О перспективах развития непрерывного литья металлов (статья)
Создание технологии непрерывного литья металлов и оборудования для реализации этой технологии явилось одним из наиболее крупных достижений в промышленности в XX веке и оказало существенное влияние на развитие металлургии и машиностроения.
Идея непрерывного литья, предложенная Г. Бессемером и В. Селлерсом в 40-х годах XIX века (патенты США 1840 года и Англии 1846 года), предусматривала отказ от литья отдельных порций металла в слитки (в изложницах) и реализации их дальнейшей обработки (ковки, прокатки и т.д.) только после затвердевания этой порции металла. При непрерывном литье процессы подачи жидкого металла в форму (кристаллизатор), кристаллизации и перемещения слитка происходят одновременно, иногда в течение длительного времени. При этом слиток перемещается, и только после затвердевания в процессе движения (по всему сечению) его разрезают на мерные длины. Форма затвердевшего слитка при этом определяется сечением кристаллизатора.
Идеи непрерывного литья в течение первых ста лет развивались как в отношении технологии для различных металлов и сплавов, так и в поисках надежных конструкций для реализации литья. Был создан ряд экспериментальных агрегатов, однако первые промышленные и полупромышленные установки разливки металлов (УНРМ), в частности разливки стали (УНРС), появились только в середине прошлого века. За прошедшие с тех пор 50 лет освоено литье стальных слитков круглого, квадратного, прямоугольного сечений размерами от 50X50 мм до 670 мм и слябов толщинами от 20 мм до 350—400 мм и шириной до 3 м. Отливают и слитки сложной конфигурации с сечениями в виде фасонных балок, труб, овальных слитков.
В СССР первый металлургический комплекс, предусматривающий отливку всей жидкой стали только на УНРС (т.е. металлургический процесс без изложниц), был создан на Новолипецком металлургическом комбинате (около 4 млн т стали в год).
Если в 60-х годах XX века около 85% всех УНРС были вертикальными, то с 1970 года началось быстрое развитие радиальных криволинейных установок. Уже в 1975 году 80% всех слябовых УНРС и около 70% сортовых были агрегатами с криволинейной технологической осью.
Согласно ряду исследований, стоимость тонны проката, полученной из слитков УНРС, приблизительно на 28% ниже, чем из слитков, отлитых в изложницы. В доменном производстве сокращение расхода железной руды при переходе на непрерывное литье составляет до 180 кг/т, а в сталеплавильных цехах экономия стали доходит до 200 кг/т. Согласно данным французских исследований, стоимость тонны стали, отлитой на УНРС, на 19,5% ниже, чем при литье в изложницы. В конце XX века доля стали, полученной непрерывным литьем, составила в странах ЕС 96,4%, в Японии — 97,2%, в США — 95,6%.
Существенной является не только экономия металла, но и экономия энергии (до 40% в совмещенных процессах). Важно также, что исключается тяжелый ручной труд по обслуживанию и ремонту парка изложниц.
По данным на начало 2000 года, непрерывное литье было освоено в 93 странах мира, и с использованием этого процесса отлито 85% (около 600 млн т) мирового производства стали. Всего в мире работают более 1700 УНРС различных типов. К сожалению, в РФ, по этим данным, доля стали, полученной непрерывным литьем, составляет около 50%, что для современной металлургии совершенно недостаточно.
Для слитков, полученных на УНРС, характерна высокая однородность механических и физических свойств. Современная прокатная технология позволяет 80—90% всех слябовых слитков направлять на прокатку без зачистки поверхности.
