Установки непрерывной разливки стали нового поколения-литейно-прокатные комплексы

Лекция 11. Установки непрерывной разливки стали нового поколения – литейно-прокатные комплексы (ЛПК)

К установкам этого типа относятся появившиеся в после­дние годы тонкослябовые установки, которые подразделяются на действительно тонкослябовые с отливкой слябов толщиной -50 мм и установки для отливки слябов промежуточной и сред­ней толщины (до 150 мм), а также двухвалковые и ленточные машины для непосредственной отливки тонкой полосы.

Тонкослябовые установки непрерывной разливки стали

(толщиной около 50 мм)

При сооружении этих установок используется принцип со­вмещенных процессов отливки и прокатки листовых заготовок большой длины, т.е. двух технологий — непрерывного литья заготовки, поперечное сечение которой приближается по пара­метрам к размерам готового изделия, и непосредственного со­вмещения процесса разливки с прокаткой тонкой полосы. Схе­матически это можно представить следующим образом:

Непрерывное литье тонких заготовок - Разделение полосы - Подогрев, выравнивание температуры - Горячая прокатка - Охлаждение, смотка

Тонкослябовые (с толщиной заготовки до 100 мм) МНЛЗ начали сооружать в начале 90-х годов и в настоящее время их количество составляет более 1000 шт.

Рекомендуемые материалы

Процесс совершенствования ЛПК можно разделить на этапы:

- процесс первого поколения;

- процессы полуторного поколения;

- процессы второго поколения;

- установки непрерывной отливки полосы.

Процесс первого поколения CSP (continuous strip production-непрерывное производство полос), разработанный немецкой фирмой Schloeman-Siemas.

Про­цесс предусматривает литье сляба толщиной 50 мм в кристал­лизаторе специального профиля (воронкообразном), прямую подачу сляба в нагревательную печь и в чистовую группу ста­на горячей прокатки с получением горячекатаного рулона.

Ниже перечислены основные особенности оборудования, а на рисунке показана схема производственного процесса.

Схема расположения оборудования литейно-прокатного агрегата CSP на заводе «Nucor», США

МНЛЗ. Кристаллизатор имеет полость с воронкообразным расширением в центральной части, куда введен погружной разливоч­ный стакан для подачи жидкой стали. В нижней части по­лость кристаллизатора имеет прямоугольное сечение и тол­щину 50 мм. Отливаемый сляб в кристаллизаторе деформи­руется с изменением поперечного профиля от выпуклого до прямоугольного. Эта новая технология позволила отливать слябы толщиной 50 мм. Скорость разливки 4 — 5 м/мин, что в два-три раза превышает показатель прежних слябовых машин.

Для обеспечения прохож­дения затравки без соприкос­новения со стенками выход­ной конец кристаллизатора можно расширить с 50 почти до 200 мм. Для смены шири­ны и конусности сляба во время разливки регулируются узкие грани.

Технология CSP предусматривает мягкое обжатие валками полузатвердевшей заготовки непосредственно под кристал­лизатором и получение тонкого сляба толщиной <35 мм, что позволяет уменьшить число клетей стана горячей прокатки и создать весьма компактное производство.

Нагревательная печь. Для выравнивания температур по объе­му сляба и для создания технологического буфера между МНЛЗС и прокатным станом использу­ется туннельная печь, позволяющая проводить обработку в потоке слябов длиной до 45 м.

Процессы «полуторного поколения» ISP (in line strip production - поточное производство полос), разработка фирмы Mannesmann Demag

Схема процесса показана на рисунке

Расположение основных производственных узлов на линии ISP (Arvedi, Италия)

Технологическая линия очень короткая: ее полная длина от МНЛЗ до подпольной моталки 180 м. На МНЛЗ сталь по­ступает в кристаллизатор через особоплоский погружной ста­кан, и сляб толщиной 60 мм уже в кристаллизаторе деформи­руется, приобретая криволинейную форму. Непосредственно на выходе из кристаллизатора сляб с незатвердевшей сердце­виной подвергается обжатию до толщины 40-45 мм. После полно­го затвердевания сляба с использованием его теплосодержа­ния осуществляется редуцирование до толщины 15 — 30 мм в обжимном стане, скорость прокатки на котором весьма низкая, поскольку скорость сляба на входе в стан равна скорости раз­ливки (4,0 — 5,0 м/мин) и на стане раскат сильно охлаждает­ся. Поэтому на следующей стадии процесса перед входом в чистовую группу стана расположено нагревательное устрой­ство с индукционными нагревателями. Раскат, подогретый до температуры прокатки, выдерживается в промежуточном пе­ремоточном устройстве с подогревом (печной моталке «Cremona Box»), ожидая подачи в чистовую группу из четы­рех клетей для прокатки полос толщиной 1,7 мм, используе­мых в производстве сварных труб.

