) на базе прогрессивных технологий выплавки, разливки стали и прокатки.
Конечно, в странах с развитой экономикой, эффективной финансовой и налоговой системой неконкурентоспособные производства, участки, цехи не могут годами бездействовать, они достаточно быстро реконструируются либо вовсе закрываются. При этом создаются новые высокотехнологичные производства, поскольку и благоприятные законодательные условия способствуют перетеканию капитала в эффективные области производства.
Реконструкция устаревших металлургических производств осуществляется либо на базе уже ставших традиционными технологических схем (доменный процесс – конвертерная плавка – непрерывная разливка – прокатка или плавка в электродуговой печи – непрерывная разливка – прокатка), либо на базе прогрессивных "прорывных" технологий (процесс руда – сталь; электродуговая выплавка – совмещенная непрерывная разливка и прокатка).
По оценкам специалистов [5], даже в развитых странах использование традиционных технологических схем будет уменьшаться постепенно, вплоть до середины XXI века. И это естественно, т. к. "жизнь" любой технологии не обрывается в одночасье, а ее замена на новейшую требует в металлургии больших материальных затрат. Предполагается, что в 2013 году с прямым восстановлением железа будет получено около 1% стали, а на машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) будут осуществлять отливку "тонких" слябов всего около 18% и полос (менее 10 мм толщиной) – 3% от всего объема разливаемой стали.
Однако сегодня следует учесть значительное снижение рисков применения продвинутых технологий. Поэтому прогнозируемые достижения могут наступить раньше.
Таким образом, в связи с технической отсталостью металлургии Украины, как и России [3], расход их материальных и энергетических ресурсов на 20-25% превышает передовой мировой уровень. Ясно, что ситуация требует серьезного государственного подхода к развитию этой важной отрасли, а, следовательно, – глубокого анализа экспертами и специалистами путей ее развития.
В связи с этим представляет интерес развитие процессов непрерывной разливки стали и ее совмещения с прокаткой, создание модульных технологий и литейно-прокатных комплексов (ЛПК). Особый интерес представляют технологии ЛПК для производства плоского проката, с учетом того, что структура производства проката в Украине в 1991 году не отвечала мировой: 62,8% – сортовой прокат и 37,2% – листовой. В развитых странах до 2/3 всего производства приходится на плоский прокат.
В ЛПК процессы разливки и прокатки осуществляются в единой технологической линии. Создание ЛПК было бы невозможно без последних достижений в области непрерывного литья стали в современных радиальных (I тип) и горизонтальных (II тип) МНЛЗ, в которых формующийся слиток скользит относительно колеблющихся стенок кристаллизатора.
Уже пилотные промышленные ЛПК, использующие МНЛЗ второго типa на принципе перемещения слитка вместе с охлаждающими поверхностями кристаллизатора (лентой конвейера или валком), широкого развития еще не получили.
Успехи в создании современных МНЛЗ с высоким уровнем автоматизации и управления позволили (с учетом достижений в выплавке чистой стали, предупреждения ее загрязнения при непрерывной разливке и повреждения металла при кристаллизации), направлять литые заготовки в непрерывный стан (прямой прокат) без осмотра, сохраняя тепло литья. Преимущества новых технологий видны из рассмотрения изменения температуры металла (рис. 1).
Исследования процесса непрерывной разливки велись в разных странах еще в 30-40 годы ХХ столетия, но бурное развитие и промышленное применение процесса началось с 60-х годов. Став основным способом разливки стали в мире, этот процесс, очевидно, с новейшими технологиями, еще в больших масштабах будет внедряться в странах Восточной Европы. В 1995 году в мире действовало 1686 МНЛЗ.
Процесс непрерывного литья позволил получать не только слябы, блюмы и заготовки, но и тонкие полосы и заготовки с сечением более близким к готовому. С уменьшением толщины разливаемой полосы возрастает скорость литья (рис. 2).
Получение отливок (от сляба до тонкой полосы) потребовало создания различных МНЛЗ с использованием кристаллизаторов, как первого, так и второго типа, с достаточно высокой производительностью.
Идея совмещения непрерывной разливки и горячей прокатки впервые реализована в промышленности в 1989 году на заводе фирмы NUCOR (США) [6].
Возможность отливки тонких слябов, снижение общей горячей деформации и получение готовой горячекатаной листовой стали в единой технологической линии означало появление новой стадии развития металлургии – эпохи ЛПК.
