Технология XXI века. Перспективы России.


В. Ганжин ОАО "АК Лысьвенский металлургический завод"
Ю. Киселёв ООО "Инсаюр-Сталь"

В последнее 10-летие прошлого столетия наметилась отчётливая тенденция повышения качества и расширения размерного сортамента плоского горячекатаного проката, что позволяет эффективного применять его вместо холоднокатаного проката в различных отраслях промышленности.



В начале XXI века в технологии производства стали произошел скачок, положивший начало промышленному изготовлению горячекатаных полос с использованием двухвалковых литейно-прокатных агрегатов взамен разливки стали на тонкоспябовых МНЛЗ с последующей горячей прокаткой в чистовой группе. Оценивая эффективность нового процесса, директор Center for Iron and Steelmaking at Carnegie Mellon University (Питтсбург, США) A. Cramb заявил; "Это является величайшим техническим достижением в металлургии за последние 30 лет".

В прошлом веке российские металлурги не сумели реализовать на отечественных предприятиях технологию производства плоского проката с использованием тонкослябовых МНЛЗ. Поэтому необходим критический анализ причин технического отставания российской металлургии в области современных технологий непрерывной разливки стали. Настоящий обзор, посвященный рассмотрению мирового опыта в области производства горячекатаных полос на двухвалковых литейно-прокатных агрегатах, имеет целью обратить внимание российских металлургов и инвесторов на тенденции в современной черной металлургии, направленные на решение таких проблем, как повышение производительности агрегатов, улучшение качества плоского проката, снижение эксплуатационных затрат, ресурсо- и энергосбережение и охрана окружающей среды.

РАЗВИТИЕ ПРОИЗВОДСТВА ГОРЯЧЕКАТАНЫХ ТОНКИХ ПОЛОС


На традиционных установках непрерывной разливки получают, как правило, слябы толщиной около 250 мм, которые в горячем состоянии прокатывают до толщины 1,5-20 мм. Такая высокая степень деформации заготовки требует использования мощного прокатного оборудования и больших производственных расходов. Следующим этапом производства стальной полосы стало литье тонкого сляба толщиной до 50 мм /1/. Первый завод по производству тонкого сляба был построен в 1989 году в г. Кроуфордсвилл компаниями Nucor (США) и SMS Demag (Германия) /2/.

Усовершенствование технологии литья в первую очередь было направлено на уменьшение толщины заготовки с целью исключения из производственной цепочки наиболее энергоемких процессов - прокатки и нагрева заготовки.

Более тесное соединение двух этапов процесса удалось реализовать именно в совмещенных тонкослябовых литейно-прокатных агрегатах, что позволило получить следующие экономические преимущества:

• 
  снизить капиталовложения;
  
• 
  сократить время прохождения металла в цикле производства;
  
• 
  увеличить оборачиваемость капитала и снизить складские издержки;
  
• 
  обеспечить экономичное производство партий малого размера;
  
• 
  снизить расход энергии.
  

В настоящее время качество горячекатаной полосы с агрегатов для отливки тонких слябов уже не отличается от качества полосы, получаемой традиционным способом. Благодаря оптимальным условиям задачи тонкого сляба в прокатную группу совмещенного литейно-прокатного агрегата (равномерное распределение температуры по всей длине и ширине тонкого сляба) достигается даже несколько лучшая, чем при традиционной технологии, точность по толщине, профилю и ширине полосы.

К настоящему времени введен в эксплуатацию 21 агрегат CSP с 31 МНЛЗ для литья тонких слябов. Их производительность должна составить 28,5 млн т /3/.

Современные технологии открывают возможности получения горячекатаной полосы с толщинами, служебными характеристиками и качеством поверхности, которые несколько лет назад достигались исключительно холодной прокаткой.

Упрощение процесса производства полосы в сочетании со снижением эксплуатационных издержек и сокращением времени прохождения полосы через агрегаты открывает возможности оптимизации процессов холодной прокатки и обработки полосы. В какой мере горячекатаная полоса в будущем сможет заменить холоднокатаную полосу и какое влияние это окажет на дальнейшее совершенствование технологий, покажет ближайшее время.

	Горячекатаные полосы с конечной толщиной менее 2,0 мм обычно относят к тонким горячекатаным полосам (TGHR). До 1995 года доля горячекатаных полос толщиной менее 1,5 мм составляла всего 0,3% общего объема производства, а доля полос с толщиной в диапазоне 1,5-1,99 мм - около 10% (рис. 1) /4/. Характеристики тонких горячекатаных полос определяются свойствами прокатываемых сталей. Для мягких малоуглеродистых сталей минимальная толщина полос до 1995 года составляла 1,5 мм, тогда как нижний предел толщины для высокопрочных углеродистых сталей (например, С70) составлял 2,0 мм. Непрерывный прогресс технологии прокатки обеспечил в последние годы уменьшение предела толщины и для высокопрочных сталей. В настоящее время для горячекатаных полос из высокопрочных углеродистых и низколегированных сталей вполне достижима минимальная толщина 1,5 мм.
	Растущая доля горячекатаных полос на рынке тесно связана с последующим процессом холодной прокатки. На рис. 2 показано частотное распределение толщин для стандартного сортамента типового стана холодной прокатки. Из представленных данных видно, что около 60% холоднокатаных полос имеет толщину от 0,6 до 1,2 мм. В настоящее время этот сектор рынка занят преимущественно холоднокатаным прокатом, но в перспективе рост доли тонких горячекатаных полос может в значительной мере обеспечить прямую замену холоднокатаного металла на горячекатаный. Сегодня минимально достижимая (по экономическим соображениям) толщина горячекатаной полосы составляет 0,91 мм (на установке CSP фирмы Hylsa в Мексике). Исследования показывают, что на объемы выпуска и конечного потребления тонких горячекатаных полос важное влияние оказывают три основных фактора: замена холоднокатаной полосы тонкой горячекатаной; развитие рынка (ключевые факторы этого развития - спрос автомобилестроения и строительства); изменения в области потребления материалов (степень завоевания рынка стальными изделиями за счет вытеснения изделий из других материалов, например пластмасс и алюминия).
	На рис. 3 представлен прогноз развития рынков тонких горячекатаных полос до 2007 года. Примечательно, что при некоторой стагнации общего потребления стали предполагается ежегодный прирост потребления тонких горячекатаных полос на рынке США (8,3%), ЕС (6,7%) и Японии (6,6%)/5/. Представляют интерес оценки перспектив развития производства горячекатаной полосы с точки зрения замены ею холоднокатаной полосы на мировом рынке металлов, сделанные представителями ведущих западных металлургических и машиностроительных компаний и фирм. Фирма Hylsa S.A. (Мексика) уже с 1995 года поставляет на рынок холоднокатаного металла тонкую горячекатаную полосу толщиной менее 1,5 мм: 40% ее поступает на местный рынок, 25% в США, остальное экспортируется в страны Ближнего Востока и Латинской Америки. По мнению специалистов фирмы, в будущем около 25% холоднокатаных полос, потребляемых сегодня в мире, будет заменено тонкими горячекатаными полосами.

