Способ и относящаяся к нему установка для изготовления стальных полос с нарушением непрерывности
Изобретение предназначено для уменьшения энергоемкости оборудования и повышения производительности процесса изготовления стальных полос. Способ включает этап непрерывного литья для получения тонких заготовок с высоким «массовым расходом», этап резки и последующего нагрева в печи, за которым следует этап прокатки в прокатном стане с несколькими рабочими клетями. Увеличение коэффициента вытяжки при минимальном снижении прочности материала обеспечивается за счет того, что температура изделия на входе в прокатный стан поддерживается выше, чем температура поверхности, которая равна по меньшей мере 1100°С и ниже, чем температура, измеренная во внутренней центральной зоне, приблизительно на 100°С. Установка для осуществления способа, в которой на входе в печь, как минимум, индукционного типа, в сочетании с туннелем для поддержания температуры, расположены ножницы для разрезания на части заготовки, выходящей из машины непрерывного литья, выполнена таким образом, что расстояние между выходом из указанной машины непрерывного литья и входом в чистовой прокатный стан не превышает 100 м. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к способу и соответствующей установке для изготовления стальных полос.
В сталелитейном производстве существует потребность, которая, впрочем, присутствует в любой отрасли промышленности, которая заключается в необходимости использования способов производства, связанных с более низкими капиталовложениями и производственными затратами. Известно также, что в последние годы в разработке способов производства, основанных на так называемых технологиях производства «тонких слябов», достигнуты значительные успехи в направлении снижения стоимости, прежде всего в энергетическом аспекте. Можно выделить три основных типа способов изготовления и соответствующих установок, реализующих такую технологию, а именно, первый тип, который не предусматривает нарушения непрерывности между этапом непрерывной разливки и этапом прокатки, второй тип, в котором указанные два этапа разделены, причем нарушение непрерывности достигается использованием прокатного стана Стекеля, и, наконец, третий тип, также с нарушением непрерывности, как показано на фиг.1, который является ближайшим прототипом настоящего изобретения, реализованным, например, в так называемой установке CSP (компактная установка производства полосы) американской компании American Company Nucor Steel в Кроуфордвиле, штат Индиана (США).
На фиг.1 схематично представлена машина непрерывного литья заготовок 1, обеспечивающая на выходе тонкую заготовку 2 толщиной от 45 до 110 мм при обычной скорости 5 м/мин. Заготовка разрезается с помощью ножниц 3 на части обычно длиной 40 м, в зависимости от толщины заготовки, ширины и веса требуемого готового рулона. Тонкая заготовка, разрезанная на части 4, поступает в туннельную печь 5, которая предназначена для выравнивания температуры, особенно по всей площади поперечного сечения заготовки, от наружной поверхности до середины, затем проходит через устройство для удаления окалины 8 перед входом в чистовой прокатный стан 9, содержащий в показанном примере шесть клетей 9.1-9.6. После прокатки заготовка попадает на охлаждающий рольганг 15 и затем на окончательную смотку с помощью одной или двух моталок 16 для формирования требуемого рулона.
Следует отметить, что туннельная печь 5, как известно, отличается длиной приблизительно 200 м и обычным временем пребывания заготовки внутри нее, составляющим от 20 до 40 мин при указанной выше скорости. Конечно, при скорости непрерывной разливки более 5 м/мин требуется туннельная печь длиной более 200 м для нагревания заготовки и выравнивания ее температуры. Например, при скорости непрерывной разливки 7 м/мин туннельная печь должна иметь длину приблизительно 300 м, если не требуется обеспечения времени пребывания заготовки в печи более 40 мин. При дальнейшем увеличении скорости разливки при той же продолжительности пребывания в печи потребуется еще большая длина печи, что трудно осуществимо как с технической, так и с экономической точки зрения.
Как показано на фиг.1, внутри печи 5 находятся три заготовки (сляба) 4, 4.1 и 4.2, из которых первая заготовка еще соединена с машиной непрерывного литья перед разрезанием ее с помощью ножниц 3, вторая заготовка свободно находится внутри печи, готовая к прокатке, а третья заготовка уже подводится к чистовому прокатному стану 9 через устройство для удаления окалины 8. Пунктирными линиями показаны также возможные профили двух дополнительных заготовок 4.3 и 4.4, которые могут находиться внутри печи 5 без необходимости остановки непрерывной разливки в случае заеданий в прокатном стане или операций по замене вальцов, если данные проблемы могут быть решены в течение периода времени менее 20 мин.
