Цією статтею ми завершуємо цикл публікацій, присвячений ключовим процесам, які дозволять чорній металургії знизити негативний вплив на довкілля та стати «вуглецево-нейтральною». Раніше були розглянуті інноваційні способи відновлення заліза та виплавляння сталі, сьогодні ж сфокусуємося на технологіях розливання та прокатування. Подивимося, чим відрізняється виробництво металопродукції на ливарно-прокатних модулях (ЛПМ) від традиційних схем виготовлення, і чи сприяє поєднання подібних процесів зниженню екологічного навантаження.
Історія створення суміщених металургійних агрегатів
Суміщений агрегат – це устаткування, у якому послідовно виконують кілька технологічних операцій. Використання таких установок дозволяє зменшити капітальні та експлуатаційні витрати, підвищити швидкість виконання окремих етапів виготовлення продукції, зменшити кількість персоналу, задіяного на цих роботах. Прикладами суміщених агрегатів у металургії можуть служити ливарно-прокатні комплекси, що випускають сортовий та листовий гарячекатаний прокат; лінії травлення та холодної прокатки; агрегати безперервного відпалу, дресирування, правки та різання тощо.
Розвиток технологій безперервного розливання
Історія виникнення агрегатів, що поєднали в собі розливання сталі та її гарячу прокатку, нерозривно пов'язана з розвитком інших металургійних процесів. До 50-х років минулого століття ланцюжок виробництва гарячекатаного сталевого прокату включав у себе:
- Виготовлення чавуну в доменних печах;
- Виплавляння сталі в кисневих конвертерах та мартенах;
- Розливання рідкої сталі у виливниці з отриманням зливків;
- Нагрів та гарячу прокатку зливків на обтискних станах з отриманням напівфабрикатів: слябів для подальшого виготовлення листа та рулонів, блюмів та квадратної заготовки для виробництва сортового прокату тощо;
- Нагрівання та обробляння тиском гарячекатаного прокату.
У другій половині минулого століття почався активний розвиток технологій безперервного розливання сплавів. Незважаючи на те, що патенти на них науковим діячам почали видавати ще в XIX столітті, а перші промислові зразки подібних агрегатів з'явилися в 1930-х, масове впровадження машин безперервного лиття заготовок (МБЛЗ) почалося набагато пізніше, з розвитком конвертерного та електросталеплавильного процесів отримання сталі. Безперервне розливання дозволило виключити з вищезгаданого ланцюжка виробництва етапи отримання зливку та його перекату в напівфабрикати. При цьому зросла продуктивність, зменшилася кількість логістичних операцій, знизився обсяг металевих відходів (основним джерелом яких був головний та донний обріз зливку), з'явилася можливість практично повної автоматизації процесу розливання та суттєвої економії енергоресурсів. Безперервне розливання почали повсюдно застосовувати як у чорній, так і в кольоровій металургії.
Сутність безперервного розливання полягає в тому, що рідку сталь (або інший металевий розплав) безперервно заливають у водоохолоджувану виливницю без дна - кристалізатор. Затверділий по краях злиток з рідкою серцевиною витягають з нижньої частини кристалізатора, після чого він переміщується через зону вторинного охолодження, де повністю твердіє. Потім отриманий напівфабрикат розрізають на необхідні довжини. На машинах безперервного розливання виготовляють блюми, сортову заготовку, сляби, круглу та порожнисту круглу заготовку для виробництва труб, напівфабрикати типу «собача кістка» для виробництва широкополочних балок.
За даними Всесвітньої Асоціації Сталі (англ. WSA – World Steel Association), наразі понад 97% усієї рідкої сталі, що випускається у світі, розливається саме на МБЛЗ. Крім того, завдяки тандему дугових сталеплавильних печей, що працюють на металобрухті, і машин безперервного лиття у світовій металургії виник цілий новий виробничий кластер - міні-заводи (англ. mini mill). Такі промислові майданчики мали цілу низку переваг у порівнянні з «класичними» металургійними комбінатами-гігантами:
- Короткі терміни виконання замовлень;
- Компактність (відсутність складної інфраструктури, можливість розміщення максимально близько до споживачів);
- Екологічність (відсутність етапів підготовки вугілля, виготовлення коксу, виплавки чавуну та супроводжуючих їх процесів);
- Невисокі капітальні витрати на будівництво та підтримання таких заводів.