Консалтинговая фирма Bradford Research (США) считает, что 30-40% потребностей рынка холоднокатаной стали в США может быть удовлетворено благодаря тонким горячекатаным рулонам /6/.

Фирма Sidmar, крупнейший бельгийский поставщик плоского проката, имеющий производство с полным металлургическим циклом, подтверждает, что в диапазоне толщин 1,0-1,5 мм некоторые виды холоднокатаной продукции уже в настоящее время могут быть заменены горячекатаной сталью. В ближайшие 10-15 лет до 50% холоднокатаной полосы толщиной 1,0-1,5 мм будет заменено на горячекатаную полосу, то есть предполагается рост потребления горячекатаной полосы до 5% в год.

Производственные затраты на изготовление горячекатаной полосы на 110-130 долл./т ниже затрат на изготовление холоднокатаной полосы аналогичного сортамента. Основной вопрос для потребителя - качество поверхности горячекатаной полосы, В европейских прейскурантах горячекатаные полосы толщиной 1,2-1,3 мм только на 40 долл./т дешевле холоднокатаных аналогов, но этого достаточно, чтобы привлечь потребителей.

Фирма Bethlehem Steel Co (США) считает, что замена холоднокатаной полосы на тонкую горячекатаную полосу толщиной до 1,5 мм (THS) и ультратонкую горячекатаную полосу толщиной до 0,8 мм (UTHS) обеспечит прибыль в 20-30 долл./т.

Около 30% холоднокатаной полосы на рынке может быть заменено полосой THS. Эта продукция пригодна для использования в коммуникационных трубопроводах, радиаторах, строительных настилах, нефтяной таре, автомобильных узлах, то есть там, где не предъявляются жесткие требования к качеству поверхности полосы.

По мнению фирмы VAI, для производства полосы UTHS наиболее рационально использовать тонкослябо-вую заготовку толщиной 90-150 мм. При этом прогнозируется, что в Европе до 27% холоднокатаной полосы на рынке может быть заменено на UTHS толщиной менее 1,2 мм.

Фирма Danieli & Co ожидает, что эта доля может достигнуть 35% при снижении цены на 20-30 долл./т /7/.

Интенсивно развивающаяся тенденция широкого использования горячекатаной тонкой полосы стимулирует развитие мини-заводов.

По мнению Dr. D, Barnett (президент Economic Associates Inc., США), в 2002-2003 годах в мире будет работать 25 мини-заводов со средней производительностью 1,6 млн т в год каждый. Горячекатаная полоса, произведенная на этих заводах, будет на 40-90 долл./т дешевле холоднокатаной полосы аналогичного качества и сортамента.

Такой же точки зрения придерживается и Н, Weiss (президент компании SMS AG), считающий, что в ближайшее время горячекатаная полоса толщиной до 1,5 мм, а затем и полоса толщиной менее 1,0 мм будут активно вытеснять холоднокатаный прокат. При этом увеличение продажи THS ежегодно будет составлять в США 8%, в Европе и Японии - 6% /8, 9/.

Многие западные (прежде всего, европейские) металлургические фирмы активно инвестируют в строительство новых или расширение и реконструкцию существующих мощностей по производству горячекатаного оцинкованного стального листа. Увеличение производства широкого оцинкованного горячекатаного листа во многом было обусловлено внедрением новой технологии непрерывной разливки тонкой стальной полосы, что, в свою очередь, позволило получать на станах горячей прокатки высококачественный лист толщиной 1,0 мм и менее и исключить стадию холодной прокатки и отжига. Это привело к снижению производственных издержек и соответственно цен на стальной лист.

Ряд европейских сталеплавильных компаний реконструировал свои линии горячего цинкования холоднокатаной полосы таким образом, чтобы на них можно было обрабатывать и горячекатаную полосу.

В табл. 1 приведены данные о некоторых недавно построенных, строящихся и намечаемых к строительству в различных странах мира линиях горячего цинкования холоднокатаного (CR) или горячекатаного (HR) стального листа.

