DSC: ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТАЛЬНОЙ полосы

В 1986 г. фирмой "Mannesmann Demag Hiitten technik" (MDH) было принято решение разработать и опробовать в производстве свой собственный способ разливки полосы. Предполагалось разработать экономически выгодный процесс с минимальным числом технологических операций при переделе от жидкой стали до горячей полосы, обеспечивающий при этом максимально широкий сортамент изготавливаемой продукции и высокую производительность.

Способ бесслиткового литья полосы (далее DSC) был разработан на базе предварительного исследования. В период 1989—1991 гг. в рамках проекта, финансируемого ВМЕТ (федеральное Министерство исследований и технологии Германии), в качестве одного из этапов была изготовлена, испытана и усовершенствована установка "разливочный транспортер". В начале 1990 г. по поручению группы ведущих фирм изготовителей стали Швеции MEFOS, независимо от "Mannesmann Demag Hiit tentechnik" начал разработку своего собственного проекта разливки тонкой ленты. После завершения анализа существовавших в это время процессов разливки на окончательный размер MEFOS выбрал технологию DSC. В результате чего "Mannesmann Demag Hiittentech nik" и MEFOS приняли решение о дальнейших совместных разработках этой технологии.

В осуществлении разработок принимают участие: AVESTA АВ, SandvikSteel, SSAB, RAUTARUUKI, DAIDO Steel, VITKOVICE, THE SWEDISH POWER BOARD, JERNKONTORET и UNI (Хельсинки).

Основные положения

Слябы, изготавливаемые на металлургических заводах, обычно имеют толщину порядка 200 мм. Они подвергаются горячей прокатке до толщины 1,5—20 мм [1]. С материаловед ческой точки зрения такие высокие степени деформации в общемто не требуются. Другими словами, в рамках процесса производства, здесь имеются огромные резервы по сокращению прокатных мощностей, что повлечет существенное снижение стоимости производства проката и соответствующие капитальные затраты. Однако для формирования свойств проката [2] и требований по геометрии для многих сталей все же необходима определенная минимальная горячая деформация литой полосы. Это начальная стадия процесса DSC разливки на толщину от 5 до 10 мм (рис. 1), означающая, что после разливки полоса не поступает немедленно на стан холодной прокатки, а подвергается горячей прокатке за два или три прохода. Весь процесс осуществляется в атмосфере инертного газа. Установка разливки, применяемой в процессе DSC, называется "разливочный транспортер" (рис. 2). Из промежуточного разливочного устройства жидкая сталь выливается на постоянно движущуюся ленту транспортера, которая интенсивно охлаждается в нижней части (водяное струйное или форсуночное) в соответствующей зоне охлаждения. Пройдя эту зону, полоса (полностью затвердевшая) задается в вытягивающее устройство, а затем в клеть прокатного стана.

Этот процесс имеет следующие достоинства: высокую производительность процесса разливки; полоса абсолютно не подвергается изгибу; процесс пригоден для разливки как нержавеющей, так и углеродистой стали; можно получать толщину полосы после разливки, при необходимости возможна последующая горячая деформация; установка легко переналаживается на другую скорость разливки и толщину полосы.

Сравнение технологии DSC с другими технологиями литья

Технология "разливки тонких слябов" с последующей прокаткой на отдельно стоящем или встроенном в линию стане, основана по принципу нормальной непрерывной разливки. Обычно для разливки применяется стационарный кристаллизатор, обеспечивающий минимально достижимую толщину полосы (порядка 40—80 мм), подвергаемую позднее горячей прокатке.

DSC технология позволяет получать толщину от 5 до 10 мм. Как уже отмечалось, в данном процессе разливаемая сталь охлаждается на непрерывно движущейся ленте и после определенной минимальной (необходимой) горячей деформации покидает установку в виде горячего штрипса.

Вопреки существующим в литературе мнениям, мы относим процесс прокатки ("модифицированный") к первой группе, когда толщина

Процессы по типу фасонного литые а — процессы с последующей (допустимой/минимальной) горячей деформацией; б — процессы без последующей горячей деформации; 1 — тонкий сляб; 2 — отдельно стоящий или последовательно встроенный стан; 3 — полоса после разливки составляла 4—8 мм. Здесь, так же как и в DSCпроцессе, требуется или рекомендуется небольшая горячая деформация.

Процессы, исключающие горячую деформацию

В диапазоне толщины литья 1—Змм в основном применяется процесс двойной прокатки. Получаемый при этом пггрипс предназначен для холодной прокатки без промежуточной горячей деформации.

В настоящее время рассматривается возможность "модифицированного" процесса DSC, который в ряде случаев, в отличие от обычного DSC, также не требует промежуточной горячей деформации. Штрипс толщиной 1—3 мм после разливки на движущуюся ленту сразу может подвергаться холодной прокатке.

Производительность процесса DSC

Скорость разливки на движущуюся ленту можно легко вычислить аналитически [3—5].

На рис. 4 показано соотношение необходимой длины зоны охлаждения для фиксированной скорости движения ленты, равной 60м/мин. Видно, что при толщине разливаемой полосы 214 сколько легко процесс DSC может быть отрегулирован в соответствии с требованиями по производительности. Среднегодовая производительность такой установки с учетом простоев, переналадок, ремонтов футеровки и т.д. составляет 2 млн.т/год. Эта производительность и принималась за основу при расчете экономической эффективности процесса.

