Слиток с жидкой сердцевиной

Рассмотрены некоторые аспекты выбора рациональных режимов нагрева слитков под прокатку в нагревательных колодцах обжимных цехов. Показаны особенности нагрева слитков из легированных и высоколегированных сталей, связанные с кинетикой их окисления и свойствами образующейся окалины. Представлены мероприятия и тепловые режимы, позволяющие снизить неравномерность температурного поля слитков и уменьшить потери металла с окалиной. Рациональный выбор режима нагрева металла перед обработкой давлением в значительной степени предопределяет качество и себестоимость получаемого проката. Основными показателями теплового состояния слитка перед прокаткой являются температура поверхности, перепад температур между поверхностью и центром и среднемассовая температура. Необходимые значения этих величин могут быть достигнуты путем реализации различных тепловых режимов нагревательных колодцев, выбор которых зависит от конкретной производственной и экономической ситуаций. Основными критериями, определяющими способ нагрева металла в нагревательном устройстве, является либо минимизация одного из параметров (расход топлива, потери металла с угаром, расход электроэнергии при прокатке), либо достижение максимальной производительности.

Рассмотрим основные положения, которыми необходимо руководствоваться при разработке технологических инструкций по нагреву слитков в нагревательных колодцах прокатных цехов металлургических заводов, некоторые из которых недостаточно освещены в классической литературе по технологии нагрева.

Конечную температуру поверхности слитков обычно устанавливают в соответствии с положением критических точек для данной марки стали по диаграмме состояния железо-углерод с учетом технологических ограничений и она, как правило, на 100-150С ниже температуры солидуса. Это связано с опасностью перегрева и пережога металла с одной стороны и получения заданной температуры в конце прокатки, которая в конечном итоге определяет энергозатраты на этот процесс. Однако при нагреве некоторых легированных марок стали должны быть учтены особенности процесса их окисления и свойства образующейся окалины. Так, кинетика окалинообразования кремнистых сталей подчиняется линейному или близкому к линейному (т.е. пара линейному) законам, что свидетельствует о кинетическом, а не диффузионном контроле этого процесса, связанном прежде всего со свойствами образующейся окалины [1, 2]. Согласно нашим данным в окалине на поверхности слитков из сталей 55С2 и 60С2 содержится 3,5-5,2% SiO2 [1], что приводит к образованию фаялита 2FeO* SiO2 и фаялито-вюститных эвтектик, имеющих низкую температуру плавления. Аналогичные данные получены в более поздних исследованиях, проведенных в Японии [3]. Оплавление окалины и утрата ею защитных свойств может происходить и при нагреве обычных углеродистых сталей в результате местного перегрева ребер слитков, что является крайне нежелательным явлением.

В настоящее время на некоторых металлургических заводах наметилась тенденция к снижению температуры нагрева стали. С одной стороны это приводит к существенному увеличению энергозатрат при прокатке, а с другой - позволяет снизить расход топлива и, что особенно важно, уменьшить потери металла с угаром. Так, согласно данным, приведенным в работе [4], снижение температуры конца прокатки с 1010°С до 900°С приводит к уменьшению угара в 2 раза, а до 800°С - в 4 раза. Очевидно, что целесообразность применения данного мероприятия зависит от соотношения между ценами топлива, стали, электроэнергии и энергосиловых параметров установленного прокатного оборудования, ритмичности работы стана (отсутствие "пересидок" металла, длительных простоев и т.д.) и требует дополнительного изучения для конкретных условий.

