ТЕНДЕНЦИИ В ТЕХНОЛОГИИ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКИ СЛЯБОВ

Введение

Начиная с внедрения в начале 60х годов техника непрерывной разливки претерпевает постоянное развитие и усовершенствование. Движущей силой является конкурентная борьба в черной металлургии, которая усилилась с середины 70х гг. изза неблагоприятных рыночных условий.

На рис. 1 указаны различные фазы промышленного развития, которые меняются каждую декаду, начиная с 1960 г. В 60е годы имело место развитие технологии процесса и медленное промышленное освоение, что позволило достичь объема непрерывнолитых заготовок в ~5% к концу 60х годов. Вторая фаза в 70х годах характеризовалась широким промышленным внедрением, нацеленным на возрастающую производительность путем разливки крупных плавок, производство которых должно было начаться с использованием процесса BOF. С начала 80х технология непрерывной разливки вошла в фазу совершенствования, где основное внимание было сфокусировано на улучшении качества и расширении марочного сос

тава. Характеристикой 90х годов является оптимальная интеграция со всей производственной цепочкой и внедрение новых решений (например, разливка тонких заготовок).

Хотя, вероятнее всего, дальнейший рост объемов применения непрерывной разливки не будет таким впечатляющим на Западе, все еще имеется потенциал ее усовершенствования и оптимизации. Рост главным образом будет происходить в странах бывшего восточного блока и на Дальнем Востоке.

В настоящей работе представлены общие тенденции развития непрерывной разливки, вытекающие из подлинных требований производителей стали:

Требование

Максимальные: использование производительность гибкость Минимум персонала Минимальные затраты Устойчиво высокое качество

Тенденции в конструировании машин

При усиливающейся тенденции отхода от практики разливки в слитки требования к работоспособности разливочных машин, в частности в отношении качества продукции, становятся все более жесткими. Как следствие, концепции в конструировании всех поставщиков оборудования в значительной степени одинаковы.

На фирме VOEST ALPINE в 1968 г. разработана концепция, получившая мировое признание и широкое применение. Она характеризуется прямолинейным кристаллизатором, промежуточными поддерживающими роликами малого диаметра и непрерывным разгибом и выпрямлением сляба.

Отмеченные конструктивные особенности позволили преодолеть ранее имевшиеся ограничения по увеличению ширины слябов и скорости разливки. В целом ряде работ приводятся свидетельства того, что указанные тенденции в концепции разливочных машин реализуются при ремонте и усовершенствовании более старых разливочных машин. Очень часто в процессе ремонта переходят от криволинейного к прямолинейному кристаллизатору и установке составных роликов [1].

Основными компонентами машины, влияющими на качество поверхности непрерывнолитой заготовки, а также на внутреннюю ее чистоту, являются кристаллизатор вместе с колебательным устройством.

Современные разработки в области конструкций кристаллизаторов сфокусированы на дальнейшем увеличении скорости разливки путем интенсификации охлаждения и увеличения частоты колебаний кристаллизатора; воздействии на потоки жидкого металла в кристаллизаторе электромагнитным торможением для снижения односторонней ассимиляции неметаллических включений при использовании криволинейного кристаллизатора [2], а также для смягчения флуктуаций уровня ванны при очень больших скоростях разливки; дальнейшем увеличении долговечности плит кристаллизатора с помощью новой техники нанесения покрытий; быстрой смене, ремонте вне линии и отладке агрегатов кристаллизатора.

Было проведено исследование с использованием несинусоидальных колебаний. На рычажный механизм существующего колебательного устройства был установлен высокоточный гидравлический осциллятор и систематическому изучению подверглось влияние следующих параметров: амплитуды (5,314,5 мм); частоты (50150 ходов в минуту; формы сигнала (несинусоидальный фактор 0,5—0,7).

В пределах исследованных скорости разливки (1,01,5 м/мин) и марок сталей (для глубокой вытяжки, микролегированная трубная стали) был обнаружен положительный эффект несинусоидальных колебаний в отношении увеличенного удельного потребления разливочного порошка, что свидетельствовало об улучшении смазки непрерывнолитой заготовки. Но того же эффекта можно было достичь изменением соотношений двух других параметров, т.е. амплитуды и частоты, что легко можно осуществить при разливке при использовании гидравлического осциллятора. Соответственно, несинусоидальные колебания не применяются при работе разливочных машин на фирме VOEST—ALPINE Stahl Linz.