Последнее десятилетие многие зарубежные фирмы осуществили свои проекты ЛПК. При этом наибольшее промышленное развитие получила тонкослябовая технология с основными технологическими операциями: непрерывной разливкой стали, резкой тонких слябов, подогревом в печи, сбивом окалины, горячей прокаткой, охлаждением полосы, резкой, сматыванием полосы в рулон.
При переходе к современным МНЛЗ криволинейного (радиального) типа значительно усложнилась технология разливки и конструкция машин. При создании ЛПК решали основные проблемы: безопасность непрерывной разливки, высокое наружное и внутреннее качество полос, согласование работы оборудования в условиях низкой скорости литья и высокой скорости прокатки и др. Решающую роль в преодолении основных проблем сыграли: получение чистой стали благодаря известным достижениям в сталеплавильном производстве; создание новых машин и приборов; осуществление концепции автоматизации всей технологической линии и компьютерного управления процессами.
Создание на базе математического моделирования процессов пакетов программного управления обеспечило предупреждение прорывов жидкого металла при кристаллизации полосы, исключение образования трещин в металле, уплотнение сердцевины полос, а также получение листов с высокой точностью размеров и планшетностью.
Модель динамического затвердевания металла при его обжатии и дополнительном охлаждении в роликовых проводках МНЛЗ после выхода из кристаллизатора позволяет контролировать температурный профиль поперечного сечения тонкого сляба (рис. 3). Благодаря эффективному управлению и сохранению стабильных условий литья, слябы можно направлять в прокат без осмотра и какой-либо обработки.
Особые проблемы возникают при разливке стали с низким (0,08-0,16%) содержанием углерода. Такие стали обладают повышенной чувствительностью к трещинообразованию.
Применение соответствующей конструкции промежуточных ковшей, сталеразливочных стаканов и наложение на металл электромагнитных полей позволяют стабилизировать условия разливки и сохранять их при автоматическом управлении процессов охлаждения металла.
По данным фирмы MDM (ФРГ), высокая однородность механических свойств, улучшение качества структуры, уменьшение сегрегации (ликвации) свидетельствовали о получении качества литых полос более высокого, чем у полос, полученных традиционным способом. Этому способствовало применение подогрева промежуточных ковшей, использование теплообменных сталеразливочных стаканов, интенсивное вторичное охлаждение металла после выхода из кристаллизатора, а также применение мягкого (небольшого частного) обжатия непрерывнолитого слитка в роликовых проводках. Точный контроль уровня жидкой фазы, положение зумпфа, оказались одним из главных факторов получения высокого качества продукции.
Обжатие слитка с жидкой сердцевиной в роликовых проводках достигает 70% [7], способствует быстрому схождению фронтов кристаллизации, снижению расстояния между осями дендритов и повышению однородности отливки.
Противодвижение выдавливаемого при обжатии жидкого металла действует подобно электромагнитному перемешиванию с переходом столбчатых кристаллов в равновесные с однородной зоной в центре полосы [7].
Отливка тонких сечений оказывает благоприятное воздействие на внутреннее качество в связи с уменьшением расстояния между осями дендритов (рис. 4), но может ухудшить качество поверхности полос [8]. И все же проблема качества продукции в зависимости от марки стали, уровня ее чистоты и способа литья решается положительно, что подтверждает уже достаточно распространенный промышленный опыт работы разных ЛПК.
Удержаться на мировом рынке металлопродукции можно только при ее высоком качестве. Это – аксиома. И уже сегодня, исходя из результатов работы завода NUCOR с двумя 2-х ручьевыми установками производства горячекатаных листов толщиной 1,5-12,7 мм (способ CSР, годовое производство 4 млн. тонн), можно сделать вывод, что качество листов выше, чем у полученных по традиционной технологии.
На многих ЛПК освоено производство различных сталей: углеродистых, конструкционных, коррозионностойких, электротехнических, подшипниковых, инструментальных.
Литые сортовые заготовки, близкие по размерам к готовой продукции (в основном, для производства тяжелых профилей – балок, рельсов и др.), получены впервые еще в 1968 году на заводе корпорации “Algoma Steel” (Канада). Уже более 15 таких ЛПК работает в США, Японии, Китае, Германии (изготовлены фирмой SMS, ФРГ). Черновые профили прокатываются на готовые – в универсальных линиях.
Конечно, в производстве сортовых профилей и бесшовных труб, в отличие от производства листовой стали, еще значительную роль будет играть горячая прокатка.
Следует отметить, что хорошие результаты при производстве сортовой продукции получены на ЛПК фирмы MDM (ФРГ) с использованием горизонтальных 3-4-ручьевых машин непрерывного литья со стационарным кристаллизатором и колебаниями заготовки, осуществляемыми специальной клетью [9].
