ПРИ РЕШЕНИИ ВОПРОСОВ ТЕХНИЧЕСКОГО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОИЗВОДСТВА ПРЕДУСМОТРЕТЬ:
ПО ТЕXНОЛОГИИ - ШИРОКОЕ ВНЕДРЕНИЕ ПРОГРЕССИВНЫХ, ОСОБЕННО НЕПРЕРЫВНЫХ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ.
(Из проекта Директив XXIV съезда КПСС.)
Всесоюзный ордена Ленина научно-исследовательский, и проектно-конструкторский институт металлургического машиностроения (ВНИИМЕТМАШ) - один из ведущих мировых центров по разработке новых технологических процессов обработки металлов давлением, по созданию прокатных, и трубных станов, мощных кузнечно-прессовых машин и машин доменного, и сталеплавильного производства.
В последние годы ученые и инженеры ВНИИМЕТМАШ усиленно трудятся, в частности над проблемами перестройки металлургического цикла, решение которых откроет перспективу резкого повышения производительности труда, улучшения качества металлов, и их использования в народном хозяйстве.
О работах института в этой области, о создании ряда промышленных и опытных агрегатов нашему корреспонденту В. Евгеньеву рассказал директор ВНИИМЕТМАШ, Герой Социалистического Труда, лауреат Ленинской, и Государственных премий СССР, академик Александр Иванович Целиков.
ВЫХОД ГОДНОГО
Если бы сегодня пришлось составлять «металлическую» табель о рангах, первые места в ней по справедливости следовало бы отдать железу и его сплавам - стали, и чугуну. Технический прогресс пока, что вообще немыслим без постоянного развития производства железа, этого, по выражению В. И. Ленина, «одного из главных продуктов современной промышленности, одною из фундаментов. цивилизации»
Хотя в последнее время все интенсивнее ведутся поиски самых разнообразных материалов с особыми свойствами, в которых прежде всего нуждается новая техника, хотя сделан огромный шаг вперед в получении и использовании полимеров, ни один мало-мальски серьезный фантаст, не говоря уже об ученых, не возьмется предсказать даже в отдаленном будущем замену металлов другими материалами.
За последние два десятилетия в машиностроении начали применяться многие новые металлы, производство которых ранее не было развито. Это прежде всего жаропрочные металлы - вольфрам, молибден, титан, металлы атомной энергетики, новые виды легких сплавов. В связи с увеличением скоростей летательных аппаратов большое распространение в ближайшие годы должны получить сплавы повышенной жаропрочности - ниобиевые, танталовые, циркониевые, и др. По объему производства второе место после стали прочно занял алюминий, которого в земной коре около 8 процентов - почти в 2 раза больше, чем железа. Темпы развития алюминиевой промышленности за последние годы примерно в 2 раза выше, чем сталеплавильной. Если мировое производство стали к 2000 году, как ожидается, увеличится приблизительно вдвое и достигнет 1 - 1,2 миллиарда тонн, то мировое производство алюминия уже к 1980 году возрастет в 3 - 4 раза, и составит примерно 17 - 22 миллиона тонн. Отсюда можно сделать вывод, что развитие производства металлов и их самых разнообразных сплавов будет, и в дальнейшем одной из основ научно-технической революции.
Наша страна еще в начале восьмой пятилетки перешагнула рубеж годовой выплавки стали в 100 миллионов тонн. Это поистине грандиозная цифра. Если учесть, что во всем мире ежегодно выплавляется немногим более 500 миллионов тонн стали, то получается, что по меньшей мере каждая пятая тонна - наша!
К концу прошлого года по стране было произведено 116 миллионов тонн стали, 92,4 миллиона тонн проката.
Стремительные темпы научно-технического прогресса, охватившего буквально все отрасли народного хозяйства, требуют все больше и больше металла. И придется серьезно потрудиться, чтобы довести производство металла до такого уровня, когда нужда в нем будет полностью удовлетворена.
Естественно, главный путь решения этой задачи - наращивание мощностей новых металлургических агрегатов, то есть строительство доменных печей, конвертеров, пуск новых, и новых прокатных станов (производительность наиболее мощных из них уже достигает 6 миллионов тонн в год).
Но есть еще и другие возможности увеличения количества выпускаемого металла.
Они не только не исключают необходимости роста производительности металлургических агрегатов, а, наоборот, делают его более эффективным.