Профиль распределения температуры в поперечном сечении заготовки непосредственно перед первой клетью прокатного стана изображен с помощью элемента, указанного ссылочным номером 7. Диаграмма на фиг.1а показывает также, что плоская заготовка со средней температурой 1000°С на входе в чистовой прокатный стан требует обеспечения давления или «напряжения пластического течения» (Kf на фиг.1а) на материал, равного 100 Н/мм2, тогда как температура 800°С в случае низкоуглеродистой стали предполагает давление Kf, равное приблизительно 150 Н/мм2. Как можно заметить на элементе 7, профиль распределения температуры заготовки на входе в чистовой прокатный стан является по существу равномерным, как показано с помощью немного выпуклой кривой, изображающей его от минимума приблизительно 990°С на концах, соответствующего температуре поверхности, до максимума 1010°С в центральной зоне, соответствующего сердцевине заготовки, откуда получается ранее указанное значение средней температуры, составляющее приблизительно 1000°С.
В действительности в соответствии с известным уровнем техники до сих пор считалось, что изделие на выходе из машины 2 непрерывного литья, имеющее профиль распределения температуры, показанный на диаграмме элемента 6, относительно поперечного сечения заготовки на входе в печь 5, то есть с температурой поверхности, равной приблизительно 1100°С, и температурой сердцевины, равной приблизительно 1250°С (то есть вершина диаграммы), должно подвергаться процессу полного усреднения температуры. Всегда существовало стремление добиться максимально возможного усреднения такой температуры, особенно по всему поперечному сечению заготовки, перед входом в чистовой прокатный стан. В действительности всегда считалось, что посредством усреднения температуры между поверхностью и сердцевиной изделия можно добиться равномерного удлинения волокна для обеспечения такого же сопротивления деформации по существу при той же температуре. Исходя из такого установившегося подхода, всегда существовало стремление добиться того, чтобы разность температур между поверхностью и сердцевиной изделия была меньше 20°С, как указано выше со ссылкой на элемент 7, для обеспечения равномерного удлинения волокна, до сих пор считавшегося необходимым для обеспечения высокого качества конечного продукта.
С другой стороны, как показано выше, стремление к усреднению температуры заготовок не позволяет создавать установки с высокими скоростями разливки, что теоретически реализуемо (вплоть до скорости 12 м/мин, которую обеспечивает настоящая технологическая разработка), и, следовательно, с очень высокой производительностью, вследствие того, что печь должна иметь неприемлемо большую длину.
С другой стороны, желательно было бы иметь печи уменьшенной длины между машиной непрерывного литья и прокатным станом для экономии пространства и снижения капиталовложений, что обеспечивает более высокую среднюю температуру продукта, связанную с меньшей суммарной мощностью клетей при той же толщине полосы, как проиллюстрировано на уже указанной диаграмме в соответствии с фиг.1а.
В действительности, опровергая широко распространенные принципы известного уровня техники, было обнаружено, что если температура в середине поперечного сечения заготовки будет на 100-200°С выше температуры поверхности, поддерживаемой на уровне приблизительно 1100°С, то для получения той же самой конечной толщины заготовки потребуется более низкое давление при прокатке (Kf) благодаря повышению температуры прокатки без какого-либо иного снижения качества продукта.
Обнаружено также, что такие температурные условия не снижают качества продукта после чистовой прокатки, если выдерживаются следующие условия: литое изделие имеет достаточно высокое значение «массового расхода» (то есть массы стали, проходящей за единицу времени на выходе машины непрерывного литья) при скорости на выходе > 5м/мин после прохождения процесса обжатия с жидкой сердцевиной или «мягкого обжатия», в частности, в соответствии с принципами, изложенными в ЕР 0603330 того же заявителя, чтобы гарантировать так называемое «нормальное состояние сердцевины» отлитой заготовки и обеспечить более высокую температуру в сердцевине и в результате также более высокую среднюю температуру на этапе прокатки.
Поэтому целью настоящего изобретения является создание способа изготовления стальных полос с нарушением непрерывности, обеспечивающего максимально возможный коэффициент вытяжки при минимальном снижении прочности и, следовательно, требующего уменьшенной общей мощности клетей прокатного стана и в результате обеспечивающего экономию энергии при заданной толщине заготовки на выходе из прокатного стана.
Другой целью настоящего изобретения является создание способа вышеуказанного типа, который при ограниченной длине печи позволяет обеспечить очень высокую производительность за счет высокой скорости разливки.
