журналы подразделения новости подписка контакты home

архив
2001 год
2002 год
2003 год
2004 год
рубрики
ТЕМА НОМЕРА

ТЕХНОЛОГИИ

ИТОГИ И ТЕНДЕНЦИИ

РЫНОК ЧЕРНЫХ МЕТАЛЛОВ

РЫНОК ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

ЦЕНОВАЯ ИНФОРМАЦИЯ

гостям
Агентство "Стандарт" предлагает вам подписаться на экномические журналы – лидеры в своей области.
























"Металлы мира" – №3, 2003

ТЕХНОЛОГИИ

Прокатная технология пятого поколения

Эволюция полосовых прокатных станов в последние годы направлена на снижение масштабов и повышение эффективности производства

Какой должна быть корпоративная одежда Prestige - Zet.
Обеззараживатель и очиститель воздуха www.amedisin.ru.

История развития и совершенствования полосовых станов горячей прокатки представляет собой постепенную эволюцию технологий по мере появления новых инженерных решений. Тем не менее, время от времени конструкторы резко меняют направление разработок, когда изменение экономических условий вынуждает их заново переосмысливать весь путь технического развития. Оборудование для прокатки листовой стали первых трех поколений создавалось в условиях быстрого расширения рынка, в связи с чем разработчики стремились тогда обеспечить максимально возможную экономию на масштабах. Позднее условия изменились, и следующие два поколения прокатных станов отражают тенденции к снижению капитальных затрат на тонну мощности и уменьшению энергоемкости. Частично эти задачи были решены при создании в начале 80-х годов прокатных заводов четвертого поколения, позволявших относительно недорого строить небольшие и достаточно экономичные предприятия, выпускающие вполне качественную листовую сталь. Отсутствие необходимости в огромных начальных инвестициях открыло доступ в сектор многим сравнительно небольшим компаниям, а в ближайшем будущем в связи с внедрением новых технологий это процесс, очевидно, ускорится.

Ответ в конце задачника

Каждое новое поколение прокатных станов аккумулирует идеи, уже доказавшие свою состоятельность в прошлом, и новые технические решения, позволяющие адаптировать технологию к изменившимся обстоятельствам. Соответственно, в технологиях пятого поколения реализованы возможности еще большего снижения капитальных затрат и энергоемкости при сохранении уровня производительности. Новые прокатные станы заложили основу жизнеспособности маломасштабного производства горячекатаных рулонов большой ширины. В них использовались новые технологии, позволяющие пропускать некоторые производственные этапы и обходиться без дорогостоящего оборудования.

Первое промышленное внедрение технологии литья тонких слябов и прямой прокатки полос осуществила американская компания Nucor на заводе Crawfordsville. Это предприятие было введено в действие 22 июля 1989 года, а в 2001-м в мире функционировало уже более 25 полосовых станов, включающих в свою конфигурацию установки для непрерывного литья тонких слябов.

Этот процесс, названный Compact Strip Production (CSP), разработала немецкая компания Schloemann-Siemag (SMS). Новизна технологии заключалась в том, что ее оборудование давало возможность отливать тонкие слябы, пригодные для непосредственной прокатки в рулоны через чистовую группу клетей. Этой линии не требовались ни традиционная печь для повторного нагрева, ни черновые клети, которые используются для обжимки толстых слябов. Чтобы довести тонкие слябы до нужной температуры, перед подачей в чистовую группу клетей их пропускают через длинную туннельную печь. Таким образом, нагрев литой стали осуществляется вне стана горячей прокатки.

Однако применение туннельной печи значительно удлиняет прокатную линию, поэтому итальянская компания Arvedi в сотрудничестве с Mannesmann продвигала другой подход к прямому производству полосовой стали. Этот метод реализован в технологии Integrated Strip Production (ISP), в рамках которой горячий сляб сразу после его выхода из литейной машины протягивают с высоким коэффициентом вытяжки на прокатный участок. На этом этапе получают тонкий сляб, который перед прокаткой в чистовой группе клетей доводят до заданной температуры электроиндукционным разогревом и в газовой печи. Эта конструкция позволяет строить сравнительно короткие линии: на заводе Cremona длина стана от литейной установки до рулона составляет только 180 м, тогда как длина обычной линии CSP равна 570 м. Процесс ISP впервые внедрила южнокорейская компания Posco на заводе Kwangyang, концепции которого сейчас используются в других технологиях пятого поколения.

