» » Совмещенные процессы на участках производства чугуна и стали
06.02.2015

Доменная печь является первым агрегатом, в котором появляется жидкий металл. Лишь при пудлинговом процессе уже остывшие чугунные чушки расплавляли в печи, в последующих процессах - бессемеровском и томасовском (конвертерные процессы), мартеновском - использовали уже жидкий чугун. Основным железонесущим сырьем при использовании кислородноконвертерного процесса также является жидкий чугун.
В электросталеплавильном производстве первоначально в качестве железонесущей шихты использовали металлолом, что с точки зрения затрат энергии является более экономичным по сравнению с получением стали на базе железной руды (при использовании доменного производства), В этом случае энергетические затраты связаны лишь с плавлением лома, поскольку энергия, требуемая на восстановление окислов железа, содержится в самом ломе.
Ухудшение качества лома, связанное с повышенным содержанием в нем элементов цветных металлов, ограничивает возможности электрометаллургии при производстве сталей, предназначенных для холодного деформирования. Для решения этой проблемы рационально разбавление металлозавалки жидким чугуном. При существующих условиях, с экономической точки зрения доля чугуна должна составлять не более 30% от массы металлошихты.
Таким образом, тепло металла доменного передела всегда используется при конвертерном производстве стали, почти всегда - при мартеновском и может быть использовано при электросталеплавильном производстве. То есть, имеет место совмещение процессов выплавки чугуна и стали.
Долгие годы в доменных печах выплавляли чугун заданного состава, в том числе и по содержанию таких элементов, как фосфор и сера. Основными способами снижения содержания этих элементов в чугуне являлось применение низкосернистой и низкофосфористой шихты. Резкое ухудшение качества шихты, особенно по содержанию серы, потребовало необходимости ее удаления в ходе доменной плавки. Частично она переходит в газообразное состояние и удаляется из печи с отходящими газами, а значительную часть остальной серы удаляют созданием в доменной печи жидкого, хорошо нагретого шлака с высоким содержанием CaO. Все это усложняет доменный процесс и удорожает чугун.
Поэтому процессы дефосфорации и десульфурации чугуна целесообразно производить вне доменной печи. Внедоменную дефосфорацию чугуна используют редко. Объясняется это тем, что большая часть процессов при производстве стали является окислительной, поэтому удаление фосфора в сталеплавильном агрегате особых трудностей не представляет, если содержание фосфора в чугуне не превышает 0,15%.
Основной источник поступления серы в сталь - чугун. Повышение содержания серы в чугуне увеличивает ее концентрацию в стали. При кристаллизации стали по границам зерен выделяются сульфиды железа, температура плавления которых ниже, чем у железоуглеродистых сталей. Железо и сульфид железа образуют легкоплавкую эвтектику, с которой связано явление красноломкости металлопродукции.
Допустимое содержание серы в чугуне при выплавке сталей обычного качества 0,03-0,04, и 0,015-0,02% для качественных сталей, а также сталей, разливаемых на МНЛЗ.
Отсюда и вытекает необходимость десульфурации чугуна. На многих металлургических предприятиях ее обычно проводят в специальном отделении. Ведутся такие работы и в Донецком национальном техническом университете, в частности, с ОАО «Мариупольский металлургический комбинат им. Ильича».
С участием автора книги разработаны оригинальные способы десульфурации чугуна, заключающиеся во введении в нижнюю часть колонны газлифта (которая погружается в ковш с чугуном), а в газометаллический поток, выходящий из колонны, встречной направленной струей вводится кислород. Благодаря раздельному вводу десульфуратора и окислителя достигается высокая стабильность десульфурации и обескремнивания чугуна.
Получено положительное решение на выдачу патента на способ десульфурации жидкого чугуна, основная идея которого состоит в том, что при движении чугуна по желобу после выпуска из доменной печи, на его поверхность через специально установленную фурму подают твердый ковшовый шлак фракции 3-10 мм, основой которого является CaO (до 52%), SiO2 (до 16%) и MgO (6%). Ковшовый шлак в этом случае выступает в роли десульфуратора. При использовании такой технологии снижается расход металлического магния при десульфурации чугуна в ковше на установке десульфурации.
При использовании технологий десульфурации происходит как бы разделение процесса выплавки чугуна на два агрегата. Однако в соответствии с предлагаемым нами признаком совмещения агрегатов, оно имеет место, поскольку горячий чугун поступает на десульфурацию и уходит горячим. Далее, в большинстве случаев чугун поступает в миксер, где усредняется его химический состав и при необходимости он подогревается, В горячем состоянии чугун заливают в сталеплавильный агрегат.
Еще не так давно существовало понятие «варить сталь». И ее действительно варили в сталеплавильном агрегате (главным образом, в мартеновской печи), от завалки шихты до выпуска стали с требуемым химическим составом.
Развитие теории и практики внепечной обработки стали в течение последних двух десятилетий позволило обеспечить значительный прогресс в части повышения производительности основных плавильных агрегатов за счет выноса большей части операций по доводке стали непосредственно в ковш. Кроме того, внепечная обработка стали во многом обеспечила повышение ее качества и существенно расширила технологические возможности снижения ее загрязненности неметаллическими включениями и газами.
В условиях непрерывной разливки стали роль внепечной ее обработки становится практически определяющей, поскольку именно в ковше осуществляется доводка стали по температуре и химическому составу. Создание агрегатов, позволяющих выполнить подогрев стали в ковше, обеспечило расширение внепечной обработки, стабилизацию работы МНЛЗ, разливку длинными сериями с выходом годного 95-96%. К этому следует добавить, что внепечная обработка позволила единый процесс производства стали совместить в трех отдельных агрегатах за счет оптимизации температурных условий в каждом из них.
Непосредственно в МНЛЗ промежуточный ковш выполняет несколько функций: прием из разливочного ковша жидкого металла и распределение его по отдельным ручьям машины с минимальными потерями тепла при одновременном обеспечении предотвращения вторичного окисления расплавленного металла и загрязнения его неметаллическими включениями. Дополнительно в промежуточном ковше совмещаются процессы усреднения и доводки стали по химическому составу и температуре.
Исследовано несколько технологий нагрева металла в промежуточном ковше: индукционный, электрошлаковый, электродуговой. Наибольшее распространение получил плазменный нагрев горелками. Нагрев стали в промежуточном ковше - высокоэффективная технологическая операция, способствующая стабилизации работы МНЛЗ и сокращению текущих расходов.
К настоящему времени четко проявилась тенденция обработки стали в промежуточном ковше порошковыми проволоками (в сталь вводят алюминий, титан, кальций и пр.). Достоинство такого технологического приема заключается в том, что воздействие на металл производится непосредственно перед его поступлением в кристаллизатор. При высокой степени усвоения этих элементов качество стали повышается за счет
- снижения содержания кислорода, серы, неметаллических включений;
- модифицирования неметаллических включений в виде глобулярных недеформируемых при прокатке включений или высокопластичных при глубокой вытяжке;
- повышения качества поверхности и микроструктуры заготовок;
- повышения ударной вязкости, пластических свойств, хладостойкости и снижение степени анизотропии свойств;
- снижения водородного растрескивания высокопрочных сталей, повышения коррозионной стойкости и обрабатываемости стали.
Дальнейшего повышения чистоты металла непосредственно в процессе непрерывной разливки можно достичь применением методов вакуумной его обработки в промежуточном ковше.
В течение последних лет накоплен большой опыт по использованию внешних динамических воздействий на затвердевающие слитки и непрерывнолитые заготовки. Нами предпринята попытка классифицировать эти воздействия и в работе представлены результаты этой попытки.
Рассмотрены следующие методы воздействия на затвердевающую сталь:
Электромагнитное перемешивание