Эти и другие цели достигаются посредством создания способа, обладающего признаками, указанными в пункте 1 формулы изобретения, и установки, признаки которой указаны в пункте 3 формулы изобретения, при этом другие преимущества и характеристики настоящего изобретения станут понятными из следующего подробного описания предпочтительного варианта его осуществления, приведенного в качестве неограничивающего примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 схематично изображает установку для изготовления стальных полос на основе машины непрерывного литья с нарушением непрерывности в соответствии с известным уровнем техники, как уже описано выше;
фиг.1а изображает диаграмму, иллюстрирующую зависимость требуемого давления при прокатке от средней температуры прокатываемого материала;
фиг.2 изображает схематичный вид установки в соответствии с настоящим изобретением, подобной установке по фиг.1;
фиг.3 изображает схематичный вид установки в соответствии с настоящим изобретением, содержащей индукционную печь.
На фиг.2 схематично изображен пример установки, для осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением, начиная с тонкого сляба 22 на выходе зоны непрерывного литья, схематично показанной целиком под ссылочным номером 21 и включающей, как известно, кристаллизатор, а также возможное подходящее средство для осуществления обжатия с жидкой сердцевиной (LCR) или «мягкого обжатия». Тонкий сляб 22 выходит из машины 21 непрерывного литья с теми же значениями толщины и скорости, которые уже указаны для сляба 2 в установке по фиг.1, относящейся к известному уровню техники, то есть с толщиной от 45 до 110 мм, например, 60 мм, скоростью, равной 5 м/мин, и шириной, равной 1600 мм, то есть с высоким «массовым расходом», как указано выше. Профилем распределения температуры в зоне перед печью 25 (здесь не показанной) является профиль, показанный в элементе 6 по фиг.1, с температурой поверхности, равной приблизительно 1100°С, и температурой в сердцевине, равной приблизительно 1250°С (вершина диаграммы).
Сляб режется на части, обычно имеющие длину 40 м, с помощью ножниц 3 в соответствии с требуемым весом готового рулона и поступает в традиционную туннельную печь 25 (с газовым нагревом), но имеющую ограниченную длину, предназначенную для поддержания температуры тонкого сляба 24 путем его нагрева. Оттуда через устройство 8 для удаления окалины она поступает в чистовой прокатный стан 29, из которого после прокатки выходит на рольганг 15 для смотки с помощью одной или двух моталок 16, как уже понятно в соответствии с фиг.1.
В отличие от установки по фиг.1, здесь туннельная печь 25 имеет длину, которая должна быть по возможности уменьшена и во всяком случае не больше 100 м, для того, чтобы время пребывания тонкого сляба внутри печи было по возможности минимальным. Это делается с целью получения на выходе профиля температуры, приближающегося к «треугольной» форме, как подробно показано в элементе 27, который отличается температурой поверхности, равной приблизительно 1100°С, температурой в сердцевине заготовки, равной приблизительно 1200°С, и средней температурой, равной приблизительно 1150°С. Поэтому получаемый в результате профиль является по существу менее усредненным по сравнению с профилем, показанным в элементе 7 на фиг.1, при той же скорости подачи.
Внутри печи 25 показаны два сляба 24 и 24.2, из которых первый сляб еще связан с машиной непрерывного литья перед разрезанием с помощью ножниц 3, а второй сляб уже подтягивается к чистовому прокатному стану 29 через устройство 8 для удаления окалины и таким образом уже находится на этапе прокатки. Пунктирная линия 24.1 в промежутке между двумя указанными слябами изображает имеющееся пространство для дополнительной заготовки, используемой в качестве «буфера» в случае заедания прокатного стана, если толщина заготовки на выходе и вес требуемого рулона позволяют иметь заготовки длиной <30 м при вышеуказанных ограничениях общей длины печи. Каждая заготовка, после разрезания с помощью ножниц 3, ускоряется и перемещается в центральную часть печи до тех пор, пока она достигает скорости подачи в чистовой прокатный стан, соответствующей приблизительно 15-20 м/мин, чтобы в максимально возможной степени сократить время пребывания в самой печи, которое может быть сокращено до менее 10 мин вместо 20-40 мин, предполагаемых для установки в соответствии с известным уровнем техники по фиг.1.
