Теория и технология производства стали 1. Учебник для вузов. М. Мир, ООО Издательство act

• Название: Учебник для вузов. М. Мир, ООО Издательство act
• Анкор: Теория и технология производства стали 1.doc
• Дата: 22.04.2017
• Размер: 7.23 Mb.
• Имя файла: Теория и технология производства стали 1.doc
• Тип: Учебник; #5208
• страница: 59 из 88

Рис. 23.28. Схема горизонтальной УНРС конструкции УкрНИИмета:

1 — металлоприемник; 2 — пористая пробка для продувки металла инертным га­зом; ^—кристаллизатор; 4— индуктор
обеспечить: 1) стабильную подачу ме­талла в кристаллизатор; 2) условия для всплытия неметаллических включе­ний; 3) предотвращение вторичного окисления металла; 4) возможность прекращения подачи металла в крис­таллизатор в любой момент разливки (прекращение разливки, аварийная ситуация и т. п.). Для ГУНРС разных конструкций используют различные технологии, такие, например, как ин­дукционный подогрев металла, подача сверху инертного газа (и для предотв­ращения окисления поверхности ме­талла, и для повышения при необхо­димости ферростатического давле­ния), перемешивание металла (про­дувкой аргоном или при помощи индукторов), применение затворов шиберного или иного типа и т.п., уве­личение вместимости металлоприем­ника (до >10 т) и др.

На рис. 23.29 показана схема ме­таллоприемника ГУНРС, снабженно­го шиберным затвором, индуктором и крышкой. Одной из наиболее ответ­ственных деталей ГУНРС является так называемое разделительное кольцо, соединяющее металлоприемник с кристаллизатором. К материалу этой детали предъявляют особо высокие требования, поскольку кроме высокой точности размеров эта деталь должна обладать высокой термической стой­костью, стойкостью к разрушениям, налипанию металла и включений, низким температурным коэффициен­том линейного расширения и другими свойствами. Обычно для изготовления разделительных колец используют та­кие дорогостоящие и дефицитные ма­териалы, как порошки нитрида бора (BN), иногда нитрида кремния (81₃НО, испытывают новые материалы типа SIALON (81_хА1/Ж_г). Затраты на изготовление и эксплуатацию разде­лительных колец существенно влияют на экономичность работы ГУНРС. Бо­лее дорогостоящим, чем для обычных УНРС, является и кристаллизатор ГУНРС. Типы и конструкции крис­таллизаторов различны. На некоторых ГУНРС используют кристаллизаторы с несколькими (например, тремя) зо­нами теплоотвода. Первая зона — кольцо из нитрида бора, вторая (обра­зование корочки заготовки) — из мед но-бериллиевого сплава с высокой твердостью и износостойкостью, тре­тья—графитовая вставка. Поскольку теплопроводность графита ниже, чем меди, обеспечивается равномерное распределение температур по сечению заготовки. Графит уменьшает также силы трения между заготовкой и крис­таллизатором.


Рис. 23.29. Металло­приемник ГУНРС конструкции фирмы «ФЕСТ-Альпине»:

/ — корпус; 2 — крис­таллизатор; 3 — шибер­ный затвор; 4 — индук­тор для подогрева ме­талла
Схема образования корочки при кристаллизации в ГУНРС отличается от схемы, характерной для вертикаль­ных кристаллизаторов (рис. 23.30). Бо­лее высокое, чем в вертикальных кри­сталлизаторах, ферростатическое дав­ление обеспечивает лучший контакт с металлом горизонтального кристалли­затора. В связи с этим интенсивность отвода тепла от металла в горизон­тальном кристаллизаторе выше (при­мерно в 1,5 раза); соответственно длина горизонтальных кристаллиза­торов обычно меньше, чем вертикаль­ных (коэффициент затвердевания стали в горизонтальных кристаллиза­торах достигает 26—30 мм/мин^0,5).