Наиболее важным результатом такого воздействия на жидкий металл является создание движения жидкой фазы и управление им в процессе разливки стали; управление скоростью движения струн из погружного стакана и распределение сил действующих на неметаллические и газовые включения в стали. Всё это создает условия для предотвращения появления поверхностных дефектов на готовом прокате.
Виброимпульсная обработка расплава

Вибрационная обработка способствует измельчению литой структуры металла, изменяет форму и глубину проникновения усадочной раковины, что повышает физическую и химическую однородность металла и, в конечном счете, улучшает показатели механических свойств металла (твердость, пределы текучести и прочности). В общем случае, виброимпульсное воздействие может прикладываться к кристаллизатору или непосредственно вводиться в расплав с помощью специальных приспособлений. Этот метод к настоящему времени получил наибольшее распространение при разливке стали.
Обработка расплава погружаемым колеблющимся стержнем

Этот метод интенсифицирует процессы зародышеобразования в жидкой ванне и существенно изменяет тепло- и массообмен в зоне его функционирования. На практике для реализации этого метода используют водоохлаждаемые холодильники, которые погружают в кристаллизатор. Процесс зародышеобразования носит лавинообразный характер и мелкодисперсные кристаллы достаточно быстро заполняют всё пространство, окружающее вибрирующий стержень. Метод обеспечивает мелкозернистую структуру слитка в равноосной зоне при уменьшении зоны столбчатых кристаллов,
Электрогидроимпульсная обработка

Метод заключается в наложении короткоимпульсных воздействий большой мощности на затвердевающую непрерывнолитую заготовку или слиток. Он характеризуется высокими энергетическими параметрами (до 150 кДж в импульсе), что позволяет применять этот метод для больших масс металла. Широкий спектр частот колебаний в ходе прохождения каждого импульса обусловливает появление различного рода резонансных эффектов и развитие кавитационных процессов в расплаве.
Метод пульсационного перемешивания (газоимпульсное воздействие)

Метод реализуется путем вытеснения порций металла из погружаемой в расплав огнеупорной трубы. В противоположность вибрационному воздействию, пульсационное перемешивание обеспечивает формирование области вихревой турбулентности в зоне распространения вытесняемой из погружаемой трубы струи и направленных восходящих конвективных потоков по периферии (обычно вдоль фронта кристаллизации). При этом зона металла у поверхности расплава остается практически не вовлекаемой в перемешивание, В ходе такой обработки удается достичь перемешивания всей жидкой ванны с формированием направленных принудительных потоков, способствующих выносу примесей и включений в верхние слои металла. Таким способом обрабатывают большие массы металла в сталеплавильном ковше при процессе затвердевания крупных слитков и при производстве непрерывнолитых слябов.
Метод «мягкого» обжатия не полностью затвердевшего слитка