Как указано выше, следует отметить, что во всяком случае расстояние между выходом из машины 21 непрерывного литья и чистовым прокатным станом 29 будет не больше, чем приблизительно 100 м с дополнительным появляющимся в результате преимуществом обеспечения более компактной установки, требующей меньшего пространства, а также высоких скоростей на выходе машины непрерывного литья. Таким образом, средняя температура изделия будет выше, чем температура поверхности, при этом температура в сердцевине будет по меньшей мере на 100°С выше, чем температура поверхности. Из диаграммы на фиг.1а понятно, что величина Kf, равная приблизительно 70 Н/мм2, соответствует средней температуре 1150°С, вместо 100 Н/мм2 при средней температуре 1000°С, как в установке по фиг.1.
Следует отметить, что при вышеуказанных более высокой температуре и «массовом расходе» можно получить более высокие коэффициенты вытяжки, в частности в первых клетях прокатного стана, что обеспечивает получение более тонкого проката при таком же или меньшем количестве клетей по сравнению с известным уровнем техники. Например, на фиг.2 количество клетей прокатного стана 29 уменьшилось до пяти по сравнению с шестью клетями прокатного стана 9 по фиг.1.
Фиг.3 изображает другой вариант осуществления настоящего изобретения, в котором туннельная печь 25, обычно с газовым нагревом, по существу заменена индукционной печью 35. В известном уровне техники (см., например, ЕР 0415987 на имя настоящего заявителя) индукционные печи использовались для нагревания тонкого сляба, предварительно прокатанного до толщины приблизительно 15 мм в черновой группе клетей стана, и делали его пригодным для последующего этапа чистовой прокатки. Так как температура сердцевины сляба в любом случае была выше, чем температура поверхности, рабочая частота печи обычно выбиралась достаточно высокой, для того, чтобы глубина проникания тепловой энергии, обратно пропорциональная частоте, была такой, чтобы нагревать в основном поверхностный слой, отличающийся более низкой температурой.
Напротив, в установке в соответствии с настоящим изобретением используется индукционная печь 35, показанная на фиг.3, с достаточно низкой рабочей частотой, для того, чтобы нагревание, осуществляемое практически равномерно по всему поперечному сечению сляба до сердцевины, по существу обеспечивает такой же профиль, как и на ее входе до конца, и такой профиль показан с помощью диаграммы в элементе 6 на фиг.1. Таким образом, если на входе в печь 35 сляб 34, который должен быть отрезан с помощью ножниц 3 от заготовки 32, поступающей из машины 31 непрерывного литья, имеет температуру поверхности, равную 1100°С, и температуру в сердцевине, равную 1250°С, то на выходе из указанной печи также можно получить температуру поверхности, равную 1150° или выше, и температуру в сердцевине, равную приблизительно 1250°, не только поддерживая заметную разницу между температурой внутри и снаружи, но также и увеличивая среднюю температуру сляба при прокатке с получением всех преимуществ, указанных выше со ссылкой на фиг.1а.
Перед входом в индукционную печь 35 тонкий сляб 32, поступающий из машины 31 непрерывного литья, проходит во всяком случае после ножниц 3 в туннель 36 для поддержания температуры и возможного нагревания, который предназначен для ограничения тепловых потерь.
Следует отметить, что индукционная печь 35, в отличие от той, что показана на фиг.3, может быть также размещена перед указанным туннелем 36 для поддержания температуры таким образом, чтобы увеличить температуру сляба, пока он еще соединен с машиной непрерывного литья, с целью ограничения энергопотребления. После разрезания с помощью ножниц 3 отрезанная часть 34 сляба ускоряется, как уже указано для сляба 24 со ссылкой на фиг.2, для достижения скорости подачи в прокатный стан 39, равной приблизительно 15-20 м/мин. Туннель 36 для поддержания температуры, содержащий рольганги между машиной непрерывного литья и прокатным станом, расположенный перед и/или после печи 35, выполнен из изолирующих панелей, которые могут быть снабжены газовыми горелками и/или резисторами для дополнительного уменьшения тепловых потерь. В итоге с учетом меньшей длины индукционной печи по сравнению с традиционной печью можно сказать, что в данном случае, учитывая туннель 36 для поддержания температуры, также уменьшается длина по сравнению с печью 25 по фиг.2, и суммарное расстояние между выходом из машины непрерывного литья и входом в прокатный стан также будет не больше 100 м.
Охлаждающие устройства или возможно промежуточные нагревающие устройства, не показанные на чертеже, могут быть расположены между клетями чистового прокатного стана 29 или 39, при этом они могут помещаться между клетями в соответствии со скоростью прокатки и типом прокатываемой стали.