Таблица 1. Линии горячего цинкования холоднокатаного и горячекатаного листа

Фирма-владелец и место расположения линии	Год ввода	Поставщик оборудования	Годовая мощность, тыс. т	Вид обрабатываемой полосы	Ширина и толщина готовой продукции, мм
Мисог(США), г. Хикшн	1999	VAI (Австрия)	500	HR+CR	915-1626, 0.38-2.66
Heartland Steel (США), г,Терре-Хот	1999	VAI (Австрия)	270	HR+CR	863-1854, 0.3-3.3
Corus (Великобритания) и Sidmar (Бельгия), г. Имуйден, Нидерланды	2000	Daniell Wean, (Италия), Galtec-2	400	HR+CR	750-1550, 0.3-3.3
Agozal (Германия), г. Нойвид	2000	VAI (Австрия), линия цинкования и травления	60	HR	200-800, 1.0-6.0
Rautaruukki (Финляндия), г. Хнменлинна	2000	VAI (Австрия)	400	HR	650-1550, 0.4-3.0
Stahlwerke Bremen (Германия), г. Бремен	2001	Danieli Wean (Италия), "Galwa", линия цинкования и травления	500	HR	600-1620, 1.5-6.0
Wuppermann Staal, (Австрия) г. Мурдейск, Нидерланды	2001	SMS Demag (Германия), линия цинкования и травления	500	HR	750-1550, 0.8-3.0
Arvedi (Италия), г. Кремона	2002	Danieli Wean (Италия), линия цинкования и травления	400	HR	650-1550, 0.8-4.0
Duferco Boel (Швейцария), г. Лалувьер, Бельгия	2002	VAI (Австрия)	450	HR+CR	600-1600, 0.2-3.0
International Steel Industries, (Эстония), г. Таллин	2002	Danieli Wean (Италия)	378	HR+CR	635-1550, 0.25-1.0
Handan Iron & Steel, (КНР), г. Ханьдзнь	2002	Danieli Wean (Италия)	315	HR	850-1650, 0.8-4.0

В последние годы все больше оцинкованного горячекатаного листа потребляет строительная индустрия, и именно ожидаемый подъем в данной отрасли является важным стимулом к строительству многих новых технологических линий. Такой лист идет на изготовление кровельных покрытий, дверных рам, каркасов и др. При этом горячекатаный лист во многих изделиях с успехом заменяет холоднокатаный.

У французской металлургической фирмы Usinor разрыв в ценах на горяче- и холоднокатаный лист составляет 15-20 евро/т. По ее мнению, введение в эксплуатацию новых мощностей для цинкования стальной полосы будет способствовать дальнейшему снижению цен на оцинкованный горячекатаный лист. У итальянской компании Arvedi разница в ценах составляет 20 евро/т. Однако у ряда фирм, как, например, австрийской Wuppermann Stahl, цена на два вида листа примерно одинаковая.

По мнению специалистов, действующие в настоящее время в Европе мощности для цинкования стального листа в сочетании с теми, которые войдут в строй в ближайшее время, будут способны удовлетворить текущий спрос. Однако ухудшение конъюнктуры на европейском автомобильном рынке может оказать отрицательное воздействие на производство оцинкованного листа и даже привести к появлению избытка мощностей. Перспектива рынка на долгосрочный период рассматривается как благоприятная - потребление оцинкованного горячекатаного листа в Европе в ближайшие пять лет удвоится по сравнению с нынешним уровнем (1,8 млн т/год) /10/.

Наиболее значительно расширяется использование высококачественных горячекатаных и холоднокатаных оцинкованных полос в автомобильной промышленности.

В настоящее время в легковых автомобилях среднего класса масса кузова, составляет 26%, шасси - 23%, двигателя - 21% при средней массе автомобиля 1450 кг.

В перспективе масса автомобиля будет доведена до 1100 кг (из них сталь и сплавы составят 70%) /11/, что потребует создания и производства новых видов горячекатаных и холоднокатаных полос.

Аналогичные перспективы ожидают производство автомобильного листа и на металлургических предприятиях России. По прогнозам, производство легковых автомобилей в России к 2010 году достигнет 1,9-2,2 млн штук /12/.

ДВУХВАЛКОВЫЙ СПОСОБ НЕПРЕРЫВНОГОЛИТЬЯ

Рис. 4. Эскиз, сделанный сэром Гэнри Бессемером (а), и установка, запатентованная им в 1865 году (б)

Еще в 1856 году сэр Генри Бессемер запатентовал простую машину для получения тонких стальных полос непосредственно из жидкой стали (рис. 4) /13/. С тех пор металлурги во всем мире стремились реализовать этот процесс. Однако довести идею литья полосы до промышленного внедрения удалось только благодаря современным разработкам - применению компьютерных технологий, современной техники измерений, управления и регулирования, а также созданию необходимых охлаждаемых роликов, специальных видов керамики, систем заливки и защиты металла. Только после этого начались серьезные эксперименты по реализации идеи непрерывной разливки тонких стальных полос. Преимущество способа литья заготовок, близких по размерам к готовой продукции, заключается в возможности контролирования затвердевания обеих поверхностей полосы. Последние 15 лет многие исследовательские коллективы разрабатывали идею разливки полосы и создали лабораторные и опытные установки для литья стали в двухвалковом кристаллизаторе, реализовав их с различными техническими и финансовыми затратами /14/. Большинство этих установок предназначалось преимущественно для изготовления небольших партий металла (от нескольких сотен граммов до примерно 100 кг), чтобы можно было провести металловедческие и материаловедческие исследования. Однако на лабораторных установках можно было также разработать основные принципы действия агрегата и технологии литья полосы.