Створення ливарно-прокатних модулів
Світова металургійна наука не зупинилася на досягнутому та продовжувала роботи з підвищення ефективності та ресурсозбереження на сталеплавильному та прокатному переділах. Наступним дієвим методом оптимізації стало об'єднання цих процесів в один суміщений.
Ідея об'єднання розливання та прокатування була висловлена ще в XIX столітті, але до промислового застосування справа не доходила до самих 1940-х. Тоді технологія беззливкової прокатки була застосована для отримання алюмінієвого дроту. Тільки з 70-х років на підприємствах чорної металургії почали з’являтися перші сортові ливарно-прокатні модулі - лінії з розливання сталі та гарячої прокатки катанки та сортових профілів простої форми (круг, квадрат та ін.) у бунтах та прутках. Ефект від реалізації подібних проектів полягав у скороченні кількості технологічних операцій (в т.ч. виключення додаткових нагрівань та охолодження напівфабрикату), значній економії енергетичних та трудових ресурсів у порівнянні з традиційною схемою отримання напівфабрикатів та готового прокату.
.jpg)
Розробку ливарно-прокатних агрегатів, що випускають сталеву листову продукцію, пов'язують якраз із розвитком міні-заводів. «Міні-мілли» спочатку проектувалися під відносно невеликі виробничі потужності (500-1500 тис. т/рік), тоді як класичні товстолистові та широкоштабові стани були рентабельні при виготовленні щонайменше 2,5-3,0 млн. тон прокату на рік. Досягти ефективного виробництва продукції в таких умовах вдалося за рахунок розробки суміщеного агрегату, що об'єднав безперервне розливання тонких слябів товщиною 50-70 мм та гарячу прокатку штаби або листа.
Перший металургійний ливарно-прокатний комплекс такого типу був уведений в дію у 1989 році на заводі компанії Nucor, США. Згодом ливарно-прокатні агрегати та модулі стали масово зводити як в умовах міні-заводів з електросталеплавильним способом отримання сталі, так і на вертикально-інтегрованих металургійних комбінатах з киснево-конвертерними цехами. Зараз проектуванням та будівництвом цих агрегатів займаються всі провідні інжинірингові компанії світу – Primetals Technologies, SMS, Danieli, Sumitomo та інші.
Особливості виготовлення сталевої продукції на ЛПМ
Ливарно-прокатний комплекс з МБЛЗ
Розглянемо структуру такого ливарно-прокатного модуля на прикладі виготовлення гарячекатаного рулонного прокату. Сучасна виробнича ділянка ЛПМ включає такі складові:
- Відділення з виробництва сталі – один або декілька киснево-конвертерних або електросталеплавильних агрегатів, обладнання для доведення сталі (установки «ківш-піч», вакууматор);
- Тонкослябові МБЛЗ (одна або декілька установок, залежно від необхідної продуктивності), опціонально оснащені вузлами «м'якого обтискання», електромагнітного перемішування та іншим обладнанням для підвищення якості напівфабрикату;
- Проміжний нагрівальний пристрій - методичні, прохідні роликові та індукційні печі - для підігріву слябу перед прокатуванням (опціонально може встановлюватися одразу після МБЛЗ або між чорновою та чистовою групою клітей прокатного стану);
- Стан гарячої прокатки рулонів (залежно від конструкції ЛПМ можуть використовуватися як безперервні широкоштабові стани, так і стани Стеккеля з пічними моталками).
Конструкція ливарно-прокатних модулів дозволяє виготовляти продукцію широкого марочного та розмірного сортаменту. Зокрема, вони вже дозволяють отримувати прокат завтовшки від 0,6 мм, який є недоступним при використанні традиційних схем гарячого прокатування. Крім того, існує можливість модифікації ЛПМ залежно від виробничих потреб, у тому числі прибудови до них обладнання для отримання продукції глибших переділів (наприклад, ліній травлення, прокатних станів та агрегатів безперервного відпалу, що дозволяють випускати холоднокатану рулонну продукцію в єдиному з ЛПМ виробничому потоці).