Наконец настоящее изобретение может быть также использовано для осуществления способов и относящихся к ним установок с двумя линиями разливки, снабжающими один и тот же прокатный стан 29 или 39.
1. Способ изготовления стальных полос с нарушением непрерывности, включающий этап непрерывного литья тонких слябов, имеющих толщину, находящуюся в пределах от 45 до 110 мм, и высокий массовый расход, определяемый как масса стали, проходящая за единицу времени на выходе из машины непрерывного литья, этап отрезания и последующего нагрева, за которым следует этап прокатки в прокатном стане с несколькими клетями, отличающийся тем, что указанный нагрев, по меньшей мере, частично, обеспечивают посредством индукционного нагрева с достаточно низкой рабочей частотой, для того, чтобы обеспечить нагревание сердцевины сляба и, по существу, поддерживать постоянную разницу между температурой сердцевины и поверхности сляба при поступлении его на этап прокатки, причем средняя температура изделия в любом его поперечном сечении выше, чем температура поверхности, и при этом равна или выше, чем приблизительно 1100°С, при этом в центральной внутренней зоне или сердцевине сляба температура, по меньшей мере, на 100°С выше, чем температура поверхности.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, промежуточное охлаждение и/или нагревание предусмотрены между клетями прокатного стана.
3. Установка для изготовления стальных полос с нарушением непрерывности из тонких слябов, имеющих толщину, находящуюся в пределах от 45 до 110 мм, выходящих из машины (21; 31) непрерывного литья, включающая, по меньшей мере, одну нагревательную печь (25, 35, 36) перед чистовым прокатным станом с множеством рабочих клетей (29; 39), в которую указанное литое изделие поступает с нарушением непрерывности, после разрезания на слябы (24; 34) ножницами (3), при этом предусмотрено устройство (8) для удаления окалины между печами (25; 35, 36) и прокатным станом (29; 39), отличающаяся тем, что одной из указанных, по меньшей мере, одной или нескольких печей является индукционная печь (35) с рабочей частотой, достаточно низкой для обеспечения нагревания сердцевины сляба и поддержания, по существу, постоянной разницы между температурой сердцевины и температурой наружной поверхности сляба в конце указанной печи на входе в первую клеть указанного чистового прокатного стана (29; 39), при этом средняя температура заготовки в поперечном сечении выше, чем температура поверхности, и температура в центральной внутренней зоне - сердцевине, по меньшей мере, на 100°С выше, чем указанная температура поверхности, которая равна или выше, чем 1100°С, при этом расстояние между выходом из машины (21; 31) непрерывного литья и входом в прокатный стан (29; 39) не превышает 100 м.
4. Установка по п.3, отличающаяся тем, что предусмотрена вторая печь (25) туннельного типа, нагреваемая с помощью газа.
5. Установка по п.3, отличающаяся тем, что она имеет одну печь (35) индукционного типа.
6. Установка по любому из п.3 или 4, отличающаяся тем, что она имеет туннель (36) для поддержания температуры в сочетании с указанной индукционной печью (35), расположенный перед или после нее и имеющий такую длину, чтобы обеспечить общее расстояние между машиной непрерывного литья и чистовым прокатным станом, не превышающее 100 м, для ограничения тепловых потерь.
7. Установка по п.6, отличающаяся тем, что указанный туннель (36) для поддержания температуры выполнен в виде рольгангов, снабженных изолирующими панелями.
8. Установка по п.6, отличающаяся тем, что указанный туннель (36) для поддержания температуры снабжен газовыми горелками и/или электрическими резисторами.
9. Установка по п.7, отличающаяся тем, что указанный туннель (36) для поддержания температуры снабжен газовыми горелками и/или электрическими резисторами.
10. Установка по п.6, отличающаяся тем, что указанная индукционная печь (35) расположена непосредственно перед устройством для удаления окалины (8).
11. Установка по п.7, отличающаяся тем, что указанная индукционная печь (35) расположена непосредственно перед устройством для удаления окалины (8).
12. Установка по п.6, отличающаяся тем, что указанная индукционная печь (35) расположена непосредственно после ножниц (3).
13. Установка по п.7, отличающаяся тем, что указанная индукционная печь (35) расположена непосредственно после ножниц (3).
14. Установка по п.3, отличающаяся тем, что она дополнительно имеет промежуточные охлаждающие и/или нагревательные устройства между клетями прокатного стана (29; 39).