В условиях рыночной экономики и жесткой конкуренции вопрос об ускорении внедрения новых технологических процессов часто является решающим для выживания металлургических заводов. Сегодняшнее отставание металлургии РФ в области непрерывного литья тем более обидно, что первые промышленные УНРМ были созданы в СССР. Советская металлургия в течение многих лет занимала передовые позиции в области непрерывного литья. Говоря о достижениях в этой отрасли, нельзя не упомянуть о людях, их обеспечивших: это B.C. Рутес, В.В. Фульмахт, М.С. Бойченко, В.А. Ефимов, Д.П. Евтеев, И.Я. Гранат, В.А. Ливанов, В.И. Добаткин, А.А. Акименко, В.Т. Сладко-штеев, О.А. Шатагин, Л.С. Рудой, А.И. Цаплин, Р.Я. Якобш, Ш.Д. Рамиш-вили, ГЛ. Химич, В.М. Нисковских и многие другие ученые и инженеры. За рубежом значительных успехов добились 3. Юнганс, В. Рот, И. Рос-си, Б. Тарманн, И. Сэвидж, И. Бримакомб, К. Вюнненберг, В. Хазелет.
СОВРЕМЕННЫЕ ТИПЫ УСТАНОВОК НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКИ МЕТАЛЛОВ
Основная классификация УНРМ обычно производится по форме технологической оси. Имеются всего три вида линий постоянной кривизны: две плоские (прямая и окружность) и одна пространственная (винтовая линия). Только вдоль таких линий можно осуществлять движение слитка без его изгиба, что является серьезным преимуществом УНРМ с такой конфигурацией технологической оси.
Прямые технологические оси применяют на вертикальных, наклонных и горизонтальных установках, причем слиток остается прямым до окончания затвердевания и порезки его на мерные длины. Такие УНРМ наиболее просты в настройке и эксплуатации, но капитальные затраты на строительство вертикальных УНРМ значительны и возрастают с увеличением скоростей литья. Горизонтальные УНРМ успешно применяют в цветной металлургии и для литья чугуна, в частности с использованием графитовых кристаллизаторов. Известен ряд конструкций наклонных УНРМ, в которых прямолинейный кристаллизатор и слиток расположены под углами 15—30° к горизонтальной плоскости.
Основные преимущества и недостатки различных типов УНРМ представлены в таблице.
На многих предприятиях работают вертикальные УНРМ с изгибом слитка и выводом его в горизонтальную плоскость (рис. 1). Слиток формируют в кристаллизаторе 1, затем толщина его корки увеличивается в процессе перемещения слитка по системе роликового вторичного охлаждения 2.
Известно два типа криволинейных УНРМ. В первом из них (рис. 1а) изгиб начинают с радиусом R только после полного завершения кристаллизации слитка, когда длина жидкой фазы равна / и при этом меньше расстояния от мениска до начала изгиба. Тянуще-правильные ролики 4 выдают слиток на рольганг, где его разрезают машиной газовой резки (или ножницами) 5 на мерные длины. В роликовой зоне вторичного охлаждения поверхность слитков стали охлаждают водой или водовоздушными смесями. Установлено, что оптимальным режимом является интенсивное охлаждение сразу на выходе из кристаллизатора с последующим уменьшением интенсивности охлаждения. Для некоторых цветных металлов (и крупных стальных слитков) в нижней части зоны вторичного охлаждения воду на слиток не подают, ограничиваясь охлаждением в воздушной среде (т.н. сухое, или экранное охлаждение). Во втором варианте, показанном на рис. 16, изгиб слитка 3 начинают еще до окончания его затвердевания и выводят слиток с жидкой фазой на горизонталь, а затем, после завершения кристаллизации, разрезают на мерные длины. В таких установках сохраняется важное преимущество — использование прямолинейного вертикального кристаллизатора.
В последние годы расширяется использование УНРМ с вертикальным кристаллизатором для литья тонких слябов. К 2000 году было построено 32 УНРМ такого типа в США, Китае, Германии, Таиланде и многих других странах. Имеются установки для литья слябов средней толщины (90—120 мм), иногда (как в УНРМ фирмы Sumitomo) с обжатием до 65—70 мм.
Объединение SMS разработало установку CSP для отливки тонких слябов в кристаллизаторе переменного сечения (с увеличением толщины в центре ширины сляба) и со специальными плоскими погружными стаканами. Слябы толщинами 40—90 мм предусмотрено подвергать обжатию до толщин 15—30 мм.
