Прогрессивная технология непрерывной разливки стали

 В отечественной и зарубежной практике доминирующим направлением является применение машин непрерывного литья заготовок (МЛНЗ) криволинейного типа. Процесс идет с непрерывной подачей металла в кристаллизатор и одновременным вытягиванием формирующегося слитка. На современных МНЛЗ для производства трубной заготовки, разливают металл, прошедший предварительную внепечную обработку в агрегатах типа АОД или ковш-печь. Установки имеют промежуточный ковш большой емкости с шиберными затворами, позволяющими точно управлять подачей металла. При этом обеспечивается полная защита жидкого металла от окисления с помощью шлакообразующих смесей на зеркале расплава в сталеразливочном, промежуточном ковшах и в кристаллизаторе, а также путем применения защитных труб и наружных стаканов на участках сталеразливочный - промежуточный ковш и промежуточный ковш - кристаллизатор. Для формирования качественной поверхности заготовки используют высокочастотное качание кристаллизатора, соответствующие составы шлакообразующих смесей, системы "мягкого" водовоздушного охлаждения. Для формирования плотной бездефектной структуры используют электромагнитное перемешивание вдоль всей металлургической длины МНЛЗ, слабое обжатие слитка, жесткую поддерживающую систему с использованием составных роликов повышенной жесткости. МНЛЗ, как правило, полностью автоматизированы и оснащены системами предупреждения о возможных нарушениях в процессе разливки, а также системами, которые осуществляют непрерывный контроль качества заготовок и отбраковку некондиционных слитков.

 При проектировании новых и реконструкции действующих сталеплавильных цехов, МНЛЗ и трубопрокатных агрегатов необходимо согласовывать зачастую противоречивые интересы сталеплавильного и трубного производства. Выбор формы и размеров поперечного сечения заготовки, количества ее типоразмеров влияют на количественные и качественные показатели и технологические решения как сталеплавильного, так и трубопрокатного цехов. С точки зрения технологии разливки максимальная производительность МНЛЗ при надлежащем качестве заготовок достигается при отливке круга диаметром 220 мм (или квадрата со стороной 220 мм). При этом вследствие разницы в величине поперечного сечения квадратной и круглой заготовки производительность при выпуске первой из них будет выше на 20%. Однако, окончательный выбор формы и размеров заготовки может быть сделан с учетом всего диапазона размеров выпускаемых труб, деформационных возможностей трубопрокатного агрегата и принятого способа прошивки. Квадратная заготовку прошивают на пресс - валковом стане или прессе, круглую на стане винтовой прокатки или прессе. При выборе количества типоразмеров отливаемых заготовок немаловажное значение имеет продолжительность перенастройки при переходе с одного размера на другой. Обычно это связано с большими затратами времени. Поэтому стремятся сократить количество типоразмеров заготовки. Требование сталеплавильного производства о необходимости работы трубопрокатного агрегата на одном - двух размерах заготовки для обеспечения всей производственной программы не всегда является оптимальным для процесса производства труб даже при использовании в составе агрегата станов для редуцирования гильз и редукционно - растяжных станов. Для решения этой проблемы целесообразно создание минизаводов или специализированных МНЛЗ, обеспечивающих конкретный трубопрокатный цех заготовкой оптимального размера. Другим направлением является совершенствование технологии разливки стали на МНЛЗ. Например, на установке фирмы "Ниппон кокан" (Япония) время перехода с размера на размер занимает 15 минут.

 Рассмотрим другие примеры реализации современной технологии получения качественной непрерывнолитой трубной заготовки круглого и квадратного сечения. На заводах Италии, Японии, США и других стран производят непрерывнолитую квадратную заготовку, которая используется для производства труб на ТПА с прессвалковым прошивным станом. На ТПА 48-300 в Бергамо (Италия) используют непрерывнолитую квадратную заготовку со стороной 170, 220, 260 и 320 мм. На ТПА 89-245 с непрерывным станом завода фирмы "USS" в Фэрфилде (США) применяется непрерывнолитая квадратная заготовка одного размера, что облегчает ее производство в сталеплавильном цехе. В Японии на заводе фирмы "Ниппон кокан" в Кейхине на шестиручьевой МНЛЗ получают круглые заготовки диаметром 170,210 и 230мм из стали, выплавленной в LD - конвертере. Кристаллизатор снабжен устройством электромагнитного перемешивания, уровень стали контролируется при помощи вихревых токов. Разгиб слитка осуществляется при температуре более 1000°С. Круглые заготовки диаметром 170 мм разливают со скоростью 2,8 м/мин. Серийность разливки составляет в среднем пять плавок. Поверхность заготовок не зачищается. Брак при прокатке составляет около 1% в основном из-за трещин, которые образуются в кристаллизаторе. На заводе фирмы "Сумитомо киндзоку коге" в Вакаяме освоено производство круглой заготовки диаметром 213, 231 и 282 мм с использованием метода литья через сдвоенный кристаллизатор с многоточным разгибом.