Не менее важным является обеспечение заданной равномерности нагрева как по сечению слитка, так и по его высоте. Прокатка стали с высокой неравномерностью температур может привести, к различного рода искажениям формы раската и появлению поверхностных дефектов: серповидности, бочкообразности, изгибам, скручиванию, нарушениям сплошности, рванинам, трещинам, анизотропности свойств стали [5]. И если заданный перепад температуры по сечению слитка (100-300°С/м) может быть достигнут томлением металла в печи (зачастую путем повышенного угара и перерасхода топлива), то неравномерность по высоте слитка определяется прежде всего особенностями конструкции нагревательного устройства и устранение которого обычно сопряжено со значительными трудностями. Так, перепад температур по высоте рабочего пространства рекуперативных колодцев с отоплением из центра подины (ОЦП) составляет 80-150°С, что приводит к недостаточному прогреву донной части слитков, отлитых в уширенные книзу изложницы, при удовлетворительном качестве нагрева головной части. Изменения конструкции горелочного устройства не позволяют полностью устранить этот недостаток. В связи с этим была предложена измененная схема посадки слитков в нагревательный колодец, предусматривающая установку их головной частью вниз [2]. При такой схеме посадки неравномерность температурного поля по высоте ячейки частично компенсируется различием в толщине прогреваемого слоя головной и донной частей слитка. Промышленные испытания данной технологии показали существенное снижение энергозатрат на прокатку и ее эффективность. Аналогичные результаты получены и в работе [5].

В нагревательных колодцах с верхней боковой горелкой (ОВГ) уменьшение неравномерности температурного поля по длине и высоте рабочего пространства может быть достигнуто усовершенствованием горелочного устройства, применением импульсного отопления, рециркуляцией продуктов сгорания и т.д.

Процесс окисления металла при нагреве оказывает существенное влияние на стоимость проката и его качество. Потери металла от первичного (в нагревательном устройстве) и вторичного-(в процессе прокатки) окислений составляет 5-6% от его первоначальной массы. Кроме этого, образование окалины может привести к браку готового изделия вследствие закатывания оксидной пленки, вскрытия подкорковых пузырей и т.д.

Основными факторами, влияющими на толщину окалины, являются температура металла, продолжительность нагрева, химический состав печной атмосферы и стали. Константа окалинообразования зависит от температуры по экспоненциальному закону (уравнение Аррениуса). Температура, при которой начинается заметное окисление, для углеродистых и низколегированных сталей составляет 750-800°С, для высоколегированных сталей и сплавов - 950-1100°С. При этом необходимо отметить, что некоторые стали, не окисляющиеся при температурах до 1000С, при более высоких подвержены "катастрофическому окислению" в связи с разрушением или оплавлением окалины и, как следствие, утратой ею защитных свойств. Это явление характерно для сталей с высоким содержанием кремния, вольфрама, молибдена.

Кинетический закон окисления характеризует механизм процесса: при параболическом законе определяющей является скорость диффузии и окалина обладает защитными свойствами. При линейном и пара линейном (смешанном) законах лимитирующими, являются реакции первого порядка (доставка кислорода к поверхности или внедрение ионов железа в кристаллическую решетку оксида), скорость которых не зависит от толщины окалины. Очевидно, что окисление металла в атмосфере с низким парциальным давлением кислорода (например, продукты неполного горения топлива, смеси СО-СО2 и т.д.) или в случае легированных и высоколегированных сталей должно подчинятся линейному или пара линейному кинетическим законам.

В нагревательных печах прокатных цехов нагрев осуществляется в продуктах полного горения топлива СО > 1 и поэтому в состав печной атмосферы наряду с С02, R2О и N2 обязательно входит и свободный кислород. Существенное изменение скорости окисления происходит при переходе от неполного сжигания топлива СО < 1 к полному СО > 1, сопровождающееся скачкообразным изменением парциального давления кислорода. При а < 0,9 снижение расхода воздуха приводит к уменьшению скорости окисления и при СО < 0,5 нагрев становится безокислительным. При увеличении коэффициента расхода воздуха более 1,1 скорость окалинообразования возрастает, а при достижении концентрации кислорода более 12-14% - достигает своего максимума и в дальнейшем практически не изменяется. В связи с отсутствием постоянного контроля состава продуктов сгорания и колебаниями калорийности и давления топлива процесс его сжигания практически не контролируется, что в одних случаях приводит к появлению в дымовых газах СО, в других - к значительному избытку кислорода. Это в конечном итоге является причиной снижения тепловой мощности печи, перерасхода топлива и повышенного угара металла. Особенно это характерно для нагревательных колодцев с верхней боковой горелкой, в которых содержание кислорода в печной атмосфере в период томления может достигать 12-14%, что связано с особенностями конструкции топливо сжигающего устройства. В настоящее время проводятся исследования, направленные на совершенствование сжигания топлива на этих печах и снижение угара металла при нагреве.

