Современные сталелитейные цехи для производства крупных кузнечных слитков

Основные технологические схемы, применяемые для производства крупных кузнечных слитков

Создание мощных турбогенераторов для электростанций, валков прокатных станов и других крупногабаритных изделий ставит перед промышленностью задачу изготовления поковок массой до 300-400 т, для которых необходимы слитки массой до 400-500 т. Возможности производства и показатели качества крупных слитков обусловливают ряд факторов, среди которых: технологическая схема цеха, технологии выплавки, ковшевой обработки и разливки.

Производство широкого спектра марочного сортамента и типоразмеров крупных кузнечных слитков практически невозможно организовать по традиционной технологической схеме сталеплавильного цеха металлургического завода. Данное обстоятельство связано, прежде всего, с необходимостью выплавки стали сложного сортамента с высокими требованиями к качеству, организации обработки в ковшах порций расплава различной массы и разливки металла в одну или несколько изложниц. При этом, если масса слитка превышает массу плавки в ковше, то разливку проводят последовательно из нескольких ковшей.

Даже при сравнительно малых объемах годового производства такого цеха (100-200 тыс. т стали в год) выполнение приведенных выше условий требует соблюдения следующих основных требований:

• обеспечение существенного резерва производительности основных технологических агрегатов, позволяющего организовать выплавку нескольких плавок в печи для разливки одного слитка;
• эксплуатация в цехе нескольких типоразмеров ковшей для рационального согласования технологических процессов выплавки и разливки;
• значительные производственные площади в разливочном пролете, оснащенные специальным транспортным оборудованием;
• большой парк изложниц в широком диапазоне типоразмеров, поддонов и пр. для повышения оперативности выполнения заказов.

Более того, экономический анализ производства стальных слитков, показывает, что доля слитков массой свыше 20-25 т, составляет примерно 10-15% общего количества, однако на их производство уходит около трети всех производственных затрат вследствие высокой трудоемкости и уникальности оснастки.

В связи с вышеизложенными соображениями производство крупных кузнечных слитков, как правило, организовывают в специализированных сталеплавильных цехах, оснащенных несколькими дуговыми печами с различной массой плавки.

Планировка, а также возможности основных технологических агрегатов и подъемно-транспортного оборудования данных цехов учитывают все основные аспекты производства, а также обеспечивают определенную производительность по жидкой стали (часть которой, как правило, транспортируют в литейный цех) применительно к производству слитков как типового, так и максимального развеса. Естественно, что техническая реализация столь разноплановых параметров производительности цеха существенно повышает объем капитальных затрат.

Вместимость одного, а чаще нескольких сталеплавильных агрегатов, применяемых для выплавки стали, тесно взаимоувязана с максимально допустимым развесом слитков, что, в свою очередь, определяет набор вместимости сталеразливочных ковшей и возможность гармоничного взаимодействия участка внепечной обработки со сталеплавильными агрегатами. Так, выбор вместимости дуговой сталеплавильной печи (ДСП) по принципу минимизации капитальных затрат и обеспечения заданной производительности по жидкой стали приводит к появлению технического и технологического барьера при разливке слитков большой массы, доля которых в перспективе может существенно возрасти в соответствии с требованиями рынка. Например, в случае отливки слитка массой 200 т масса плавки ДСП может составить 200, 100 или 50 т. При этом количество печей и их вместимость во многом зависит от уровня техники и технологии плавки, а также уровня внепечной обработки. Так, если возможности внепечной обработки ограничены, а продолжительность плавки велика, то для разливки такого слитка в печном пролете необходимо иметь две ДСП-100, которые последовательно выпустят сталь в два 100-т ковша. При наличии же современных технологических агрегатов отливка слитка реализуема по схеме «одна современная высокопроизводительная ДСП-60 – агрегат ковш-печь». А именно, примерно каждые 60-70 минут в печи выплавляют 50 т жидкого полупродукта и выпускают его в 100-тонный ковш, который отправляют на агрегат ковш-печь. По заполнении первого ковша, металл доводят до марочного химического состава, после чего периодически компенсируют тепловые потери, параллельно накапливая сталь во втором ковше. Наполнение изложницы, как и в первом случае, производят последовательно из двух 100-тонных ковшей.