Использование кристаллизатора переменного сечения позволяет расположить в верхней его части стакан для разливки под уровень, обеспечив тем самым такое серьезное преимущество, как возможность разливки под уровень. Однако обжатие слитка с жидкой фазой на ранней стадии его формирования может привести к развитию трещин в металле и, на наш взгляд, применимо далеко не для всех металлов и сплавов.
К третьей группе установок следует отнести радиальные установки, предложенные О. Шаабером и значительно усовершенствованные фирмами Concast, SMS, Demag (в СССР значительный вклад в развитие таких агрегатов внесли ВТ. Сладкоштеев, ГЛ. Химич, В.М. Нисковских и другие ученые). В этих агрегатах (рис. 2) слиток 1 формируется в радиальном кристаллизаторе 2 и перемещается по дуге окружности в системе роликового вторичного охлаждения 3.
На многих радиальных УНРМ изгиб осуществляют тянуще-правиль-
ные ролики 4 после завершения кристаллизации криволинейного слитка. Но имеются УНРМ, на которых слиток 1 изгибают еще до окончания кристаллизации и выводят его на горизонтальную плоскость с жидкой фазой. После полного затвердевания слиток разрезают на мерные длины (на рис. 2 показана резка слитка в продольном направлении резаками 5 для разделения слитка на продольные заготовки).
В литературе неоднократно обсуждали оптимальные формы линий переменной кривизны, образующих переход от дуги к горизонтальной прямой (или от вертикальной прямой к горизонтальной). В качестве таких кривых использовали дуги эллипсов, клотоид, окружностей различных радиусов). Конечно, изгиб слитка с жидкой фазой позволяет несколько уменьшить высоту УНРМ, но сомнительно, что за счет этого удастся понизить стоимость и массу оборудования, поскольку придется увеличивать размеры роликов и их опор. Кроме того, многие металлы и сплавы обладают весьма низкой пластичностью при температурах, близких к температуре затвердевания (менее чем на 40—50 °С).
Даже деформация при степени 0,1—0,2% может привести к появлению трещин. Поэтому деформация слитка с жидкой фазой предъявляет более высокие требования и к качеству металла, и к режимам настройки и эксплуатации оборудования. Известно, что стали с повышенным содержанием серы в области температур, отличающихся на 10—30 "С от температуры плавления, вообще не удается деформировать без развития в металле трещин. Это относится и к ряду моментов, связанных с деформацией корки слитка в кристаллизаторе и сразу под кристаллизатором.
При аварийной остановке и охлаждении слитка на участке переменной кривизны его удаление движением вдоль оси невозможно, что может приводить к значительным по времени простоям агрегатов и высоким затратам на ремонт.
Но, конечно, для вертикальных установок с прямолинейным верхним участком при высоких скоростях литья сделать всю установку вертикальной невозможно (это привело бы к очень большим затратам при изготовлении оборудования и его эксплуатации). В этих случаях лучше начать изгиб двухфазного слитка после его затвердевания до половины толщины сечения. Например, при литье сляба 200X1500 мм из углеродистой стали со скоростью 0,9 м/мин и длине жидкой фазы / = 13 м корка слитка толщиной 50 мм сформируется на расстоянии приблизительно 3,25 м от мениска, поэтому лучше предусмотреть прямолинейный вертикальный участок длиной 4 м, а затем реализовать изгиб, сначала с увеличением кривизны до 0,16 м ', а затем с ее уменьшением до нуля и выводом слитка на горизонталь. Желательно использовать наименьший радиус кривизны не менее 30/7 для углеродистых сталей и 40/7 — для легированных сталей с пониженной пластичностью при высоких температурах (/? — толщина слитка). В данном примере можно принять R = 6,3 м, и длина участка изгиба составит приблизительно 11—12 м. Затвердевание слитка закончится на этом участке.