Рис. 5. Принцип литья полосы

Конструктивный принцип литья полосы в двухвалковом кристаллизаторе заключается в том, что два ролика с водоохлаждаемыми медными рубашками расположены горизонтально на некотором расстоянии один от другого (зазор между ними определяет толщину отливаемой полосы), и между ними, благодаря торцевым уплотнениям с обеих сторон, размещается ванна жидкого металла, пополняемая через погружной сталеразливочный стакан. При вращении роликов навстречу друг другу жидкий металл втягивается в зазор между ними и кристаллизуется на медной водоохлаждае-мой поверхности, как в обычном кристаллизаторе МНЛЗ, образуя полосу, которая вытягивается вниз и быстро затвердевает (рис. 5). В Европе основы литья полосы в двухвалковом кристаллизаторе были разработаны фирмой Usinor Sacilor при участии Французского института черной металлургии (ИРСИД) и фирмой Thyssen Stahl при участии Института обработки давлением Рейн-Вестфальского высшего технического училища (RWTH, г. Аахен, Германия) на малых опытных установках. Эти установки, на которых можно разливать на полосу плавки массой до 200 кг (RWTH) и до 1,5 т (ИРСИД), с самого начала были рассчитаны на последующую доработку с целью промышленного применения /15/.

На установках можно было в широком диапазоне изменять параметры разливки для изучения их влияния на свойства стальной полосы. Кроме того, установки можно было использовать и для детальных исследований, например изучения параметров охлаждения различных марок стали, а также для разработки и усовершенствования конструкций самих установок.

После нескольких лет интенсивных исследовательских работ на экспериментальных установках были получены настолько многообещающие результаты, что фирмы Thyssen Stahl и Usinor Sacilor в октябре 1989 года приняли решение осуществить совместную промышленную реализацию проекта и провести опробование на крупномасштабной опытно-промышленной установке. Проект получил название "Myosotis".

После проектирования и строительства в 1991 году установки на заводе в г. Исберг фирмы Ugine (Франция) были начаты первые опыты по разливке стали.

В мае 1992 года были прокатаны 10-тонные полосы, а в 1993 году - полосы массой до 25 т. В 1995 году масса плавки составляла 92 т, плавка разливалась в течение 100 мин.

В результате длительных напряженных исследований, проводившихся во многих странах ведущими металлургическими и машиностроительными компаниями, была создана промышленная технология непрерывной разливки тонкой полосы на вертикальном двухвалковом модуле. Компании, занимавшиеся этой проблемой, вначале действовали независимо, затем начали вырабатывать общие программы и вступать в партнерские отношения, объединяя свои производственные мощности, инженерно-технические разработки и ноу-хау.

В Европе результаты исследований фирм Thyssen Krupp Stahl AG и Usinor по проекту Myosotis были объединены с данными фирм Acciai Special! Terni S. p. А. и CSM (Италия), Voest-Alpine Industrieanlagenbau GmbH (Австрия) в один европейский проект.

Цель этого проекта заключалась в сооружении в г. Крефельд на заводе фирмы Krupp Thyssen Nirosta GmbH (KTN) первой в Европе промышленной установки для прямого литья полосы, а также расширении объемов работ на опытно-промышленной установке в г. Терни (фирма Acciai Speciali Terni AST). Партнеры учредили общество, которое начало разрабатывать проект под названием "Eurostrip" ("Европейская полоса") /16,17/.

В декабре 1999 года на заводе г. Крефельд была разлита первая промышленная плавка коррозион-ностойкой стали аустенитного класса массой 36 т, и получен лист шириной 1100 мм и толщиной 3 мм. С марта 2000 года устойчиво разливается полный ковш вместимостью 90 т. Жидкая сталь поступает через промежуточный ковш на разливочную машину. Лист с помощью вытягивающих роликов передается на моталку. По окончании разливки рулон разматывается и разделяется на рулоны меньшей массы. Поверхность листа не имеет дефектов. В продольном направлении лист по форме соответствует требованиям к горячекатаному листу, а в поперечном направлении - к холоднокатаному.

Кромки характеризуются очень высоким качеством.

Листы обжимали до толщины 0,8 мм на стане холодной прокатки, отжигали и оценивали по действующим стандартам. Поверхностные дефекты отсутствовали. Благодаря быстрой кристаллизации чистота была выше, чем обычно. В результате возросла коррозионная стойкость. Механические свойства соответствовали свойствам обычного листа, однако относительное удлинение находилось на нижнем пределе. В рамках развития работ по проекту Eurostrip предполагается довести в 2003 году производство коррозионно-стойкой тонкополосовой стали на заводе в г. Крефельд до 400 000 т.

Для отработки технологии литья углеродистых и трансформаторных сталей в рамках проекта Eurostrip используется опытно-промышленная установки в г. Терни, Италия (фирма Acciai Special! Terni, AST) /18/.

В 1985 году в Австралии фирма ВНР (Broken Hill Proprietary) и японская фирма IHl (Ishikawajima Heavy Industries) начали совместные исследовательские работы по прямой отливке тонкой полосы.

На основании полученных результатов в 1999 году была введена в эксплуатацию установка в г. Порт-Кемб-ла (Австралия) для отливки полосы из малоуглеродистых сталей /19, 20/.

В январе 2000 года было подписано соглашение между американской фирмой Nucor, фирмами ВНР и IHI о создании совместного проекта Castrip LLC с целью внедрения разработок ВНР и IHI в США на заводе фирмы Nucor в г. Кроуфордсвилл, Проект осуществляется совместно с фирмой Industrial Solution and Servis Croup of Siemens and Siemens Energy & Automation, Inc. (Германия). Согласно проекту установка из г. Порт-Кембла перенесена на завод в г. Кроуфордсвилл с соответствующей реконструкцией и модернизацией. Фирмам Nucor и ВНР будет принадлежать по 47,5% активов новой компании, фирме IHI - 5%. Фирма ВНР обладает исключительным правом продажи новой технологии в Австралии, Новой Зеландии и Юго-Восточной Азии, фирма Nucor - аналогичным правом в США и Бразилии /21/.

Ввод в эксплуатацию новой установки осуществлен в мае 2002 года /22/.

В табл. 2 приведены технические характеристики наиболее крупных промышленных установок.