 В Бразилии круглые заготовки диаметром 170, 194 и 239 мм разливают из углеродистой и легированной стали, выплавленной в LD - конвертере объемом 65 тонн. Сталь подвергается модифицированию силикомарганцем. Производительность разливки достигает 600 кг/мин. Заготовки не имеют внутренних дефектов, кроме центральной пористости, однако это не влияет на качество труб. Овальность сечения составляет около 2%, выход годного до 97,9%.

 В Германии на заводе фирмы "Mannesmann"действует шестиручьевая МНЛЗ для разливки углеродистых и легированных марок стали в круглые заготовки диаметром 175...220 мм для производства труб нефтяного сортамента и котельных труб. Сталь выплавляют в 225 тонных конвертерах. Применение внепечной обработки жидкого металла, сквозной защиты струи стали от сталеразливочного ковша до кристаллизаторов, точная настройка технологической линии, использование мягкого вторичного охлаждения и синтетических шлакообразующих порошков обеспечивают получение качественной трубной заготовки, практически не нуждающейся в зачистке поверхностных дефектов, с оптимальной внутренней структурой. Выход годного - 97,3%. На этом же заводе пущена вторая пятиручьевая МНЛЗ, производительностью 900 тыс.т. в год, которая позволяет отливать круглую заготовку диаметром 220...400 мм. На заводе фирмы в Хукингене введены две радиальные МНЛЗ для разливки круглых заготовок диаметром 175...350 мм и 220...400 мм. Сталь поступает из в LD - конвертера объемом 225 тонн. Для повышения качества трубной заготовки применяется десульфурация стали шлаком, модифицирование силикокальцием, используется промежуточный ковш большой емкости с перегородками, защита от повторного окисления. Установки автоматизированы и управляются от ЭВМ.

 В Великобритании на заводе фирмы "British Steel" в Клайдбридже получают круглые заготовки диаметром 310, 388 и 430 мм высокого качества (максимальна овальность 1%), используя для этих целей промежуточный ковш большой емкости, непрерывный разгиб, устройство электромагнитного перемешивания в кристаллизаторе, высокую частоту его качания, водовоздушное охлаждение, газовую резку заготовки. На заводе указанной фирмы также действует установка вертикального типа для разливки круглых заготовок диаметром 115...200 мм из углеродистых, легированных (в том числе, подшипниковых) и аустенитных коррозионностойких сталей.

 В нашей стране массовое производство круглой и квадратной непрерывнолитой трубной заготовки осуществляется на ОАО "Волжский трубный завод" (ВТЗ, г.Волжский), на котором в1990 г. пущен в эксплуатацию крупный электрометаллургический комплекс (ЭМК), построенный фирмой Италимпьянти (Италия). На ЭМК выполняется полный цикл первого передела, включающий подготовку шихты, выплавку и непрерывную разливку стали. В состав этого комплекса входят электросталеплавильный цех (ЭСПЦ), трубопрокатный цех с ТПА 159 - 426 и ряд вспомогательных цехов (скраповый двор, отделения подготовки извести, ферросплавов, окатышей, цех водоподготовки и т.д.). ЭСПЦ предназначен для производства непрерывнолитой заготовки, в основном, для трубопрокатного и трубопрессовых цехов ВТЗ. Проектный объем производства жидкой стали до 1,1 млн. тонн в год. Материал - стали 20, 45, Д, 12Х1МФ, 15ХМ, 09Г2С, 15 ГС, 30ХГСА, 30ХГСНА, 26ХГМФ, высоколегированные коррозионностойкие стали и т.д. Диаметр круглой заготовки составляет 156, 196, 228, 340 и 360 мм. Квадратная заготовка имеет размеры 240х240, 300х300 и 360х360 мм. Длина мерной квадратной заготовки - 3,5...8,1 м, круглой - 3,5...12 м. Выплавка стали осуществляется в двух 150 тонных электродуговых печах. Для внепечной обработки стали имеются две установки "печь - ковш", а также установка вакуум - кислородного рафинирования металла (ВКР). В электропечах осуществляется:

 - расплавление шихты;

 - дефосфоризация (оставлен остаток предыдущей плавки для ускорения образования шлака);

 - обезуглероживание и нагрев металла;

 - присадка раскислителей и шлакообразующих (известь, кокс) на выпуске металла, а также продувка его кислородом через боковую фурму для облегчения скачивания шлака.