После нескольких лет опытов с положительными результатами [3] новая система была установлена в трех горизонтальных сегментах в 1993 г. Для управления мягким обжатием необходимо наличие работающей модели процесса, чтобы устанавливать мягкое обжатие в конце жидкой лунки в пределах определенного диапазона твердой фракции. Что касается вторичного охлаждения, то стандартным решением становится тенденция к возду хо(водяной)охлаждающей системе, когда производится смешанная продукция.

Тенденции в управлении

Накопление технологических ноухау и опыта в управлении, а также конкурентная борьба привели в прошедшие годы к существенному увеличению годовой машинной выработки.

Ключевыми факторами, определяющими производительность, являются: степень использования разливочных машин, т.е. коэффициент времени разливки и темп разливки, определяемый как произведение размера заготовки на скорость разливки.

Максимальное использование разливочной машины достигается при серийной разливке плавок одна за другой и путем исключения прерываний разливки. Показанные на рис. 4 изменения в использовании разливочной машины на фирме VOEST—ALPINE Stahl Linz за последние 10 лет свидетельствуют об огромном прогрессе в управлении разливкой

Благодаря высокой степени использования этой системы, которая уже достигнута,, можно ожидать небольшого выигрыша от этого фактора в дальнейшем. Поэтому целью последующих разработок должен быть другой ключевой фактор, т.е. производительность разливки. Так как сечение заготовки в небольшой степени определяется последующим прокатным станом, выходом является разливка при существенно более высоких скоростях. В исследовании Ш1 [4] показано, что основными причинами ограничений скорости при разливке слябов являются длина машины и качество внутреннего строения слитка, что в. настоящее время представляется менее важным благодаря улучшению сталеплавильного передела и применению составных роликов малого диаметра.

Можно использовать опыт разливки Тонких слябов также для обычных разливочных машин так, чтобы их производительность могла бы возрасти существенно выше обычного уровня путем увеличения длины машины. Дальнейшим усовершенствованием процесса является установление баланса между производительностями сталеплавильного цеха и разливочной машины наравне с динамическим контролем процессов управления, что требует снижения скорости разливки (например, при смене промежуточного ковша, автоматическом изменении ширины заготовки).

Тенденции в качестве

Лучшим индикатором качества является доля напрямую прокатанных слябов, т.е. слябов без контроля и ремонта перед прокаткой. На фирме VOEST ALPINE Stahl Linz, взятой в качестве примера интегрированного завода с довольно сложной производственной программой, объем слябов с прямым посадом без ремонта достиг в среднем 80%, а для некоторых марок стали >95%. Улучшение в обеспечении качества за последние 14 лет путем непрерывного совершенствования процесса иллюстрируют данные рис. 6.

Осознавая потенциал непрерывного совершенствования, фирмы VOEST ALPINE Stahl Linz и VAI решили в 1984 г. начать проект CAQC (компьютерный, контроль качества), нацеленный на всю продукцию заводов Linz. В отличие от конкурентных разработок, которые удовлетворялись отслеживанием отклонений, проект CAQC исходил из основных проблем путем сочетания экспертных ноухау металлургов и операторов со статистическими выкладками. Так называемые металлургические функции численно определяют зависимость параметров качества, например индекса неметаллических включений, от одного или нескольких технологических параметров, например от высоты уровня металла в промежуточном ковше [5, 6].

После нескольких лет разработок система CAQC была установлена для контроля в линии и постепенно совершенствовалась для каждой из групп марок сталей. Преимущества этой системы иллюстрируют результаты производства, представленные на рис. 7. В настоящее время ~90 % литых слябов контролируется и автоматически оценивается системой CAQC. Исходя из опыта разработки системы CAQC можно утверждать, что бездефектная разливка достижима даже в условиях непрерывного повышения требований к качеству. Но выгоды могут быть получены и реализованы только при условии использования всей системы, которая приспособлена и настроена для каждого применения.