Конструкции ГУНРС непрерывно совершенствуются. На рис. 23.31 по­казана схема ГУНРС, разработанная



Рис. 23.30. Распределение ферростатическо­го давления в вертикальном (а) и горизон­тальном (б) кристаллизаторах:

1 — кристаллизатор; 2— корочка слитка; 3— ферро­статическое давление

1/П

Рис. 23.31. Схема ГУНРС с двусторонним

вытягиванием заготовки конструкции

ВНИИметмаша
ВНИИметмашем. Особенностью уста­новки является то, что в ней фронт кристаллизации перемещается не в одном направлении, как у обычных установок, а в двух, причем противо­положных, направлениях. Такой спо­соб разливки исключает образование неравномерной структуры заготовки. Медный водоохлаждаемый кристалли­затор совершает возвратно-поступа­тельные движения. Скорость вытяги­вания заготовки регулируют таким об­разом, чтобы фронт кристаллизации начинался на некотором расстоянии от отверстия питателя. Общая длина кристаллизатора при отливке загото­вок сечением 150x150 мм составляет 1200—1500мм. После выхода из крис­таллизатора заготовка попадает в зону вторичного охлаждения душирующего типа. Установка получила название «Горизонт».

23.2.7. Разливка под давлением зак­лючается в подаче жидкой стали вверх в кристаллизатор для получения заго­товки. Жидкий металл проталкивают (выдавливают) в этот кристаллизатор из ковша, помещаемого в камеру вы­сокого давления, через специальный патрубок. Кристаллизаторы на таких действующих установках водоохлаж-даемые графитовые. На заводе фирмы Greusot- Loire Ind. (Франция) такие ус­тановки, работающие с 1988 г., ис­пользуются для получения слябов из специальных сталей толщиной до 400 мм. Сравнительно небольшой объем производства на данном заводе (около 100 тыс. т в год) делает нерен­табельным установку обычных УНРС.

23.2.8. Установки валкового, лен­точного или конвейерного типа. На ус­тановках данного типа кристаллизую­щийся металл движется вместе с кристаллизатором и скольжение оболочки слитка (заготовки) относительно кри­сталлизатора отсутствует. Начало ин­женерных изысканий в этом направ­лении положил еще Г. Бессемер, пред­ложивший 130 лет назад установку (рис. 23.32) непосредственного полу­чения стальной ленты (штрипса) тол­щиной 2,5 мм при разливке металла между двумя вращающимися водоох-лаждаемыми цилиндрами диаметром 1220мм каждый (так называемая бес­слитковая прокатка). Практические трудности реализации процессов та­кого типа оказались в то время труд­нопреодолимыми. Однако в последнее время процесс непрерывной разливки тонких слябов получил широкое рас­пространение: разработаны различные варианты конструкций подвода метал­ла к валкам (водоохлаждаемым цилин­драм)—рис. 23.33.



Рис. 23.32. Установка непрерывной разливки

(«бесслитковой прокатки») конструкции

Г. Бессемера



Рис. 23.33. Схема одновалковой (а) и двух­валковой (б) УНРС для получения тонкого листа



Рис. 23.34. Схема разливочной машины инженера М. Ф. Голдобина
Вариант такого рода установок— УНРС конвейерного или «гусенично­го» типа. Одной из первых установок конвейерного типа была установка ин­женера М. Ф. Голдобина (рис. 23.34), спроектированная в 1946 г. и построен­ная в 1950 г.

На установках ленточного типа металл из ковша через металлопри­емник непрерывно поступает в про­странство между бесконечной лен­той и колесом. Внутренняя поверх­ность ленты и внешний обод колеса представляют собой кристаллизатор, в котором непрерывно заливаемая сталь должна успеть закристаллизо­ваться. Установки такого типа ис­пользуют для получения профилей небольшого сечения (например, про­волоки или тонкой ленты). На рис. 23.35 показана схема установки для непосредственного получения тонких слябов толщиной от 20 до 80 мм, шириной 600 мм из углероди­стых и коррозионностойких сталей в конвертерном цехе одного из заводов Японии.