В любой отрасли промышленности, в том числе, и в металлургии, существует такой важнейший технико-экономический показатель, как «выход годного». Для каждого технологического процесса этот показатель есть не, что иное, как отношение количества (веса) продукции, полученной «на выходе» процесса, к весу заготовок (сырья, материалов), подаваемых на его «вход»
Так вот, мировой статистикой установлено, что из каждых 100 тонн выплавленной стали только 80 тонн может быть подано в прокатный стан. Иными словами, выход годного при сталеплавильном переделе составляет 80 процентов. 20 тонн отходов - это донная и прибыльная части слитков, потери на угар. Однако потери не исчерпываются с получением слитков. После прокатки недосчитывается 20 процентов металла, поступающего в стан. Это главным образом концевая обрезь (так прокатчики именуют концы введенной в стан заготовки), а также потери на угар при нагреве перед прокаткой, и во время прокатки. В результате из первоначальных 100 тонн стали за ворота металлургического завода в виде готового проката вывозится лишь около 65 тонн. А ведь не ставшие годной продукцией 35 тонн металла - это количество, которого бы хватило примерно на десять мощных тракторов, или на пятьдесят «Москвичей», или больше чем на триста холодильников.
Как металлурги, так и прокатчики бессильны сколь-нибудь существенно уменьшить отходы, присущие самой технологии. Для повышения выхода годного требуется коренная перестройка металлургического цикла
Но даже те 65 тонн, которые поступают, казалось бы, в полное распоряжение машиностроителя, конструктора, по качеству далеко не идеальны. Около четверти получаемого металла приходится омертвлять в изготовляемых машинах в виде запаса прочности, расплачиваясь за неоднородность структуры металла, и его загрязненность различными примесями.
Вот, и получается, что примерно лишь половина выплавленной стали несет полноценную службу.
Чтобы повысить чистоту металла, в последние годы металлурги приняли на вооружение внепечное вакуумирование и обработку стали синтетическими шлаками, применяют новые методы рафинирования стали путем вакуумно-дугового, электрошлакового, электроннолучевого, и плазменно-дугового переплавов. Но забота о чистоте металла-только одна сторона проблемы. Улучшению его структуры способствует главным образом обработка давлением и, в частности, прокатка.
ГЛАВНОЕ ДОСТОИНСТВО - НЕПРЕРЫВНОСТЬ
Литой металл застывает не сплошной массой, а отдельными кристаллами. При отливке крупных заготовок кристаллы образуют так называемую дендритную структуру. При увеличении она похожа на сцепленные между собой елочки. Чем крупнее кристаллы, тем металл более хрупок. Если даже невооруженным глазом взглянуть на излом литого металла, то среди блестящих зерен - скоплений кристаллов - нередко можно обнаружить пустоты (пузыри, образовавшиеся от попадания в расплав воздуха, газов), раковины, засоры, запутавшиеся частицы шлака, пленки окислов, и другие дефекты.
При прокатке кристаллы дробятся, удлиняются, вытягиваются в волокна. Исчезают многие дефекты структуры. Излом прокатанного изделия уже не блестит, он серый. Как бесчисленные нити, спаянные воедино, ершатся по его поверхности скопления обрывов мелких волокон. Сталь становится более однородной, более прочной. А прочнее - значит, и легче, поскольку такой же объем металла выдерживает большие нагрузки. (Кто хоть раз бывал в Ленинграде, обязательно запомнит знаменитые мосты через Неву. Сравните только два из них лейтенанта Шмидта, и Литейный. Конструкции первого отлиты из чугуна (по названию можно предположить обратное) - мощные балки, при одном взгляде на которые почти физически ощущаешь их огромную тяжесть. А невдалеке ажурной паутиной кажутся фермы Литейного моста. Они из проката, а потому в несколько раз тоньше, и в десятки раз легче. И лишь литые решетки перил призваны оправдать название «Литейный»)
Что касается отходов, то они в большинстве своем достались прокатному производству в «наследство» от предшествующих переделов металлургического цикла. Даже в таких потерях, как концевая обрезь, которые на первый взгляд присущи именно прокатке, в действительности «виновна» периодичность получения, и подачи слитков в прокатный стан, то есть периодичность процесса разливки, противоречащая непрерывному характеру прокатки.
Именно непрерывность - одно из главных достоинств прокатки, которое выгодно отличает ее от других видов обработки металлов давлением. Непрерывность не только способствует повышению качества продукции, но, и уменьшает время ее изготовления. По производительности непрерывные процессы вне конкуренции. К тому же они немыслимы без широкого использования средств механизации, и автоматизации. Прокатные станы, будучи, по сути дела, первыми поточными линиями, еще в прошлом веке выделялись среди другого заводского оборудования уровнем механизации, и автоматизации. Вот почему именно они представали перед людьми того времени, как прообразы машин будущего.