В январе 1996 года фирма Nippon Steel сообщила о своих планах ввести в действие в ноябре 1997 года на заводе в г. Хикари установку для отливки тонкого листа из нержавеющей стали. Разработку и поставку оборудования обеспечили фирмы Mitsubishi Heavy Industries и Nippon /23/.

Германская фирма SMS Demag AG и швейцарская фирма MAIN AG/Marti-Tecnologie AG подписали в августе 2000 года лицензионное соглашение с фирмой Tangshan Steel of China о строительстве промышленной двухвалковой установки по отливке тонкой полосы. Предполагаемый срок окончания строительства ~ конец 2002 года/24, 25/.

Фирма Danieli совместно с заводом фирмы ABS (Италия) предполагает реализовать проект строительства двухвалковой установки ESCR /26/.

В табл, 3 представлены данные о промышленных, опытно-промышленных, экспериментальных и вновь вводимых в эксплуатацию промышленных установках.

Одним из существенных преимуществ нового процесса для всего металлургического производства высококачественной полосы являются менее жесткие требования к качеству стального лома, применяющегося при выплавке сталей в электропечах.

Необходимо отметить, что во избежание появления поверхностных трещин при литье тонких слябов стальной лом не должен содержать более 0,15% меди и более 0,015% олова /27/. При литье тонкой полосы на двухвалковом литейно-прокатном агрегате допускается в 3,5 раза большее содержание меди в ломе (до 0,55%) и в 10 раз большее (до 0,16%) содержание олова /28/, что является следствием высокой степени отвода тепла от жидкой стали в зоне кристаллизации и соответственно высоких скоростей кристаллизации стали (табл. 4) /29/.

Рис. 6. Сравнение загрязнённости неметаллическими включениями горячекатанных полос (коррозионностойкая сталь), полученных по традиционной технологии (а), при отливке тонкого сляба (б) и при отливке на 2-валиковом литейно-прокатном агрегате (в)	Значительную роль высокой скорости кристаллизации тонкой полосы в условиях разливки стали на двухвалковом литейно-прокатном агрегате подтверждают и данные по загрязненности стали неметаллическими включениями (рис. 6) /30/. Из них следует, что степень чистоты в отношении величины и количества неметаллических включений выше у полос, полученных на двухвалковых ли-тейно-прокатных агрегатах. Наличие более мелких включений в сочетании с меньшей степенью химической и структурной ликвации способствует получению при дальнейшем переделе горячекатаных и холоднокатаных полос с лучшей структурой и более высокими свойствами, что значительно расширяет возможности данной технологии для производства высококачественных сталей с использованием более дешевого и недефицитного металлолома.
Рис. 7. Затраты на производство г/л полосы различными способами в зависимости от объёма производства	Оптимальная производительность агрегата для литья тонкой полосы оценивается примерно в 500 000 т/год (рис, 7) /31/. Поэтому наибольшую выгоду получат производители, имеющие близкие к указанному объемы производства стали, но не обладающие станами горячей прокатки. Низкие капитальные затраты на выплавку стали и литье тонкой полосы позволят этим предприятиям обеспечить весь технологический цикл от разливки до отделочных операций, исключив транспортировку промежуточного продукта к станам горячей прокатки и сократив площади под складские помещения.
Рис. 8. Влияние скорости разливки на производительность установки	Производительность установки зависит от скорости литья и поперечного сечения литой полосы (рис. 8) /32/. Увеличение диаметра валков уменьшает тепловую нагрузку и температуру их поверхности, что позволяет разливать при той же скорости больший объем стали. Однако при этом затрудняется доставка расплава в створ валков и требуется увеличение размера дорогих керамических боковых ограничителей. Анализ конструкций установок, рассчитанных на промышленное использование, свидетельствует о том, что пока нет единого мнения об оптимальном диаметре валков. Компания Castrip LCC использует валки диаметром 0,5 м, Nippon - 1,2 м, Eurostrip - 1,5 м. Керамические боковые ограничители - один из самых дорогих материалов установки, от их стойкости и цены зависит ее рентабельность. Ограничитель должен плотно прилегать к торцам валков, быть износостойким, выдерживать огромный перепад температур между холодным торцом валка и расплавом. Этим требованиям удовлетворяет, в частности, керамика на основе нитрида бора.
Рис. 9. Сравнение уровня затрат на произовдство горячекатанной полосы различными способами, % 1950 — литьё и прокатка слитков 1970 — литьё и прокатка слябов 1975 — литьё и прокатка слябов, включая горячий прокат 1995 — литьё и прокатка тонких слябов 2005 — литьё полосы	Производство качественной полосовой стали с использованием двухвалкового агрегата открывает широкие перспективы по сравнению с традиционной технологической схемой (рис. 9, 10). На примере завода в г. Крефельд, не имеющего линии горячей прокатки, отчетливо видны преимущества, которые дает внедрение машины прямого литья полосы: не требуется машина непрерывного литья слябов; нет адъюстажа слябов; исключаются операции горячей прокатки; не требуется промежуточный транспорт; сокращается время прохождения металла между сталеплавильным цехом и цехом холодной прокатки.

Рис. 10. Принципиальные технологические схемы производтсва горячекатанной полосы: традиционная (а), отливка тонкого сляба (б), отливка полосы (в)

Рис. 11. Структура затрат при производстве горячекатанной полосы по традиционной технологии и при разливке тонкой полосы

При этом значительно уменьшаются расходы на производство горячекатаной полосы (рис. 11), В результате сформировалась новая концепция направленной деятельности "микрозаводов", которая получила условное название "маркет-завод" (Marketmill), то есть мини-завод, полностью удовлетворяющий потребности рынка. Заводы данного типа смогут производить сталь высокого качества по более низкой цене, чем при применении традиционной технологии. Для заводов такого типа уже специально зарегистрированы термин и торговая марка "микрозавод" (Micro-mill(tm)) /29/,

Выявлены существенные преимущества новой технологии в отношении расхода энергии и выбросов в окружающую среду. Так, в типовых условиях, характерных для завода в г. Крефельд, установлена возможность экономии 2,8 ГДж при производстве 1 т стали, или 85% энергии по сравнению с традиционной непрерывной разливкой и горячей прокаткой (потребление снижается с 3,2 до 0,4 ГДж),

В табл. 5 приведены данные по процессу Castrip LCC /29/.