Металл получают в 250-т конверте­ре, затем из 250-т ковша переливают в 50-т ковш, из которого последователь­но заглубленной струей он попадает в большой (8 т) и малый (2 т) промежу­точные ковши, затем поступает на двухленточную УНРС (струю металла защищают от окисления аргоном). Металл затвердевает в зазоре между двумя бесконечными водоохлаждае-мыми лентами. Скорость выхода полу­чаемого листа составляет 4—6 м/мин (максимальная —15 м/мин). По име-



Рис. 23.35. УНРС ленточного типа системы Hazelett (завод Kashima, Япония):

1 — сталеразливочный ковш; 2 — промежуточный ковш; 3 — металлоприемник; 4— направляющие ролики; 5 — тянущие ролики; 6— кислородная резка; 7— зона вторичного охлаждения
ни разработчика Р. В. Хазелетта схема известна как Hazelett-схема (или Hazelett/Krupp). Установка действует с 1983 г. Первый опыт эксплуатации ус­тановок такого типа¹ показал, что для их успешной работы необходимо иметь металл стандартно высокого ка­чества, высокий уровень организации контроля и автоматизации. Результаты работы современных УНРС позволили сделать дальнейший шаг — разрабо тать технологии совмещения непре­рывной разливки и прокатки
¹ За рубежом они получили название ус­тановка TSCC(от англ, thin-slab-continuous-casting)..
23.2.9. Совмещение непрерывной разливки с прокаткой. Совмещение не­прерывной разливки с обработкой давлением обеспечивает экономию электроэнергии, необходимой для по­догрева заготовок перед прокаткой, и повышение производительности бла­годаря снижению потерь. При этом оказалось, что даже небольшая сте­пень обжатия положительно влияет на качество металла: при деформации >0,5 мм/м заметны снижение ликва­ции в центре заготовки и улучшение ее качества. При совмещении непре­рывной разливки с прокаткой дости­гаются: 1) повышение производитель­ности, экономия производственных площадей и расходов на транспорти­ровку заготовок из разливочного отде­ления в прокатный цех; 2) снижение расхода топлива и энергии вследствие исключения (или уменьшения) энер­гетических затрат на нагрев заготовки перед прокаткой; 3) улучшение каче­ства стали даже при небольшом обжа­тии непрерывного слитка.

Производительность современных прокатных станов существенно выше пропускной способности установок непрерывной разливки, поэтому глав­ной проблемой, возникающей при со­вмещении непрерывной разливки с прокаткой, является изыскание такой системы охлаждения и такой конст­рукции кристаллизатора, которые обеспечивают выход непрерывного слитка со скоростью, достаточной для нормальной загрузки современного непрерывного прокатного стана. Мак­симальная скорость непрерывной раз­ливки (и соответственно скорость скольжения корочки слитка по стен­кам медного кристаллизатора), дос­тигнутая на современных установках, составляет 4—5 м/мин, что намного ниже скорости движения заготовки в прокатном стане.

Разработка совмещенного процес­са непрерывная разливка—прокатка ведется в двух направлениях:

1. Установка системы прокатных валков непосредственно на пути дви­жения заготовок (рис. 23.36).

2. Порезка заготовок на мерные длины, пропуск горячих заготовок че-

рез дополнительное нагревательное устройство (пламенный или индукци­онный нагрев) и дальнейшее движе­ние непосредственно в прокатный стан.

Крупные комплексы такого типа действуют на ряде заводов мира; их производительность колеблется от со­тен тысяч до 2 млн. т заготовок в год. Передача непрерывнолитых заготовок на прокатный стан без промежуточно­го нагрева получила название прямая прокатка. Для обеспечения надежной работы комплекса непрерывная раз­ливка—прокатка необходимо обеспе­чить получение бездефектных загото­вок, позволяющее исключить опера­ции их охлаждения, осмотра, зачистки и нагрева перед прокаткой. Для этого требуются металл высокого качества с минимальным содержанием вредных примесей и включений, прошедший комплексную внепечную обработку, а также высокий уровень организации контроля за ходом процесса разливки и прокатки. При обжатии необходимо определенное соотношение сжимаю­щих и растягивающих напряжений для обеспечения удовлетворительного качества заготовок. При организации прокатки непрерывнолитых заготовок на таких комплексах приходится учи­тывать, что в отличие от обычных ус­ловий в данном случае температура внутренней части заготовки выше, чем наружной. Она настолько высока, что сопротивление деформации внут­ренних частей заметно ниже, чем на­ружных. Это различие особенно за­метно в случае обжатия заготовки с еще жидкой сердцевиной. С одной стороны, это позволяет уменьшить мощность обжимных клетей при уменьшении числа проходов, с дру­гой — ставит ряд таких проблем обес­печения качества проката, многие из которых находятся еще в стадии реше­ния.