Метод разработан в 1966 г, австрийской фирмой «Белер». В соответствии с этим методом, обжатие непрерывнолитого слитка производят в тот момент, когда в жидкой фазе прекращается движение металла и начинает развиваться процесс сегрегации, В результате обжатия сегрегаты выдавливаются в верхнюю часть жидкой сердцевины. При такой технологии разливки требования для обеспечения получения качественных заготовок очень жесткие: необходимо для каждой марки стали строго выдерживать постоянными скорость разливки, температуру поверхности слитка и степень деформации при дальнейшей прокатке, Первая МНЛЗ с обжатием непрерывнолитого слитка была введена в промышленную эксплуатацию фирмой «Бёдер» в 1967 г. Авторы технологии считали, что она почти полностью устранит осевую пористость и ликвацию непрерывнолитого слитка.
Уже тогда высказывались опасения, что обжатие металла с жидкой сердцевиной вызовет образование внутренних трещин. Однако исследования, проведенные в США, показали, что при относительном обжатии металла с жидкой сердцевиной на величину 15-20% трещин не наблюдалось.
На первом этапе обжатие металла с неполностью затвердевшей сердцевиной применяли только для устранения осевой рыхлости и ликвации.
Выполненный нами анализ литературы показал, что эта технология может быть использована в трех различных вариантах.
1) Нагрев и прокатка слитков, отлитых в изложницы, на блюмингах и слябингах. О такой технологии, в частности, сообщается в работах. В обеих работах используется внутреннее тепло неполностью застывшего слитка. В первой работе температуру в нагревательном колодце поддерживали в диапазоне 1260-1280°С, во второй температура в колодце составляла 1200-13 00°С. Ho если в первом случае газ в ячейки колодцев подается, то во втором - нет и нагрев поверхности слитков составляет 1250-1280, а сердцевины 1320-1250°С, В первом случае температура составляет соответственно 1300 и 1360-13 80°С.
Основной эффект от технологии, освоенной на слябингах ОАО «Мариупольский металлургический комбинат им. Ильича» и ОАО «ИСПАТ-Кармет», получили за счет снижения расхода топлива, уменьшения угара металла, повышения выхода годного, повышения производительности нагревательных колодцев. В отношении качества в статьях сообщено следующее: применение технологии нагрева слитков с жидкой сердцевиной способствует увеличению доли металла первого сорта на 1% и улучшает поверхность проката. То есть, влияние этой технологии на качество готовой продукции минимальное.
Ни в упомянутых двух работах, ни в других конкретно не указано, что производится прокатка слитков с жидкой сердцевиной. По нашему мнению, это и нецелесообразно, поскольку при больших обжатиях, которые имеют место на крупных обжимных станах, высока вероятность прорыва жидкого металла через головную часть слитка.
Имеется и еще одна опасность прокатки слитков с жидкой сердцевиной - появление дефекта «вздутия» слябов. На эту опасность указали авторы работы. Исследование возможного процесса образования дефекта «вздутие» проведено в Японии на моделях слитков массой 20 т. На основе этих исследований разработана математическая модель температурного поля слитка и установлена необходимая степень кристаллизации слитка (не менее 94%), исключающая появление на слябах дефекта «вздутие» слябов.
На основе полученных результатов технология прокатки слитков с жидкой сердцевиной в 1978 г. внедрена фирмой «Сумитомо киндзоку» в Касиме. Отливку слитков производили в изложницы, резко сокращали время между раздеванием слитков в стрипперном отделении и посадкой их в колодцы. Слитки выдерживали в нагревательных колодцах в течение 5 часов. За это время температура поверхности слитков поднималась с 750 до 1300°С. Расход топлива в колодцах за счет этого уменьшен до 230 МДж/т (на 40% по сравнению с существующим). Аналогичная технология была реализована на обжимном стане фирмы «Ниппон кокан» (Япония), в США на слябинге металлургического завода фирмы «Армко».
Опыт указанных предприятий показывает, что технология прокатки слитков с жидкой сердцевиной принципиально возможна и эффективна, но требует жесткой регламентации сквозной технологии, начиная от разливки слитков до непосредственно прокатки.
Поскольку слитковый передел в настоящее время сохранился лишь в нескольких странах (Украина, Россия, Индия) и имеет четкую тенденцию к полному исчезновению в ближайшее время, то задача прокатки слитков с жидкой сердцевиной стала неактуальной.
2) Деформация непрерывнолитого слитка, предназначенного для изготовления сляба, непосредственно в МНЛЗ. Появление этой технологии обусловлено уже двумя причинами. Во-первых, необходимостью повышения качества слябов (в осевой зоне) и во-вторых, редуцированием слябов, главным образом, в тонкослябовых ЛПМ. То есть, непосредственно в МНЛЗ предлагается использовать совмещение процессов разливки стали и обжатия её с применением каких-либо процессов обработки металлов давлением (ОМД).
Поскольку описываемый процесс реализован в промышленности недавно, то некоторые элементы теории и технологии его изучены не полностью. Вместе с тем, достаточно однозначным и бесспорным можно считать вывод о том, что вследствие деформации внутренних слоев непрерывнолитой заготовки при наличии жидкой фазы происходит разрушение осей дендритов у фронта затвердевания металла, повышается число центров затвердевания в жидко-твердой фазе, улучшаются условия питания заготовки жидким металлом, подавляется процесс формирования осевой ликвации и пористости непрерывнолитого слитка. Реализация технологии мягкого обжатия непрерывнолитой заготовки заключается в определении:
- места приложения силы обжатия (определяется соотношением между количеством жидкой и твердой фаз в момент обжатия);
- метода выполнения обжатия (в один или несколько этапов);
- способа приложения силы деформации к поверхности заготовки.
Первоначально метод мягкого обжатия реализовали деформацией заготовки с помощью роликов, расположенных в зоне её выравнивания, что довольно просто сделать в существующих МНЛЗ. Однако, как показали исследования, существует несколько серьезных препятствий для эффективной работы такого способа;
- обжатие заготовки должно происходить в строго фиксированных точках, что требует точного контроля температуры разливки и режимов охлаждения. В противном случае смещается положение точки окончания зоны жидкой фазы и эффект деформационной обработки нивелируется. Точное определение места приложения деформации необходимо еще и потому, что при большой доле жидкой фазы эффект мягкого обжатия снижается из-за перетекания металла из зоны обжатия, и деформации металла не происходит;
- требуются значительно большие силы, прилагаемые к роликам, чем при обычном процессе разливки металла, что требует изменения конструкции как самих роликов, так и их привода;
- обжатие заготовки с помощью нескольких пар роликов при определенных условиях может вызвать выпучивание заготовки между роликами, что инициирует перетекание жидкости в этой зоне. Такая деформация заготовки стимулирует развитие осевой ликвации и появление дополнительных ликвационных полос.
В связи с этим, в зависимости от того, какая заготовка (блюм или сляб, большого или малого сечения) подвергается обжатию, выбирается способ обжатия. конструкция исполнительного механизма и параметры самого обжатия.
Для толстых слябов фирма «Ниппон Стил Корпорейшн» разработала устройство (рис. 2 а), позволяющее обжимать отливаемый сляб непосредственно в МНЛЗ. Обжатие производится плитами, на которые от гидроцилиндров с помощью эксцентриков передается сила Р. Технологические преимущества такой схемы заключаются в возможности управления процессом обжатия заготовки, то есть, контроля за положением плит в зависимости от границы окончания жидкой лунки (рис. 2 б). Каждая плита, контактируя со слябом и осуществляя его обжатие, имеет возможность перемещаться вдоль его поверхности.
Совмещенные процессы на участках производства чугуна и стали