Вместе с тем, тенденция к дроблению заказа на мелкие партии слитков и ужесточению сроков поставок часто приводит к необходимости дополнительного оснащения сталелитейного цеха электропечами малой вместимости (5 – 15 т). Такой подход позволяет оптимизировать отливку как отдельных слитков малой массы, так и слитков, масса которых на 10 – 20% превышает массу плавки в современной высокопроизводительной ДСП. В последнем случае применяют доливку слитка плавкой из малой печи. При этом следует помнить, что повышение доли стали, выплавленной в агрегатах малой вместимости, невыгодно с точки зрения себестоимости из-за повышения удельного расхода огнеупоров, энергии и графитированных электродов. По этой причине, с целью снижения себестоимости и одновременного удовлетворения возрастающих требований заказчика в некоторых цехах пришли к целесообразности выплавки стали в агрегате большей вместимости (например, 30-тонной ДСП) с последующим разделением плавки, по мере необходимости, на два ковша (например, 15-тонных).

Специфика внепечной доводки стали при отливке крупных слитков проявляется в наличии нескольких типоразмеров сталеразливочных ковшей, сложном марочном сортаменте стали, организации технологии накопления металла перед разливкой и параллельной обработке стали в двух-трех ковшах. Следовательно, конструкция установки ковш-печь должна быть достаточна универсальна. Кроме того, параметры агрегата, например, такие как мощность печного трансформатора, должны полностью соответство вать режимам форсированного проведения критических с энергетической точки зрения технологических операций в заданном ритме работы.

В процессе производства крупного слитка немаловажное значение имеет организация технологии разливки стали в изложницы. Количество разливочных канав и постановочных мест должно обеспечивать производство нескольких групп типоразмеров слитков с учетом логистики готовых слитков, изложниц и поддонов, так как охлаждение слитков разного развеса до разной температуры (в зависимости от того, товарный он или передельный) может отличаться довольно существенно - от нескольких часов до 2–3 суток. Для успешной реализации заключительной стадии процесса стационарные разливочные канавы принято оборудовать дополнительными полукозловыми кранами.

Для эффективной работы сталелитейного цеха особую значимость приобретают функциональные стратегии гибкого производства, которые позволяют успешно конкурировать в условиях меняющихся требований рынка.

Не менее важным аспектом, без которого производство крупных кузнечных слитков невозможно реализовать, является наличие в стране предприятий энергетического, транспортного и тяжелого сектора машиностроения, которые формируют достаточно емкий и относительно стабильный внутренний рынок.

Анализ перспективных технологических схем выплавки и внепечной обработки стали показывает, что современный уровень качества крупного слитка в сочетании с высоким уровнем энерго- и ресурсосбережения может быть обеспечен исключительно за счет применения современной техники и технологии металлургического производства.

Современная технология производства крупного слитка основана на применении комплексных технологических агрегатов внепечной обработки типа ковш-печь, для обеспечения чередования и сочетания разнообразных технологических приемов, позволяющих нагревать, рафинировать, раскислять, легировать сталь в ковше, и заключается в следующем:

• выплавка углеродистого или легированного полупродукта в современной ДСП, включающая расплавление шихтовых материалов, дефосфорацию металла, его нагрев до температуры выпуска (при необходимости возможно проведение операций раскисления и легирования металла);
• бесшлаковый выпуск полупродукта в сталеразливочный ковш с подачей в последний раскислителей, легирующих и шлакообразующих материалов при пневматическом перемешивании стали с помощью продувочных элементов, установленных в днище ковша;
• дуговой нагрев расплава в сталеразливочном ковше с целью компенсации потерь тепла при обработке расплава высокоосновным рафинировочным шлаком для десульфурации стали;
• непрерывное перемешивание расплава в ходе проведения всех технологических операций внепечной обработки с целью выравнивания температуры стали и интенсификации массообменных процессов в ходе десульфурации, диффузионного и осадочного раскисления, а также легирования;
• вдувание под шлак порошкообразных материалов в струе газа через неохлаждаемую расходуемую фурму для корректировки содержания углерода;
• подача в металл реагентов в виде порошковой проволоки с помощью трайбаппаратов для глубокого раскисления стали и модифицирования неметаллических включений;
• вакуумная обработка раскисленного металла с возможностью дополнительного легирования и корректировки химического состава (около 60% всей стали подвергают вакуумированию для снижения содержания водорода менее 1,5-2 ррm и 30% - для повышения степени чистоты по неметаллическим включениям);
• организация технологии вакуумкислородного обезуглероживания при производстве коррозионностойких марок стали;
• разливка стали в изложницы для получения требуемого качества поверхности и внутренней структуры крупного слитка при снижении расходного коэффициента металла, а также обеспечения экономии изложниц, поддонов и огнеупоров;
• затвердевание крупного слитка и его охлаждение в изложнице, стрипперование и транспортировка для последующего передела.

