Преимущества непрерывного литья и прокатки в современном производстве стали

Эволюция сталеплавильного производства: от литья слитков до непрерывных процессов

За последнее столетие производство стали претерпело глубокие преобразования. Традиционное литье слитков, в котором расплавленная сталь заливалась в стационарные формы, позволяло затвердевать, затем нагреваться перед прокаткой, было доминирующим методом на протяжении десятилетий. Этот подход был по своей сути неэффективным: он требовал многократных циклов нагрева и охлаждения, потреблял огромное количество энергии и генерировал значительные отходы материала. Появление непрерывного литья в 1950-х годах заложило основу для новой эры сталеплавильного производства, а последующая интеграция непрерывного проката еще больше упростила производство. Сегодня комбинированный процесс непрерывного литья и прокатки (CCR) является основой современных мини-мельниц и интегрированных заводов, поставляя более качественную сталь по более низкой цене с заметно сниженным экологическим воздействием.

В этой статье рассматриваются технические основы, эксплуатационные преимущества и более широкие экономические и экологические преимущества технологий непрерывного литья и прокатки. Для исторической перспективы Всемирная ассоциация стали обеспечивает отличную временную шкалу ключевых инноваций в сталелитейном производстве.

Что такое непрерывный кастинг?

Непрерывное литье - это металлургический процесс, в котором расплавленная сталь заливается непосредственно в медную форму с водяным охлаждением, где она начинает затвердевать. Частично затвердевшая нить затем непрерывно выводится через серию опорных рулонов, охлажденных распылением и разрезанных на желаемые длины - обычно заготовки, цветы или плиты. В отличие от литья слитков, которое производит дискретные кусочки, которые должны быть охлаждены, сняты с формы, перегреты, а затем прокатаны, непрерывное литье связывает стадию жидкой стали с твердым полуфабрикатом в одной бесперебойной операции.

Процесс в деталях

Процесс начинается с ковша из расплавленной стали, которая транспортируется из основной кислородной печи (BOF) или электродуговой печи (EAF) в литейную башню. Сталь заливается в тундиш, тугоплавкий сосуд, который питает плесень с контролируемой скоростью. Внутри плесень затвердевает против медных стенок, образуя тонкую оболочку. По мере выхода пряди из плесени она проходит через ряд рулонных сегментов и водяных спреев, которые извлекают тепло и полное затвердевание. На выходе кастера факел или стриж разрезает пряжу на плиты или заготовки. Современные кастеры могут производить плиты шириной до 2500 мм и заготовки размером до 100 мм квадрат, со скоростью литья от 0,5 до 2,0 метра в минуту в зависимости от размера и сорта секции.

Типы непрерывных кастеров

• Слаб кастер: Производит плоские плиты для прокатки в листовые и пластинчатые изделия.
• Цветочный кастер: Производит большие цветы поперечного сечения, используемые для структурных балок и рельсов.
• Биллетный кастер: Производит меньшие заготовки для длинных изделий, таких как арматура и проволочный стержень.
• Кастер тонкой плиты: Каски тонкие, как 50-90 мм, что позволяет прямой подачи в горячекатаный мельница без отдельной шероховатой подставки.

Каждый тип заливки оптимизирован для конкретных размеров продукта и металлургических требований. Веб-сайт Стальные технологии предлагает подробный технический обзор конструкции и эксплуатации заливки.

Преимущества непрерывного литья

Переход от литья слитков к непрерывному литью принес преобразующие преимущества в четырех ключевых измерениях: эффективность, качество, стоимость и устойчивость.

Повышение эффективности

Непрерывное литье устраняет необходимость охлаждения, стриптиза, повторного нагрева и первоначального штамповки слитков. Расплавленная сталь затвердевает непосредственно в полуфабрикаты, которые сразу готовы к прокатке или дальнейшей обработке. Это сокращает общее время процесса от дней до часов. Экономия энергии значительна: перегрев слитка до температуры прокатки потребляет примерно 1,0-1,5 ГДж на тонну, тогда как непрерывное литье требует только около 0,2-0,4 ГДж на тонну для самой операции литья. Национальная лаборатория энергетических технологий сообщает, что непрерывное литье может сократить потребление энергии до 80% по сравнению с маршрутом слитка.

Улучшение качества

Поскольку затвердевание происходит контролируемым, непрерывным образом, литой структуры более однородной. Дефекты, такие как сегрегация, пористость и трубы - общие в литье слитков - сведены к минимуму. Процесс также позволяет лучше контролировать химический состав стали и микроструктуру за счет использования электромагнитного перемешивания, мягкого восстановления и продвинутого контроля уровня плесени. Результатом является более чистая сталь с меньшим количеством внутренних и поверхностных дефектов, что приводит к более высоким выходам в нисходящих прокатных операциях.

Экономия средств

Непрерывное литье уменьшает отходы материала, устраняя слитки «концы урожая» (верхний и нижний части каждого слитка, которые содержат трубы и сегрегацию). Улучшения урожайности обычно варьируются от 10 до 15 процентных пунктов по сравнению с литьем слитков. Более низкое потребление энергии, снижение трудовых потребностей и меньшие потребности в площади пола способствуют снижению эксплуатационных расходов. Для типичного интегрированного сталелитейного завода переход на непрерывное литье может снизить общие производственные затраты на 10-20%.

Экологические преимущества

Устранение печей для повторного нагрева слитков, непрерывное литье сокращает прямые выбросы CO2 и снижает общий углеродный след сталеплавильного производства. Более низкое потребление энергии также означает меньше косвенных выбросов от производства электроэнергии. Кроме того, процесс производит меньше лома и сточных вод, способствуя более устойчивому производству стали. Управление перспективного производства Министерства энергетики США подчеркивает непрерывное литье в качестве ключевой энергосберегающей технологии для металлургической промышленности.