Зниження шкідливого впливу на довкілля та підвищення енергоефективності полягають у повному чи частковому виключенні етапу нагрівання напівфабрикату перед прокаткою – гарячі сляби відразу після розливання надходять у лінію стану. При схемі виробництва, коли МБЛЗ та стан рознесені по різних ділянках заводу, без нагрівання не обійтися, а для цього потрібні вуглеводні (природний, доменний, коксовий газ або їх поєднання), які, як ми знаємо, не сприяють зменшенню «вуглецевого сліду» у чорній металургії.
Переваги ливарно-прокатних агрегатів у порівнянні із традиційними способами виготовлення металопрокату полягають у зниженні капітальних та поточних витрат, зменшенні споживання енергетичних та матеріальних ресурсів, економії витрат на обслуговування обладнання та його експлуатацію, а також скороченні термінів виконання замовлень. Ключовими умовами безперебійного виробництва на ЛПМ є:
- Забезпечення високої якості напівфабрикатів, що відливаються;
- Організація чіткого злагодження роботи МБЛЗ та прокатного стану (як варіант, можуть частково використовуватися холодні заготовки зі складу або "буферні" пристрої для компенсації нетривалих за часом нестиковок);
- Висока культура виробництва та кваліфікація персоналу.
Залежно від розробника технології та особливостей реалізації процесу, розрізняють декілька модифікацій таких ливарно-прокатних технологій, серед яких найбільш відомими є CSP (від англійського Compact Strip Production), ISP (In-line Strip Production), ESP (Endless Strip Production) і TSP (Tippins-Samsung Process).
Агрегати валкового розливання-прокатування
Одним з різновидів суміщених пристроїв для виробництва смугової/ штабової продукції, що стоїть трохи осторонь модулів вищеописаної конфігурації, є обладнання для так званого валкового розливання (його ще називають ливарно-прокатним агрегатом з валковим кристалізатором). В іноземній літературі такий процес виготовлення називають «twin-roll continuous casting».
Сутність технології полягає у відсутності етапу отримання напівфабрикату як такого - рідка сталь відразу потрапляє на водоохолоджувані мідні валки, що обертаються, і починає кристалізуватися на них у вигляді двох окремих смуг. Ці сталеві оболонки змикаються в точці контакту валків (її ще називають «точкою поцілунку» 😊) і формують одну суцільну смугу. Після цього підкат, що виходить, направляється через притискні ролики в кліті прокатного стану, де вже обтискається до необхідних розмірів (товщина зазвичай знаходиться в діапазоні 0,7-2,0 мм).
Процес валкового розливання, так само, як і технологія ЛПМ з МБЛЗ, є ефективним рішенням при виробництві плоского прокату в чорній та кольоровій металургії та дозволяє випускати продукцію зі скороченням термінів виготовлення, енергетичних, капітальних та операційних витрат, шкідливого впливу на екологію. Технологія широко використовується в алюмінієвій промисловості (близько 170 установок), а найвідоміший комерційний агрегат для виготовлення сталевої рулонної продукції встановлений на підприємстві компанії Nucor у США. Такий спосіб виробництва дозволяє формувати унікальні структури та властивості сталі, недоступні за інших методів розливання та прокатування, що зумовлює переважне застосування отриманої продукції в авіакосмічній та автомобільній промисловості.
Головне, що я хочу сказати на закінчення цього циклу публікацій – це те, що металурги вже давно йдуть шляхом оптимізації виробничих процесів, зниження енергоспоживання і навантаження на навколишнє середовище. Впроваджуються нові методи позадоменного одержання заліза, докорінно змінюються сталеплавильні технології, розвиваються процеси, які поєднують різні етапи виробництва в один скорочений цикл. Нові екологічні обмеження лише дадуть ще більшого прискорення на шляху до «зеленої» металургії, що має нульовий вуглецевий слід.