Хорошая равномерная структура металла без следов литой структуры в сердцевине получена, по данным фирмы MDM, при производстве трубной заготовки и прутков.
Дальнейший прогресс в непрерывном литье позволит в скором будущем получать и полые трубные заготовки, что в свою очередь позволит исключить при производстве горячедеформированных труб процесс прошивки заготовок и сократить общую горячую деформацию. Получение же литых полых заготовок с диаметрами и толщинами стенок, близкими к готовым размерам холоднодеформированных труб, позволит значительно сократить цикличность их производства.
В связи со значительным сокращением поперечных сечений отливаемых заготовок общая горячая деформация в прокатном стане резко сократилась. Это привело к исчезновению обжимных станов (слябингов, блюмингов), а также черновых клетей.
В составе ЛПК для производства листов используют (рис. 5): 1-7 клетей чистового непрерывного стана (CSP) либо модернизированный стан Стеккеля [10] с моталками в печах (TSP, ISP, MDH), планетарный стан Платцера (MDS).
Синхронизация работы агрегатов в цепочке МНЛЗ – печь – стан основана на том принципе, что нагревательная печь работает в режиме разливки. Для обеспечения высокой скорости горячей прокатки при сматывании горячекатаных листов в рулоны используют либо длинную (до 200 м) туннельную печь, либо проходные индукционные нагреватели, либо так называемые койл-боксы (компактные печи с моталками). Последние уже можно применять при толщине полосы менее 35 мм. Следует отметить возросшую сложность используемых в ЛПК клетей кварто в связи с требуемым расширением сортамента не только по маркам стали, но и по размерам (толщина и ширина листов соответственно 25-1 мм и 600-2000 мм). Отвечая требованиям качества, станы оснащены всеми техническими средствами регулирования размеров листов и достижения необходимой планшетности.
Главной движущей силой развития ЛПК с отливкой тонких сечений и доведением до минимума уровня горячей деформации в прокатном стане является улучшение экономических показателей. Непрерывное литье жидкой стали на заготовки с поперечным сечением, более близким по размерам к готовой продукции, может оказаться главным средством повышения конкурентоспособности металлопродукции в новом веке. Развитие ЛПК приведет к созданию новых производств, кардинально изменит структуру металлургического производства.
В связи с этим особый интерес для Украины представляет прямое литье плоской полосы и, прежде всего, технологии валковой разливки стальных полос. Прямая отливка полосы основана на применении движущейся поверхности кристаллизатора (второй тип, рис. 6).
Несмотря на то, что Г.Бессемер еще в 1860 году предложил способ и проект бесслитковой прокатки при разливке жидкого металла во вращающиеся охлаждаемые валки, определенные успехи были получены лишь через 100 лет [11]. Разработка этого процесса продолжается, сегодня имеются промышленные установки для разливки плоских стальных полос. В России в 2005 году собираются валковым способом разлить 1 млн. тонн стали. На заводах ряда стран уже получают таким способом стальной лист толщиной 2-8 мм и шириной 1000 мм [12].
Фирмы "Крупп Шталь" и "VDM никель-технологии" разработали технологию двухвалковой непрерывной разливки высоколегированных сталей и никелевых сплавов [13]. Сталь разливают между водоохлаждаемыми валками диаметрами 600 (верхний) и 950 мм. Наклон клети и регулирование уровня зеркала жидкого металла в питателе позволяют получать примерно одинаковую длину смачивания металла на обоих валках. После схождения затвердевших на валках слоев и их обжатия выходит полоса толщиной 1,5-4,5 мм и шириной 700-1050 мм со скоростью 5-60 м/с при температуре 1100оС.
Одной из новых разработок с использованием непрерывной валковой разливки стали является технология KELEIN – HUTTEN [12]. Основные ее преимущества: малые капиталовложения; незначительное потребление энергии; короткий путь (длина установки) и малое время обработки металла; небольшой производственный персонал; отсутствие промежуточного складирования; относительная простота оборудования.
При диаметре валков 400-1000 мм с внутренним охлаждением и синхронной частотой их вращения в двухвалковых машинах при разливке стали достигают скоростей разливки 35 м/мин, скоростей охлаждения – 100-1000оС/сек., что создает тонкую равномерную структуру кристаллизующегося металла.
Особенности кристаллизации при охлаждении с обжатием металла в двухвалковых, расположенных в вертикальной (наклонной) и горизонтальной плоскостях, разливочных машинах, а также с вытягиванием полосы из расплава на одновалковой машине требуют создания в каждой схеме своих систем регулирования процесса получения широких и тонких полос (рис. 7).