При этом необходимо реализовать рациональную объемно-планировочную схему построения технологичес-ких агрегатов, которая, например, характерна для современного мини-металлургического завода. Данное решение предполагает размещение ДСП на оси агрегата ковш-печь, чем обеспечивает передачу сталеразливочных ковшей по единому рельсовому пути без применения мощного подъемно-транспортного оборудования. Пример реализации такой схемы представлен на рис. 1.1.

Рисунок 1.1 – Фрагмент плана сталелитейного цеха ЗАО «НКМЗ»: 1 - Дуговая сталеплавильная печь; 2 - Агрегат ковш-печь; 3 - Камерный вакууматор; 4 - Разливочные канавы.

Промышленность Украины и некоторых зарубежных стран представлена следующими современными специализированными цехами, производящими крупный слиток. ЗАО «Новокраматорский машиностроительный завод» специализируется на производстве горнорудного, сталеплавильного, прокатного, кузнечно-прессового, подъемно-транспортного и гидротехнического оборудования.

В сталеплавильном цехе ЗАО «НКМЗ» производят слитки массой от 2 до 150 тонн. Основное отличие комплекса внепечной обработки стали заключается в том, что в нем применяют три типоразмера ковшей (30 т, 60 т, 90 т). Все ковши совмещаются с агрегатом ковш-печь и камерным вакууматором. Разливка стали в изложницы производится сверху через промежуточную емкость, сифоном и под вакуумом.

Реализуя собственную программу разработки высокоэффективного металлургического оборудования ЗАО «Новокраматорский машиностроительный завод» завершил реконструкцию сталеплавильного цеха строительством современной высокопроизводительной электродуговой печи ДСП-50 (взамен двух мартеновских) и, таким образом, замкнул цепочку в создании высокоэффективного комплекса основного технологического оборудования сталеплавильных цехов, как на инжиниринговом уровне, так и в действующих агрегатах.

ЗАО «НКМЗ» для производства слитков широкого марочного состава ориентируется на современную технологическую концепцию выплавки жидкого полупродукта в трехфазных 50-т и двух 15-т дуговых электропечах с последующей его доводкой в сталеразливочном ковше на участке внепечной обработки.

Краматорский завод «Энергомашспецсталь» основан в 1964 году как базовое предприятие атомного и энергетического машиностроения по производству крупных кованых и литых заготовок. До середины 80-х годов вводились в эксплуатацию производственные мощности завода по жидкой стали, стальному литью и поковкам, которые включают: электросталеплавильный цех с четырьмя дуговыми сталеплавильными печами вместимостью 12 т, 50 т и две по 100 т и возможностью отливки под вакуумом крупных слитков (до 205 т), сталелитейный комплекс для производства отливок массой от 0,5 до 160 т, кузнечно-прессовый цех с ковочным комплексом на базе прессов усилием 60Мн, 150Мн, а также цехи с полным циклом механической обработки изделий.

С 2000 года «Энергомашспецсталь» модернизирует и востанавливает мощности для производства крупных слитков широкого сортамента, поковок, как черновых, так и с механической обработкой, а также отливок для машиностроения. Разливка стали в цехе производится сверху через промежуточную емкость, сифоном и под вакуумом. В настоящее время в электросталеплавильном цехе, с целью повышения уровня конкурентоспособности продукции за счет снижения себестоимости и повышения качества стали, проводят поэтапную реконструкцию для обеспечения перехода к современной системе технологического и агрегатного оформления процесса выплавки, внепечной обработки и разливки металла.