Параметры процесса должны удерживаться в более узком диапазоне, чем на оборудовании первого поколения, поэтому по эксплуатационным затратам процесс ISP менее выгоден, чем процесс первого поколения.

Но вместе с тем используемая технология разливки-про­катки обеспечивает получение стали с хорошими внутренним строением и с ограниченной сегрегацией примесей.

За счет использования теплосодержания стали и примене­ния индукционного нагрева потребление энергии сокращается на 30% по сравнению с обычным циклом МНЛЗ - прокатка.

К сравнительным достоинствам технологии ISP по сравнению с CSP относятся меньшая установочная длина МНЛЗ, а также возможность дополнительного производства полосы для более толстых листов путем ответвления части потока металла после первой деформации.

Процессы второго поколения (отливка слябов средней и промежуточной толщины) с выпуском горячекатаной полосы толщиной до 1 мм

Схема расположения оборудования на заводе «Trico Steel» представлена на рисунке

Схема расположения оборудования агрегата на за­воде «Trico Steel»: I — одноручьевая МНЛЗ, II — обжатие сляба с жидкой сердцевиной, III — ножницы для сляба, IV — тун­нельная печь, V — эджер (клеть прокатного стана для обжатия прокатываемого металла по боковым поверхностям), VI — однопроходный двухклетьевой об­жимной стан, VII — окалиноломатель, VIII — пятиклетьевая чи­стовая группа

К основным отличительным особенностям МНЛЗ относят­ся прямоугольный кристаллизатор для литья сляба толщи­ной до 100 мм и вихретоковый измеритель уровня металла с точностью ±1,5 мм.

Одна из технических осо­бенностей — использование «гибкой» МНЛЗ типа CSR второго поколения, включающая литье, обжатие и прокатку. Этот процесс получил название CPR (Casting-Pressing-Rolling). При этом если стандартная толщина сляба МНЛЗ типа CSP равнялась 50 мм, а расстояние между стенками кристаллизатора на уровне мениска — 170 мм, то на МНЛЗ типа CPR за счет обжатия сляба (максимальная толщина 80 мм) представляется возможным дополнительно увеличить толщину кристаллизатора на величину обжатия. Иначе говоря, сечение в зоне мениска кристаллизатора приближается к характерному для классических слябовых МНЛЗ. Благодаря большим размерам сечения заготовки уменьшаются эрозия стенок, захват шлакообразующей смеси в металл сляба, склонность к образованию поверхностных трещин и т. д.

За счет мягкого обжатия валками полузатвердевшей заготовки непосредственно под кристал­лизатором получают сляба толщиной <35 мм, что позволяет уменьшить число клетей стана горячей прокатки и создать весьма компактное производство.

Далее сляб подвергается нагреву в туннельной печи и не имеет холодных участков. Кроме того, в составе оборудования пре­дусмотрено промежуточное перемоточное устройство, обеспе­чивающее практически одинаковую температуру по длине под­ката, и все это позволяет прокатывать тонкие полосы высокой точностью размеров и формы.

Другой вариант процесса второго поколения – это совмещение МНЛЗ для слябов средних толщин (от 100 до 125 мм) с одноклетевым станом Стеккеля.

Толщина до 125 мм позволяет исключить из схемы произ­водства обжимной стан, но достаточна для обеспечения хоро­шего качества поверхности.

Для выравнивания температуры поверхности и сердцеви­ны сляб помещают в нагревательную печь. За 12,5 мин темпе­ратура сляба выравнивается и достигает 1250 °С. Из-за ко­роткой продолжительности нагрева окалинообразование в печи сведено к минимуму.

