Современные решения для непрерывной разливки и внепечной обработки стали

д.т.н., профессор, Золотухин В. И.,
почетный металлург, Мурат С. Г.

Современные решения для непрерывной разливки и внепечной обработки стали

НПП «Вулкан-ТМ» 25 лет работает на рынке сталеразливочного оборудования, осуществляет поставку продукции более чем на 20 предприятий России и стран ближнего зарубежья.

Основными направлениями производственной деятельности НПП «Вулкан-ТМ» являются:

проектирование, производство и осуществление комплектной поставки современных сталеразливочных систем;
производство неформованных огнеупоров, мертелей, бетонов, масс;
производство оборудования для внепечной обработки и повышения качества чугуна и стали – продувочных донных пробок и узлов, линий производства порошковой проволоки, трайбаппаратов;
производство смесителей интенсивного действия.

Фирмой производится 7 модификаций затворов (в разработке ещё 2 модели), 3 модели трайб-аппаратов, более 80 наименований огнеупоров, линии производства порошковой проволоки.

С момента основания компании в основе создания шиберных затворов серии «ВТМ» лежали различные технические решения, обуславливающие конкурентные преимущества, которые всегда отвечали требованиям своего времени. Инновационные решения, используемые при построении структурно-компоновочных схем затворов, заслужили признание потребителей, что подтверждается высоким уровнем надёжности и, прежде всего, безаварийностью сталеразливочных систем.

Концепции построения шиберных затворов нового поколения серии «ВТ» основаны на использовании как зарекомендовавших себя решений, так и принципиально новых. Технические решения широко апробированы на 16 литейных и 34 металлургических предприятиях.

В настоящее время НПП «Вулкан-ТМ» разработало линейку унифицированных шиберных затворов: для ковшей до 30 тонн – это компактный затвор ВТ-30, для ковшей от 30 до 160 т разработаны затворы ВТ-50 и ВТ-60/80, для большегрузных ковшей до 380 т – затвор ВТ-90 [1].

Новые конструкции современных сталеразливочных систем основаны на адаптированности затвора к использованию шиберных плит различных типоразмеров и производителей.

Для шиберной разливки переход на использование плит других типоразмеров всегда означал лишь одно – необходимость смены модели шиберного затвора, в лучшем случае, его кардинальную доработку, не всегда удовлетворяющую условиям габаритных ограничений и возможности сохранения посадочных мест. Очевидно, что все связанные с этим изменения характеризуются соответствующими затратами средств и времени.

Шиберные затворы серии ВТ – это не только альтернатива поколению затворов серии ВТМ, а прежде всего затворам ведущих фирм-производителей, таких как RHI, Vesuvius, и др. Затвор серии ВТ-60/80 (рис. 1) не только не уступает им в функциональном плане, но и имеет ряд существенных преимуществ, что делает его востребованным альтернативным решением. В настоящее время затвор стал победителем ряда тендеров («УГМК-СТАЛЬ», ООО «НЛМК-Урал», ПАО «Ижсталь», ПАО «Надеждинский металлургический завод» и др.) с участием ведущих западных фирм.

а б

Рис. 1. Затворы серии ВТ60/80: а – ВТ60/80Р; б – ВТ60/80М

Идея преодоления зависимости от использования одного типоразмера плит в шиберном затворе является достаточно актуальной в настоящий момент. Известные европейские производители сталеразливочных систем, такие как «RHI», «Vesuvius» и другие, являясь также и производителями шиберной керамики, используют в своих моделях запатентованные решения по креплению шиберных плит в металлических обечайках, обязательно имеющих конструктивные элементы (пазы, выступы), соответствующих ответным частям посадочных мест. Очевидным является то, что в таких затворах никак не могут быть использованы плиты других поставщиков, что, в свою очередь, обязывает потребителя к закупке шиберной керамики одноименного поставщика.

Если говорить об использовании импортных затворов на российском рынке, то такая привязка к одному производителю существенно сказывается на удельных затратах на тонну разливаемой стали, ставит потребителя в жесткую зависимость и изначально лишает каких-либо альтернатив.

Количество поставщиков шиберных плит в разы увеличилось за последние 5 лет, и такая тенденция продолжает сохраняться. Среди ведущих производителей высококачественных шиберных плит Европейские страны, а также Китай, Индия, Япония и другие, которые предлагают плиты в широком ценовом диапазоне, но также не дешево. Однако, в силу известных событий поставка шиберных плит от европейских производителей практически свёрнута. Тем не менее, тенденция улучшения качественных характеристик предлагаемых плит обеспечивает стойкость до 10 плавок. Не трудно предположить, что эксплуатационные характеристики шиберных плит будут меняться в сторону увеличения их ресурсов работы. В этом отношении потенциальная адаптированность затвора к вновь появляющимся типам плит с улучшенными эксплуатационными характеристиками является весьма дальновидным решением [2], особенно актуальным в последнее время.