Максимальный эффект подавления осевой ликвации достигается при минимальном колебании параметров разливки и минимальном выпучивании заготовки в зоне обжатия. Это достигается благодаря постоянному контролю за соприкосновением поверхностей плит и сляба как в поперечном, так и в продольном направлениях. Промышленные испытания работы описанной установки показали её высокую эффективность по снижению осевой ликвации непрерывнолитого слитка.
В технической литературе имеются предложения использовать прокатные клети, установленные уже на горизонтальном выходном участке МНЛЗ, для мягкого обжатия сляба. Так, с 1968 г. в кислородно-конвертерном цехе фирмы «ФЕСТ» (г. Линц, Австрия) начала работать радиальная МНЛЗ с прямым кристаллизатором сечением 1000/1650x170/225 мм. Тянущую клеть используют для обжатия сляба по толщине вплоть до 40 мм.
На целесообразность применения клети дуо, установленной на горизонтальном участке МНЛЗ, указано в работе.
В последние годы сообщений о постоянном промышленном применении «мягкого» обжатия в МНЛЗ предназначенных для отливки толстых слябов немного.
Идея обжимать слиток по толщине ниже кристаллизатора при наличии жидкой сердцевины появилась в 1986 г. при проведении опытных плавок фирмой «Шлеманн-Зимаг» на пилотной МНЛЗ для отливки тонких слябов. В связи с этим была разработана концепция агрегата с технологией LCR (Liquid Core Reduction). Основной целью такой технологии было не улучшение качества непрерывнолитых заготовок, а возможность при постоянной толщине отливаемой в кристаллизаторе заготовки получать из МНЛЗ слябы разной толщины (естественно, меньше исходной). К тому же, такал технология облегчала приспособляемость сталеразливочного стакана к изменению производительности МНЛЗ.
Первой фирмой, предложившей редуцировать тонкие слябы с незастывшей сердцевиной (толщиной 60-70 мм) непосредственно в тонкослябовой МНЛЗ и доведшей технологию до промышленного внедрения, стала фирма «Маннесманн Демаг Хюттентехник» (МДХ). Этапы работ по созданию, совершенствованию как конструкции тонкослябовой МНЛЗ, так и технологии разливки, представлены в работах.
Особенностью новой МНЛЗ являются несколько основных элементов:
Кристаллизатор состоит из верхней вертикальной части (для обеспечения места для установки погружного разливочного стакана и получения параллельности широких сторон слитка) и нижней изогнутой части. По длине эти части примерно одинаковые (рис. 3).
Совмещенные процессы на участках производства чугуна и стали

Была также усовершенствована конструкция погружного стакана и подобраны новые материалы для его изготовления.
Большое внимание было уделено конструкции роликовых секций МНЛЗ, Она разделена на три сегмента (см, рис. 3), к последнему из которых примыкают правильная машина и тянущая клеть (на рис. 3 тянущая клеть не показана). Нулевой сегмент расположен непосредственно под кристаллизатором. Он представляет собой раму (клеть) с размещенными в ней роликами. Максимальная конусность секции 10 мм (разница верхнего и нижнего выходного сечения слитка).
В сегментах I и II верхние ролики предварительно напрягаются набором пружин. Возможная конусность каждого из секторов I и II находится в пределах 0-5 мм. Величина конусности в каждом из трех секторов изменяется с помощью гидроцилиндров. Верхние ролики правильной машины прижимаются к уже закристаллизовавшейся заготовке гидроцилиндрами и в каждой паре роликов её толщина уменьшается. Тянущая клеть имеет приводные нижние ролики и прижимаемые к слябу с помощью гидроцилиндров верхние ролики,
В нулевом сегменте и тянущей клети производится измерение скорости движения заготовки, что позволяет контролировать режим обжатий заготовки по всем сегментам и правильной машине.
Весь процесс деформации разделен на два этапа.
На первом этапе сердцевина заготовки находится еще в жидком состоянии. Обжатие осуществляется небольшими шагами от одной пары роликов к другой в области между выходом из кристаллизатора и вершиной мениска. Это обеспечивает контролируемую минимальную деформацию заготовки. Общая деформация заготовки с жидкой сердцевиной составляла при проведении исследований максимум 20%, но может быть увеличена до 70%. Однако это приводит к снижению производительности МНЛЗ. На втором этапе, непосредственно после затвердевания, начинается обжатие заготовки с уже затвердевшей сердцевиной. Небольшие сопротивления деформации только что затвердевшего тонкого сляба позволяют достичь обжатия по толщине до 60%, причем с помощью всего нескольких пар роликов диаметром 310 мм, которые одновременно способствуют соответствующему увеличению скорости выхода заготовки до 25 м/мин.
При выполнении исследований сечения металла в кристаллизаторе были 1200x70; 1200x60 и 1900x60 мм. Конечные сечения на выходе из МНЛЗ-1200x70/22 и 1900х60/40 мм. Максимальная скорость разливки 4,5 м/мин. Полученные слябы толщиной 70 мм прокатывали на ТЛC в лист толщиной 16 мм. Проведенные испытания показали, что структура и механические свойства металла листа удовлетворяют требованиям нормативной документации. В работе высказано предположение, что толстый лист можно получать непосредственно на МНЛЗ, а тонкие слябы целесообразно использовать для прокатки их в стане Стеккеля или в непрерывной группе чистовых клетей, получая при этом тонкие полосы.
На первом этапе развития тонкослябовых модулей считалось, что деформация отливаемой заготовки с неполностью застывшей сердцевиной является недостатком, так как возможны прорывы металла и появление трещин. Такая опасность действительно есть, но все зависит от правильного определения параметров как разливки, так и деформации. В целом же, такая технология действительно решает и задачу улучшения качества непрерывнолитых слябов, и задачу редуцирования их толщины.
Автор книги берет на себя смелость высказать предположение, что именно опыт фирмы МДХ дал толчок началу активных работ по изучению и реализации технологии совмещения процессов разливки и деформации слитков с неполностью застывшей сердцевиной.
Так, фирмой «Шлеманн-Зимаг» при сооружении второго ЛПМ на заводе фирмы «Ньюкор» в Хикмене (США) была в 1995 г. установлена секция во втором ручье МНЛЗ с возможностью перемещения роликов для обжатия заготовки с неполностью застывшей сердцевиной. После получения положительных результатов все секции в зоне вторичного охлаждения были заменены на секции, имевшие возможность изменять толщину заготовки. После этого фирма SMS создавала ЛПМ как с возможностью обжимать сляб с неполностью застывшей сердцевиной, так и без такой возможности. В работе отмечено, что применение такой технологии позволяет редуцировать слябы по толщине и улучшать их качество.
Фирма «Сумитомо метал индастриз» (Япония) спроектировала и ввела в действие совмещенный агрегат, на котором был исследован процесс мягкого обжатия непрерывнолитого сляба с незатвердевшей сердцевиной, схема которого показана на рис.4, а на рис. 5 приведена схема редуцирующих сегментов.
Совмещенные процессы на участках производства чугуна и стали

