Непрерывная разливка металлов

Бровман М.Я.

Экомет, 2007 г.

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.