Рис. 12. Сравнение количества вредных выбросов при производстве тонкой горячекатанной полосы при традиционной технологии и при отливке тонкой полосы

Исключение ряда промежуточных нагревов и сокращение общего времени нагрева позволяют уменьшить выброс вредных газов (на 1 т стали): С02 в 7 раз (со 185 до 25 кг}, NOX в 15 раз (с 290 до 20 г), S02 в 3 раза (с 50 до 15 г). Таким образом, использование литья тонкой полосы и сокращение технологического цикла снижают на 70-90% общее количество выбросов С02, NOX, S02 по сравнению с применением традиционной технологии (рис. 12) /33, 34/.

Ниже представлено распределение затрат на производство горячекатаной полосы с использованием двухвалкового агрегата, по данным проекта Eurostrip/35/, %:

Статья затрат:

Трудовые	5,8
Огнеупоры для разливочного ковша и раздаточного сопла	29,3
Керамика для боковых ограничителей	21,3
Валки	19,0
Энергозатраты	1,8
Обслуживание	12,7
Другие	10,1
Всего	100

Фирма Castrip LLC оценивает эти затраты следующим образом (табл. 6).

За базовые приняты показатели:

 производство горячекатаного листа -500 000 т/год;

 средняя толщина литой полосы -1,60 мм;

 средняя ширина литой полосы -1210 мм.

Исходя из этих данных, себестоимость 1 т горячекатаного листа применительно к условиям фирмы Castrip LLC оценивается следующим образом, долл./т:
Статья затрат:

Производство жидкой стали в электропечи 60 т (на 100% скрапа)	160,0
Обработка стали в агрегате печь-ковш	7,21
Обслуживание агрегата печь-ковш	1,70
Общецеховые расходы	2,00
Разливка стали на двухвалковом агрегате	33,68
Всего	204,6

Примечание. К началу производства коэффициент выхода годного металла К "жидкая сталь - горячекатаная полоса" был принят равным 94%, то есть стоимость возвратных отходов составляет 7,62 долл. В процессе освоения оборудования и технологии предполагается достигнуть величины К, равной 96%.

Таким образом, по предварительным подсчетам, себестоимость 1 т горячекатаной полосы составит около 205 долл.

Ниже приведены данные по стоимости производства 1 т горячекатаной полосы применительно к условиям эксплуатации литейно-прокатного агрегата в Германии (данные фирм MTAG Marti Technologie - ALSTOM), долл./т:
Статья затрат:

Шихтовые материалы	110,0
Расходы на выплавку стали в электросталеплавильном цехе	45,0
Прямые расходы на литейно-прокатный агрегат	30,0
Отчисления по литейно-прокатному агрегату	23,0
Всего	208,0

Примечание. В основу затрат на металлолом и добавки положена чистая цена на металлолом -90,0 долл./т. В сталеплавильном цехе приняты расход электроэнергии около 380 кВт-ч на тонну жидкой стали и цена 0,06 долл. за 1 кВт-ч.

Для сравнения: средняя цена 1 т горячекатаной полосы эквивалентных размеров, полученной по традиционной технологии, составляет в США 250-300 долл., в Европе 280-290 долл.

В целом ожидается, что 1 т полосы из нержавеющей стали, полученной на двухвалковом литейно-прокатном агрегате, будет на 50-150 долл. дешевле тонны полосы, полученной по технологии отливки тонкого сляба. При производстве полосы из низкоуглеродистой стали экономия составит 20-35 долл./т /36/.

Вопросы цены горячекатаной полосы самым тесным образом связаны с качеством получаемого металла. В процессе проведения опытно-промышленных работ было установлено /37/:

• 
  Параметры точности геометрических размеров (профиль, разнотолщинность, неплоскостность) полосы не уступают (а фактически лучше) аналогичным параметрам горячекатаной полосы, полученной традиционным способом, и соответствуют стандартам и техническим требованиям.
  
• 
  Важным является вопрос состояния и количества окалины на поверхности тонких горячекатаных полос (толщиной 1,0-2,0 мм). Такой дефект, как "вкатанная окалина" при использовании нового процесса уже просто не обсуждается. В связи с уменьшением толщины окалины упрощается и становится менее энергоемким процесс травления горячекатаной полосы.
  
• 
  При новом процессе также достигаются лучшие показатели шероховатости поверхности г/к полосы, что способствует получению качественных холоднокатаных полос.
  

Возможность соблюдения в узких пределах необходимого химического состава сталей и технологических параметров при производстве полосы (температуры горячей прокатки, величин обжатия, условий охлаждения) обеспечивает достижение необходимых механических свойств металла.

В табл. 7 и 8 представлены сопоставительные данные по качеству тонкой горячекатаной полосы, произведенной различными способами.

В табл. 9 сопоставлены основные качественные характеристики тонкой полосы из низкоуглеродистой стали, полученной по традиционной технологии (разливка CSP - горячая прокатка) и технологии Castrip LLC.

Отмечается также, что процесс Castrip LLC обеспечивает в зависимости от скорости разливки и скорости охлаждения на рядовых марках стали (С 0,03-0,06%, Мп 0,55-0,65%, Si 0,28-0,32%, AI < 0,006%) широкий диапазон механических свойств (табл.10).

При разливке коррозионностойкой стали были также достигнуты высокие качественные показатели.