Тенденции в автоматизации процесса

Общепринято, что только заводы с высоким уровнем автоматизации могут обеспечить высокое качество при низкой себестоимости и что так называемые "голые" разливочные машины с минимальной автоматизацией не могут привести к успеху при длительной эксплуатации. Это также справедливо для стран, где цена трудовых ресурсов достаточно низкая, так как главной целью автоматизации процессов является стабильность в обеспечении качества. Высокий уровень автоматизации означает интегрированную систему автоматики, включающую контроль процесса; оптимизацию процесса, планирование производства и контрольные функции [7].

Изменения в системах автоматики за последнее десятилетие значительно существеннее, чем изменения механической конструкции разливочных машин. Данные таблицы иллюстрируют, как разрабатывалась система, автоматики разливочной машины слябов №4 завода Linz.

При пуске машины в 1981г. система автоматики включала главным образом основные контрольные функции при некоторых индивидуальных моделях процесса, в частности для динамического контроля вторичного охлаждения и для помощи оператору. В последующие годы существующая система была дополнена новыми комплексными моделями (CAQC), системами контроля (автоматическое регулирование ширины) и также вспомогательным оборудованием (манипуляторами). Во время модернизации этой разливочной машины в 1990 г. вся система автоматики сталеплавильного завода была изменена и соединена с общей компьютерной сетью для промышленного контроля.

В ближайшем будущем готовится внесение дополнительных усовершенствований. Примером является использование наиболее передовых ния . DYNACS (рис. 8). Основной концепцией является испльзование наиболее передовых математических алгоритмов для термического слежения в линии. Оценка температуры в линии основана на действительных граничных условиях. Используется очень быстрый метод конечного объема с применением модели Тейлора и решением уравнения диффузии теплоты. Применяются три стратегии охлаждения (контроль выпучивания; контроль температуры поверхности; контроль толщины корки) и логический контроль (оптимальный). Это позволяет выбирать различные варианты охлаждения в зависимости от конкретных требований.

Возможны три различные стратегии охлаждения.

Стратегия минимального выпучивания учитывает динамически вычисленную толщину корки, а также ферростатическое давление, установку роликов и режим охлаждения в зависимости от йарки стали.

Стратегия обратного охлаждения поддерживает заданный поверхностный температурный профиль.

Стратегия мягкого обжатия контролирует затвердевагае по отношению к фиксированному положению устройства мягкого обжатая.

Модель DYNACS находится в работе с начала 1994 г. на машине разливки слябов № 4 фирмы VOEST ALPINE Stahl Linz.

Параллельно для целей планирования производства применяется версия экспертной системы, т.е. для выполнения следующих задач:

Достигаемый высокий уровень производительности и качества современных машин для разливки слябов приближает их к процессу прокатки, так что при этом можно предвидеть прямую связь между разливкой и прокаткой. Впервые о прямой прокатке в больших масштабах сообщено в работе [8], где доказана осуществимость принципа прямой прокатки. Препятствиями ее более широкого применения в промышленности являются сложившаяся на конкретном заводе планировка при большом расстоянии между УНРС и прокатным станом; нестыковка по йроизводительности между УНРС и прокатными мощностями; ограниченные объемы заказов стали одной и той же марки, что препятствует осуществлению полностью непрерывного процесса.

Как следствие, многие существующие сталеплавильные заводы применяют операцию по горячей посадке слябов для экономии энергии при повторном нагреве, а также для существенного снижения затрат при обработке и хранении слябов. Фирма VOEST ALPINE Stahl Linz начала применение горячей посадки в 1984 г. и установила боксы для консервации теплоты, в которых хранятся горячие слябы перед прокаткой. На рис. 9 показана схема завода с маршрутом продукции с горячей посадкой.

Прогресс в развитии конструкций, управлении и автоматизации процесса в последние десятилетия привел к высокому уровню использования УНРС, увеличению их производительности и улучшению качества продукции. Тем не менее все еще существует определенный потенциал улучшения путем постоянного совершенствования вместе с использованием преимуществ разливки тонких слябов.

Можно сформулировать следующие основные тенденции: существенное увеличение скорости разливки, полная автоматизация управления при ограниченном контроле человеком, прямая связь со станом горячей прокатки при минимуме промежуточных агрегатов.

Зная имеющиеся в настоящее время узкие места разливки тонких заготовок, можно пред прлагать, что к началу XXI века в промышленном производстве вместе с современной разливкой слябов будет одновременно применяться разливка тонких слябов и полос, при этом каждая технология будет иметь свои области применения и экономические особенности.

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