ПРОЦЕСС ППП (ПОТОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА ПОЛОСЫ) НА ОСНОВЕ ЛЯБОВОЙ ОТЛИВКИ
Свободный рынок и социальные проблемы, не только в германской экономике, побуждают к разработке новых,, ориентированных на будущее технологий, в особенности в сталеплавильном производстве. Эти новые технологии должны привести к существенным усовершенствованиям в экономической и экологической областях и одновременно к повышению качества продукции. Потенциалом для создания таких технологий является существующее наличие тесных связей между индивидуальными процессами в интегрированных производствах с паточными линиями и участками производства периодического действия, обусловивших получение продукции нового и более высокого качества, а также децентрализация этих новых производственных потоков на более мелкие непосредственно у потребителя продукции.Процесс производства горячекатаной полосы, разработанный на базе тонкослябовой отливки с учетом этого потенциала (рис. 1), сопоставим по своему значению с такими наиболее существенными достижениями в черной металлургии, осуществленными в период с 1945 г., как кислородноконвертерный процесс, непрерывная разливка стали и производство сортовой продукции на минизаводах.
Первый опыт, приобретенный в цехе ППП завода фирмы "Arvedi", построенном фирмой "МДН" в г.Кремоне (Италия), а также возможности и перспективы развития в будущем поточного производства горячекатаной полосы и толстого листа изложены ниже.
Развитие технологии тонкослябовой отливки и процесса 111111
Отливка близкой по форме к конечному сечению плоской продукции на базе тонкослябовой технологии с обжатием жидкой сердцевины и без нее была начата фирмой "Mannesmann Demag Hiittentechnik" [l—3] в 1982 г. после реконструкции ручья на слябовой машине непрерывной разливки №1 в прошлом металлургического завода Duisburg— Huckingen фирмы "Mannesmannrohren— Werke AG", а в настоящее время — именуемого "Hiittenwerke Krupp Mannesmann" HKM, доведенной до эксплуатационного уровня в течение двух лет. Эти промышленные испытания с самого начала преследовали цель создания литейнопрокатной технологии с прокаткой до и после полного затвердевания металла и, таким образом, также и технологии смотки между отливкой и чистовой прокаткой.
Достижения этой фирмы в создании тонкослябовой технологии отливки и прокатки с обжатием до и после полного затвердевания
Углеродистые стали. Нержавеющие стали.
металла привели к кооперации с фирмой "Arvedi Group" (г.Кремона, Италия) и развертыванию исследовательских и конструкторских работ совместно с Исследовательским институтом фирмы "Mannesmann" и Институтом металлургии Аахенского технического университета [4—8].
Создание технологии ППП (Jnline Strip Production или J.S.P.) и строительство первого завода, работающего с ее использованием в г.Кремоне ("Arvedi J.S.P. works"), явились результатом этой кооперации. Соответствующее соглашение о сотрудничестве было заключено между фирмами "Mannesmann" и "Arvedi" в Метеке в мае 1989 г.
13 января 1992 г. был введен в эксплуатацию первый минизавод для производства высококачественной полосы из углеродистой стали после выполнения проектных и конструкторских работ, которые продолжались в течение 1,5 года. Основные сведения о производственных объектах завода фирмы "Arvedi" приведены в табл. 1.
Процесс ППП Требования к процессу
Необходимость соблюдения вышеупомянутых предварительных условий привела к выдвижению к процессам производства горячекатаной полосы, основанным на тонкослябовой технологии с обжатием жидкой сердцевины или без него, следующих требований:
1) отклонения по профилю и толщине полосы должны быть менее 2% или соответствовать требованиям DIN 1016/EN 10051 или требованиям потребителей, отклонения по ширине должны составлять примерно 1/2 DIN (0+10 мм);2) поверхность горячекатаной полосы не должна иметь дефектов или холоднокатаная полоса должна иметь категорию 05 по DIN 1623, для чего свободная от дефектов поверхность сляба является непременным условием;
3) сталь должна быть чистой, т.е. в ней не должно быть макроскопических оксидных включений, что обеспечивается отсутствием оксидных отложений в канале погружного стакана или его эрозии [9];
4) энергетический баланс между сталью в кристаллизаторе и горячей полосой на моталке должен быть уравновешен;
5) полоса должна иметь хорошее внутреннее качество в отношении макросегрегации, отсутствия внутренних трещин, первичной кристаллической структуры, в которой должны преобладать тонкие и глобулярные образования и, как следствие, должна быть равномерная вторичная кристаллическая структура.?