На заводе KTN в г. Крефельд проводится разливка коррозионностойкой аустенитной стали AISI 304, масса плавки 90 т. Там получают литую полосу длиной 3500-4500 м, шириной 1130 мм и толщиной 2,2-3,3 мм /35/.

Полосы всех плавок успешно прошли холодную прокатку до конечной толщины холоднокатаных полос 0,8 мм. Полосы имели удовлетворительный профиль по толщине и очень хорошие кромки в необрезанном состоянии. На всех этапах производства на них не наблюдалось существенных эффектов поверхности. Шероховатость поверхности после холодной прокатки также была несколько лучше, чем у традиционной полосы.

При одинаковых условиях производительности механические свойства стали AISI 304 укладываются в тот же диапазон разброса величин, что и механические свойства полос, полученных традиционным способом. Способность стали к глубокой вытяжке также сопоставима с показателями для традиционного материала, причем отмечалась тенденция к уменьшению анизотропии. Ввиду высоких скоростей охлаждения, характерных для процесса прямого литья полосы, наблюдалось меньшее количество неметаллических включений и была достигнута лучшая коррозионная стойкость.

В табл. 11 приведены механические свойства литой полосы после различных этапов процесса (материал -сталь AISI 304).

В табл. 12 приведены механические свойства холоднокатаной полосы (толщина 0,8 мм, после отжига и дрессировки).

Ниже приведена стойкость к коррозии холоднокатаной полосы из стали AISI304.

Способ производства	Критический потенциал язвенной коррозии, мВ/Тн
Полоса, полученная по технологии Eurostrip	550-650
Полоса, полученная по традиционной технологии	400-550

На основании первых промышленных результатов, полученных при производстве тонких полос на двухвалковых литейно-прокатных агрегатах, в ближайшем будущем предполагается осваивать производство продукции следующего сортамента:

Вид полосы	Назначение продукции
Литая	Строительные (конструкционные) трубы, стеновые покрытия, внутренние детали кузова автомобилей
Горячекатаная	Для дальнейшей холодной прокатки, упаковочная тара, строительные панели (сэндвичи)
Холоднокатаная	Мебельная фурнитура, упаковочная тара, внутренние детали кузова автомобилей, детали двигателей, арматура осветительных приборов
С металлическими и органическими покрытиями	Кровля, стеновые панели, детали обрешетки, ригели, зерновые бункеры, ограждения, трубопроводы, водостоки, строительные панели (леса), распорки, стойки, легковесные рамы, корпуса электроприборов, гаражные ворота (двери), корпуса рефрижераторов, холодильников, корпуса кассовых аппаратов

В перспективе ставится задача освоения производства полосы для корпусов приборов широкого назначения, пищевой упаковки, лицевых кузовных деталей легковых автомобилей.

В целом производство горячекатаной полосы с использованием двухвалковых литейно-прокатных агрегатов позволит снизить по сравнению с традиционной технологией (разливка стали на МНЛЗ с последующей горячей прокаткой):

• 
  капитальные затраты на > 75%;
  
• 
  стоимость оборудования на > 45%;
  
• 
  производственные площади на 85%;
  
• 
  энергопотребление на 80%;
  
• 
  вредные выбросы (502, С02, МОХ) на 70-90%.
  

Аналитики прогнозируют, что к 2010 году общее мировое производство горячекатаной полосы (углеродистые и коррозионностойкие стали), получаемой с использованием двухвалковых литейно-прокатных агрегатов, достигнет 7 млн т/год/39/.

Б настоящее время ОАО "АК Лысьвенский завод" и 000 "Инсаюр-Сталь" совместно с ОАО "Гипромез" рассматривают возможность организации собственного производства горячекатаной тонкой полосы из низкоуглеродистых сталейна литейно-прокатном двухвалковом агрегате. Производительность агрегата планируется в объеме 500 000 т в год.

Таблица 2. Технические характеристики промышленных установок

Характеристика	KTN	AST	ВНР	Nucor
Диаметр валка, мм	1500	1500	500	500
Скорость разливки, м/мин	40-90	100	100	150
Толщина полосы, мм:
литая	1,8-4,5	2,0-4,5	1,8-3,5	1,0-4,0
г/к	1,3-3,5	1,4-3,5	0,9-2,0	0,7-2,0
Ширина листа, мм	1450	1350	1345	до 2000
Масса рулона, т	30	30	25	40
Индукционный нагрев перед г/прокаткой, МВт	2-10
Вместимость разливочного ковшз, т	90	60	60	110
Вместимость промежуточного ковша, т	18	15	10	23
Производительность, тыс. т/год	400		300-500	500

Таблица 3. Характеристики двухвалковых литейно-прокатных агрегатов

Фирма, страна	Поставщик оборудования	Толщина полосы, мм	Ширина полосы, мм	Диаметр валков, мм	Вместимость печи, кг
Промышленные установки
NSC (Япония)	Mitsubishi	2-5	1330	1200	60000
ВНР (Австралия)	IHI	2	1345	500	6000
AST (Terni, Италия)	InnseNAI	2-5	860	1500	65000
Usinor (Франция)	Clecim	2-4	865	500	92000
Posco (Ю.Корея)	DDL/Posco	2-6	1300	1250	10000
Pacific Metals (Япония)	Hitachi Zosen	2,5-5	1050	1200	1000
Sumitomo M. (Япония)	Собственная	1,5-3	720	1400	15000
Пилотные установки
Irsid (Франция)	Clecim	1-4	200	660	6000
British Steel (Великобритания)	Собственная	2-5	400	750	3000
Mefos (Швеция)	MDH	5-10	900	Конв.	10000
TU Clausthal (Германия)	Собственная	5-10	300	То же	1000
Aachen Univ. (Германия)	То же	1-2	150	580	180
Max Planck (Германия)	То же	1-5	120	330	70
IMI (Канада)	То же	2-5	200	600	1000
Вновь вводимые установки
Nucor/Castrip LLC (США)	IHI/BHP	2	1345	500	100000
Tangshan Steel of China	SMS/MTAG	0,8-3,0
Acciaierie Bertoli Safau (ABS, Италия)	Danieli	0,8-1,8	1500	1400	80000
Kmpp Thyssen Nirosta	VAI	1,5-4,5	1450	1500	90000

