Непрерывная разливка стали: от идеи к промышленной реализации - Реферат

Незадолго до второй мировой войны непрерывная разливка металлов не имела практической реализации, и этот процесс был известен в основном только по патентной литературе. Однако в годы войны произошло существенное изменение в области разливки цветных металлов. За этот короткий срок классический способ разливки металла в изложницы был заменен непрерывной разливкой. Проведенные в годы войны пробные опыты по изучению целесообразности применения этого нового способа в области черной металлургии с учетом опыта непрерывной разливки цветных металлов не дали блестящих результатов вследствие особых материальных и экономических условий послевоенного времени. В настоящее время способ непрерывной разливки выдержал испытание и в области черной металлургии. Этот способ вытеснил разливку стали в изложницы и является основным при проектировании и строительстве новых заводов.

Возникновение разливки жидкой стали следует связывать с изобретением в 1856 году бессемеровского процесса, дающего возможность получать расплавленный металл сразу в больших количествах (первые бессемеровские конвертеры имели садку около 1 т). До бессемеровских конвертеров сталь получали в тиглях емкостью 25-35 кг. Работая над технологией получения стали в конвертере, Генри Бессемер сконструировал изложницу особой формы, устанавливаемую рядом с конвертером. Дном изложницы служила поверхность поршня гидравлического пресса, с помощью которого застывший слиток металла выталкивался из изложницы вверх.

Слитки, получаемые в результате разливки стали из ковша, отличались неоднородностью, наличием раковин и пустот, пленок и т.д. В результате разрабатывались различные приемы по предупреждению и уничтожению этих дефектов.

Работы по поиску способов устранения недостатков и повышения качества слитков проводились сразу же после изобретений Бессемера и Мартена. Началом научного изучения строения слитка принято считать первые металлографические работы Д.К. Чернова. С именем Дмитрия Константиновича Чернова связана целая эпоха в развитии металлургии. Его трудами («Материалы для изучения бессемерования» (1876), «Исследования, относящиеся до структуры литых стальных болванок» (1878), «Обобщения по поводу некоторых новых наблюдений при обработке стали» (1884)) были заложены научные основы сталелитейного дела.

Идея замены технологии разливки металлов в изложницы на непрерывную известна с середины XIX века. Так, в 1856 году Генри Бессемеру удалось получить стальной лист длиной около 1 м и толщиной около 1 мм. Для этого Бессемер использовал два одинаковых толстостенных валка большого диаметра (охлаждаемые внутри и снаружи), из которых один был снабжен с обеих сторон ребордами, закрывающими с боков щель между валками.
Металл заливали сверху в эту щель. С обеих сторон щели были расположены сглаживатели, за которыми следовали трубчатые брызгала, непосредственно охлаждавшие горячие валки. Валки вращались между войлочными сбрасывателями, которыми они охлаждались и сушились. Бессемер надеялся, что при применении валков диаметром 3,5 м можно будет отливать листы толщиной около 20 мм. Таким образом, он имел ясное представление о протекающих при этом методе тепловых процессах и был знаком с преимуществом охлаждения жидкого металла в щели между валками, однако он недооценивал чрезвычайно высокие напряжения, возникавшие при этом в поверхностных слоях валков.

При помощи первой разливочной машины, состоящей из двух вращающихся валков, где металл кристаллизовался, а затем подвергался деформации, Г. Бессемеру удалось получить короткую листовую полосу. Однако ему не удалось внедрить этот способ в практику производства. Следствием его начального успеха явилось стремление многочисленных исследователей использовать этот простой и дешевый способ разливки для производства заготовок, но до 1932 г. ни одно из многочисленных предложений не имело практического успеха. Лишь после того, как С.В. Хэзлитт в 1932 г. отрегулировал условия разливки в зависимости от вращающего момента валков, который в свою очередь зависит от степени затвердевания металла в щели между валками, был открыт путь для практического осуществления разливки металла во вращающиеся валки.

В своем первом патенте Хэзлитт отметил, что выходящая из валков заготовка не должна подвергаться деформации в них и соответственно этому должна иметь литую структуру; таким образом, он сознательно отделил процесс разливки от процесса прокатки. Чтобы управлять условиями кристаллизации в щели между валками, необходимо иметь возможность изменять скорость кристаллизации и положения фронта кристаллизации путем соответствующего регулирования температуры валков, уровня жидкого металла и температуры его разливки в зависимости от скорости этих валков. Специальными буртиками на валках литейная форма закрывается с боковых сторон.