В данном случав эти требования легче выполнимы, чем при отливке обычных слябов, принимая во внимание природу тонких слябов, особенно деформацию металла в двухфазной зоне.
Важнейшие особенности процесса ППП
Процесс поточного производства горячекатаной полосы (рис. 3—5), реализованный на заводе фирмы "Arvedi" в Кремоне, отличается следующими важнейшими особенностями.
Оборудование в пространстве между кристаллизатором и моталкой для смотки горячекатаной полосы расположено компактно, благодаря чему технологическая длина цеха составляет только 175 м, а время превращения жидкой стали в горячекатаную полосу колеблется в пределах от 15 до максимально 30 мин, предусмотрено промежуточное охлаждение сляба в противотоке перед чистовой клетью. Все это имеет своим результатом малое ока линообразование, низкий расход энергии при производстве полосы.
Гидравлический привод качания стола кристаллизатора позволяет изменять в процессе разливки частоту, амплитуду и форму кривой качания.
Формирующая сляб система состоит из кристаллизатора (длиной 1 м), направляющей роликовой секции "О" и многороликовой секции (расположенной по кривой радиусом 5 м), оборудованной роликами конструкции фирмы "Mannesmann Demag" [10] с гидравлическим приводом, которая обеспечивает интенсивное охлаждение роликов изнутри и одновременно хорошее охлаждение сляба. В этой системе осуществляется литейнопрокатный процесс получения сляба при его затвердевании с равномерным и непрерывным обжатием по толщине при минимальной дополнительной внутренней деформации.
Водовоздушное охлаждение позволяет производить отливку с расходом воды на распыление 1,0—0,21 л/кг стали (т.е.фактически без распыляемой воды) [10].
Обжатие литого металла в процессе и после завершения кристаллизации осуществляют с помощью роликов проводящей системы в трехклетевом стане высокого обжатия (СВО). При этом сляб вначале отжимается во время Кристаллизации с 60 до 40 мм без достижения критической величины внутренних напряжений, при которых образуются внутренние трещины, и затем, после удаления окалины, прокатывается до толщины 15 мм непосредственно после полного затвердевания при высокой температуре поверхности, составляющей около 1500—1200 °С в небольшом трехклетевом стане СВО с усилием прокатки в каждой клети равным 13000 кН и мощностью электроприводов, расположенных в зойе стана, для каждой пары валков равной 500 кВт. Износ рабочих валков в СВО диаметром 410 мм к настоящему времени может быть признан незначительным благодаря использованию новых материалов и новой технологии охлаждения. Первоначальные опасения относительно возможности обеспечения низкой скорости прокатки, особенно в первой клети (скорость на поверхности роликов от 5,5 до 10 мм или от 0,092 до 0,17 м/с), не подтвердились. При этих условиях производство было увеличено с 1200 до 1800 т тонких слябов шириной 1030 мм и толщиной 43 мм, которые были затем прокатаны на толщину 25 и 15 мм в СВО с предварительным обжатием в двухвалковом окалиноломателе на 500 мм. В ходе дальнейших экспериментов ожидается, что стойкость валков будет увеличена путем модифицирования их материала и оптимизации охлаждения.