Если сравнить схему рис. 3 с рис. 4 и 5, то сразу видно, что японские исследователи полностью приняли схему фирмы МДХ. Сегменты 1-3 - это сегменты 0, I и II, сегмент 4 - правильная машина, а за ней следует тянущая клеть.
Агрегат, показанный на рис.4, предусмотрен для отливки сляба толщиной 100 мм при скорости разливки 3,5-5 м/мин. Длина установки 12,8 м, радиус технологической линии 3,5 м.
Для расчета деформации сляба с незатвердевшей сердцевиной и определения возникающих в слябе напряжений использовали разработанные математические модели, в которых учтены и возможные доли жидкой и твердой фаз металла.
На основе полученных результатов авторы работы пришли к выводу, что большие деформации следует задавать на начальных участках деформирования. Это и показано на рис. 6.
Совмещенные процессы на участках производства чугуна и стали

После окончания отливки сляба было установлено, что при принятых режимах внутренние трещины на слябах отсутствуют, осевая ликвация существенно уменьшилась, механические свойства тонких листов, полученных из слябов, отлитых по указанным режимам, не уступают прокату традиционного производства.
Следующей фирмой, приступившей к разработке тонкослябовых МНЛЗ, сочетающих в себе совмещение процессов разливки и деформации заготовки с неполностью затвердевшей сердцевиной, стала фирма «Даниэли» (Италия). При этом разработчики поставили перед собой задачу создать МНЛЗ, которая позволила бы обеспечить:
- высокое качество поверхности и структуры металла слябов;
- широкий марочный сортамент стали и диапазон скорости разливки;
- оптимальные условия эксплуатации.
Для отработки технологии и конструкции создана МНЛЗ, которую установили на заводе фирмы «Даниэли», На ней и были выполнены обширнейшие экспериментальные исследования.
Совмещенные процессы на участках производства чугуна и стали

В результате многолетних исследований МНЛЗ поставленные задачи были решены за счет:
- усовершенствованного способа подвода жидкой стали от промежуточного ковша к кристаллизатору;
- новой конструкции кристаллизатора;
- «мягкого» обжатия;
- защиты от прорывов жидкого металла;
- регулирования уровня жидкого металла в кристаллизаторе;
- оптимизации режима качания кристаллизатора;
- регулируемого охлаждения сляба воздушным туманом.
Погружной стакан выполнен в виде единой детали, что позволило предотвратить подсос воздуха и исключить турбулентность потока стали в кристаллизаторе и окисление металла. Применен вертикальный кристаллизатор, обозначенный H2 или HSHQ (High Speed High Quality Mould - высокая скорость литья и высокое качество металла). На рис. 7 дана схема кристаллизатора с погружным стаканом и формирующими роликами.
Совмещенные процессы на участках производства чугуна и стали

Кристаллизатор формирует выпуклый с обеих сторон слиток, который далее в формирующих роликах постепенно приобретает прямоугольное поперечное сечение. Это первый участок, где происходит совмещение процессов разливки и обработки давлением, поскольку в каждой следующей паре происходит изменение толщины центрального участка слитка. Причем, при прохождении слитком этого участка, его затвердевшая корочка невелика, поэтому обжатие центрального участка слитка должно быть в каждой паре роликов небольшим.
Достоинства кристаллизатора такой формы заключаются в следующем:
- меньше возможность появления трещин на поверхности сляба (обусловлено профилем заливочного канала);
- большая площадь зеркала металла, что повышает эффективность действия применяемых при разливке смесей;
- большой объем металла в кристаллизаторе, что предотвращает турбулентность металла;
- предотвращение образования «мостиков» между погружным стаканом и стенками кристаллизатора;
- оптимальное распределение струи металла, что обеспечивает равномерные температурные условия затвердевающего металла;
- создается возможность разливки любых марок углеродистых сталей (0,61>С>0,06%), а также низко- и высоколегированных, нержавеющих и кремнистых.
Кристаллизатор оснащен термопарами. Предусмотрена система управления уровнем жидкого металла. Регулирование происходит за счет изменения положения штанги стопорного затвора промежуточного ковша. Возможна перестройка ширины сляба в процессе разливки путем перемещения узких граней кристаллизатора. Смазка кристаллизатора обеспечивается сталеразливочной смесью, химический состав которой, вязкость и плавильные свойства были приняты в результате предварительно проведенных исследований, с учетом марок разливаемой стали.
Мягкое обжатие осуществляется с помощью механизмов перемещения роликов и системы динамического определения положения жидкой сердцевины слитка. Мягкое обжатие должно производиться обязательно в верхней зоне, а далее, в зависимости от марки стали и величины необходимого обжатия, вплоть до использования всех сегментов средней части МНЛЗ. Толщина сляба, выходящего из МНЛЗ после применения мягкого обжатия, составляет 70-35 мм.
На выходе из МНЛЗ смонтирована индукционная установка для подогрева и выравнивания температуры литого слитка, а за ней - гидросбив окалины и четырехвалковая прокатная клеть, позволяющая выполнять одноразовое обжатие сляба. Диаметр рабочих валков 698-648 мм, опорных 1234-1219 мм. Скорость прокатки соответствует скорости выхода сляба из МНЛЗ. Порезку сляба при необходимости производят либо на барабанных ножницах, либо на установке газовой резки. Исследование качества поверхности и микроструктуры металла показало, что слябы не имеют поверхностных и внутренних дефектов; осевая пористость слитка, подвергнутого мягкому обжатию, значительно меньше, чем при традиционной разливке металла.
Режимы мягкого обжатия, определение температурных условий разливки, определение положения незатвердевшей зоны базируются на разработанных сотрудниками фирмы «Даниэли» математических моделях.
На территории стран СНГ наиболее глубоко проработали теоретические вопросы совмещения процессов «разливка-деформация металла с жидкой сердцевиной» ученые Липецкого государственного технического университета.
Авторы работы основывались на том, что улучшение качества непрерывнолитых слябов при мягком обжатии в МНЛЗ происходит только при правильно выбранном месте обжатия слитка. При слишком большой по отношению к застывшей корочке металла толщине жидкой сердцевины при обжатии сляба в роликах возможно выдавливание металла вдоль линии разливки, вызывая выпучивание твердой фазы и создавая возможность прорыва металла. Если толщина жидкой фазы при деформации слишком мала, то затрудняется сама возможность обжатия слитка роликами в МНЛЗ.
Следует отметить, что последнее верно лишь в случаях, когда обжатие слитка с неполностью затвердевшей сердцевиной производят в традиционных МНЛЗ, не приспособленных для такой технологии. В описанных нами МНЛЗ фирм МДХ, «Сумитомо метал индастриз» и «Даниэли» деформацию слитка в правильной машине производят уже при полностью затвердевшем слитке.
Для изучения формирования твердой фазы металла при разливке на МНЛЗ авторы работы разработали математическую модель для определения теплового состояния металла как по сечению, так и по длине слитка. По результатам моделирования получена зависимость для расчета толщины твердой фазы тонких (30-70 мм) слябов на участке (0-0,86) lм (протяженность жидкой фазы, м), следующего вида:
Совмещенные процессы на участках производства чугуна и стали