В связи с тем, что края заготовки охлаждались сильнее и поэтому имели склонность к преждевременной кристаллизации, отвод и подвод тепла в этой области регулировали таким образом, что преждевременная кристаллизация не происходила и соблюдалось равномерное развитие кристаллизации по всей ширине щели между валками.

Однако к 1938 г. эксплуатация установок разливки с помощью вращающихся валков была прекращена. Как сообщал сам Хэзлитт, было чрезвычайно трудно предотвратить преждевременную кристаллизацию заготовки у краев валков, что обусловливало возникновение очень высокого давления на валки. Давление на валки достигало более 13 т. на сантиметр ширины ленты. Продолжительность срока службы валков была вполне удовлетворительной при разливке латуни, более или менее удовлетворительной при разливке меди и совершенно неудовлетворительной при разливке стали. Однако не удалось устранить самый главный недостаток – отсутствие однородности ленты. Хэзлитт считал очень трудным или даже невозможным осуществить в щели между валками сварку обоих слоев металла, закристаллизовавшегося на валках; кроме того, все сплавы содержали легкоплавкие компоненты, которые тем сильнее сегрегировали, чем больше было давление на валки и скорость разливки. По мнению Хэзлитта, этот способ не выдерживает конкуренции во многом из-за чрезвычайно высокой стоимости ремонта валков.

Во всех своих дальнейших изобретениях Хэзлитт исходил из общепринятой идеи, что разливаемый металл должен кристаллизоваться до определенной толщины на движущейся вместе с жидким металлом охлаждаемой поверхности и только после этого подвергаться деформации. Хотя он к этому и стремился в своих ранних предложениях, однако разделить процесс кристаллизации и процесс деформации в щели между валками практически не удавалось. Вероятно, это можно было бы осуществить при применении разливочных барабанов. Хэзлитт при этом пошел по двум направлениям. В одном случае внутренняя стена барабана должна была служить в качестве формовочной плиты, согласно второй конструкции, наружная стена барабана служит в качестве формовочной стенки, которая должна охлаждаться изнутри.
Согласно сообщению Хэзлитта, разливкой металла на наружную поверхность барабана можно получить складчатые ленты, которые характеризуются относительно небольшой сегрегацией. Ленты значительной толщины могут быть получены без заметной сегрегации путем заливки металла в барабан, однако при этом возникали довольно большие потери при удалении кромок. Хэзлитт надеялся устранить этот недостаток прежде всего путем лучшего распределения металла. Однако он отказался от этого способа и запатентовал машину для непрерывной разливки, формовочный канал которой, передвигающийся вместе с разливаемым металлом, образован из тонких бесконечных лент.

В то же время широко известна похожая конструкция машины для непрерывной разливки, предложенная М.Ф. Голдобиным в 1940 г. – за 9 лет до разработок С.В. Хэзлитта. Так, в газете «Труд» от 19.06.1941 г. в статье «Бесслитковая прокатка» сообщается: «В СССР существует машина для непрерывной разливки, сконструированная изобретателем тов. Голдобиным. Уже первый опытный образец этой машины дал при испытании вполне удовлетворительные результаты, хотя и выявились некоторые конструктивные дефекты. В настоящее время построена новая, более совершенная модель, которая в работе дает еще лучшие результаты». Прообраз машины непрерывного литья заготовок впервые в СССР заработал на Кузнецком металлургическом комбинате. Много лет на территории старого корпуса Сибирского государственного индустриального университета хранилась знаменитая голдобинская «гусеница».

Большую роль в реализации технологии непрерывной разливки стали в промышленных масштабах сыграл З. Юнганс. В большей степени Юнганс содействовал успешному применению непрерывной разливки на заводах цветной металлургии. Этим он создал фундамент для внедрения непрерывной разливки в черную металлургию. Без практических работ по усовершенствованию этих способов Юнгансом непрерывная разливка стали не вышла бы из стадии опытов. Внедрением непрерывной разливки Юнганс надеялся устранить необходимость применения дорогого обжимного оборудования и одновременно хотя бы в какой-то степени улучшить методы работы.