Одной из них является, например, проблема компенсации снижения температуры поверхности (вследствие интенсивного ее охлаждения) угловых частей заготовки и предотвращение вследствие возникающих напряжений образования трещин, в том числе уг­ловых, продольных, поперечных и т. п. Накопленный опыт свидетель-


Рис. 23.36. Схема УНРС, совмещенной с прокаткой:

1 — подъемник сталеразливочного ковша; 2 — сталеразливочный ковш; 3 — одна из двух установок вакуумирования; 4 — промежуточный ковш на те­лежке; 5—кристаллизатор; 6— тележка для транспортирования сталераз­ливочного ковша; 7—тянущие валки; 8— правильная машина; 9—подо­гревательная печь; 10— обжимной стан; 11 — газорезка; 12— разливочная

тележка

ствует о том, что для обеспечения га­рантированного высокого качества за­готовки необходимо проведение сле­дующих мероприятий:

1. Совершенствование технологии выплавки стали и предотвращение по­падания конечного шлака в ковш при выпуске.

2. Вакуумная обработка стали.

3. Продувка металла в ковше арго­ном.

4. Защита струи металла между ста-леразливочным и промежуточным

ковшами от взаимодействия с возду­хом.

5. Увеличение глубины промежу­точного ковша для улучшения условий всплытия включений.

6. Применение погружного стака­на, обеспечивающего вымывание включений с внутренней поверхности кристаллизующейся корочки.

7. Обеспечение равномерной пода­чи флюса в кристаллизатор.

8. Продувка аргоном в стакане про­межуточного ковша.

9. Контроль, автоматика и обору­дование, обеспечивающие постоян­ный уровень (±3 мм) металла в крис­таллизаторе.

10. Обеспечение строгой соосности (в пределах <0,5 мм) кристаллизатора и верхней секции направляющих ро­ликов.

11. Высокая частота качаний крис­таллизатора.

12. Обеспечение равномерного охлаждения по ширине и длине заго­товки.

13. Применение электромагнитно­го перемешивания жидкой сердцеви­ны заготовки.

14. Пропуск отлитых заготовок (например, слябов) по рольгангу че­рез теплообменник, что обеспечива­ет стандартные условия охлаждения заготовки на пути к прокатному ста­ну (одновременно утилизируется те­ряемое тепло, которое используют для получения низкотемпературного пара).

Перечисление этих мероприятий показывает, что работа методом пря­мой прокатки возможна лишь при комплексном использовании методов внепечной обработки металла, усовер­шенствовании оборудования для не­прерывной разливки, контроле про­цесса разливки и автоматизации уп­равления всеми операциями.

Одна из технических проблем, воз­никшая при совмещении разливки и прокатки, — трение корочки кристал­лизующегося слитка о стенки кристал­лизатора.

Поиски технических решений, позволяющих устранить (или существен­но уменьшить) трение при скольже­нии корочки слитка о стенки кристал­лизатора и обеспечивающих возмож­ность повышения скорости разливки, привели к созданию так называемых литейно-прокатных комплексов. Одно из технических решений было предло­жено металлургами Японии, создав­шими колесно-ленточный агрегат, на­званный ими роторным. Агрегат (рис. 23.37) включает вращающееся ленточное колесо диаметром 3 м с вы­емкой трапецеидального сечения на ободе и прижимаемую к ободу на уча­стке около 90° бесконечную стальную ленту, которые образуют таким обра­зом кристаллизатор длиной 1,8м. Бла­годаря большей (в 2,5 раза), чем обыч­но, длине кристаллизатора и относи­тельной неподвижности заготовки и кристаллизатора производительность такой установки существенно выше производительности установок тради­ционного типа. На выходе с колеса за­готовку разгибают по плавной траек­тории при помощи водоохлаждаемого клина и ряда роликов. Затем заготовка проходит через правильное устрой­ство, зону форсуночного охлаждения, устройство для выравнивания темпе­ратуры по сечению и поступает в об­жимную клеть, формирующую из тра­пецеидальной (площадь поперечного сечения 18500мм²) квадратную (се­чением 120х 120мм) заготовку. В про­цессе обжатия скорость выхода заго­товки повышается с 4,2 до 5,5 м/мин. Экономичность работы установки обеспечивается высокой ее произво-