«Огромный брусок раскаленного металла проходил через целый ряд станков, катясь от одного к другому по валикам, которые вращались под полом, виднеясь на его поверхности только самой верхней своей частью. Брусок втискивался в отверстие, образуемое двумя стальными, вертевшимися в разные стороны цилиндрами, и пролезал между ними, заставляя их раздаваться, и дрожать от напряжения. Дальше его ждал станок с еще меньшим отверстием между цилиндрами. Кусок стали делался после каждого станка все тоньше, и длиннее и, несколько раз перебежав рельсопрокатку взад, и вперед, принимал мало-помалу форму десятисаженного красного рельса. Сложным движением пятнадцати станков управлял всего один человек, помещавшийся над паровой машиной, на возвышении вроде капитанского мостика. Он двигал рукоятку вперед, и все цилиндры, и валики начинали вертеться в одну сторону; двигал ее назад -, и цилиндры, и валики вертелись в обратную сторону. Когда рельс окончательно вытягивался, круглая пила, оглушительно визжа, и сыпля фонтаном золотых искр, разрезала его на три части». Таким увидел рельсопрокатный стан Александр Иванович Куприн, описавший его в своей известной повести «Молох»
БЕССЕМЕР «УЛАЖИВАЕТ» КОНФЛИКТ
Прокатка словно бы самой природой создана для изготовления массовой продукции. Недаром ее первые шаги, относящиеся еще к XV - XVI векам, были связаны с монетным производством - самым массовым по тому времени. Золотой же век прокатки открылся лишь спустя лет триста, с появлением паровоза.
Железнодорожному транспорту суждено было стать первым действительно массовым потребителем проката. Рельсопрокатные станы начинают лихорадочно строить во многих странах, в том числе, и в России.
Рельсы требовались возможно большей длины. Прокатать в принципе можно было любой рельс, хоть бесконечный. Но где было взять нужный слиток? Сталь варили в маломощных кричных, и пудлинговых печах. Чтобы получить даже пятиметровый рельс, приходилось идти на хитрость, которая, естественно, била по производительности стана несколько криц сваривали между собой, прокатывали получившиеся полосы, снова сваривали, затем после повторного нагрева их опять прокатывали.
Конфликт между железоделательной технологией, и прокатным переделом был на время улажен Бессемером, когда он, отыскивая способ получения огромного слитка для изготовления орудийных стволов, построил первый конвертер (1855 год).
Но слитки в сотни пудов нужно было приблизить по форме, и размерам к конечному продукту - профилю или листу. Появились заготовочные, или, как еще говорят, обжимные, станы - блюминги, и слябинги. Чтобы наверстать производительность, создали станы трио - с тремя валками. Если раньше металл пропускали между двумя валками только в одну сторону, то в станах трио полоса сначала шла в одну сторону между средним, и верхним валками, а затем возвращалась между валками средним, и нижним.
Прокатку всячески старались приспособить к периодичности сталеварения. До поры до времени так было проще, хотя, казалось бы, логичней было делать наоборот. Ведь из трех основных звеньев металлургического цикла - доменного, сталеплавильного, и прокатного - лишь сталеплавильный передел осуществлялся в агрегатах периодического действия - конвертерах, мартеновских, и электросталеплавильных печах. Доменный передел (не говоря уже о прокатном) отличается непрерывностью процессов непрерывно загружается в доменную печь шихта и, постепенно опускаясь все ниже, и ниже, превращается в чугун, время от времени выпускаемый наружу.
И хотя многолетние усилия мировой науки, и техники привели к значительному прогрессу в конструировании всевозможных прокатных станов, модернизации самого технологического процесса, тем не менее все это не устранило противоречивости в характере переделов, составляющих единый металлургический цикл, не решило задачи полного использования возможностей процесса прокатки.
Сегодня прокат нужен всюду на транспорте, в промышленности, в строительстве, и даже в сельском хозяйстве. Напомню, что только готового проката в 1970 году у нас было произведено более 80 миллионов тонн. Это значит, что львиная доля всей выплавленной стали (116 миллионов тонн!) прошла через прокатные станы.
Чтобы удовлетворить спрос на прокат, приходится использовать слитки все большего веса, а это приводит к созданию все более мощных станов. Достаточно сказать, что современный блюминг или слябинг потребляет столько же энергии, сколько нужно ее целому городу.
