Непрерывная разливка металлов

Бровман М.Я.
Экомет, 2007 г.

Ссылка доступна только зарегистрированным пользователям.
Непрерывная разливка металлов

ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ПРОЦЕССА НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ
 
Расширение объемов применения непрерывного литья металлов привело к  радикальному изменению металлургических процессов в настоящее время следует избегать литья слитков в изложницы ввиду потерь металла, энергии и снижения качества, по сравнению с непре­рывным литьем. Процесс непрерывного литья проверен для получе­ния разных профилей, начиная от лент толщиной менее миллиметра и до стальных слитков диаметром 670 мм. Слитки используют как заготовки для последующих процессов обработки давлением (чаще прокатки, реже - ковки, штамповки) и в качестве электродов для переплава. Реально достижимые величины выхода годного составля­ют 93-99% в зависимости от сечений, размеров, сортамента и уровня технологии. Основные направления развития непрерывного литья определяются необходимостью:
• повышения качества металла, сведения к минимуму последующих видов обработки, необходимых для повышения качества [236-240];
• уменьшения расхода энергии, что в настоящее время при наличии в ряде стран энергетического кризиса часто является наиболее важным при решении вопроса о строительстве новых цехов;
• экономичности изготовления оборудования МНЛЗ, уменьшения его стоимости. Один из путей решения этой задачи - уменьшение массы оборудования, количества ручьев, прокатных клетей, повы­шение производительности одного ручья;
• улучшения условий труда, а также экологических характеристик металлургических цехов.
Для повышения качества металла надо уделять внимание методам его выплавки, разливки, а в ряде случаев использовать методы воз­действия на жидкий металл в процессе его кристаллизации в слитке. Втаких случаях надо изучить возможность применения электромаг­нитного перемешивания, газоимпульсной обработки расплава, дЛя круглых слитков - их вращения, других способов. Для ряда сплавов, в частности высоколегированных сталей с пониженной теплопровод­ностью, следует рассмотреть возможности электрошлаковой разливки с подогревом мениска слитка, хотя это повышает расход энергии. Вопросы непрерывного литья должны решаться комплексно и не только в связи с предыдущей стадией технологии (выплавкой), но и с по­следующей, в частности с процессами прокатки. Во многих случаях дешевле отливать слиток сечением, наиболее близким к готовой про­дукции, но если при этом качество низкое, следует предпочесть от­ливку больших сечений с последующей их деформацией. Для ряда профилей требуется достаточно большая пластическая деформация, например, коэффициент вытяжки при прокатке не менее 5-6, уков (при ковке слитков) не менее 2,5-3,0 и т.д.
Вопросы оптимизации технологии изучены в ряде работ [1-3, 66, 89, 142, 227-238]. В настоящее время, когда запасы руд металлов быстро уменьшаются, надо особое внимание уделять вторичным ре­сурсам, использованию металлолома.
Около 75% заготовок алюминия и его сплавов по данным [236] выпускают на основе непрерывного литья. Фирмы «А1сап» и «А1соа» производят алюминий из лома использованных банок, в качестве которого в США удается собрать до 60% выпущенных банок, а в Япо­нии - до 40%. Фирма «А1соа» в США построила специальный завод в Гринборо для выпуска около 5 млрд банок в год с использованием металлолома. Металл для банок отливают с тщательным соблюдением технологии, в ряде случаев даже подвергают фильтрации.Существен­но, что производство таких изделий требует не боле 5-12% энергии, необходимой для производства первичного алюминия и его сплавов.
Не следует представлять внедрение непрерывного литья в практи­ку работы металлургических заводов как некоторое «триумфальное шествие». Напротив, пришлось столкнуться с многими трудностями и одним из них было то, что время разливки возрастало по сравнению с обычным процессом разливки в изложницы.
Прямым следствием этого явилось повышенное окисление металла. Жидкие металлы могут растворять газы, и некоторые из них, в част­ности кислород, весьма отрицательно влияют на качество металла. Скорость движения слитка при непрерывном литье ограничена, а умень­шение времени разливки за счет увеличения числа ручьев возможно, но приводит к увеличению массы оборудования и затрат. В 50-60-е годы сталь разливали обычной открытой струей.
Струя жидкого металла, падая на мениск с высокой скоростью, проникает в глубь слитка на 1,0-1,5 м, увлекая за собой неметалличе­ские, шлаковые частицы и кусочки огнеупоров, плавающие на мениске.