где ks - коэффициент, зависящий от марки стали; H0 - толщина разливаемых слябов, мм; l - расстояние от начала охлаждения, м; V - скорость разливки, м/мин.
Величины коэффициента ks авторы работы предлагают принимать следующими: для стали Ст2сп - 2,45; стали 08Ю - 2,6; электротехнической изотропной стали марки 0401 - 2,52 (мм/мин).
Разработана также математическая модель упругопластического деформирования непрерывнолитого слитка с жидкой сердцевиной, в которой этот процесс представлен как течение вязкого несжимаемого слоя между двумя упругопластическими поверхностями, перемещающимися с некоторой скоростью. При этом для произвольно выбранной точки в кристаллизующемся слитке учтено непрерывное изменение температуры, давления (напряжений), скорости ее перемещения и расстояния до границы перехода из жидкого состояния в твердое.
Разработанная математическая модель применена для численного исследования напряженно-деформированного состояния непрерывнолитого слитка толщиной 50-70 мм в деформирующей роликовой секции МНЛЗ. Построены и представлены в работе. Кривые зависимости силы пластической деформации от степени деформации, скорости разливки и диаметра деформирующих роликов, а также предельно допустимой степени деформации, превышение которой может привести к образованию трещин в застывающей корочке сляба.
Подводя итог, следует отметить, что к настоящему времени в мировой практике совмещенный процесс разливки-обработки давлением слябов с неполностью затвердевшей сердцевиной достаточно хорошо освоен и изучен. Созданы МНЛЗ, позволяющие его реализовать.
Работы по совершенствованию МНЛЗ для разливки стали велись ВНИИМЕТМАШем совместно с ЦНИИЧерметом. В середине 80-х годов во ВНИИМЕТМАШе была начата разработка технологии и конструкции оборудования ЛПМ с тонкослябовой МНЛЗ. В МНЛЗ предусматривался кристаллизатор, имевший приемную заливочную воронку и формообразующую прямоугольную выпускную зону. Разница между ним и кристаллизатором фирмы SMS заключалась в том, что фирма SMS использует кристаллизатор с профилем, образованным сопряжением дуг окружности, а ВНИИМЕТМАШ - синусоидой. Создана опытно-промышленная МНЛЗ для отливки слябов сечением 50x1350 мм.
Отдельные проекты по созданию листовых и сортовых ЛПМ были выполнены во ВНИИМЕТМАШе и «Стальпроектом», В частности, проект по созданию ЛПМ для производства плоской и сортовой продукции из цветных металлов. Разработанный во BHИИMETMAШe ЛПМ с кристаллизатором валкового типа для производства алюминиевой полосы толщиной 3-8 мм и шириной 1000-1600 мм успешно работает на Михайловском заводе цветных металлов (Россия) и в г. Нахтерштедте (Германия).
3) Динамическое воздействие на внутренние объемы непрерывнолитого блюма. Этот метод имеет определенные особенности, связанные, прежде всего, с геометрической формой заготовки. Во-первых, твердый каркас затвердевающего блюма имеет значительно большую жесткость, чем сляб, что существенно увеличивает требуемую силу обжатия, а это, в свою очередь, повышает вероятность образования внутренних трещин по границам дендритов. Во-вторых, приложение обжатия по двум граням обязательно вызовет изгиб (выпучивание) двух других граней, что может изменить условия движения металла в жидкой сердцевине и снизить до минимума эффект подавления осевой ликвации. Рассмотренные отличия предопределяют применение специальных технологических приемов.
Например, экспериментальные исследования на заводе «Сандвик Стил» (Швеция) выполнены для нержавеющей хромоникелемолибденов ой стали (с ультранизким содержанием углерода), разливаемой на блюмы сечением 265x265 мм или 265x365 мм на криволинейной МНЛЗ. Скорость движения заготовки изменялась от 0,81 до 0,89 м/мин., общая величина обжатия 4-7,1 мм. Обжатие осуществляли тремя парами роликов, расположенных на расстоянии 17,7; 19,8 и 22 м от мениска. В ходе эксперимента установлены оптимальные значения величины обжатия и скорости вытяжки, обеспечивающие максимальное снижение осевой пористости (в 1,5-3 раза по разным шкалам). По существу, эти результаты подтвердили, что определяющим моментом, с точки зрения эффективности метода динамического мягкого обжатия на подавление осевой пористости, является взаимное положение границы жидкой лунки и места приложения обжатия.
На заводе «Чита плант» (Япония) проведено комплексное исследование по изучению влияния динамического мягкого обжатия круглых заготовок диаметром 350 мм из подшипниковой стали. Работы выполняли на вертикальной МНЛЗ при скорости разливки 0,4-0,65 м/мин., обжатие осуществляли специальными роликами, В ходе исследований оценивали углеродную ликвацию, угол раскрытия V-образной ликвации, макроструктуру, наличие внутренних трещин в литом металла и прокатанной сортовой заготовке. В результате установлено, что мягкое обжатие круглой заготовки практически полностью подавляет осевую углеродную ликвацию: содержание углерода в центре заготовки увеличивается на 0,05-0,07%, а в заготовке без мягкого обжатия оно составляет 0,25-0,35%. По мнению авторов, высоких положительных результатов можно достичь, если обеспечить долю твердой фазы в зоне начала обжатия на уровне 0,4-0,45 при величине обжатия 1,6% от диаметра, С ростом доли твердой фазы выше указанных пределов эффект подавления ликвации снижается. Уменьшение доли твердой фазы ниже 0,4 характеризуется формированием внутренних трещин. Что же касается поведения V-образной ликвации при мягком обжатии, то однозначно подтвержден факт ее некоторого подавления с увеличением угла раскрытия на 10-15°.
Положительные результаты по подавлению осевой ликвации методом мягкого обжатия получены на заводе «СОЛЛАК» (Франция) при разливке блюмов сечением 260x320 мм из углеродистой стали.