Подогрев частично обжатой полосы до однородной температуры 1100—1150 °С проводили в индукционной нагревательной печи от начальной температуры на входе, равной 850—950 °С. После выхода из индукционной печи (которая будет детально рассмотрена ниже) полоса затем наматывается на моталку в одной из камер двухкамерной печи системы Cremona в течение 8—12 мин. Затем после оборота печи полоса покидает ее с выходной скоростью, соответствующей скорости входа в чистовой стан и составляющей 0,6—0,8 м/с, освобождая печь в течение 2—4 мин. Полоса находится в печи максимально в течение 12 мин. При таком режиме по статистике на 70% обеспечивается подача всех полуобжатых слябов в четырехклетевой чистовой стан.
Ввод в эксплуатацию и фазы производства в цехе ППП фирмы "Arvedi” в Кремоне 13 января 1992 г. в комплекс для ППП была подана первая плавка. С этого времени до 30 ноября 1993 г. было произведено примерно 475000 т тонких слябов, перекатанных на толстый лист на продажу и полосу, смотанную в минирулоны и обычные рулоны из стали марок St52, St37, Stl4 и микролегированных сталей категории API.Фаза 1
Рассмотрим четыре стадии процесса:
1. Ввод в эксплуатацию установки непрерывной разливкй, включая СВО и производство на продажу толстого листа с размерами 3015x1030x6600 мм.2. Ввод в эксплуатацию индукционной печи и чистового стана без использования печи системы Cremona и производство минирулонов весом примерно 6 т (с 22 февраля 1994 г., т.е. после 6 недель горячей эксплуатации).
3. Интеграция в комплекс печей системы Cremona и, таким образом, завершение ввода в эксплуатацию всей линии, на которой возможно производство обычных рулонов горячекатаной полосы с максимальным весом 20 кг/мм ширины полосы.
4. Испытания комплекса и качества продукции при производстве стали различных марок при различной толщине полосы.
После этих 15 месяцев горячего опробования и ввода в эксплуатацию комплекса в четыре стадии было достигнуто гарантированные производство и качество продукции и могла быть начата нормальная эксплуатация.
Фаза 2
Эксплуатация
С марта 1993 г. производство могло быть увеличено с гарантированного уровня до максимальной проектной мощности 500000 т/год, или 42000 т/мес. Проектная мощность ограничена потребностями европейского рынка, а не спецификой процесса ППП. Комплекс ППП с одной разливочной машиной может производить до 1 млн.т/год горячекатаных рулонов, а это значит, что комплекс из двух установок непрерывной разливки при одном чистовом стане может иметь суммарную производительность 2 млн. т/год.
Качество продукции
Несмотря на имеющиеся технические достижения, качественные показатели тонких слябов, полученных литейнопрокатным способом, и произведенной из них продукции включают в себя ряд критических параметров, обусловленных природой процесса. По этой причине были начаты сравнительные исследования качества продукции, выдержки из результатов которого будут рассмотрены ниже, для того, чтобы оценить текущий уровень развития комплекса ППП на заводе "Arvedi". Главное внимание в ходе этих исследований уделялось, с одной стороны, показателям внутреннего строения продукции, произведенной на комплексе ППП (таким, как структура, сегрегация и механические свойства) и, с другой стороны, ее внешним показателям (таким, как геометрия и качество поверхности).
Процесс ППП позволяет получать удовлетворительное внутреннее качество продукции [11], что является специфическим следствием обжатия металла во время кристаллизации и сразу после завершения.
Вследствие этого подавляется макросегрегация и изменяется кристаллическая структура.
Улучшенное внутреннее качество тонкого сляба характеризуется прежде всего повышенными вязкостью и другими свойствами толстого листа и горячекатаной полосы.
Геометрия тонких слябов и горячекатаной полосы, полученных .литейнопрокатным методом, имеет очень большое значение, особенно для производства холоднокатаного листа и качества его поверхности, прежде всего листа для глубокой вытяжки.
Отклонения по толщине полосы более чем удовлетворительно соответствуют требованиям DIN 1015 или EN 10051, если выдерживаются расчетные отклонения по толщине слябов, приведенные там же.
Благодаря высокой гибкости процесса ППП была получена полоса толщиной 1,6 мм и шириной 1030 мм при низкой скорости прокатки в четырехклетевом чистовом стане. Прилагаются усилия для получения полосы толщиной 1,2—1,0 мм.