Все описанные выше факторы и определяют выбор рационального режима нагрева металла. При этом очевидно, что невозможно создать тепловой режим, позволяющий оптимизировать все технологические и экономические параметры одновременно.

Технология нагрева слитков холодного и теплого посадов из высокоуглеродистых и легированных сталей предусматривает три основных периода: медленный нагрев с учетом ограничений по термическим напряжениям, подъем температуры до контрольной при постоянной тепловой мощности печи и томление при этой температуре. Эта технология хорошо известна и ее реализация не вызывает обычно каких-либо трудностей.

Базовая технология нагрева слитков горячего посада также хорошо изучена и включает период подъема температуры печи до контрольной при постоянной тепловой мощности агрегата и выдержки при этой температуре. Производительность нагревательных колодцев может быть повышена с одновременным снижением неравномерности нагрева путем замены известного двухступенчатого режима форсированным трехступенчатым, включающем нагрев при постоянной тепловой мощности до температуры на 30-40°С более высокой, чем контрольная по обычной технологии, с последующим томлением сначала при постоянной температуре печи, а затем, при постоянной температуре поверхности. Промышленные испытания данного режима в условиях ОАО "Енакиевский металлургический завод" показали его эффективность, заключающуюся в повышении среднемассовой температуры слитков, снижении угара металла и энергозатрат на прокатку.

Особый интерес вызывает технология нагрева слитков с повышенным теплосодержанием, которая несмотря на некоторые недостатки позволяет существенно (на 40-50%) повысить производительность нагревательных колодцев, на 50-70% уменьшить расход топлива, на 3-5 кг/т потери стали с угаром [7, 8]. Такое повышение технико-экономических показателей достигается использованием теплоты, аккумулированной внутри не полностью закристаллизовавшихся слитков, для достижения требуемой для прокатки температуры. Сущность технологии тепловой обработки слитков с жидкой сердцевиной, применяемой на комбинате ОАО "Запорожсталь" и прошедшей успешную апробацию на металлургических комбинатах КГГМК "Криворожсталь" и ОАО "Мариупольский им. Ильича" [7], заключается в выдержке слитков в ячейке при отключенном топливе для завершения процесса кристаллизации и нагреве при постоянной тепловой мощности. Особенностью теплового состояния слитка перед его прокаткой является более высокая температура оси по сравнению с температурой поверхности.

Однако, несмотря на указанные выше преимущества, отработка и реализация этой технологии требует длительных по времени и дорогостоящих экспериментов, сопровождающихся дополнительными расходами энергоресурсов и возможным выходом брака, высококвалифицированного персонала, высокой организации и согласованной работы различных подразделений, точной и надежной систем КИП и автоматики. Решение данной задачи может быть в значительной степени упрощено при использовании компьютеризированной системы управления нагревом, аналогичной разработанной и внедренной НПО "Доникс" на комбинате ОАО "Запорожсталь". Особому анализу должно быть подвергнуто влияние нагрева слитков с жидкой сердцевиной на качество проката, так как уменьшение скорости кристаллизации неизбежно приведет к повышенной ликвации примесей, особенно серы, в центральную часть слитка, а следовательно, и к снижению механических свойств, расслою листа и т.д.

В связи с широким применением электронно-вычислительной техники и развитием теории оптимального управления технологическими процессами появилась возможность решения задач проектирования нагревательных устройств по заданным критериям оптимальности. Математическим аппаратом может служить теория управления системами с распределенными параметрами, разработанная А.Г. Бутковским. В настоящее время известен широкий круг исследований по решению частных задач, связанных с нагревом металла в камерных печах (наискорейший нагрев, по минимуму расхода топлива, по минимуму окалинообразования и т.д.) [9 - 12].