Кроме того, окисление струи жилкой стали и поверхности самого мениска приводит к появлению участков окисленной корки, плавающих на мениске (чему способствует наличие в стали кремния и алюминия) Окисление (и охлаждение) жидкого металла при литье открытой струей оказывается в 2,0-2,5раза выше, чем при разливке в излож­ницы (когда время разливки и контакта жидкой стали с атмосферой значительно меньше). У поверхности кристаллизатора металл охлаж­дается сильнее, что приводит к развитию таких дефектов, как заво­роты, складки, трещины, что может вызвать развитие в дальнейшемтрещин под действием термических или механических напряжений,а это сделает необходимыми работы по зачистке поверхности загото­вок и удалению дефектов.
Положительные результаты были получены при защите струи и ме­ниска жидкого металла от окисления, литье в среде инертного газа, но при этом сложнее контролировать попадание в кристаллизатор неметаллических примесей (шлаков, огнеупоров).
Подача на мениск смазок на основе парафина, рапсового масла, трансформаторного маслаи т.д. способствует улучшениюкачества металла (поскольку продукты их сгорания зашишают мениск от окис­ления), но не может избавить от плавающих на мениске корочеки неметаллических частиц.
Поэтому в тот период разливщики были вынуждены следить за мениском и вручную удалять с него металлические корочки, неметал­лические включения и т.д., «намораживая» их на стальной стержень. Такая технология не обеспечивала ни высокого качества металла, ни достаточного уровня безопасности условий работы.
В 1970-1973 гг. была разработана новая технология непрерывного литья с защитой жидкого металла от окисления и переохлаждения шла­ковыми или экзотермическими смесями. Такая технология позволила существенно повысить качество заготовок. Именно благодаря ее исполь­зованию было впервые освоено производство из слитков непрерывного литья труб рельсов, балок, высококачественного листового металла.
В СССР значительных успехов в создании новой технологии доби­лись сотрудники ЦНИИчермета им. И П Бардина, Южуралмашзавода и других предприятий. Сотрудники ЦНИИчермета и Южуралмашза­вода совместно с немецкими специалистами на трубопрокатном ком­бинате в г. Риза добились получения высококачественного сортового металла и" производства из него стальных труб.
В настоящее время именно такую технологию используют на боль­шинстве МНЛЗ [66, 260].
В СССР был создан первый металлургический комплекс для НЛМК, предусматривающий отливку всей жидкой стали, около 4 млн т только на МНЛЗ, т.е. металлургический процесс без изложниц.
Если в 1960-1965 гг. около 85% всех МНЛЗ были вертикальными, то с 1970 г. началось быстрое развитие радиальных, криволинейных установок.
Уже в 1975 г. 80% всех слябовых МНЛЗ и около 70% сортовых были агрегатами с криволинейной технологической осью.
Согласно ряду исследований стоимость тонны проката из отлитых в изложницы слитков составляет 79,5 долл. США, а из слитков МНЛЗ -57,2 долл., т.е. на 28% меньше.
В доменном производстве сокращение расхода железной руды при переходе на непрерывное литье составляет до 180 кг/т, а в сталепла­вильных цехах экономия стали - до 180-200 кг/т.
Согласно данным исследований во Франции стоимость тонны стали, отлитой на МНЛЗ, на 19,5% ниже, чем при литье в излож­ницы.
В конце XX в. доля стали, полученной непрерывным литьем, в стра­нах ЕС составила 96,4%, в Японии - 97,2%, в США - 95,6%.
Существенной является экономия не только металла, но и энергии (до 20-40% в совмещенных процессах), исключается тяжелый ручной труд по обслуживанию и ремонту парка изложниц.
К 2000 г. непрерывное литье было освоено в 93 странах мира, и с использованием этого процесса отлито 85% (около 660 млн т) мирового производства стали. Всего в мире работают 1729 МНЛЗ разных типов.
К сожалению, в Российской Федерации по этим данным доля стали, полученной непрерывным литьем, составляет около 50%, что для со­временной металлургии совершенно недостаточно.
Для слитков, полученных на МНЛЗ, характерна высокая однород­ность механических и физических свойств. Современная технология позволяет до 80-90% всех слябовых слитков направлять на прокатку без зачистки поверхности.
Иногда жидкий металл подают не через вертикальные, а через боковые, горизонтальные (или наклонные) отверстия, что предпочти­тельнее для слитков больших сечений. Технология литья под уровень с защитой мениска обеспечила:
• уменьшение окисления металла;
• уменьшение переохлаждения, подстуживания металла, особенно у мениска;
• более равномерное охлаждение слитка по длине кристаллизатора в результате уменьшения теплового потока вблизи мениска и его увеличения в нижней части кристаллизатора;
• уменьшение сил трения и - за счет этого - износа поверхности кристаллизатора.