Центральным узлом данного ЛПК является современный одноклетевой прокатный стан Стеккеля. На этом стане в ре­версивных проходах выполняют как черновую, так и чисто­вую прокатку. Сразу же после обжатия полосы до толщины примерно 20 — 25 мм ее сматывают на печных моталках, рас­положенных по обе стороны прокатной клети с целью сохра­нения температуры полосы. Затем осуществляют реверс поло­сы. В общей сложности обычно требуются три черновых и шесть чистовых проходов с использованием печных моталок для обжатия сляба толщиной 125 на минимальную готовую толщину 1,5 мм.

Сравнение по разным показателям тон­ко- и среднеслябовых МНЛЗ (производительность, качество металла, капитальные и эксплуатационные затраты и т.д.) показывает, что ЛПК с МНЛЗ для литья слябов средней толщи­ны обеспечивают минимальные удельные капитальные затра­ты (по сравнению с тонкослябовыми МНЛЗ и слябами обыч­ной толщины 150 — 300 мм). Это наряду с показателями каче­ства металла позволяет говорить о высокой конкурентоспо­собности среднеслябовой МНЛЗ.

Установки непрерывной отливки полосы

Патент на прямую отливку полосы с подачей металла в за­зор между двумя вращающимися валками получен в 1866 г. Генри Бессемером. Особенно большое внимание прямой от­ливке полосы стало уделяться в последние 15 лет в Японии, Корее, США, Австралии, Австрии, Ка­наде, Китае, Франции и Германии. Было создано 45 промыш­ленных, полупромышленных и опытных установок.

В подавляющем большинстве случаев это были ролико­вые машины той или иной конструкции (рисунок), и только единичные машины предусматривали подачу металла на дви­жущуюся полосу.

Принципиальные схемы валковых установок непре­рывной отливки полосы: а — одновалковые с переливом (1), вытягиванием (2) и подачей по желобу жидкого металла (3); б — с двумя валками одинакового диаметра и подачей металла сверху (4), снизу вверх (5), по диагонали (6); в — с двумя валками разно­го диаметра, их тангенциальным расположением и внешней (7— 9) или внутренней (10) подачей металла

Технология прямой отливки полосы обладает многими пре­имуществами, но прежде всего она исключает такие операции традиционного процесса, как отливка и зачистка слябов, по­вторный нагрев и горячая прокатка. В результате значитель­но сокращаются капитальные вложения, связанные с оборудо­ванием, и уменьшаются примерно на 85% энергозатраты по сравнению с традиционной технологией.

Из всех валковых машин в настоящее время находятся в эксплуатации только двухвалковые машины (рисунок). В этих установках кристаллизатор состоит из двух валков, расположенных непосредственно под промежуточным ковшом и вращающихся в противоположных направлениях. Жидкая сталь поступает в пространство между валками и при контак­те с поверхностью валков кристаллизуется, образуя корочки, которые двигаются вместе с поверхностью и выходят из вал­ков в форме листа, толщина которого определяется расстоя­нием между валками, а ширина — боковыми стенками крис­таллизатора.

Схема двухвалковой УНРС: 1 — ковш, 2 — разли­вочный узел, 3 — погружной стакан, 4 — валки, 5 — уплотнение, 6 — регулятор нагрузки, 7 — направляющий желоб, 8 — прием­ные валки, 9 — сматыватель

Очень важная проблема — отвод тепла из зоны кристал­лизации, скорость потока которого составляет 10² —10⁴ °С/с. Вначале валки изготавливали из стали, затем из меди, сейчас наиболее широко используют сплав меди с хромом, в некото­рых случаях с покрытием поверхности валка никелем, что обес­печивает высокую теплопроводность и достаточную механи­ческую прочность инструмента. Для отвода выделяющегося тепла валки охлаждают водой.

Серьезную проблему представляет конструкция боковых стенок, которые должны удерживать жидкую сталь, предотв­ращая ее прорывы из кристаллизатора, и обеспечивать одина­ковую температуру металла около стенок и в средней части кристаллизатора, чтобы исключить деформацию кромок лис­та. В качестве материала боковых стенок используют нитрид бора или кремния.

Проводятся исследования по удержанию ванны жидкой стали с помощью электромагнитного поля.

Еще одна важная задача — получить лист заданной толщи­ны. Расширение валков при нагреве приводит к уменьшению зазора. Если при отливке сляба толщиной 150 мм изменение ширины на 1 мм несущественно и при горячей прокатке испра­вимо, то при отливке 2-3мм листа оно недопустимо. Следует, безусловно, избегать образования трещин и морщин на поверх­ности листа, так как при отливке тонкого листа трещина глубиной 1 мм может оказаться сквозной.