Первый этап реконструкции завершен. Обеспечено повышение уровня качества крупного слитка в соответствии с международными стандартами за счет ввода в эксплуатацию комплекса внепечной обработки стали (ковш-печь - камерный вакууматор VD/VOD под два типоразмера сталеразливочных ковшей: 60 т и 130 т). Второй этап включает строительство и ввод в эксплуатацию современной дуговой печи для выплавки жидкого полупродукта, вместимостью 60-70 т, которая заменит действующие плавильные агрегаты и обеспечит возможность гармоничного взаимодействия с участком внепечной обработки, в том числе, при отливке слитков, единичной массой до 400 т.

ДП «Завод утяжеленных бурильных и ведущих труб» входит в состав Сумского машиностроительного научно-производственного объединения им. М.Фрунзе и представляет собой характерное построение со стратегией специализации на определенном сегменте рынка. Завод изготавливает восемь типов (177 типоразмеров) труб из низколегированной стали. Их номенклатура включает трубы с наружным диаметром от 76 до 392 мм и длиной до 16500 мм. Кроме того, завод производит разнообразные слитки для нужд машиностроительного комплекса объединения и т.п. Продукция завода имеет международную сертификацию на самом высоком уровне, что обеспечивает ей высокую конкурентоспособность. Завод был введен в эксплуатацию в 1988 году. Строительством и техническим обеспечением завода занималась итальянская фирма “Danieli”.

Металлургическое производство завода включает две трехфазных электродуговых печи номинальной вместимостью 18 т каждая (мощность трансформатора 12 МВА, длительность плавки составляет в среднем 100-120 мин), установку комплексной обработки стали ASEA-SKF (скачивание шлака, подогрев металла, электромагнитное перемешивание, вакуумирование и пр.), установку VOD (для получения низкоуглеродистых коррозионостойких марок стали), машину непрерывной разливки стали вертикального типа (двухручьевая) для получения заготовок сечением 200x200; 280x280; 350x350; 400x400; 500x500; 650x650 мм. Кроме того, предусмотрена сифонная отливка слитков массой 6,0 т, 9,0 т и 18,0 т соответственно, прямоугольного и восьмигранного сечения.

«ОМЗ – Спецсталь» (Россия) - крупнейший российский производитель крупных слитков входит в корпорацию «Объединенные машиностроительные заводы». Компания специализируется на производстве углеродистых, легированных, высокопрочных конструкционных, коррозионно- и радиационностойких, высоколегированных, жаропрочных, немагнитных, криогенностойких марок стали.

Выплавку стали производят в дуговых сталеплавильных печах вместимостью 8 - 28 т и 55 т. Кроме того, металлургическое производство располагает печами электрошлакового и вакуумнодугового переплава.

Для внепечной обработки служит агрегат ASEA-SKF с ковшами вместимостью 70 т и 150 т.

Разливка стали в изложницы производится сверху, сифонным способом, а также в шести вакуумных камерах для разливки слитков от 60 т до 500 т.

Компания производит листовые слитки массой от 5 до 40 т и кузнечные слитки массой от 3 т до 420 т.

SKODA STEEL (Чехия). Сталеплавильное производство завода оснащено двумя 50-т, одной 25-т и одной 14-т ДСП, а также агрегатом ASEA – SKF (60 т). Указанное оборудование позволяет выплавлять конструкционную сталь следующего состава: [S] < 0,005%; [P] < 0,01%; [O] < 30 ppm; [H] < 1 ppm. На заводе производят кузнечные слитки до 170 т из низкоуглеродистой, среднеуглеродистой и конструкционной стали. Кроме того отливают слитки коррозионностойкой стали массой до 25 т.

«Дайдо токусюко» (г. Сибукава) - ведущий в Японии сталеплавильный цех по производству слитков из специальных марок стали. Состав сталеплавильного оборудования цеха представлен в табл. 1.1.

Таблица 1.1 - Состав сталеплавильного оборудования цеха в г. Сибукава

Основные технологические параметры сквозной технологии выплавки стали на комплексе ДСП-УПК-VD представлены в приложении А.