Дальнейшее наращивание производительности прокатки тормозится периодичностью подачи слитков, периодичностью работы нагревательных колодцев, где вынутые из изложниц слитки вновь подогреваются перед прокаткой, и г. д., и т. п. Сдерживается и рост выхода годного, о чем уже шла речь.
БЕСКОНЕЧНЫЙ СЛИТОК
Рано или поздно существующая технология должна была оказаться в тупике, выход из которого следовало искать только в реконструкции металлургического цикла. Первый шаг в этом направлении был сделан с появлением МЫЛ - машин непрерывного литья (сначала для алюминия, и меди, а затем и для стали - МНЛС).
Идеи непрерывного литья, или, как иногда говорят, непрерывной разливки, что называется, витали в воздухе еще с начала века. Немало патентов, взятых в различных странах, ждало своего часа. В конце сороковых годов этот час пробил.
Металлурги, работавшие над созданием новой технологии, не могли не отдать дани традиционным представлениям о разливке металла. Казалось само собой разумеющимся, что она должна быть вертикальной, как это было всегда, когда сталь разливалась в изложницы. Только вместо изложниц в МНЛС использовали водо-охлаждаемый (с медными стенками) вертикально расположенный кристаллизатор. Поступая в него, металл кристаллизуется. Образующиеся корочки начинают скользить по стенкам кристаллизатора, и таким образом металл постепенно застывает в виде бесконечного слитка. В конце МНЛС устанавливают ножницы или газовый резак, при помощи которых от слитка отрезают куски нужной длины - заготовки, в дальнейшем идущие в прокатный стан.
С применением МНЛС отпадает нужда в изложницах и всевозможных сооружениях, так или иначе связанных с ними, исчезают нагревательные колодцы, сокращаются коммуникации. Ничто не мешает тому, чтобы отливать заготовки, максимально близкие по размерам к будущему прокату - листу или профилю. Сокращаются эксплуатационные расходы, и значительно повышается выход годного.
Согласитесь, не так уж часто бывает, чтобы одновременно со снижением стоимости изделия повышалось его качество. Но именно это произошло со сталью. Непрерывное литье устранило, пожалуй, наиболее неприятное последствие традиционного сталеплавильного передела зональную химическую неоднородность металла. А ведь именно неоднородность является одной из причин неполноценного использования стали - принятия в расчетах больших запасов прочности. Ударная вязкость листовой стали, полученной из слябов, отлитых непрерывным способом, как правило, выше, чем у такой же стали, но полученной обычным путем. Но самое главное - это более равномерное распределение физико-механических свойств по объему прокатанного изделия.
Экономику внедрения непрерывного литья в промышленность можно охарактеризовать следующим примером. На Ново-Липецком металлургическом заводе, первом в мировой практике, где выплавляемая сталь разливается только на МНЛС, нет обжимных станов. Между тем литые заготовки не уступают слябам по качеству и даже превосходят их по точности геометрических размеров. Затраты на 1 тонну металла здесь меньше, чем на таких гигантах, как «Запорожсталь», Кузнецкий металлургический комбинат.
Сегодня можно с полной уверенностью сказать, что разливка металла в изложницы при массовом производстве слитков одного размера - процесс отживающий. Во всех случаях она должна заменяться непрерывным литьем. За короткое время мощности МНЛС возросли в мире почти до 40 миллионов тонн.
Большая заслуга в разработке этого процесса принадлежит Советскому Союзу и, в частности, Центральному научно-исследовательскому институту черной металлургии имени И. П. Бардина. Интересно, что именно на основе нашего опыта в Западной Европе, США, и Японии приступили к строительству МНЛС. Например, в США до 1962 года не было построено ни одной такой машины. Сооружение их началось лишь после того, как в СССР была на практике доказана рентабельность производства заготовочных профилей методом непрерывного литья.
Дальнейшее наращивание производства стали будет происходить у нас в основном этим способом.
Создание и внедрение МНЛС - очень серьезный этап в техническом перевооружении металлургии. Но преимущества непрерывного литья могут проявиться в полной мере лишь при непрерывности всего процесса в целом - от жидкого металла до готового проката. Это мечта металлургов.
ПРЕИМУЩЕСТВА СОВМЕЩЕНИЯ
На эмблеме нашего института - ковш с льющейся из него алой струей, расплавленной стали, которая утоняется, попадая в валки символическое изображение совмещенного процесса непрерывного литья металла, и прокатки.
Над этой большой проблемой работают многие коллективы прокатчиков и металлургов, и в нашей стране, и за рубежом. Удачное ее решение сулит дополнительные, и притом немалые выгоды.