Рис. 23.37. Колесно-ленточная УНРС, совме­щенная с прокатным станом конструкции Hitachi (Япония):

1 — сталеразливочный ковш; 2 — промежуточный ковш; 3— литейное колесо; 4 — тянущие ролики; 5 —зона вы­равнивания температуры; 6— ножницы; 7— горизон­тальная клеть; 8— вертикальная клеть; 9— направляю­щие велики: 10— охлаждение ленты


дительностью, 100%-ной экономией затрат на энергию и огнеупоры для нагрева заготовок, повышением сквозного выхода годного до 99 %.

23.3. НЕПРЕРЫВНАЯ РАЗЛИВКА И ЛИСТОПРОКАТНОЕ ПРОИЗВОДСТВО
На первом этапе развитие методов не­прерывной разливки сделало ненуж­ным функционирование мощных об­жимных станов — блюмингов и сля­бингов. В течение же последних 10— 15 лет развитие новых методов непре­рывной разливки коренным образом изменило ситуацию в наиболее дина­мично развивающейся отрасли про­катного производства — производстве стального листа, ленты, штрипсов¹ и т. п.

Непрерывнолитой металл котиру­ется достаточно высоко по качествен­ным показателям и пользуется спро­сом у потребителей.

Поскольку непрерывное литье сля­бов превратилось в технологию, кото­рая позволяет производить любую ли­стовую продукцию с более высоким выходом годного, чем по традицион­ной схеме изложница—сляб, и с луч­шим качеством, появилась возмож­ность передавать слябы на широкопо­лосный стан горячей прокатки тран­зитом или горячим посадом. Прокатка транзитом означает, что остаточный нагрев сляба вплоть до входа в томиль­ную печь для выравнивания темпера­туры перед прокатным станом доста­точен для осуществления процесса прокатки. Горячий посад означает, что некоторое количество тепловой энер­гии должно быть подведено к слябу в печи перед широкополосным станом горячей прокатки, но зачистка и дру­гие операции не требуются.

Так, на новом металлургическом заводе фирмы POSCO (ПОСКО, Ю. Корея) около 80 % всех слябов текущего производства передают на прокатный стан транзитом или горя­чим посадом. При этом система авто­матического контроля и управления осуществляет следующие функции: контроль технологического процесса, слежение за потоком материалов, слежение за потоком энергии, авто­матический контроль качества метал­ла в реальном масштабе времени.

В целом использование сквозной технологии позволило на этом заводе значительно уменьшить трудозатраты на производство 1 т горячекатаной стали: с 12—17 чел.-ч/т в 1975 г. до 4— 6 чел.-ч/т.

На базе традиционной технологии непрерывного литья толстых слябов удалось разработать новые технологии литья тонких слябов с применением и без применения роликовых кристал­лизаторов. В будущем свое место в ме­таллургии найдут и традиционная тех­нология непрерывного литья, и техно­логия литья листовых заготовок, близ­ких по размерам к готовой продукции.
¹ От англ, strips; strip — полоса, лента (стальная полоса шириной обычно 30— 400мм и толщиной 1,50—10,0мм), использу­емая в качестве заготовки при производстве сварных труб. После прокатки на полосовых (штрипсовых) станах полосу сматывают в рулон или разрезают на полосы требуемой длины.
Разливка на тонкие слябы (толщи­ной около 50 мм) заменяет прокатку в черновой линии широкополосного стана, но не заменяет прокатки в чис­товой линии. Первая промышленная установка была введена в эксплуата­цию в 1989 г. фирмой Nucor («Нью-кор», США) (рис. 23.38).

Разливка на тонкие слябы с обжа­тием и дальнейшая прокатка загото­вок толщиной 15-20 мм в одной или двух чистовых клетях позволяют по­лучить за одну операцию пригодную для холодной прокатки полосу (рис. 23.39).

На основе принципа литья тонких слябов к настоящему времени разра­ботаны разнообразные схемы литей-но-прокатных агрегатов, которые мо­гут быть использованы в конкретных