Потенциальный рынок для оборудования Schloemann-Siemag, Arvedi и Mannesmann представляли небольшие фирмы, которые могли бы заняться сталепрокатной деятельностью при условии организации рентабельного маломасштабного производства – именно их стремление проникнуть в сектор листовой стали создавало мотивацию для разработки технологий CSP, ISP и иных процессов нового поколения. В Европе оборудование для прямой прокатки полос из тонких слябов установлено на обычных интегрированных заводах Bruckhausen (ThyssenKrupp Stahl) и Ijmuiden (Corus), но в США начали массово появляться небольшие прокатные заводы, для строительства которых не требовалось значительных начальных инвестиций, неизбежных при использовании традиционных полосовых станов.

Таким пока видится конец пути, начало которого уходит в 20-е годы прошлого века.

Первые этапы:

чем больше – тем лучше

Заводами первого поколения были первые станы горячей прокатки, успешно внедренные в промышленности. Первая в мире линия для проката широких листов была установлена на заводе Ashland в Кентукки в 1923 году, а первый стан для производства широких рулонов был построен в 1926-м на заводе Butler. В 1940 году в США уже функционировало 28 таких станов, а еще шесть строили европейские компании. Кроме того, более 70 станов полосовой прокатки первого поколения были введены в строй в период с 1926 по 1960 год, примерно, половина из них – в Северной Америке.

Направления дальнейшей разработки прокатного оборудования определялись комбинацией экономических инициатив и технических возможностей. В те времена энергия была сравнительно дешевой, а спрос на сталь быстро увеличивался, поэтому приобретала все большую популярность концепция экономии на масштабах. С 20-х по 80-тые годы полосовые станы первого-третьего поколений совершенствовались, главным образом, в части повышения производительности. Каждое из этих поколений создавалось для решения задач производства более тяжелых рулонов и повышения скорости прокатки. Второе и третье поколения представляют собой этапы перехода к более масштабному выпуску продукции и к снижению ее себестоимости за счет экономии на объемах.

Первый полосовой стан второго поколения был разработан в США. Его сконструировала питтсбургская компания United Engineering по заказу National Steel. У него были качественные отличия от оборудования первого поколения: он был сконструирован с целью обеспечения более высокой производительности, чем предыдущие, полностью непрерывные линии. Более тяжелые слябы прокатывали при увеличенных скоростях: вес слябов подскочил от 10 до 20 т, мощность станов тоже удвоилась от 30 тыс. до 60 тыс. кВт, а максимальная скорость в последней клети чистовой группы изменилась от 12 до, примерно, 20 м/с. Возможность испытать технологию прокатки более тяжелых слябов представилась в 1955 году в ходе реконструкции полосового стана на принадлежавшем National Steel заводе Weirton, но первым оборудованием действительно второго поколения стал полностью непрерывный 80-дюймовый стан, который National Steel ввела в действие в 1961 году на заводе Ecorse в Мичигане.

Станы третьего поколения были просто гигантскими. В 1969 году Nippon Steel осуществила пуск производства на Kimitsu – первой в мире линии, где можно было прокатывать рулоны весом до 45 т и с удельным весом до 36 кг на мм ширины. Группа прокатных клетей была длиной до 740 м, она находилась в сооружении протяженностью 1,35 км, а максимальная скорость прокатки составляла 1400 м/мин (23 м/с). Всего в мире было построено пять таких станов – два в Японии на заводах Nippon Steel (Kimitsu и Oita), и три в Европе (ItaIsider, завод Taranto 2; SOLMER, Фос-сюр-Мер, Франция; Klockner, Бремен, Германия). В конструкции этих суперстанов были максимально реализованы возможности ускорения процесса и масштабности производства. Идея состояла в том, чтобы до предела удлинить полностью непрерывный стан для получения максимальной экономии на масштабах, принципиально возможной в сфере горячей прокатки. Результатом разработок в этом направлении стало 6-кратный рост общей мощности стана, выходной скорости и веса рулонов по сравнению с оборудованием 20-х годов.