Поскольку в стан должен попадать металл, который только, что был жидким и-еще не успел, как следует остыть, то совсем немного тепла нужно для того, чтобы сделать его пластичным, податливым, то есть пригодным для прокатки. Это не только экономия энергии, топлива, самого металла (меньше потери на угар). Не нужны печи и другие нагревательные устройства, не требуются склады заготовок, предназначенных для прокатки. А ведь на занимаемые ими помещения приходится почти половина всех производственных площадей современных прокатных цехов, которые можно смело причислить к наиболее грандиозным промышленным сооружениям (они располагаются на площадях, исчисляемых сотнями тысяч квадратных метров!).
Если прокатный стан встраивается в одну линию с машиной непрерывного литья, уже не нужны две операции резки сначала на МНЛС слитка на заготовки, а потом еще, и готового профиля после прокатки. Достаточно одних ножниц на выходе прокатного стана. Ликвидация одной резки - источник дополнительной экономии металла. Концевая обрезь идет не с каждого куска, а лишь дважды - в начале и конце «бесконечного» слитка. Нет резки, не нужны, и сложные механические устройства для уборки литых заготовок (после разрезки), а также для загрузки их в прокатный стан.
Расчеты показывают, что уменьшение отходов разительно даже по сравнению с прокаткой из непрерывно литых заготовок (например, концевой обрези меньше в 4 - 5 раз), а по сравнению с прокаткой обычных слитков эти же отходы уменьшаются чуть ли не в 20 раз! Впечатляет и снижение стоимости готового проката. Разница достигает в среднем 10 рублей за тонну.
Несложный арифметический подсчет показывает, что при выпуске проката, измеряемом десятками миллионов тонн, ежегодная экономия от совмещения литья с прокаткой составит сотни миллионов рублей. Прибавьте к этому эффект от сокращения обслуживающего персонала, от полной автоматизации совмещенного процесса.
Подробное перечисление всех преимуществ, которые сулит совмещение литья с прокаткой, заняло бы слишком много места. Но два обстоятельства необходимо подчеркнуть. Речь идет об улучшении качества проката вследствие того, что прокатка ведется сразу после разливки, и почти не успевает произойти остывание слитка, и о том, что непрерывность процесса - от жидкого металла до прокатанного изделия - увеличит производительность труда.
СНАЧАЛА АЛЮМИНИЙ И МЕДЬ
Рисунок, и описание первого прокатного стана были сделаны Леонардо да Винчи, который прокатывал на нем полоски из олова. На протяжении почти трех веков прокатке подвергали только те металлы, которые достаточно легко сплющиваются и без нагрева олово, свинец, медь, латунь, золото. Лишь в конце XVIII века кому-то пришла в голову счастливая мысль нагревать металл перед прокаткой, отчего он становился мягче, и легко поддавался обработке. Это открыло широкую дорогу применения прокатки для обработки железа и стали.
При освоении совмещенного процесса непрерывного литья, и прокатки наш институт сначала уделил основное внимание цветным металлам. Так удалось проложить дорогу единому «стальному» процессу - от жидкого металла до готового проката.
Еще с 1961 года в Советском Союзе начали успешно действовать созданные институтом агрегаты, в которых жидкий алюминий прокатывается в проволоку. В состав такого агрегата, фактически полностью автоматизированного, входят плавильная печь, движущийся кристаллизатор в виде колеса с желобом, обтянутым стальной лентой, прокатный стан, и моталка, сматывающая в бунты летящую со скоростью до 10 метров в секунду бесконечную нить катанки. 30 тысяч тонн семимиллиметровой проволоки в год - такова производительность агрегата. В 1970 году аналогичный агрегат был пущен также, и для медной проволоки. Поступление готовой проволоки не ограничивает здесь массу бунтов, она в 10 - 20 раз больше, чем на обычных станах. Это упрощает дальнейшую обработку проволоки на волочильных станах. Сейчас уже несколько таких агрегатов успешно работает на ряде заводов, и начато их серийное производство.
Движущийся вместе с жидким металлом кристаллизатор был применен, и в агрегате, созданном для производства алюминиевого листа. Только конструкция его совершенно иная. Полоса образуется между стальными лентами двух транспортеров, синхронно плывущими одна под другой, причем нижняя лента несет на себе элементы наподобие гусеничных траков. Они формуют полосу по ширине, не давая металлу стекать в стороны. Скорости, с которой полоса выходит из кристаллизатора, вполне достаточно, чтобы она (полоса) могла «угнаться» за скоростью прокатки. Поэтому тут же на выходе полоса попадает в валки прокатного стана.