 Весь сортамент выплавляемой в цехе стали подвергается обработке на установке "печь - ковш". Внепечная обработка металла является одним из наиболее экономичных способов повышения качества металла. Целью внепечной обработки металла является:

 - сокращение длительности плавки и повышение производительности электропечей;

 - снижение уровня содержания газов (кислорода, азота, водорода) и неметаллических включений в металле (пластичность и ударная вязкость, изотропность свойств стали значительно повышаются при содержании серы ниже 0,015 %). раскисление и доводка металла по химическому составу для уменьшения отклонений химического состава.  -

 - стабилизация температурного режима выплавки стали;

 - тепловая и химическая гомогенизация.

 При этом операции раскисления, десульфурации, глубокого обезуглероживания, частичного легирования и ряд других выполняется в ковше, а не в печи. Для этого установка "печь - ковш" оборудована фурмой для продувки металла аргоном, устройством для десульфурации путем вдувания порошкообразных материалов, таких как CaO-CаF2 известь, плавиковый шпат и силикокальций. Десульфурация осуществляется при помощи шлака, который формируется присадкой указанных материалов. Для раскисления и легирования в ковш на выпуске добавляют присадки Al, FeSi, FeMn. Для этого имеется устройство подачи проволоки из легирующих элементов (алюминий, ванадий, ниобий, титан, бор, кремний, ферро - и силикомарганец и т.д.). С началом выпуска начинают продувку аргоном (20 мин), осуществляя его донную подачу. Перемешивание расплава улучшает десульфурацию. За 5...7 мин до отправки на разливку металл обрабатывают силикокальцием. Разливка осуществляется с защитой металла от вторичного окисления и автоматическим регулированием расхода металла.

 Часть марок стали, особенно высоколегированные коррозионностойкие стали, подвергаются обработке на установке вакуум - кислородного рафинирования (ВКР). Установка вакуум - кислородного рафинирования металла оборудована фурмой для продувки металла кислородом, устройством для вдувания порошкообразных материалов, присадки ферросплавов под вакуумом (-100 Па). Эта операция является продолжением и дополнением технологии внепечной обработки на установке "печь - ковш". Обработка металла вакуумом влияет на протекание тех реакций и процессов, в которых принимает участие газовая фаза. Газовая фаза возникает при реакции окисления углерода (образуется окись углерода), выделение растворенных в металле водорода и азота, а также при испарении примесей цветных металлов. Азот в металле не всегда является вредной примесью, а иногда его даже используют в качестве легирующего компонента для упрочнения некоторых конструкционных марок сталей. Однако при выплавке стали для производства труб, предназначенных для работы в условиях Севера и высоких давлений, содержание азота должно быть минимальным. Чтобы добиться заметного очищения металла от азота требуется достаточно глубокий вакуум и продолжительная выдержка. Процесс очищения металла от водорода и азота под вакуумом ускоряется одновременно протекающим процессом выделения пузырьков окиси углерода. Интенсивное перемешивание металла пузырьками выделяющихся при вакуумировании газов в свою очередь способствует удалению неметаллических включений.

 Значительное, а часто решающее влияние на загрязненность стали неметаллическими включениями может оказать защита металла от повторного окисления при разливке, которая может производиться аргоном, синтетическими шлаками или теплоизоляционными смесями путем разливки под "уровень". Разливка жидкой стали осуществляется на трех машинах непрерывного литья заготовок. МНЛЗ четырех ручьевые криволинейного типа с базовым радиусом 14 м. Две из них предназначены для отливки квадратной заготовки, а одна является комбинированной: на ней возможна отливка заготовок как квадратного, таки круглого сечения. Рабочие скорости вытягивания слитков квадратного сечения 0,54...1,22 м/мин, круглого сечения - 0,67...2,5 м/мин. Производительность МНЛЗ при отливке круглых заготовок диаметром от 156 до 228 мм - 95 т/час, диаметром от 340 до 360 мм - 110 т/час. Производительность МНЛЗ при отливке квадратных заготовок со стороной от 225 до 360 мм - 123 т/час. Для некоторых марок стали предусмотрена продувка металла аргоном в кристаллизаторе. Применение непрерывной разливки трубной заготовки обеспечивает следующие преимущества:

 - низкий расходный коэффициент металла (1,037 - для квадратной; 1,112 - для круглой заготовки);

 - повышение производительности и улучшение условий труда;

 - высокое качество слитка;

 - возможность получения заготовки с размерами, наилучшим образом подходящими для прокатного передела;

 - гибкий, экономичный график совместной работы ЭСПЦ и трубопрокатного и прессовых цехов за счет возможности быстрого перехода на нужный размер или марку стали;

 - высокий уровень автоматизации и механизации процессов подготовки материалов и операций разливки стали.

 На ВТЗ действует система автоматизированного управления ЭМК. Она представляет собой трехуровневый комплекс. Верхний уровень выполняет функции производственного планирования и управления комплексом в целом. Средний уровень выполняет функции управления конкретными технологическими процессами сталеплавильного и прокатного производства. Нижний уровень предназначен для управления конкретным оборудованием (электропечь, МНЛЗ, прокатные станы и т.д.). Применительно к ЭСПЦ система осуществляет управление процессом плавки в электропечи, доводки стали в установке "печь - ковш" и процессом вакуумной дегазации. Компьютер задает режим плавки, состав и развес материалов, а также управляет параметрами и механизмами установки внепечной обработки стали, разливки и кристаллизации слитка. Такая технология позволяет расширить технологические возможности сталеплавильных агрегатов по выпуску марок стали, производство которых раньше считалось невозможным. К их числу можно отнести, например, стали с низким содержанием углерода, серы, азота и узкими пределами по содержанию легирующих элементов. Это позволяет освоить выпуск труб из материалов, работающих в условиях низких или высоких температур, повышенных давлений и агрессивных сред типа сероводорода. Например, указанная технология выплавки позволяет получать качественные стали с низким содержанием серы и фосфора в среднем 0,006...0,008% и 0,01...0,012% соответственно. Для отдельных плавок содержание серы в металле составляет 0,001...0,002%.

 Заготовка квадратного сечения используется в трубопрокатном цехе в не обточенном виде, а круглого сечения - в трубопрессовом цехе в обточенном или не обточенном виде. Предельные отклонения по диаметру круглых заготовок составляют:

 - после обточки: от +0,8;-2,5 мм (диаметр 150...190 мм) до +3,5;-3,5 мм (диаметр 350 мм);
 - без обточки: от +3,0;-3,0 мм (диаметр 150...190 мм) до +5,0;-5,0 мм (диаметр 360 мм).

 Длина круглой заготовки находится в пределах 4...11,5 м. Овальность ободранной заготовки не должна превышать 0,5, а для не обточенной заготовки - 0,75 суммы максимального и минимального отклонений диаметра заготовки. Шероховатость после обточки Rz < 80мкм, а для заготовки идущей на прессование Rz < 40мкм. Производство непрерывнолитой сплошной заготовки эффективней, чем центробежнолитой (себестоимость первой ниже примерно на 9%), однако есть стали, заготовки из которых не могут быть получены непрерывной разливкой или прокаткой, в связи с чем необходимо использовать способ центробежной разливки стали.

 В последние годы разработаны новые способы и конструкции для получения непрерывнолитых полых заготовок из углеродистых и легированных сталей. Установлено, что качество внутренней поверхности труб, полученных из этих заготовок, более высокое по сравнению с качеством труб, прокатанных из сплошных заготовок. Это объясняется тем, что в полой заготовке ликвационная зона и усадочная рыхлость рассредоточены внутри стенки полой заготовки, тогда как в сплошной заготовке они сконцентрированы в осевой зоне.

 Фирма "Vallourece" (Франция) производит полые слитки центробежным методом. Эта технология разливки ограничивает развитие столбчатой кристаллизации и обеспечивает получение в центре непрерывнолитой заготовки равноосных кристаллов, что ограничивает образование осевой пористости и снижает величину сегрегации. Полученные заготовки можно использовать без какой-либо обработки для производства бесшовных труб.