Большие размеры оборудования третьего поколения нарастили капитальные затраты сразу в трех аспектах: станы должны были быть более прочными, чтобы выдерживать более тяжелые слябы, более длинными, чтобы максимально увеличить выпуск продукции, и более широкими. На этом этапе развития новые прокатные линии стали слишком дорогими для компаний средних размеров, и дальнейший прогресс был достигнут в разработках обратного направления – удельный вес рулонов снизился до 18-25 кг/мм.

В мае 1979 года японская NKK ввела в действие полосовой стан горячей прокатки Ohgishima. Это был непрерывный стан "три четверти", который до появления в Японии имел долгую историю использования в Европе. Хотя ширина его была очень большой (бочка прокатного валка – 2400 мм), удельный вес рулонов составлял только 18 кг/мм. Это оборудование представляло низкозатратное техническое решение: после реверсивной черновой клети обычного полунепрерывного стана была установлена всего одна дополнительная черновая клеть, через которую осуществляется только один проход и лишь в одном направлении.

Полностью непрерывный стан был неэкономичным, поскольку слябы проходят через черновую группу клетей значительно быстрее, чем через чистовую, поэтому большую часть времени черновые клети бездействуют. Кроме того, строительство непрерывного стана сопряжено со значительно большими капитальными затратами из-за огромной длины и ужесточенных конструкционных требований. Непрерывная линия 3/4 представляет собой стан наименьшей длины для прокатки рулонов с удельным весом 18 кг/мм и более, который обеспечивает самые низкие капитальные затраты на тонну металла.

Тем не менее, идея полного исключения группы черновых клетей была очевидной. С ретроспективной точки зрения, у станов третьего поколения с их высокими капитальными затратами и низкой энергетической эффективностью просто не могло быть будущего. Однако это был необходимый этап развития технологий, последующая эволюция которых привела к появлению современных линий пятого поколения.

Энергетические кризисы 1974-го и 1979 годов вынудили технологов переосмыслить конструкцию прокатных станов. После 1974 года заказы на прокатное оборудование практически не поступали. Уже произведенных станов было более чем достаточно для обеспечения медленно расширявшегося спроса на полосовую сталь. Шок, вызванный подъемом цен на энергоносители, в комбинации со слабым повышением потребления и ограниченными возможностями финансирования определил направление дальнейших технологических разработок: требовалось создать более дешевые и энергетически эффективные прокатные линии.

От "вала" – к эффективности

Первый стан четвертого поколения Yawata 3 в 1982 году ввела в действие Nippon Steel. Следующей инновацией была рулонная камера канадской компании Stelco, использованная позднее на заводе Lake Erie. На первый взгляд, у этих разработок не было ничего общего: японский стан был большим и очень сложным, а линия Lake Erie – маленькой и простой. Тем не менее, обе конструкции обеспечивали техническое решение в плане четырех приоритетов: требовались сравнительно небольшие исходные инвестиции; у них низкая энергоемкость; обеспечивалось высокое качество продукции при расширении ассортимента, а это давало возможность быстро реагировать на изменение заказов.

Заводы четвертого поколения аккумулировали отдельные инновации различных предыдущих разработок. Оптимальными для повторного нагрева оказались печи с шагающим подом; вошел в стандарт гидравлический контроль краев полосы в черновых клетях и ее толщины – в чистовых. В чистовой группе были задействованы новые технологии контроля формы, включая шестивалковые клети (конструкции Hitachi), парные поперечные валки (разработка Mitsubishi) и плавную регулировку толщины (CVC, разработка Schloemann-Siemag). Хотя шестивалковые системы позднее перестали применять, остальные технологии получили распространение в прокатных станах пятого поколения. Так, CVC внедрена во всех линиях CSP, а поперечная прокатка двойками используется в процессах, разработанных для Trico и Ijmuiden. Отсюда логически вытекал следующий шаг – переход от горячей загрузки слябов в традиционную группу черновых клетей к горячей загрузке более тонких слябов непосредственно в чистовую группу.