Для предотвращения образования трещин и обеспечения постоянства толщины листа необходимо поддерживать посто­янным уровень стали в кристаллизаторе с точностью ±2 мм и не допускать волнения поверхности расплава. Разными фир­мами разрабатываются специальные системы подачи жидкой стали в межвалковое пространство с помощью плоского сопла, обеспечивающие равномерное распределение металла по ши­рине кристаллизатора при постоянной температуре и небольшую скорость поступления металла в зазор между валками.

До промышленной реализации доведен ряд проектов. Один из наиболее масштабных и в наибольшей степени отработан­ных — Eurostrip. В декабре 1999 года на заводе в Крефельде была разлита первая промышленная плавка массой 36 т с получением листа шириной 1100 мм и толщиной 3 мм. С марта 2000 года на этом заводе устойчиво разливается полный ковш вместимостью 90 т на МНЛЗ, которая имеет следующие характеристики: диаметр валка — 1500 мм, скорость разливки — 60—100м/мин (макс. — 150м/мин). При этом толщина получаемого листа — 1,5—4,5 мм, ширина — 1100 мм, емкость промковша — 16т, производительность — около 400 тыс., т в год.

Схема двухроликовой установки «Eurostrip»: 1 и 2 — сталеразливочный и промежуточный ковши, 3 — ролики, 4 — тянущие ролики, 5 — дисковые ножницы продольной резки по­лосы, 6 — моталки

Продолжительность непрерывной разливки зависит глав­ным образом от срока службы прижимных боковых плит-уплотнителей (ограничителей жидкой ванны). Последние из­готавливают из несмачиваемых сталью композитных материа­лов. Износ использованных на установке плит составлял 0,5 и 1,3 мм/км полосы при отливке соответственно тонкой (2,8 мм) и толстой (4,2 мм) полос. Максимальный срок соответственно 100 и 129 мин (при разливке 90-т плавки).

Расчетная стойкость никелевого покрытия роликов отве­чает разливке 3 — 7 тыс.т стали в зависимости от толщины от­ливаемой полосы.

Основными поверхностными дефектами литой полосы яв­ляются трещины и оксидные пятна. В структуре литой полосы представлены однородные столбчатые дендриты и центральные равноосные кристаллы, характеризующие надежность процесса. Незначительная цен­тральная пористость устраняется при соответствующей горя­чей прокатке. Механические свойства литой стальной полосы близки к механическим свойствам обычной горячекатаной по­лосы. После отжига, травления, холодной прокатки и оконча­тельного отжига механические свойства сравнимы с механи­ческими свойствами обычной холоднокатаной стальной поло­сы.

Технологическая схема получения тонкого листа с применением двухвалковых МНЛЗ позволяет в 8—10 раз снижать затраты энергетических ресурсов, в 40—50 раз сократить потери металла в окалину, в 5—10 раз повысить производительность труда, в 10—20 раз снизить выбросы парниковых газов при существенном уменьшении затрат на капитальное строительство, что обеспечивает экономическую мотивацию в части его дальнейшего развития и совершенствования.

Бесплатная лекция: "1 Заземление в системах со смешанными сигналами " также доступна.

Наряду с двухвалковыми существу­ют и опытные ленточные МНЛП

Схема ленточной МНЛП приведена на рисунке.

Схема установки для отливки полосы: 1 — печь, 2 — разливочное устройство, 3 — натяжной ролик, 4 — водяная камера, 5 — холодильник, 6 — прокатная клеть, 7 — моталка

По оптимистическим прогнозам многих специалистов про­цесс прямой отливки будет широко использован для нержаве­ющей стали через 5—8 и для углеродистой стали через 10—15 лет, что позволит уменьшить себестоимость рядового проката на 20 — 30 долл./т и высококачественного проката на 30 — 60 долл./т.

В России работы по созданию двухвалковых машин и на­учно-исследовательские работы в этой области проводятся в АХК ВНИИМЕТМАШ имени акад. А.И. Целикова. В этом институте созданы опытные двухвалковые машины, проведен комплекс научно-исследовательских работ по производству полос от 150 от 300 мм из стали разных марок. На этих ма­шинах отработана технология литья ленты как толщиной 0,1 — 0,3 мм с микрокристаллической структурой, так и обычной тол­щиной 1 —2 мм.