Чем большая доля сечения слитка затвердела к моменту начала его изгиба, тем меньше будет степень деформации слоев металла, находящихся при температуре, близкой к температуре затвердевания.
Следует весьма осторожно относиться к деформации слитка в кристаллизаторе, а также к режимам прокатки слитка с жидкой фазой (т.н. мягкое обжатие). Такая технология применима не ко всем металлам и сплавам, а зачастую она, даже являясь допустимой, создает дополнительные трудности при эксплуатации оборудования. Чем позже (после начала кристаллизации) осуществляют деформацию, тем лучше. В частности, мягкое обжатие лучше осуществлять после затвердевания 70% сечения слитка и при этом проанализировать, что оно дает. Утверждение, что оно позволяет увеличить скорость литья, часто оказывается неверным.
Известен также патент УНРМ с технологической осью постоянной кривизны в форме винтовой линии. Институт металлургии АН Грузии использовал такую установку для литья ферросплавов (под руководством д. т. н., проф. Ш.Д. Рамишвили). Однако широкого применения такие конструкции УНРМ ввиду их сложности не получили.
Значительный интерес всегда представляли горизонтальные УНРМ. Во-первых, их удобно размещать в действующих цехах, нет необходимости ни увеличивать высоту здания, ни формировать глубокий колодец. Обслуживание такой УНРМ, ремонт и замена отдельных узлов также весьма просты и удобны. Симметрия структуры сечения слитка в этом случае, конечно, отсутствует, в верхней его части количество неметаллических включений и газовых пузырей всегда будет выше, однако для многих металлов и сплавов этот недостаток не является определяющим и не препятствует дальнейшей прокатке и получению заготовок высокого качества. Удобным является и совмещение горизонтальных установок с агрегатами обработки давлением: прокатными станами, агрегатами непрерывной ковки и т.п. Поэтому в XIX веке создатели первых идей непрерывного литья представляли этот процесс в основном как горизонтальное литье (разработки Г. Бессемера и В. Селлерса).
В горизонтальных установках, пример которых приведен на рис. 3, промежуточный ковш 1 является металлоприемником, а к нему примыкает кристаллизатор 2. Зона начала формирования слитка А в этом случае значительно удалена от мениска В, на котором обычно плавают смеси, огнеупорные частицы, шлак и т.д. Воздействие струи расплава 3 в зоне мениска В не сказывается в зоне А, где начинается кристаллизация. Но эта удаленность мениска от слитка является не только преимуществом, но и недостатком. Тонкая корка слитка в зоне А, имеющая высокую температуру и низкую прочность, подвергается сразу же после возникновения воздействию относительно высокого давления жидкого металла, что приводит к более высоким значениям силы трения и растягивающим напряжениям в корке слитка при его вытягивании из кристаллизатора (для УНРМ, показанных на рис. 1 и 2, давление начнет возрастать от нуля у мениска, а для УНРМ на рис. 3 — от величины, равной для стали 70 14 кПа).
Хотя для горизонтальной УНРМ давление металла по длине слитка не возрастает, и на расстояниях от зоны А 4—8 м и более оно значительно меньше, чем на вертикальных и радиальных УНРМ (что выгодно), но именно в зоне начала кристаллизации А давление значительно выше, чем на вертикальных УНРМ. Из-за этого происходят обрывы участка корки («зависания»), что вынуждает перемещать слиток не непрерывно, а периодически — с остановками, создавая возможность формирования участка затвердевшей корки достаточной толщины (и достаточно высокой прочности). Горизонтальные УНРМ успешно и эффективно используют для литья ряда цветных металлов и чугуна. Необходимо отметить, что успехи в создании горизонтальных агрегатов связаны с пионерскими разработками института УкрНИИМет (Харьков), работами В.Т. Сладкоштеева, О.А. Шатагина и других ученых.