Для того, чтобы выявить наличие каких либо поверхностных дефектов, были вырезаны темплеты от тонких слябов и горячекатаной полосы, тщательно освобожденных от окалины, и исследованы с использованием оптических методов. Поверхностные дефекты не были обнаружены, поэтому систематические инспекции поверхности не проводили.
Шероховатость поверхности готовой* горячекатаной полосы находится в пределах 0, 7—0,8 мм и в соответствии с DIN 1623, часть может классифицироваться как гладкая.
Более того, были произведены первые холоднокатаные листы из стали марки Stl4, признанные годными для глубокой вытяжки, к которым предъявляются наиболее высокие требования по качеству поверхности и, таким образом, была получена наилучшая поверхность группы 05/03 по DIN 1623 на 95% листов в первую же прокатную кампанию. Отбраковка 5% листов была обусловлена главным образом наличием вкатанной окалины (рис. 3).
Получение продукции без окалины, предназначенной для последующей прокатки, достигается оптимизацией процесса удаления окалины перед высоким обжатием непосредственно после непрерывной отливки или перед чистовым станом.
Расположение оборудования для производства от 0,3 до 2,2 млн.т/год горячекатаной полосы
После проведения технической и качественной оценки процесса ППП, основанной на сравнительн
ых лабораторных и промышленных испытаниях и накопления хорошего опыта, в цехе ППП в Кремоне (Италия) естественным было рассмотреть план возможного расположения комплекса ППП с производительностью от 0,3 до 2,2 млн. т/год горячекатаной полосы и толстого листа.
Наиболее важное изменение в комплексе ППП в случае привязки двух или трехтонко слябовых ручьев к чистовому стану для производства 1,5 или 2,2 млн. т/год горячекатаной полосы наблюдается именно на участке между машинами непрерывной разливки и прокатным станом. Вместо new системы "Cremona", которая представляет собой, по существу, печь системы "Steckel" с максимальным временем нахождения в ней полосы, равным 12 мин, в дальнейшем будет использоваться система, состоящая из моталки, пал летной печи для рулонов и разматывателя. Эта новая система, располагающаяся между участком непрерывной разливки, представленным двумя одноручьевыми тонкослябовыми машинами и четырехклетевым чистовым станом горячей прокатки, является элементом, обеспечивающим связь потоков производства от временно разделенных между собой этих двух участков в плане расположения оборудования в новом цехе ППП в г.Кукорове (Турция) для производства 1,5 млн. т/год. В зависимости от типа моталки время и количество металла, ожидающего прокатку в печи, будет достигать соответственно 2 ч и 400 т (18 рулонов).
Благодаря этому техническому решению на участке непрерывной разливки сталь может разливаться из ковшей емкостью 160 т в нормальном ритме независимо от режима работы чистового прокатного стана.
В случае нормального протекания процесса в печи можно также отбирать от рулонов образцы для контроля размера зерна.
Более того, на основании опыта, приобретенного на заводе в Кремоне, произведено упрощение некоторых элементов оборудования, устанавливаемого в новом цехе ППП в Кукоро ве. Так, к примеру, многороликовая секция на установке непрерывной разливки была заменена на секции, обычно устанавливаемые на стандартных установках. Далее, было оставлено только две клети в СВО каждая с приводом мощностью по 700 кВт вместо трех с приводом мощностью по 500 кВт. Подведенная мощность индукционной печи была уменьшена с 20 до 12 MB при максимальной ширине полосы 1600 мм, а расстояние между ножницами и моталкой было уменьшено с 37 до 26 м.
Расход энергии
Была произведена сравнительная оценка расхода энергии и ее стоимости в расчете на 1 т горячекатаной полосы в возможных вариантах процесса ППП по технологии фирмы "Mannesmann" на основе использования данных о подводимой мощности для всех механизмов при производстве горячекатаной полосы; начиная от поворотного стана на установке непрерывной разливки до моталки за станом горячей прокатки полосы, включая все вспомогательное оборудование.