Такие агрегаты особенно выгодно устанавливать непосредственно на заводах, производящих алюминий, а не перерабатывающих его. Благодаря этому используется расплавленный алюминий из электролизных ванн, и тем самым исключается операция отливки чушек, и их последующего плавления.
Однако цветные металлы предъявляют конструкторам менее жесткие условия в отношении режимов обработки, нежели сталь. Попытки при создании «стального» литейно-прокатного агрегата целиком заимствовать решения, найденные для алюминия, и меди, были заранее обречены на неудачу.
НЕСООТВЕТСТВИЕ СКОРОСТЕЙ
Главная трудность, с которой столкнулись при попытке создать совмещенный процесс, заключалась в несоответствии скоростей литья стали, и ее прокатки.
Скорость, с которой движется обрабатываемый металл в современном прокатном стане, обычно принято сравнивать со скоростью экспресса.
Скорость литья в сотни раз меньше, и именно оно в совмещенном процессе, как бы тормозит прокатку. Правда, подобно тому, как поезд, трогаясь с места, постепенно набирает скорость, заготовка в прокатном стане тоже постепенно, по мере увеличения деформации, убыстряет свой бег от первой клети ко второй, затем к третьей, и т. д. Скорость входа заготовки, например, в первую клеть современного проволочного стана составляет 8 - 15 метров в минуту. Это уже ближе к скорости литья. Ближе, но все-таки в несколько раз больше. Поэтому подключать МНЛС к прокатному стану все равно оказывается невыгодным.
В условиях большого металлургического завода при установке, допустим, современного непрерывного широкополосного стана с производительностью 5 - 8 миллионов тонн в год для отливки необходимого количества слябов потребовалось бы более десяти кристаллизаторов. Но, может быть, это, и есть самое простое решение?
Представим себе, что целый ряд МНЛС питает один прокатный стан. Словно множество параллельных путей крупной железнодорожной станции сходится в конце концов в одну магистраль. Литые полосы разрезаются на куски возможно большей длины, и один за другим переводятся с параллельных на «главный путь», занимаемый станом. Только перед входом в первую клеть их подогревают.
Все же в таком исполнении, если бы его осуществить, растворились бы некоторые преимущества совмещенного процесса. Оборудование не отличалось бы компактностью, потребовалась бы синхронизация движения полос, стремящихся поскорее попасть на «главный путь»
Решение, по всей вероятности, следовало искать на основе компромисса между скоростями литья, и прокатки.
На агрегат для совмещенного процесса литья, и прокатки нельзя смотреть, как на обычный прокатный стан. Во всяком случае, новое качество, присущее объединенному процессу, вовсе не предполагает сохранения количественных параметров каждого из объединяемых процессов. Новый процесс имеет, и новые, только ему свойственные параметры.
Такая постановка задачи, и стала основой для создания более совершенного способа совмещения, когда прокатный стан не просто подключается к МНЛС, а также, как, и последняя, является частью единого агрегата. В нем слиток из МНЛС поступает прямо в валки, без разрезки, так же, как этого удалось достичь в агрегатах для цветных металлов. Но в отличие от последних нельзя было использовать, какую-либо из существующих конструкций прокатных станов. Нужно было разработать новую конструкцию, учитывающую особенности совмещенного процесса.
РЕЗЕРВЫ ЛИТЬЯ
Само собой разумеется, в новом агрегате нельзя обойтись без повышения скорости литья металла. Чтобы понять, как это сделать, внимательно присмотримся к технологическому процессу на первых МНЛС, в которых литье вели по традиции вертикально.
Матово поблескивающая тяжелая струя, в ореоле золотых искр падающая из ковша, устремляется в промежуточную емкость, которая, если хотите, играет роль воронки. Будучи отцентрирована в ней, струя попадает в кристаллизатор. В его медных стенках циркулирует охлаждающая вода. Металл, соприкасаясь с кристаллизатором, застывает сначала по периметру - образуется корочка слитка, внутри которого, как в оболочке, металл сохраняет жидкое состояние. Миновав кристаллизатор, а вслед за ним зону вторичного охлаждения, где слиток обильно поливается водой из душей - форсунок, он подхватывается тянущими валками, отвечающими за его дальнейшее движение. Теперь, как будто в нашей власти поднять скорость перемещения слитка до величины, нужной, чтобы «состыковать» литейный процесс с прокаткой.
Однако на деле при повышении скорости корочка начинает рваться, на слитке образуются трещины. При более интенсивном охлаждении у слитка появляется другой враг - усадка. Термические напряжения, возникающие из-за слишком большой разницы температур по сечению слитка, тоже могут вызвать разрыв в застывшем металле.