Получить ряд качественных заготовок для станкостроения позволили графитовые кристаллизаторы. Кристаллизатор удлиняют, и часть его оказывается в расплаве. Именно здесь начинается кристаллизация. К сожалению, такое техническое решение не приводит к успеху в случае литья стали. Сталь постепенно растворяет графитовые кристаллизаторы, а к металлическим прилипает часть металла, что приводит к разрывам слитка. Поэтому приходится устанавливать (рис. 3) изолирующее 4 и разделительное 5 кольца. Разделительное кольцо часто делают из нитрида кремния, от его стойкости и качества зависит стабильность работы горизонтальной УНРМ. Попытки использовать графит со специальными покрытиями иногда приводили к результату, однако такие модели оказывались до настоящего времени нестабильными и дорогостоящими.
Известен ряд вариантов конструкций горизонтальных УНРМ: фирм General Motors и Steel Casting Engeniring (США), Voest Alpine (Австрия), Dewy Levy и Nippon Kokan (Япония), Тулачермет. Различные режимы предусматривают совместное возвратно-поступательное движение металлоприемника 1 и кристаллизатора 2 (см. рис. 3), а также движение кристаллизатора относительно неподвижного металлоприемника. Во вторичном охлаждении располагают ролики 6 и форсунки, а иногда — экраны с внутренним охлаждением, прижатые к слитку с помощью пружин. Фирма Steel Casting Engeniring разработала УНРС для литья нержавеющих сталей размерами сечения от 3 мм до 25 мм. В ряде случаев слиток перемещают периодически валками 7 с остановками и отдачей (кратковременным движением в обратном направлении). Такие режимы требуют создания беззазорного и точного привода перемещения слитков (более дорогостоящего и требующего высокой точности обслуживания). На поверхности слитков, перемещаемых с остановками, имеются складки, которые могут приводить к развитию трещин при последующей прокатке или ковке. Увеличение частоты качаний до 200 в мин уменьшает объем работ по зачистке поверхности заготовок.
Горизонтальные УНРМ используют в цехах с небольшой производительностью. Так, на заводе в Зингене (ФРГ) фирмы Boschgotthard-shutte эксплуатировали одноручьевую машину, причем в результате ряда реконструкций изменили механизм движения слитка и конструкцию кристаллизатора. Удалось добиться высокой точности режима движения заготовки, обеспечивающего отсутствие трещин в слитках. Была разработана новая клеть с прижимными колодками. Фирма Mannesmann Demag добилась увеличения времени разливки до 24 ч, в работах Р. Винтерхатера с сотрудниками указано на высокое качество заготовок при выходе годного до 98%.
Поскольку основной проблемой для современный горизонтальных УНРМ является стыковка катализатора с более нагретым огнеупорным материалом, неоднократно предпринимались попытки избежать применения этого узла. Известны технические решения, направленные на «пережатие» струи металла электромагнитным полем, давлением газов и т.д.
В ряде патентов предлагали подавать металл в желоб, открытый сверху, и вытягивать из него два слитка в противоположных направлениях. ВНИИМЕТМАШ разработал горизонтальную УНРМ с двухсторонним вытягиванием двух слитков. Однако в таких агрегатах вместо одной сложной проблемы (стыковки катализатора с огнеупором) появляется другая — обеспечение надежной фиксации плоскости раздела двух слитков, формируемых одновременно в одном катализаторе. Насколько нам известно, обеспечить надежное решение этой трудной задачи пока не удалось.
За последние годы в мире создано (или реконструировано) около 840 УНРМ, в том числе 188 слябовых, 198 крупносортных и 423 — мелкосортных.
Характерна тенденция увеличения числа УНРМ с вертикальным прямым кристаллизатором и прямолинейным участком технологической линии под ним, как показано на рис. 16. Но используют и УНРМ,
соответствующие схеме рис. 1а, а также обычные вертикальные установки — для литья высоколегированных сталей. Такие УНРМ используют в Германии, Японии, Южной Корее.