При прямой отливке полосы могут образовываться внутренние трещины из-за неравномерного нарастания оболочки [12]. Если обжатие полосы осуществляется в конце зоны затвердевания при разливке в двухвалковой машине, может образовываться отрицательная осевая ликвация, появляться дефект – центральная "белая полоса".
Неплоскостность, волнистость, неоднородность свойств и разная толщина полос, поверхностные дефекты можно устранять при наличии постоянного контроля температуры по всей поверхности полосы и соответствующим компьютерным управлением процессами разливки, охлаждения и обжатия металла.
Имея в виду дальнейшую холодную прокатку тонких полос, следует помнить, что сталь будет реально конкурировать с легкими металлами при создании производства однородного тонкостенного продукта с высокой прочностью и удовлетворительной стоимостью.
Для предотвращения окалинообразования при разливке полос из углеродистой стали на фирме NSC применяют охлаждающую камеру с инертным газом.
При производстве низколегированной листовой стали на фирме BHP после валковой разливки и затвердевания полосу подвергают дополнительной обработке. Литая полоса охлаждается до 700оС, затем повторно нагревается до 900-1100оС и охлаждается со скоростью до 200оС/сек. до температуры 650оС, после чего сворачивается в рулон либо после повторного нагрева прокатывается при температуре 1100оС в клети кварто с обжатием 30-50% (для уплотнения металла и повышения точности по толщине полосы). В результате получают структуру с ферритным зерном размером 5-10 мкм.
Другие схемы обработки литой полосы могут включать и холодную прокатку.
Имеющийся положительный опыт использования валковой разливки тонких полос воодушевляет многих производителей оборудования. В России разработана новая технология валковой разливки стали в двухвалковой машине с диаметрами валков 800 (верхний) и 1200 мм (нижний) [14]. Применение внутреннего испарительного охлаждения валков позволило снизить расход охлаждающей воды и достичь скорости разливки до 1 м/сек. Ожидают, что разработанная на экспорт установка (ЛПК) длиной всего 20 м (от промежуточного ковша до моталки) позволит производить до 0,5 млн. тонн полос размерами 5-6х1000 мм из углеродистых и легированных сталей (рис. 8). Отметим также, что масса механического оборудования (без подъемно-поворотного стенда для сталеразливочного ковша) – всего 140 тонн.
В Украине ЛПК с машиной валковой разливки разрабатывается заводом НКМЗ.
Представляют интерес исследования зарубежных авторов [15], в частности, сравнительные данные, касающиеся стоимости строительства завода для производства алюминиевых листов.
Так вот, строительство традиционного завода обошлось бы более чем в 1 млрд. USD, а мини-завода аналогичной мощности с использованием высокоскоростной валковой разливки тонких (менее 1 мм) полос – в 45 млн. USD.
В ближайшие 10 лет ожидается новая волна реализации достижений в металлургии, связанных с развитыми процессами прямого восстановления железа, выплавки стали в электродуговых печах по новым схемам, внепечной переработки стали, непрерывной разливки стали и формирования отливок, близких по сечению к заданному, а также с последующей чистовой (калибрующей) прокаткой. Это приведет к созданию компактных плавильно-литейно-прокатных комплексов (ПЛПК), которые кардинально изменят концепцию современного "оптимального" металлургического мини-завода.
Можно согласиться с мнением автора [3], что сегодня тонкослябовые технологии и ЛПК с полной автоматизацией и компьютерным управлением следует закупать у западных фирм. Вместе с тем, наше машиностроение могло бы включиться в конкурентную борьбу в XXI столетии по созданию плавильно-литейно-прокатных комплексов нового поколения, связанных с разливкой полос с близкими к заданному размерами.
А это потребует: смены приоритетов научных исследований в металлургии; развития средств автоматизации и компьютерного управления металлургическими процессами; создания, например, на базе НКМЗ машино-строительной корпорации по производству нового прогрессивного оборудования с европейским качеством и сервисом.
Коренная реструктуризация металлургических заводов Украины требует колоссальных инвестиций. Задача – дорогостоящая, но иного пути нет. Поэтому должны быть рассмотрены варианты пошагового (step to step) развития и финансирования. При этом на обновленных заводах понадобятся специалисты-металлурги широкого профиля.
Литература:
1. Мазур В.Л. // Металлургическая и горнорудная промышленность. – 1998. – №3. – с. 1-3
2. Бальвд В. // МРТ – Metallurgical Plantand Technology. – 1991. – с. 68-85.