Экономика

Оценку величины удельных капиталовложений на строительство установки, начиная с "нуля", с учетом стоимости потребляемой мощности, установки поворотного разливочного ковша и смоточного устройства горячей полосы для толщины 1,5 мм выполняли с использованием имеющихся в литературе данных, относящихся к другим процессам разливки на тонкий лист [6—8]. Учтены расходы на содержание инфраструктуры и здания, водоснабжение и управление и т.п., а также учтена стоимость строительства и монтажа.

Сравнение величины удельных капиталовложений для различных процессов DSC и двойной прокатки: а — процесс двойной прокатки; б — DSCпроцессции. При производительности выше 300000 т/год процесс DSC значительно превосходит по экономическим показателям даже процесс двойной прокатки.

При литье ленты толщиной менее 3 мм сравнимыми являются только процессы DSC и двойной прокатки, что иллюстрирует рис. 3, б. Здесь, для производительности 500000—600000 т/год (рис. 7) также очевидно экономическое преимущество процесса DSC.

Внедрение технологии DSC Пилотная установка разливки

В настоящее время "Mannesmann DEMAG Huttentechnik" и MEFOS проводят испытания пилотной установки. Основное внимание уделялось системе разливки расплавленного металла и конвейерной ленте.

Система разливки

Как и в других процессах тонкого литья, особое внимание уделено системе подачи расплавленного металла [9—11]. Были опробованы две системы. Рассмотрим их:

1. Разливка под низким давлением (LPS). Процесс разливки под низким давлением (рис. 8) в целом обеспечивает наилучшие физические условия подачи жидкости, но она

1— уровень наполнения после заливки; 2— установленная степень разрежения; 3 — давление при разливке трудна для обслуживания. Установка разделена на секцию заливки и секцию, где поддерживается разрежение. Сначала разливочный ковш заполняется жидким металлом до определенного уровня. Затем во второй секции создается разрежение, а в секции заливки уровень жидкого металла понижается до заданного. Уровень металла в секции заливки определяет одновременно давление при разливке (с учетом формы выпускного канала) и скорость потока металла, разливаемого на движущуюся ленту. Таким образом можно обеспечить любое требуемое положительное давление при разливке (и, соответственно, любую скорость разливки металла), при котором относительная скорость движения ленты по отношению к потоку металла будет равна нулю. 2. Разливка через подающую трубу (TFS). По сравнению с LPS разливка через подающую трубу не обеспечивает таких хороших условий подачи потока на движущуюся ленту, но она проще в эксплуатации (рис. 9). В зоне подогрева подающая труба наполняется жидкой сталью из промежуточного разливочного устройства. В результате уровень разливки и, следовательно, поток металла из подающей трубы поддерживаются неизменными посредством лазерного управления стопорным стержнем. Сталь переливается на движущуюся или охлаждаемую ленту через соответствующую геометрическую форму. Последняя обеспечива а — стадия подогрева; б — стадия оазливки; в — уровень разливкиет распределение стали по всей ширине ленты и уменьшает турбулентность потока металла при попадании на ленту.

Разливочный транспортер

Установка, принципиальная схема которой показана на рис. 2, имеет: скорость разливки до 60 м/мин, при ширине полосы 450 мм (возможно и 900 мм) и толщине от 5 до 10 мм.

До последнего времени установка используется для разливки простой углеродистой стали и нержавеющей стали 18/8 со скоростью от 30 до 40 м/мин при весе плавки от 1,5 до 2 т.

В процессе ее внедрения особое внимание уделяли: опробованию различных узлов разливки; оптимизации механических параметров установки (например, обеспечение формы края полосы); оптимизации режима охлаждения ленты; обеспечению стабильности движения ленты.

Горячая модель

Одновременно с проведением испытаний пилотной установки в институте "Institut fur Allgemeine Metallurgie" (Институт общей металлургии) на лабораторной модели проводили исследования фундаментальных основ процесса разливки обеих сталей и цветных металлов [12]. Применяли тот же принцип разливки, что и на пилотной установке.

Установка подачи металла была предельно простой. Металл расплавляли в 150кг индукционной печи и разливали на движущуюся полосу через систему выпускных желобов. Конструкция установки позволяет получать скорость разливки до 20 м/мин, толщину полосы до 10 мм при ширине 150 мм.

При исследованиях большое внимание уделяли качеству поверхности, форме и свойствам штрипса.

В настоящее время на лабораторной установке изготовлено: около 20 опытных разливок низкоуглеродистой стали; около 25 опытных разливок нержавеющей стали 18/8, около 45 опытных разливок меди и ее сплавов.

Модель с применением воды

Установка с использованием воды, позволяющая полностью моделировать весь процесс, работает в "Institut fur Energieverfahren technik" (Институт энергетических процессов, одновременно факультет Технического университета в Клауштале) [9, 10]. Здесь, в процессах LPS и TFS, главным образом выполняли моделирование циклов управления и изучение механического поведения жидкости в точке контакта с движущейся лентой.

Другие возможные применения конвейерной разливки

Пилотная установка разливки также была опробована фирмой "WIELAND" в г.Улм (Германия) для разливки меди и медных сплавов.

Перспективы развития

Дальнейшие исследовательские работы будут сконцентрированы в первую очередь на оптимизации качества штрипса. Особое внимание будет уделено поверхности, геометрии и свойствам материала.

Кроме того, отдельная программа "деформация" готового штрипса будет выполняться параллельно с развитием описанных проектов.

Предполагается выработать и сформулировать детальную концепцию встраиваемого в линию процесса формования и его взаимосвязь с результатами разливки, геометрических и механических свойств.

По результатам испытаний и проведенного исследования можно сделать вывод, что разрабатываемые установки для деформирования следует изготавливать и испытывать с целью их полного соответствия концепции DSC.

СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке. Т о м 3, Москва 1994