В этой связи внимание было обращено на низкий расход энергии в индукционной печи в сравнении с печью с газовым обогревом.
Заключение и прогноз на будущее
После 15 мес. горячего опробования и ввода в эксплуатацию цех был выведен на промышленный уровень и достигнута проектная производительность, равная 500000 т/год. На прокате из стали различных марок (для глубокой вытяжки конструкционных сталей и даже перитектичёского класса) получена хорошая поверхность. Качество поверхности листа для холодной вытяжки было настолько высоким, что он был пригоден для изготовления лицевых деталей автомобилей. Количество такого листа в различных компаниях достигало 95% от общего производства.
К настоящему времени по технологии ППП произведено было около 475000 т продукции в виде толстого листа, минирулонов и стандартных горячекатаных рулонов удельным весом до 20 кг/мм ширины, составляющей 1030—1280 мм при толщине полосы 1,5—12 мм.
Процесс обладает следующими важнейшими особенностями: компактное расположение оборудования между кристаллизатором и моталкой стана горячей прокатки на участке длиной 175 м, что стало возможным в первую очередь благодаря использованию индукционно
го нагрева; время превращения жидкой стали в горячекатаную полосу составляет от 15 до максимум 30 мин; промежуточное охлаждение сляба перед чистовым станом.
Кроме того, была разработана новая система промежуточной смотки полученной литейнопрокатным методом полуобжатой полосы для лучшей и более гибкой связи установки непрерывной разливки стали со станом чистовой прокатки.
Новая система смотки облегчает производство горячекатаной полосы по технологии ППП в количестве 1,52,2 млн. т/год путем комбинации нескольких установок непрерывной разливки со станом чистовой прокатки или в количестве 0,3—0,5 млн. т/год путем комбинации одноручьевой машины со станом Сте келя.
Возможное увеличение производительности примерно до 1,5 млн. т/год путем модификации оборудбвания позволит сократить примерно на 30% потребление энергии по сравнению со стандартным производством горячекатаной полосы.
Таким образом, процесс ППП позволяет достичь следующих целей: уменьшения капитальных вложений примерно на 70%; текущих затрат примерно на 50 %; затрат на энергию примерно на 70 %; затрат на рабочую силу примерно на 90%; повышения свойств готовой продукции при одинаковом качестве профиля и поверхности; снижения загрязненности окружающей среды в части выделений S02/C02 и NO*, уменьшения потребности в охлаждающей воде и генерации энтропии на 1 т горячекатаной полосы.
Эти преимущества процесса ППП важны не только для проектирования минизаводов, которые теперь впервые могут производить высококачественную листовую продукцию, поставляемую на рынок, с годовой производительностью от 0,3 до 1,5 млн.т, но также и для интегрированных заводов с производительностью более 2,0 млн. т/год.
Использование мини или обычных прокатных станов, работающих с применением технологии сортовой отливки и прокатки по типу завода фирмы "Корф" в Гамбурге (Германия) (с 1960 г.) и тонкослябовой технологии (с 1990 г.) приводит к изменению рыночной структуры мирового производства стали, характеризующемуся: снижением капитальных и текущих затрат; высоким качеством продукции, отвечающим требованиям рынка; децентрализацией производства; появлением малых предприятий производительностью порядка 2,5 млн. т/год вместо существующих заводов производительностью 4—10 млн. т/год; высокой приспособляемостью к рынку; коротким временем выполнения заказов; сокращением транспортных расходов; снижением затрат на энергию; низким загрязнением окружающей среды; улучшенным экономическим и экологическим балансом.
Процесс ППП на основе тонкослябовой технологии позволяет (руководствуясь положением "учиться у природы”) создавать высокоэффективное и экологически чистое производство и, таким образом, вносить весомый вклад в повышение стабильности, надежности и процветание наших компаний, концернов и всей экономики в целом.
СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке. Т о м 3, Москва 1994