Трудности возникают при литье слитков малого сечения когла нужен мелкосортный металл и «хочется» отливать слиток сечения максимально близкого по размерам к требуемому профилючтобы уменьшить затраты на создание прокатного оборудования
Если, например, для производства стального листа толщиной 1-2 мм и менее, требуемые механические свойства вполне можно было бы обеспечить пластической деформацией слитка толщиной 5-10 мм то вряд ли можно считать рациональной технологию с литьем слитков толщинами 200-300мм, которые приходится затем прокатывать со степенями деформации до lg300 = 2,48, иногда с повторными нагревами. Это требует создания очень мощных (и дорогих) прокатных станов, задачей которых является уменьшение толщины от 200-300 до1-2 мм.
Стремление отлить тонкие слитки (слябы) вполне понятно («чем тоньше, тем лучше»), но именно реализация подачи расплава в тонкие кристаллизаторы создает трудности, а отказ от подачи жидкого метал­ла под уровень является слишком дорогой ценой литья тонких слитков (за это неизбежно приходится расплачиваться ухудшением качества металла).
После создания процесса непрерывного литья освоение техноло­гии с защитой мениска и подачей расплава «под уровень» явилось важнейшим достижением в металлургической технологии, позволив­шим получить из металла непрерывного литья трубы, рельсы, балки и другую продукцию очень высокого качества.
Весьма актуально и важно обеспечение равномерной, механизиро­ванной подачи смесей в кристаллизатор - на мениск слитка. Колебания величины расхода, ее нестабильность приводят либо к увеличению сил трения и ухудшению качества поверхности слитка, либо к накоп­лению на мениске продуктов расплава (золы), что также ухудшает качество
Сортамент металлов и сплавов, отливаемых непрерывным литьем, следует расширять, используя МНЛЗ (и полунепрерывные машины) для литья цветных металлов, в том числе и драгоценных, совмещая МНЛЗ с современными печами. Так, тигельная печь «Heizmodul», разработан­ная фирмой «Кантал» (ФРГ) (1994) для плавки драгоценных металлов (золота, серебра), может быть совмещена с кристаллизатором для литья слитков требуемого сечения и механизмом перемещения слитков.
И. Бират отмечает, что помимо обычной технологии с литьем сля­бов толщиной 200-300 мм с последующей их прокаткой, можно выделить [89] литье:
1) тонких (20-40 мм) слябов с прямой прокаткой в непрерывном стане;
2) толстых листов (5-15 мм) с горячей прокаткой;
3) листов толщиной 2-10 мм, чтобы исключить горячую прокатку и подвергать металл только холодной прокатке;
4) заготовок для железнодорожных колес, бандажей, осей и др.;
5) готового продукта без последующей прокатки [89]. Четвертое направление очень важно. Полые заготовки, полученные
непрерывным литьем, в ряде случаев не годятся для получения колес из-за трещин и качества металла на стыке фронтов кристаллизации. Осваивается производство железнодорожных колес, бандажей и осей из круглых непрерывнолитых заготовок Волжского металлургического завода [240]. Необходимо обеспечить высокое качество слитков и до­статочно высокую степень их деформации. Лучшее качество имеет место, если осуществлялось вакуумирование жидкой стали.
Макроструктуры непрерывнолитых круглых заготовок диаметра­ми 360, 420 мм лучше, чем обычных слитков. Требуемая температура их нагрева меньше на 50 °С. Литье слябов 25-39 мм можно осуще­ствлять со скоростью около 15 м/мин, а листов 2-3 мм до 150 м/мин. Это - перспективный желательный результат (как и реализация пунк­тов 2-4 - задачи будущего). Задачи экономии энергии требуют реализа­ции совмещенных процессов: литья с прокаткой, литья с непрерывной ковкой и прокаткой, литья с разделением слитка на отдельные профи­ли и прокаткой. Тепловую энергию слитка (после затвердевания) обя­зательно надо использовать, не допуская охлаждения слитка и его последующий нагрев для прокатки. Вообще, экономика стран СНГ является исключительно энергоемкой. Например, Украина расходует в год около 90 млрд м3 газа, тогда как Франция всего около 30 млрд м при этом выпуск товарной продукции во Франции в 5 раз выше, чем на Украине (см. В. Черняк. «Анализ экономической ситуации в Украине. Голос Украины», 1995, 31 августа). Очевидно, что широкое внедрение непрерывного литья - один из наиболее эффективных путей снижения энергозатрат.