К образованию трещин ведет, и трение корочек слитка о стенки кристаллизатора. Для устранения этой неприятности, как будто есть готовое решение. Вспомните в агрегатах для цветных металлов кристаллизатор двигается вместе со слитком. Схему, в которой кристаллизатор образуется двумя движущимися лентами транспортеров, выполненными в виде траков, пытались использовать и для стали. В этом случае скорость движения слитка удалось бы повысить почти до 10 метров в минуту. Но увы. Было проведено много исследований, которые показали, что жидкая сталь проникает в любые щели между «траками» ленты. Под действием расплавленного металла происходит разгар щелей, а сама полоса выходит со «шпорами», как образно назвали прокатчики следы от ее затекания в щели, и опять же с трещинами в местах «шпор». Этот порок так и не удалось одолеть. Названная скорость литья осталась еще нереализованной.
Выход пытались искать не только в изменении условий охлаждения, и движения слитка, но и в его геометрии. Наименьшее время застывания будет у слитков с наибольшей поверхностью, в частности у плоских слитков.
В первых МНЛС металл вертикально проходил через все фазы своих превращений (вплоть до разрезки на мерные заготовки под прокатку). Вертикальная машина, помимо уже отмеченных чисто традиционных моментов, привлекала своей простотой. Кристаллизация по сечению протекала симметрично. Не возникало опасений в отношении неравномерности застывания. Но по высоте такие машины достигают нескольких десятков метров. Отсюда, и немалые капитальные затраты.
Логика развития нового процесса привела к созданию машин криволинейного типа, которые к тому же легче привязывались к непрерывному процессу с прокаткой, чего никак нельзя сказать о литье в вертикальных машинах.
В случае машин криволинейного типа жидкая сталь поступает в изогнутый кристаллизатор, а ее застывание происходит по дуге окружности. В нижней части дуги, после зоны вторичного охлаждения, слиток подхватывается валками правильно-тянущей машины и дальнейшее его перемещение происходит по горизонтали, как, и прокатка. Радиус окружности выбирают таким, чтобы к моменту перехода слитка в горизонтальное положение его кристаллизация успела бы завершиться. Ведь основное условие получения полноценного слитка состоит в том, чтобы, как-нибудь случайно не повредить дендритов его нарождающейся структуры. Вот, когда она полностью сформировалась, слиток можно править и подавать в прокатный стан.
Итак, слиток входит в правильно-тянущую машину, где его выпрямляют. Кроме того, отсюда в кристаллизатор перед началом литья вводят криволинейный брус - затравку, которая образует дно начальной части слитка. Когда начнется литье, затравку используют, как средство для вытягивания слитка из кристаллизатора. После того, как затравка выполнит свою задачу, ее отводят на «запасный путь», помещающийся на продолжении окружности, а слиток двигается по горизонтальному рольгангу.
Именно такая машина для получения слябов была изготовлена на опытном заводе нашего института, и смонтирована на металлургическом заводе в г. Рустави. Еще в 1966 году на ней было освоено литье из ковша емкостью 200 тонн со скоростью больше метра в минуту. Этот опыт пригодился впоследствии, когда началось проектирование первых литейно-прокатных станов.
КАКОЙ ДОЛЖНА СТАТЬ ПРОКАТКА!
До сих пор речь шла об увеличении скорости литья. Ну, а на, какие «уступки» может пойти прокатка в снижении своей скорости?
Проблема, стоявшая перед конструкторами нового стана, в нескольких словах сводилась к следующему создать условия для обжатия заготовки, большего, чем в существующих станах, но производимого с меньшей скоростью.
С этой целью институтом разработан принципиально новый планетарный стан.
В его клети металл обжимался не только по высоте сечения, но и по его ширине. Поэтому, кроме горизонтальных, в клети появились еще вертикально расположенные валки.
Этот планетарный стан, состоящий всего из двух клетей - черновой, и чистовой, в состоянии выполнить ту же задачу по обжатию заготовки, что и обычный стан с двенадцатью клетями.
Литейно-прокатный агрегат, в составе которого имеется такой стан, работает уже несколько лет. На нем отливали, например, полосу сечением 40X30 миллиметров, которую затем в один проход с индукционным подогревом успешно прокатывали в заготовку сечением 8л8 миллиметров; далее на трех клетях получали проволоку диаметром 6 миллиметров. При исследовании образцов этой проволоки не было обнаружено, каких-либо разрывов; усадочные раковины, образующиеся во время кристаллизации слитка, полностью заваривались при дальнейшей прокатке. В результате механические свойства проволоки оказались более высокими, чем при прокатке по обычной схеме.