Новая модель шиберного затвора модели ВТ-60/80Р для ковшей ёмкостью до 160 т имеет универсальный механизм крепления шиберных плит различных типоразмеров. Он позволяет переходить на плиту другого типоразмера без снятия затвора с ковша, время такой переналадки затвора не превышает среднего времени его обслуживания при смене шиберной керамики.

Крепление плиты не требует обязательного наличия ответных элементов на ее обечайке. Запатентованный механизм фиксации плит прост и удобен в обслуживании, не предполагает использования каких-либо дополнительных оригинальных приспособлений.

Концепция модульного построения компоновочной схемы затвора, сложившаяся на заре развития фирмы и ставшая традиционной особенностью всей модельной линейки затворов производства НПП «Вулкан-ТМ», также используется в новой модели затвора ВТ-60/80Р и даже более выражена, чем ранее. Данный затвор имеет компоновку типа «книжка», функционально затвор разбит на унифицированные блоки, которые могут меняться непосредственно на ковше, при этом их модернизация или доработка не требует каких-либо доработок всего затвора в целом. Замена элементов конструкции блоками позволяет существенно сократить время обслуживания затвора на ковше. Наиболее изнашиваемые в процессе работы затвора элементы поставляются заказчику в комплекте ЗИП. К ним относятся байонетные гайки, подвижные каретки, траверсы, опорные ролики и др. [3].

Для различных условий эксплуатации разработаны 2 модификации затвора – с боковым (см. рис.1, а) и вертикальным (см. рис.1, б) открытием. Конструкция затвора позволяет устанавливать его на уже имеющиеся посадочные места и может быть легко адаптирована под использование существующих на предприятиях систем привода.

Оригинальным решением для всех затворов серии ВТ является механизм прижима, имеющий 2 пружинных блока, состоящих из жаропрочных тарельчатых пружин, вынесенных из зоны высокотемпературного нагрева.

Ещё одно направление деятельности НПП «Вулкан-ТМ» – производство и поставка формованных бетонных огнеупорных изделий для шиберной разливки: стакан-коллектор в металлической обечайке, гнездовой стакан, гнездовые блоки различных типов и модификаций (рис. 2). Предприятие использует дифференциальный подход к каждому заказчику и разрабатывает конфигурацию и материалы на продукцию непосредственно для тех условий эксплуатации, которые необходимы на конкретном предприятии.

Рис. 2. Формованные огнеупоры

Освоен выпуск шиберных огнеупорных изделий с различными эксплуатационными характеристиками как для заводов с низким коэффициентом использования (металлургические заводы, где применяются шамотные футеровки и не требуется высокая стойкость шиберных огнеупоров), так и для высокотехнологичных предприятий, где требуется высокостойкие огнеупорные изделия. В настоящее время НПП «Вулкан-ТМ» выпускает огнеупорные изделия со стойкостью, сопоставимой с основными мировыми поставщиками огнеупоров, таких как «RHI» и «Vesuvius».

Сейчас уже можно говорить о том, что в современных сталеразливочных системах нашего производства достигнута равностойкость сменных огнеупорных элементов, прежде всего это относится к стаканам-коллекторам и шиберным плитам, так как разница в стойкости этих элементов всегда была остро ощутима. Так при потенциальной стойкости стакана-коллектора 8 плавок, его использование с шиберной двухплавочной плитой снижало стойкость коллектора до 4-5 плавок. Стакан-коллектор при замене плиты подвергался циклическим охлаждениям, что отрицательно сказывалось на его стойкости. Идеальным вариантом считается равная стойкость этих элементов огнеупорного комплекта, имеющих общий стыковочный замок, на который наносится слой мертеля. После замены шиберной плиты необходимо было на стакане-коллекторе зачищать поверхность соприкосновения с плитой от остатков мертеля, здесь существенную роль играл человеческий фактор, так как от качества зачистки стыковочной поверхности зависело качество всего соединения, что, в свою очередь, могло стать причиной прохода металла. Естественно, для перестраховки, стакан-коллектор менялся, не достигнув своего гарантированного ресурса по стойкости.

Результаты эксплуатации шиберных затворов модели ВТ-60/80Р с диаметром разливочного канала 60 мм показали равную стойкость стаканов-коллекторов и используемых шиберных плит, доходящую до 9 плавок. Шиберные плиты здесь по-прежнему выступает элементом, лимитирующим стойкость огнеупорного комплекта, но при появлении шиберных плит с улучшенными эксплуатационными характеристиками НПП «Вулкан-ТМ» имеет все возможности для разработок стаканов-коллекторов, обладающей соответствующей стойкостью. