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).