Выбор правильной профилировки кристаллизатора, компенсирующей усадку слитка, и его плотный, равномерный по сечению контакт с кристаллизатором обеспечивают равномерное охлаждение, уменьшают разнотолщинность корки слитка и такие искажения его конфигурации, как ромбичность, овальность. Возникновение зазоров между слитком и кристаллизатором часто приводит к ухудшению качества, ограничивает скорость литья, т.к. ухудшает равномерность охлаждения слитка по его периметру. Кристаллизатор не зря назван в некоторых работах «сердцем установки непрерывного литья»: дефекты металла, возникшие в нем, часто невозможно устранить. Поэтому от конструкции кристаллизатора существенно зависят и производительность, и качество слитков.
В черной металлургии сейчас находятся более 30 УНРМ для литья фасонных заготовок (с сечением в виде заготовки двутавровой балки). Кроме установок типа «compact strip production» (CSP) — компактных радиальных машин для литья тонких слябов, фирма SMS (Германия) создает УНРМ типа «compact beam production» (СВР) для литья заготовок профилей для балок и рельсов. Известны разработки фирм SMS Concast и SMS Schloemann-Siemag (в ФРГ и США) по созданию таких установок в США и ФРГ.
В публикациях М. Циглера, Г. Энгеля, Г. Флемминга и других сотрудников указанных фирм приведены описания таких агрегатов, в частности для мини-заводов с получением заготовок балок (типа «собачья кость»), например, радиальной УНРМ, совмещенной с четырех-клетьевым непрерывным станом, включающим в себя две горизонтальные и две универсальные (или вертикальные) клети. Цель создания агрегатов СВР — обеспечить высокое качество продукции и минимальные затраты на создание оборудования.
БОРЬБА ЗА ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА МЕТАЛЛА. ВЫБОР СКОРОСТЕЙ ЛИТЬЯ
Не следует думать, что внедрение непрерывного литья в работу металлургических заводов было триумфальным шествием. Напротив, пришлось столкнуться с многими трудностями, одной из которых было увеличение времени разливки по сравнению с обычным процессом разливки в изложницы.
Прямым следствием этого стало повышенное окисление металла. Жидкие металлы могут растворять газы, и некоторые из них, в частности кислород, оказывают весьма отрицательное влияние на качество металла. Скорость движения слитка при непрерывном литье ограничена, а уменьшение времени разливки за счет увеличения числа ручьев возможно, но приводит к увеличению затрат и массы оборудования.
В 50-е — 60-е годы сталь разливали обычно открытой струей, как показано схематически на рис. 4а. Видно, что струя жидкого металла 1 падает на мениск 2 с высокой скоростью и проникает вглубь слитка 3 на 1,0—1,5 м, увлекая за собой неметаллические шлаковые частицы и кусочки огнеупоров, плавающие на мениске. Кроме того, окисление струи жидкой 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 по схеме рис. 4а оказывается в 2—2,5 раза выше, чем при разливке в изложницы, когда время разливки и контакта жидкой стали с атмосферой значительно меньше. У поверхности кристаллизатора 4 металл охлаждается сильнее, и затвердевание участков А приводит к развитию таких дефектов, как завороты, складки, что вынуждает выполнять значительный объем работ по зачистке поверхности заготовок и удалению дефектов.
Положительные результаты были получены при защите струи и мениска жидкого металла от окисления, литье в атмосфере инертного газа, но при этом сложнее контролировать попадание в кристаллизатор неметаллических примесей (шлаков, огнеупоров).
Подача на мениск смазок на основе парафина, рапсового или трансформаторного масла и т.д. способствует улучшению качества, поскольку продукты их сгорания защищают мениск от окисления, но не может избавить от плавающих на мениске корочек и неметаллических частиц. Поэтому разливщики были вынуждены следить за мениском и вручную удалять с него металлические корочки и неметаллические включения, намораживая их на стальной стержень. Такая технология не обеспечивала ни высокого качества металла, ни достаточного уровня безопасности работы.