Другой инновацией, появившейся на этом этапе развития, а впоследствии ставшей важным элементом технологий пятого поколения, оказалась рулонная камера компании Stelco. Эта компания планировала построить на новом заводе Lake Erie полосовой стан с минимальными капитальными затратами, и у ее линии было два радикальных отличия от прототипов. Во-первых, в целях экономии энергии стан был сконструирован таким образом, чтобы осуществлять прокатку непрерывной литой заготовки непосредственно после ее выхода из литейной установки. Во-вторых, размер стана был уменьшен за счет применения вместо длинного промежуточного рольганга – необходимого конструкционного элемента в других технологиях – новой рулонной камеры Stelco.

Рулонную камеру изобрел в свое время американский инженер Уильям Смит; она предназначалась для широкополосного стана с неортодоксальной U-образной конфигурацией, когда черновая и чистовая группы клетей двигались параллельно друг другу в противоположных направлениях. Камера была создана как устройство для временного складирования полос между этапами черновой и чистовой прокатки. На заводе Lake Erie стан имел прямолинейную конфигурацию, но рулонная камера и в этом случае оказалась прекрасным техническим решением. Эта камера просто принимает горячую обжатую полосу в виде большого открытого рулона при ее выходе из черновой группы клетей. В этом случае охлаждение полосы не требует использования промежуточного рольганга. Кроме того, такой способ дает возможность сохранять тепло и поддерживать однородную по полосе температуру. Испытания прототипов этой камеры компания провела на полосовом стане горячей прокатки своего завода Hilton. Однако ввод в действие мощностей Lake Erie был отложен, и впервые рулонная камера Stelco была внедрена на австралийском предприятии Westernport.

Позднее рулонная камера Stelco получила широкое распространение в Западной Европе и Канаде, поскольку, помимо экономии энергии, эта технология обеспечивала повышение качества продукции в результате более однородного нагрева полосы. Это устройство оказалось идеальным решением в плане реконструкции устаревших прокатных станов первого поколения, и на его основе японские заводы разработали действительно непрерывные прокатные технологии.

Кроме того, рулонные камеры заложили основу для создания ряда прокатных станов пятого поколения. Такие компании как Trico (США), Saldanha (Южная Африка) и Siam Strip Mills (Таиланд) установили машины для литья "полуслябов" промежуточной толщины, соединенные с рулонными камерами. Литье более толстых слябов обеспечивало металлургические преимущества в результате улучшения ликвации, уменьшения образования окалины и более надежного температурного контроля. Именно таким образом процесс прямой прокатки адаптировал рулонную камеру технологий четвертого поколения для решения проблем прокатных станов пятого поколения. К 2000 году на различных заводах мира было установлено 43 рулонные камеры.

Тонко, но не рвется

Компания Schloemann-Siemag долгое время занималась разработкой способов снижения капитальных затрат и улучшения использования энергии применительно к технологии с рулонной камерой. Результатом этой деятельности стала промышленная технология литья тонких слябов, избавившая от необходимости использовать группы черновых клетей на станах горячей прокатки. Применение длинной туннельной печи вместо традиционной печи повторного нагрева обеспечивало осуществление литья и прокатки в непрерывной последовательности.

Технологии литья тонких слябов и прямой прокатки появились одновременно с оборудованием четвертого поколения – впервые об их создании было объявлено в 1980 году. Тем не менее, промышленное внедрение литья тонких слябов затянулось надолго – до 1989 года, когда Nucor ввела в действие первую такую линию на заводе Crawfordsville. Эта технология открывала относительно небольшим фирмам доступ в сектор проката листовой стали: ее применение не требует значительных начальных инвестиций. Успешное внедрение нового процесса стало поворотным пунктом в истории сталелитейной промышленности США. Аналогичные линии Nucor построила на заводах Hickman и Berkeley, а ее последователь Steel Dynamics внедрила эту технологию на своих предприятиях Butler и Gallatin.

Тем не менее, у прокатных заводов, которые выплавляли сталь в электродуговых печах, были серьезные проблемы с содержащейся в ломе медью и с поглощением азота в электродуговых печах. Ассортимент продукции был ограничен высокопрочной низколегированной (HSLA) сталью, а также средне- и низкоуглеродистыми категориями. Эти материалы предназначены для строительного сектора, а также для производства буферов, колес и прочих применений, где к качеству поверхности не предъявляют строгих требований. Таким образом, эти компании были ограничены довольно узким и весьма конкурентным сегментом рынка горячекатаной полосовой стали.