3. Шевцов А.З. // Сталь. – 1998. – №5. – с. 2-4.
4. Ниль П., Этьен А. // MPT – Мetallurgical Plantnd Technology. – 1992. – с. 50-64.
5. Молотилов Б.В., Брозов А.А., Моторин В.Н. // Сталь. – 1997. – №9. – с. 1-5.
6. Iverson F.K., Busse K. // Stahl u. Eisen, 111. – 1991. – №1. – с. 37.
7. Kobagashi Н., Masaoka Т., Susuki М. // 6-th IISC, ISIJ. – 1990. – №3. – с. 285.
8. Вольф М.М. // Материалы металлургической конференции "Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке". – Москва, 1994. – т. 3. – с. 142-147.
9. Штаглер Л., Шнакенбург Н.Ф. Горизонтальная непрерывная разливка стали – возможности новых технологических линий. – MDН, 1993.
10. Розенталь П. // Stell Times International. – 1994. – №1.
11. Степанов А.А., Зильберг Ю.В., Неуструев А.А. // Производство листа из расплава – М.: Металлургия, 1978. – 158 с.
12. Fink F., Bandgiesen // Metallurgia, 37 – 1998. – №2. – с. 87-91.
13. Хойнтрих Р., Дунке М., Функ Ю. // Черные металлы. – 1991. – №2. – с. 3-6.
14. Тимохин О.А. // Сталь. – 1998. – №5. – с. 67-77.
15. Latest technical developments in continious casting. Aluminium, 73, Jahryang. – 1997. – №10. – с. 685-690.
Рисунок 1. Изменение температуры металла на этапах производства стальных полос с различными схемами подачи слябов в прокатный стан: I – подача холодных сплавов; II – подача горячих сплавов; III – прямая прокатка; (1 – непрерывная разливка, 2 – резка и контроль качества, 4 – подогрев металла, 5 – удаление окалины, 6 – прокатка, 7 – охлаждение, 8 – сматывание полосы в рулон).
Рисунок 2. Зависимость толщины отливаемой плоской полосы от скорости непрерывной разливки (1 – слябы, 2 – тонкие слябы, 3 – полосы, 4 – полосы металла с аморфной структурой).
Рисунок 3. Температурный профиль плоской полосы при разливке стали в радиальной МНЛЗ.
Рисунок 4. Зависимость расстояния между осями дендритов (s) от толщины разливаемых полос (h): (I – особотонкие полосы (быстрое затвердевание); II – полосы; III – тонкие слябы; IV – слябы; V – слябы полунепрерывной разливки).
Рисунок 5. Развитие технологических схем ЛПК для производства плоских горячекатанных полос:
а – слябовая технология;
б, в, г – тонкослябовые технологии, соответственно, CSP, ISP, TSP; д – технология производства полос;
е – технология прямой отливки тонких полос (1 – МНЛЗ, 2 – ножницы, 3 – контроль качества, 4 – печь, 5 – койл бокс, 6 – черновой стан, 7 – непрерывный стан, 8 – стан Стеккеля, 9 – планетарный стан, 10 – охлаждающее устройство, 11 – моталка).
Рисунок 6. Схемы расположения основного оборудования ЛПК для производства тонких плоских горячекатанных полос:
а – отливка тонких полос с последующей прокаткой;
б – прямая отливка (с возможным обжатием) без последующей прокатки (МНЛЗ: 1 – радиальная; 2 – ленточного и 3 – валкового типа; 4 – прокатный стан; 5 – моталка; hл и hг – толщина литой и горячекатанной полосы; П – годовая производительность.
Рисунок 7. Схемы валковой непрерывной разливки стали на плоские тонкие полосы:
а – с боковой подачей жидкого металла;
б – с подачей жидкого металла сверху;
в – с вытягиванием полосы из расплава в одновалковой машине.
(1 – жидкий металл, 2 – полоса, 3 – охлаждаемые валки; 4 – питатель)
Рисунок 8. Технологические схемы ЛПК с двухвалковой непрерывной разливкой стали на тонкие полосы: а – фирм "Крупп Шталь" и "VDM никель-технологии"; фирмы "Тиссен Шталь" по способу "литье – уплотнение – прокатка"; в – фирм ОЗ и ВНИИМетМаш (1 – ковш, 2 – кристаллизатор, 3 – уплотняющие валки, 4 – прокатный стан, 5 – водоохлаждаемые валки, 6 – петлеобразователь, 7 – тянущие ролики, 8 – печь, 9 – окалиноломатель, 10 – прокатный стан, 11 – ножницы, 12 – охлаждающее устройство, 13 – моталка).