Таблица 4. Параметры разливки и кристаллизации стали при различных методах непрерывной разливки

	Двухвалковый агрегат	Тонкослябовая разливка	Традиционнаяразливка
Толщина литой заготовки, мм	1,6	50	220
Скорость разливки, м/мин	80	6	2
Величина теплоотвода от жидкой стали, МВт/м2	14	2,5	1,0
Время кристаллизации, сек	0,15	45	1070
Средняя скорость охлаждения в зоне кристаллизатора (валков), oС/сек	1700	50	12

Таблица 5. Сравнение энергетических затрат на производство горячекатаной полосы и количества выбросов СО₂ на стадии реализации технологического процесса "разливка стали (сталеплавильный ковш) - горячекатаная полоса"

Технологический процесс	Расход энергии, ГДж/т стали	Выброс CO2/т стали
Литье слябов традиционной толщины + горячая прокатка	1,8	0,20
Литье тонких слябов + горячая прокатка	1,08	0,14
Литье тонкой полосы (Castrip-процесс)	0,2	0,04
Castrip-процесс по сравнению с отливкой слябов традиционной толщины	-89%	-80%
Castrip-процесс по сравнению с отливкой тонких слябов	-81%	-71%

Таблица 6. Распределение затрат на производство 1 тонны горячекатаной полосы на двухвалковом агрегате фирмы Castrip LLC

Статья затрат	$	%
Трудовые (44 чел. /смен, 11 человек обслуживающего персонала в дневную смену)	6,23	18,5
Огнеупорные материалы, в т.ч. керамика для боковых ограничителей (серийность разливки - 3 плавки)	9,88	29,4
Разливочные валки (стойкость - 100000 т)	3,18	9,4
Прокатные валки 4-валкового стана	3,00	9,00
Техобслуживание во время планового простоя оборудования	7,00	20,7
Природный газ для подогрева огнеупоров	0,19	0,5
Инертные газы	1,00	0,5
Инертные газы	1,00	0,5
Электроэнергия	1,20	3,5
Прочие расходы	2,00	6,0
Всего	33,68	100

Таблица 7. Механические свойства полосы (низкоуглеродистая сталь, раскисленная кремнием), полученной на двухвалковом литейно-прокатном модуле фирмы BHP-IHI (Австралия)

Скорость разливки, м/мин	45	80	80	80	Средние данный для г/к полосы, произведённой по традиционной технологии
Толщина литой полосы, мм	1,9	1,6	1,6	1,4
Степень обжатия в прокатной клети, %	0	0	13	29
Окончательная толщина полосы, мм	1,9	1,6	1,4	1,0
Температура окончания прокатки, °С	-	-	1050	1050
Предел текучести, МПа	280	300	300	320	250-360
Предел прочности, МПа	420	440	440	450	320-440
Удлинение, %	28	26	26	28	22-35

Таблица 8. Механические свойства полосы из низкоуглеродистой стали (C 0,035-0,055%; Si 0,15-0,30%; Mn 0,5-0,8%; Al < 0,005%, N < 0,010%), полученной на литейно-прокатном агрегате фирмы Eurostrip /38/

	Предел текучести, МПа	Предел прочности, МПа	Относительное удлинение, %	г	Способ получения
Средние данные для г/к полосы из металла, выплавленного в электропечи	300	420	35	-	Традиционное производство
Ср. данные для г/к полосы из металла, выплавленного в кислородном конвертере	255	380	36	-
Литая полоса	270	401	27,3	1,06	Технология Eurostrip
Г/к полоса со степенью обжатия 36%	316	398	28,7	0,84
Г/к полоса со степенью обжатия 30%	300	395	30,2	0,84

Таблица 9. Свойства тонкой полосы, полученной по различным технологиям

Свойство	Castrip, литая полоса *	Castrip, г/к полоса	Традиционная технология
Предел текучести, МПа	304	385	322
Предел прочности, МПа	444	465	380-450
Относительное удлинение, %	25	31	25-35
Шероховатость полосы, мкм	2,0-3,0	0,6-0,8	1,0-1,5
Толщина окалины, мкм	2	2	4-7
Отклонение по толщине, мм	± 0,054	± 0,034	± 0,15**
Средний размер зерна, мм	0,05	0,05	0,025-0,075

^* — Этот термин предполагает обжатие в клети не более 15%.
^** — По стандарту ASTM - А 568М допусков на г/к полосу.

Таблица 10. Механические свойства рядовых марок сталей в зависимости от скорости охлаждения

Скорость охлаждения, Х/сек	Предел текучести, МПа	Относительное удлинение, %
0,1	210	30-35
13	320	25-30
25	390	18-22
100	490	14-16

Таблица 11. Механические свойства литой полосы

	Сигма0,2, МПа	СигмаB, МПа	Дельта, %
Литая полоса (толщина 2,5 мм) б/отжига	230	530	48-50
Полоса, горячекатаная в линии (толщина 1,8 мм, отожженная)	250	570	53
Отожженная полоса (традиционная технология)	250-330	590-690	47-54

Таблица 12. Механические свойства холоднокатаной полосы

	Сигма0,2, МПа	СигмаB, МПа	Дельта, %
Полоса, разлитая по технологии Eurostrip	330	670	50
Полоса, разлитая по традиционной технологии	240-350	590-690	50-60