В настоящее время на нескольких металлургических заводах Японии и Германии используют модифицированную схему мягкого обжатия блюмов. Для приложения силы и контроля степени обжатия на больших гранях заготовки предусмотрены специальные трапецеидальные приливы толщиной 5-12 мм. Они затем вдавливаются в заготовку в два или три этапа. Такая схема предполагает изменение формы кристаллизатора, а также размеров приливов в зависимости от места приложения обжатия, марки стали, условий охлаждения заготовки, места положения лунки жидкой фазы и пр. Альтернативным вариантом реализации этого метода на практике является использование в зоне мягкого обжатия валков с длиной бочки меньшей, чем длина грани непрерывного слитка. Например, на заводе «Ниппон кокан» (Япония) для мягкого обжатия заготовки сечением 400x520 мм применяют валки с длиной бочки 250-300 мм, что позволяет ослабить ликвацию и исключить появление внутренних трещин.
На заводе фирмы «Ниппон стал» в Муроране (Япония) проведены промышленные эксперименты с интенсивным обжатием неполностью затвердевшего непрерывнолитого блюма с целью практически полного вытеснения ликвации из осевой зоны. Эксперименты проведены на промышленной блюмовой МНЛЗ криволинейного типа, за участком выпрямления которой была смонтирована универсальная двухвалковая клеть. Скорость разливки стали была в диапазоне 0,8-1,3 м/мин. В ходе эксперимента скорость разливки изменяли. Блюм обжимали в ящичных калибрах за два прохода. Величину обжатия в ходе эксперимента также изменяли.
Проведены эксперименты с остановкой раската в валках для выявления характера поведения (выдавливания) жидкой фазы, обогащенной лидирующими элементами. В ходе проведения экспериментов фиксировали образование внутренних трещин, сваривание затвердевших частей блюма и другие особенности процесса. Часть блюмов подвергали прокатке на заготовочном стане и далее на готовый прокат с последующим контролем структуры и механических свойств металла, а также оценивали влияние распределения ликвата в поперечном сечении на свойства стали. Установлено, что при редуцировании блюма с большими обжатиями исчезала зона равноосных кристаллов со стороны верхней поверхности заготовки. Непосредственно под столбчатыми кристаллами у верхней стороны заготовки в зоне обратной ликвации образовывалась зона, обогащенная ликвирующими элементами.
Эксперименты с остановкой раската в валках показали, что по мере выдавливания ликвата при большом обжатии блюма формируется траектория потока (канал течения жидкой среды) с преимущественным удалением сгущенной жидкой фазы непосредственно под столбчатые кристаллы со стороны верхней поверхности заготовки. Вследствие осаждения равноосных кристаллов на сторону нижней поверхности заготовки поток жидкой фазы имеет в поперечном сечении слитка сплющенную форму. Если при этом заготовка подвергается обжатию в валках с неоптимальной формой ящичных калибров, то стенки канала течения жидкой фазы не смыкаются полностью и формируется зона захвата сгущенной жидкой фазы, которая проявляется в виде зоны ликвации. Если редуцирование проводится с малыми обжатиями на участке заготовки с малой долей твердой фазы, то это приводит к образованию трещин.
Эти выводы подтверждают, что обжатие блюма с неполностью затвердевшей сердцевиной позволяет улучшить качество заготовок, но при этом должны быть выбраны оптимальные значения всех параметров процесса.
В 2003 г. фирма VAI поставила для компании «Panzhihua Iron and Steel», Pangang, Китай, шестиручьевую блюмовую МНЛЗ производительностью в 1,2 млн.т блюмов в год для существующего прокатного цеха. На МНЛЗ отливают блюмы размером 280x325 и 280x380 мм при скорости разливки 0,8-1,3 м/мин. Это первая МНЛЗ такого типа, снабженная системой мягкого обжатия DynaGap. Она полностью заменила существовавшую технологию разливки в слитки рельсовой стали, стали для сварных электродов, кордовой стали, арматурной, а также низко- и среднелегированных, а также углеродистых сталей. Оборудование по производству стали в слитках полностью демонтировано в ноябре 2003 года.
МНЛЗ функционирует на базе трехмерной температурной математической модели, которая рассчитывает в режиме он-лайн профиль твердой фазы и позволяет выполнять эффективное мягкое обжатие также и во время нестабильного периода разливки.
МНЛЗ работает с использованием следующих технологий VAI: системой управления уровня металла в кристаллизаторе; с оптимизированной конструкцией верхней части МНЛЗ (то есть с электромагнитным перемешиванием в кристаллизаторе, устройством его качания); оптимизированными профилем кристаллизатора и системой направляющих заготовок (опора по всей длине заготовки, расстояние между валками); блоком вторичного водо-воздушного охлаждения; с геометрией непрерывного разгиба VAI; с мягким обжатием DynaGap; системой качества VAI-Q. Система автоматики МНЛЗ позволяет регулировать область мягкого обжатия и его величину. При этом учитываются скорость разливки; химический состав стали; параметры охлаждающей воды в ручье; температура нагрева стали; сечение блюма. Благодаря применению мягкого обжатия сведена к минимуму центральная рыхлость, а ее остатки на заготовке и готовом прокате не ощущаются.
В работах показано, что известны опыты по обжатию слитков при затвердевании в них только 20-50% металла. Считают, что это может уменьшить длину жидкой фазы, увеличить скорость выхода слитка из МНЛЗ и повысить производительность разливки. Однако эта скорость ограничивается прочностью корки слитка под кристаллизатором и в зоне вторичного охлаждения. Отмечено, что работы по изучению процесса прокатки стальных слитков с жидкой фазой проводят во многих странах. Так, в работе указано на разработку в Германии МНЛЗ, где слиток сразу обжимается для улучшения структуры металла, в частности - для уменьшения расстояния между ветвями дендритов. Имеются данные о сопутствующем повышении в 1,5-1,6 раз величины ударной вязкости.
Наряду с этим, имеются сведения о весьма низкой пластичности сталей при температурах, близких к температуре затвердевания, что может привести к появлению трещин в процессе деформации слитка.
На основании этого автор работ делает вывод, что применение прокатки с мягким обжатием затрудняется из-за почти полного отсутствия публикаций, посвященных экспериментальному исследованию этого своеобразного процесса. Поэтому такое исследование очень актуально. В указанных работах приведены результаты исследований, выполненных на МНЛЗ, разработанной совместной украинско-швейцарской фирмой «Васинкрафт» (рис. 8).
Совмещенные процессы на участках производства чугуна и стали