Традиционных европейских производителей эта проблема беспокоила значительно меньше. У Thyssen Krupp Stahl, кроме линии литья тонких слябов на заводе Bruckhausen, имеется четыре обычных полосовых стана. У Corus рядом с линией прямой прокатки на Ijmuiden функционирует полосовой стан второго поколения. Фактически для Corus и Thyssen Krupp эти линии пятого поколения были привлекательны только с точки зрения выпуска стали меньшей толщины. Небольшая мощность этого оборудования соответствовала их планам расширения посредством разработки новых категорий продукции для довольно вялого европейского рынка. Сегмент тонких горячекатаных полос идет на подъем значительно быстрее, однако их производство на обычных станах сопряжено с рядом технологических проблем, в частности, с ускоренным износом валков, повышенными нагрузками на оборудование и низкой скоростью ведения процесса.

Привлекательность сверхтонкого горячекатаного материала состоит в том, что в некоторых применениях его можно использовать вместо холоднокатаной стали и более толстых категорий горячекатаной, в частности, он представляет подходящую подложку для нанесения покрытий. Как у Corus, так и у Thyssen Krupp имеются кислородные конвертеры, и обе компании могут выплавлять высококачественную сталь со сверхнизким содержанием углерода. Обе используют ковшовые печи, что не только обеспечивает высокое качество металла, но и делает возможным введение кальция при достижении высоких температур, необходимых для литья тонких слябов. Как на немецком, так и на нидерландском заводах внедрены разнообразные инновации для улучшения качества поверхности, включая мощные окалиноломатели. Кроме того, на Ijmuiden установлена система сверхбыстрого охлаждения на коротком выходном рольганге, а вместо подпольных моталок используются карусельные, которые пригодны для полубесконечного наматывания тонкого материала. При этом, благодаря внедрению на заводе программного обеспечения одновременно контролируются мощность стана и процесс охлаждения.

Фактически именно оборудование Ijmuiden следует считать первым прокатным станом действительно пятого поколения, поскольку он исходно был сконструирован специально для полубесконечной прокатки сверхтонких и ферритных полос. В обычных полосовых станах горячей прокатки использованы периодические технологии, а линия, установленная на Ijmuiden, стала этапом перехода к безостановочному производству полосовой стали.

Полубесконечная прокатка требует равномерного нагрева сляба в туннельной печи, поскольку скорость выгрузки из чистовой группы клетей выше, чем скорость литья. В конечном счете повышение скорости прокатки ограничивается скоростью поставки сляба. Это требует применения либо сверхдлинного нагревающего туннеля, либо скоростного повторного нагрева, что сопряжено с обслуживанием дополнительной печи и соответствующим расходом топлива. На заводе Ijmuiden установлена туннельная печь длиной 330 м.

Кроме того, для полубесконечной прокатки требуется стабильное функционирование группы чистовых клетей. Приводные двигатели нельзя использовать обычным способом – с периодическими скачками мощности и последующим ее восстановлением до номинала. Необходимо обеспечивать надежность режима их длительного функционирования при расчетной мощности. В связи с этим на заводах Bruckhausen и Ijmuiden установлены приводы той же мощности, что и на станах непрерывной прокатки второго поколения.

Обе европейские линии осуществляют прокатку сверхтонких материалов в полубесконечном процессе. После исходной заправки первого рулона в карусельную моталку начинается этап вытяжки тонкой полосы, и скорость прокатки увеличивается, чтобы соответствовать последующему переключению с одного рулона на другой. Таким образом тонкую полосу можно подавать в моталку за счет натяжения, что исключает проблемы, сопряженные с начальной заправкой переднего края тонкого материала. Первый рулон должен быть с большей толщиной листа, а затем прокатывается тонкий материал. При этом, чтобы поддерживать температуру в аустенитной области, необходимо использовать высокую скорость прокатки (до 20 м/с).

Технологию прокатки ферритных полос разработала бельгийская компания CRM в 90-х годах. Для производства продукции этих категорий требуется включать этап быстрого охлаждения между группами черновых и чистовых клетей таким образом, чтобы черновая обжимка осуществлялась при аустенитной температуре, а чистовая прокатка – в ферритной области. Точное значение перепада температур зависит от концентрации углерода, но все эти материалы производят из стали со сверхнизким его содержанием. На Ijmuiden длина зоны быстрого охлаждения равна 10 м, этот участок расположен между второй и третьей клетями чистовой группы.