В нашей стране ежегодно выпускается около 15 миллионов тонн труб. Значительную долю их составляют бесшовные трубы, использующиеся для наиболее ответственных целей.
К качеству поверхности, и плотности центральной зоны заготовок для бесшовных труб из-за специфических условий деформации при поперечно-винтовой прокатке предъявляются повышенные требования.
Круглые трубные заготовки обычно получали при прокатке на заготовочных станах слитков квадратного или прямоугольного сечения. Однако лишний передел влечет за собой потери металла и дополнительные эксплуатационные расходы.
А если, и для получения заготовок бесшовных труб применить совмещенный процесс литья с прокаткой?
Трубная заготовка не слишком тонкая, но и не слишком толстая. Она застывает не столь быстро, и не требует большого обжатия. Сложный планетарный стан здесь не нужен. Поэтому для опытного литейно-прокатного стана, предназначенного для производства трубных заготовок, была избрана клеть, в которой три валка расположены под углом 120° один к другому. Конструкция такой клети хотя и несколько сложнее двухвалковой, но компактней ее, и легче, удобней в эксплуатации. Главнейшее же ее преимущество - почти всесторонняя деформация прокатываемого металла, которая обеспечивает при одинаковых затратах энергии гораздо большую вытяжку, чем в двухвалковой клети. Сечение слитка, как уже говорилось, по своим размерам должно быть, как можно ближе к сечению готового проката. В этом случае меньше энергии будет затрачено на деформацию, можно будет сделать короче стан, выстроив в ряд меньше клетей.
Среди многих возможных сечений слитка наилучшим было признано трефовидное сечение. Оно отлично вписывалось в трех валковую клеть. Усадочные напряжения в корке «трефа» меньше, чем у квадрата, круга, многогранника. Время затвердевания трефовидного слитка тоже сокращается, так, как расстояние от середины его граней до центра меньше, чем при сечении иной формы, а время пропорционально квадрату этого расстояния.
Качество труб из заготовок, которые дает непрерывная технология, оказалось даже выше, чем у таких же по размерам труб, сделанных из заготовок, получаемых традиционным способом.
Сегодня не мало проблем, больших и малых, стоявших перед создателями литейно-прокатных станов для черных металлов, получило удовлетворительное разрешение. Теперь мы знаем, как избежать неприятностей со слитком, если на него одновременно начинают действовать два различных усилия от правильно-тянущей машины, и от первой клети стана (это бывает, когда начало слитка передается в первую клеть). Нам известно, каким должно быть натяжение между первыми клетями, чтобы не повредить еще не окрепшую структуру -слитка. Ясно и, как резать прокат, чтобы не тормозить его движение.
Первенцы совмещенного процесса уже действуют. В текущей пятилетке вступит в строй промышленный агрегат для совмещения процессов литья, и прокатки трубных заготовок производительностью около 300 тысяч тонн в год.
Можно предвидеть, что в ближайшем будущем литейно-прокатные агрегаты станут размещать, например, по соседству с пролетами, где несколько конвертеров всегда будет наготове, чтобы без всяких посредников удовлетворить «аппетиты» прокатки. Произойдут изменения и в разливочных пролетах сталеплавильных цехов, где вместо изложниц выстроится в линию оборудование литейно-прокатного агрегата. К истоку линии один за другим будут устремляться ковши с жидким металлом.
Современная металлургия идет к замене агрегатов периодического действия сталеплавильными агрегатами непрерывного действия, и далее к тому, чтобы объединить сталеплавильный передел с прокатным. В конечном счете, наверное, удастся создать единые автоматические линии, в которые будет вводиться шихта, и которые будут выдавать идеальный по качеству (с сегодняшней точки зрения) прокат. И то огромное количество металла, которое идет сейчас сначала в отходы, а затем (в лучшем случае) на повторный переплав, превратится в полноценный металл. Благодаря возросшему его качеству значительная часть металла не будет омертвляться в машинах, и сооружениях, лишь обеспечивая необходимый запас прочности. Благодаря непрерывности процесса отпадет надобность в межцеховом железнодорожном транспорте, и промежуточных складах. Откроются перспективы в достижении наивысшей производительности труда, и экономии удельных капиталовложений.
Использование выпускаемой стали возрастет, а это равносильно соответствующему увеличению важнейшего материала прогресса. Последствия таких результатов научно-технической революции в области металлургии переоценить невозможно.
Беседу записал В. ЕВГЕНЬЕВ.