Жидкую сталь в МНЛЗ предусмотрено заливать через воронку в кристаллизатор. где начинается формирование твердой фазы слитка. Кристаллизатор расположен на раме. С помощью червячного редуктора 5 с приводом от двигателя 6 можно обеспечить поворот на оси 7 рычага 8 с частью затравки 9. Центральная часть затравки выполнена в виде стержня 10. Таким образом, верхняя часть затравки выполнена составной: из стержня 10 и двух частей - 9 и 11. Деталь 11 можно с рычагом 12 перемещать, вращая этот рычаг на оси 13 двигателем 14 через червячную передачу 15. Верхние валки 16 установлены жестко и так же, как валки 17, могут обжимать слиток толщиной H в валках 16 и 17. Только нижняя пара валков 18 предназначена для перемещения затравки и только эта пара валков может работать в режиме мягкого обжатия с прижатием к затравке. Головка затравки выполнена составной и ее боковые части не перемещаются через валки клетей, а отводятся в стороны в начале движения затравки со слитком. Это обеспечивает возможность прокатки слитка во всех парах валков 16, 17, расположенных над тянущими валками 18.
Исследования выполнены с обжатием слитка сечением 200x200 мм только во второй паре валков, при наличии в центре слитка слоя жидкой фазы толщиной 30-54 мм (соответственно затвердевших слоев 85-72 мм) и температуре поверхности слитка 1110-1160°С. Величина абсолютного обжатия составляла 4-10 мм. В большинстве случаев на участках слитка, деформированных при наличии жидкой фазы, обнаружены дефекты (трещины, расслоения). Поэтому в дальнейшем слитки обжимали только после завершения кристаллизации металла. Далее опыты продолжали с обжатием полностью затвердевшего непрерывнолитого слитка в клети дуо, установленной вне МНЛЗ. Сделан вывод, что в режиме мягкого обжатия, совмещенного с непрерывным литьём, при обжатии заготовки сечением 200x200 мм реальны обжатия не более 2-5 мм.
В ДонНТУ проведен комплекс теоретических и экспериментальных работ по анализу опыта применения, разработке математических моделей и проектированию совмещенных процессов разливки и мягкого обжатия заготовок большого сечения непосредственно в МНЛЗ.
На основе анализа технической литературы, в которой освещены вопросы технологии, конструкции устройств и оптимального соотношения твердой и жидкой фазы на границе переходных участков металла в блюмовых МНЛЗ, сделан вывод, что имеющиеся рекомендации существенно отличаются друг от друга, особенно в части технологической компоновки участка мягкого обжатия слитка (число клетей, их тип и расположение и т.п.), а также абсолютных значений разовых и суммарных обжатий непрерывнолитого слитка.
Этот вывод и послужил основанием дальнейших работ.
Поскольку в литературе нами не было обнаружено работ по математическому моделированию процесса мягкого обжатия заготовок больших поперечных сечений, то одной из задач стала разработка математических моделей процессов, происходящих в МНЛЗ при использовании мягкого обжатия кристаллизующегося слитка.
Фактически любое из реализующихся в настоящее время технических или технологических новшеств, направленных на предотвращение дефектов в непрерывнолитых слитках, вписывается в концепцию одной из двух ныне действующих стратегий:
- вмешаться в процесс литья до начала затвердевания металла и предотвратить возникновение дефектов;
- уменьшить степень возникновения дефектов, появляющихся в конце кристаллизации и после затвердевания металла.
При этом для улучшения качества поверхности и гомогенизации структуры металла наиболее интенсивно развивают технологические приемы, работающие на стыке двух стратегий, а именно: электромагнитное перемешивание; контролируемое вторичное охлаждение. Первая из стратегий к совмещенным процессам отношения не имеет и нами не рассматривается.