В результате ферритной прокатки получают мягкий технологичный материал. Существенно, что этот процесс не нарушает необходимой кристаллографической ориентации (текстуры) стали, наилучшим образом обеспечивающей хорошую формуемость. Таким образом, оборудование пятого поколения позволяет непосредственно при горячей прокатке производить категории сталей, которые раньше можно было получать только в традиционной последовательности этапов – литье толстых слябов, горячая прокатка, травление, холодная прокатка и отжиг.

Полоса – из ковша

Тем временем Nucor с партнерами по совместному предприятию Castrip LLC – австралийской компанией BHP и японской Ishikawajima-Harima Heavy Industries (IHI) – завершает отработку новой технологии Castrip. Старший партнер предприятия – компания Nucor, поскольку ею задействованы избыточные сталелитейные мощности собственного завода Crawfordsville, чтобы обеспечить металлом новую линию производительностью 500 тыс. т в год. Фактически Crawfordsville, на котором впервые была внедрена технология литья тонких слябов, становится испытательным полигоном для новых процессов.

Линия Castrip предназначена для непрерывного производства проката непосредственно из расплавленного металла. По существу в этом процессе осуществляется прямое литье расплавленной стали в полосы конечной формы и толщины без последующей горячей или холодной прокатки. Сталь сначала заливают в ковш, расположенный на турели, затем поднимают и поворачивают его так, чтобы он оказался над предварительно нагретым разливочным устройством. После заполнения устройства два робота помещают над валками нагретые жаропрочные сопла, а затем распределительное устройство устанавливают в нужное положение. Чтобы обеспечить ровные и чистые края полосы, с обеих сторон от валков помещают ограничивающие боковые пороги, изготовленные из жаропрочных материалов. Далее открывают шиберный затвор разливочного устройства, и расплавленная сталь поступает через распределитель в сопло, образовывая "лужицу" между охлаждаемыми водой вращающимися валками. Действие валков обеспечивает затвердевание жидкой стали и формирование полос. Полоса выходит из литейных валков через камеру, которая используется для предотвращения образования окалины и максимизации температуры полосы перед ее подачей на прокатный стан. На прокатном участке толщина полосы может быть уменьшена на 50%. После прокатки полосу охлаждают, режут по длине и сворачивают в рулоны.

Мощности линии Castrip дают возможность производить рулоны весом от 27,5 до 44 т; ширину полосы можно варьировать в интервале 925-1975 мм, а толщину – в пределах 7,5-20 мм (3/10-8/10 дюймов). Оборудование обеспечивает скорость литья до 150 м/мин. Такая листовая сталь пригодна для производства бытовых товаров, труб и упаковки. В строительстве эту продукцию можно использовать как кровельный или облицовочный материал. В настоящее время Nucor занимается оптимизацией экономической эффективности литья, прокатки, нанесения покрытий и производства сверхтонких материалов из различных категорий углеродистой и нержавеющей стали.

Внедрение этой технологии не требует крупных начальных инвестиций, для нее характерны низкие производственные затраты и энергоемкость. Таким образом, использование Castrip гарантирует рентабельность малосерийного производства. Следовательно, в будущем можно ожидать появления множества "микрозаводов", которые будут выпускать тонколистовую сталь, с объемами производства в двадцать раз меньшими, чем у интегрированных предприятий с доменными печами, и в восемь раз более низкими, чем у обычных "мини-заводов", выплавляющих сталь в электродуговых печах. При этом, исходные инвестиции для создания мощностей Castrip составляют не более 10% от капиталовложений, необходимых для строительства интегрированного завода, а сталь по новой технологии можно производить в двадцать раз быстрее. Разработчики утверждают, что себестоимость холоднокатаной листовой стали, произведенной с использованием Castrip, будет не более $200 на т в отличие от $300-310 на т в настоящее время. По мнению аналитиков, успешный промышленный дебют этой технологии окажется поворотным пунктом в истории сталелитейной промышленности США.

Галина Резник, по материалам
Metal Bulletin Monthly, AISE Steel Technologies

 
© агенство "Стандарт"