Роллинг в производстве стали

Роллинг — это механический процесс уменьшения площади поперечного сечения и формирования стали с помощью сил сжатия, применяемых вращающимися рулонами.В зависимости от температуры стали прокатка классифицируется как горячая прокатка или холодная прокатка.

Горячий Роллинг

Горячая прокатка выполняется выше температуры рекристаллизации стали (обычно выше 920 ° C для углеродистых сталей). Она уменьшает литую микроструктуру, разрушает дендритные структуры и производит тонкую, равномерную структуру зерна. Горячие прокатные изделия включают лист, полосу, пластину, балки, рельсы и прутья. Этот процесс позволяет значительно уменьшить толщину - уменьшая плиту 200 мм до листа 2 мм в нескольких проходах - и является высокоэффективным для производства большого объема.

Холодный прокат

Холодная прокатка осуществляется при комнатной температуре, что повышает прочность и твердость стали за счет закалки деформаций. Также она обеспечивает превосходную отделку поверхности и более жесткие допуски толщины. Холоднокатаные изделия используются в автомобильных кузовных панелях, корпусах приборов и других приложениях, где качество поверхности и точность размеров имеют решающее значение. Холодная прокатка требует отдельного шага отжига для восстановления пластичности и магнитных свойств для определенных марок.

Современные прокатные станки оснащены передовой автоматизацией, автоматическим контролем калибровки (AGC) и изгибом рабочего колеса для поддержания точной толщины и формы. Интеграция высокоскоростных прокатных стендов с непрерывным литьем была основным фактором повышения производительности.

Преимущества непрерывного проката

Непрерывная прокатка относится к практике подачи горячей стали непосредственно из заклинателя в прокатную мельницу без промежуточного охлаждения или нагрева. Это чаще всего достигается в тонкослойных литьевых и прокатных линиях, таких как процесс производства компактной полосы (CSP), разработанный SMS-группой.

Усовершенствованная однородность продукции

Поскольку сталь проходит через ролики в одной непрерывной последовательности, температура и уменьшение жестко контролируются от головы до хвоста. Это обеспечивает исключительное единообразие толщины, ширины и механических свойств по всей длине катушки. Статистические данные управления процессом от заводов, работающих с установками CSP, показывают допуски толщины до ± 0,03 мм для горячекатаной полосы.

Более высокая производительность

Непрерывная прокатка устраняет необходимость в промежуточном хранении плит, перегреве и отдельных канатных стендах. Единая непрерывная линия может производить готовые горячекатаные катушки в течение 30 минут литья, резко сокращая производственные запасы и сроки выполнения свинцовых работ. Производственные показатели для современных непрерывных прокатных установок превышают 2 млн тонн в год на линию.

Энергоэффективность

Соединив процессы литья и прокатки, сталь сохраняет тепло от заливочного устройства, устраняя необходимость нагрева плиты от комнатной температуры. Это снижает потребление энергии примерно на 50% по сравнению с обычным прокатом холодного заряда. Для типичной установки CSP общее потребление энергии составляет около 1,5 ГДж на тонну горячекатаной катушки по сравнению с 3,0 ГДж на тонну для обычной мельницы с горячей полосой с использованием перегретых плит.

Устойчивость

Непрерывные прокатные линии могут производить широкий спектр марок стали, от низкоуглеродистых и микролегированных сталей до высокопрочных низколегированных (HSLA) сталей и передовых высокопрочных сталей (AHSS) для автомобильных применений. При соответствующей конструкции рулонных проходов и системах охлаждения эти мельницы также могут производить специальные профили, такие как железнодорожные секции и конструктивные балки. Группа SMS предоставляет подробные тематические исследования универсальности их технологий CSP и CSPnexus.

Синергия непрерывного кастинга и проката

Истинная сила современного производства стали заключается в бесшовной интеграции непрерывного литья и прокатки в единую, бесперебойную производственную линию. В таких компактных мельницах, часто называемых мини-мельницами или полосовыми мельницами, кастер подает горячую сталь непосредственно в туннельную печь или выравнивающую зону, которая поддерживает однородность температуры до того, как сталь войдет в первую прокатную стойку.

Бесконечный прокат и ближний к сети кастинг

Продвинутые реализации еще больше подталкивают интеграцию. В бесконечном прокате заклинатель и прокатный станок соединены так, что хвостовой конец одной плиты сварен с головным концом следующей, создавая действительно непрерывную полосу, которая свернута на выходе. Это устраняет потери урожая на голове и хвосте каждой катушки и повышает урожайность на 1–3%. Литье ближнего замыкания, такое как литье полосы (например, процесс Castrip), производит стальную полосу непосредственно из расплавленного металла толщиной до 2 мм, обходя горячее прокатывание почти полностью. Пока еще не доминирует, эти технологии обещают дальнейшее снижение затрат на энергию и капитал.

Экономические последствия интеграции

Комбинированное непрерывное литье и прокатка сокращает капитальные вложения за счет устранения отдельных печей для перегрева, площадей для хранения плит и кранов. Эксплуатационные затраты снижаются из-за более низкого потребления энергии, сокращения рабочей силы и более высокой урожайности. Более низкий углеродный след также благоприятно позиционирует интегрированные мельницы для соблюдения нормативных требований и сертификации зеленой стали. Согласно отчету McKinsey о декарбонизации стали , интегрированные заводы CCR могут достичь до 30% более низких выбросов парниковых газов по сравнению с обычными маршрутами кислородных печей на основе доменных печей.