Наибольший интерес представляют с нашей точки зрения способы тепловой обработки слитков с минимальным окислением поверхности, так как, согласно [8], тепловые режимы по минимуму расхода топлива практически не дают выигрыша по сравнению с обычным комбинированным, рассмотренным ранее. Актуальность разработки и реализации таких режимов связана с тем, что зачастую суммарные потери от угара металла значительно превышают затраты на топливо при нагреве и электроэнергию при прокатке, что в конечном итоге зависит от соотношения между ценами стали, топлива и электроэнергии. При этом необходимо учитывать и опасность появления брака при прокатке вследствие вскрытия подкорковых и сотовых пузырей при обычном нагреве полуспокойных и кипящих марок стали.

Поставленная задача решалась различными методами: в работах Э.М. Гольдфарба [10] и С.А. Малого [11] использован принцип максимума Л.С. Понтрягина; С.И. Гинкула, Е.И. Казанцева, Г.П. Выпова [12] - симплекс-метод; Ю.И. Розенгарта с соавторами [9] - методы вариационного исчисления. Основными недостатками полученных решений является сложность их реализации на практике так как они либо были получены для тел простейшей формы с большими упрощениями, либо в качестве управляющей функции выбиралась температура поверхности металла.

В работах [2, 13] нами разработан режим нагрева слитков в нагревательных колодцах с минимумом окисления металла, который может быть использован в качестве составной части компьютеризированной системы управления. В соответствии с полученными результатами нагрев должен осуществляться в несколько этапов:

нагрев при достаточно высоком значении температуры среды. Этот этап завершается при достижении поверхностью температуры начала интенсивного окалинообразования;

выдержка при постоянной температуре поверхности слитка. Температурные и временные параметры зависят от размеров слитка и характера изменения константы окалинообразования. Целью этой выдержки является уменьшение перепада температуры по сечению слитка для осуществления следующего этапа;

быстрый нагрев поверхности слитка с одновременным обеспечением заданного качества. Использование данного режима приводит к некоторому снижению производительности отделения нагревательных колодцев и может быть рекомендован для нагрева слитков из легированных и высоколегированных марок стали холодного, теплого или горячего посада при наличии резерва производительности в отделении нагревательных устройств.

Вынужденное пересиживание слитков в нагревательных колодцах, связанное с неритмичностью работы прокатного стана, также является причиной увеличения удельного расхода топлива и интенсификации окалинообразования. Снизить негативное влияние простоев при существующей схеме работы отделения нагревательных устройств возможно путем перевода ячеек в режим высокотемпературного термоса, что в настоящее время осуществляется на КГГМК "Криворожсталь" [14] и ОАО "Енакиевский металлургический завод". Сущность технологии заключается в выдержке слитков после их посада при постоянной температуре печи, равной 950-1000С, в течении времени прогнозируемого простоя. Выбор значения этой температуры зависит от тепловой мощности ячейки и длительности простоя. Применение этой технологии позволяет уменьшить угар металла на 20-25%, расход топлива на 8-10%, а также брак готового проката.

Нагрев слитков с повышенным теплосодержанием в нагревательных колодцах цеха бл-2

Нагрев 8,5-тонным слитков.

При температуре посада слитков от 900 до 930С устанавливается продолжительность первого периода нагрева с ограниченной подачей топлива согласно таблицы 1.

Таблица.1.

При температуре посада слитков от 935 до 960С устанавливается время выдержки металла в нагревательном колодце без подачи топлива согласно таблицы 2.

Таблица 2.

Выдача слитков раньше установленного графика разрешается не более 15 мин.

Нагрев 12,5-тонных слитков.

При температуре посада слитков от 9ОО до 930С устанавливается продолжительность первого периода нагрева с ограниченной подачей топлива согласно таблицы 3.

Таблица 3

При температуре посада слитков от 900 до 930С и выше устанавливается время выдержки металла в нагревательном колодце без подачи топлива согласно таблицы 4.

Таблицы 4

Выдача слитков раньше чем через 4 часа 50 мин. после конца разливки запрещается.

Совершенствование технологии нагрева слитков с жидкой сердцевиной