Первые опытные работы по непрерывной разливке были начаты в январе 1927 г. В этом же месяце была сделана первая патентная заявка на способ непрерывной разливки, по которой был выдан в 1930 г. немецкий патент. По сравнению с уже известными способами это предложение отличалось наличием уплотненного дна-затравки и одним введенным в кристаллизатор захватом. Изложница медленно заполнялась полностью жидким металлом и затем при отнятом днище изложницу также медленно поднимали, продолжая при этом заливать в нее металл. При первом опыте удалось получить заготовку длиной в несколько метров. Однако до 1931 г., несмотря на многочисленные усилия, большего достигнуть не удавалось.
В 1932 г. Юнганс создал свою первую опытную установку для непрерывной разливки латуни на заводе в Виллингене. При опытных работах были достигнуты такие успехи, что эту установку использовали для производства в промышленных масштабах круглых латунных болтов. Год спустя Юнганс изобрел способ для доливки жидкого металла во время непрерывной разливки металлических заготовок.

В основу многообразных вариантов был положен способ отливки металлических заготовок с применением охлаждаемых сверху и снизу открытых изложниц-кристаллизаторов, из которых вытягивается заготовка. Этот способ характеризуется тем, что жидкий металл заливают в изложницу при постоянной температуре и скорости, а охлаждение металла протекает таким образом, что он кристаллизуется по возможности полностью.
После войны Юнганс продолжал разработку ряда предложений по непрерывной разливке. При этом основное внимание уделялось им непрерывной разливке стали. При отливке стальных заготовок образовывалась очень глубокая усадочная раковина. Захват заготовки тянущими валками до того, как он затвердевал по всему сечению, приводил к образованию в нем внутренних трещин. Поэтому расстояние между кристаллизатором и тянущими валками должно определяться положением усадочной раковины. 8 марта 1949 г. Юнганс отлил первый стальной слиток.

Развитие процесса непрерывной разливки стали в СССР осуществлялось на базе ЦНИИчермета. Так в 1944 г. внутри Института металлургических проблем был образован Отдел непрерывной разливки (ОНРС), который возглавил М.С. Бойченко, а ближайшими его сподвижниками стали В.С. Рутес и В.В. Фульмахт. Директор ЦНИИчермета академик И.П. Бардин не только оказывал административную и научную поддержку становлению исследовательских работ по непрерывной разливке, но и в значительной мере способствовал внедрению процесса на металлургических предприятиях. Под руководством И.П. Бардина была проделана большая работа по созданию этого нового прогрессивного метода и доведению его до широкого промышленного внедрения.

Прорывным моментом в развитии этого направления стал ввод в эксплуатацию в 1953 г. в сталелитейном цехе Новотульского металлургического завода первой в стране многоцелевой вертикальной опытно-промышленной установки непрерывной разливки стали (УНРС). Эта установка, созданная по инициативе И.П. Бардина, стала базовым агрегатом для технологических разработок ЦНИИчермета, а в последующем и для других исследовательских организаций. Расположение УНРС в цехе, оснащенном сталеплавильными агрегатами трех типов (10-т мартеновская печь, 10-т кислородный конвертер с верхним и нижним дутьем, 3-т дуговая печь и камерный вакууматор) позволило проводить комплексные работы.

В 1959 г. на Новолипецком металлургическом комбинате был введен в эксплуатацию первый не только в стране, но и в мире электросталеплавильный цех, где весь выплавляемый металл разливался непрерывным способом. На двухручьевой вертикальной УНРС при участии бригады сотрудников ЦНИИчермета была освоена разливка 100-т плавок на слябы шириной до 900 мм из различных, в том числе электротехнических, сталей. В дальнейшем при пуске конвертерных цехов Новолипецкий комбинат стал первым в мире предприятием, где весь выплавляемый металл разливался только на установках непрерывного литья.

Промышленная реализация непрерывной разливки стали существенно изменила структуру сталеплавильного и прокатного производства, способствуя развитию средств контроля и автоматизации, повышению культуры производства.

К сожалению, в настоящее время следует отметить общее отставание России в темпах освоения непрерывной разливки в сталеплавильном производстве. К началу 1990-х годов в Советском Союзе, занимавшем в то время первое место в мире по производству стали, доля непрерывной разливки не превышала 20 %. В настоящее время при общем сокращении производства стали, несмотря на ввод в эксплуатацию ряда МНЛЗ, приобретенных по импорту (ОАО «Северсталь», НЛМК, «Мечел», НТМК и другие предприятия), доля непрерывной разливки в Российской Федерации менее 70 %. В то время как в развитых странах она составляет 90-96 %.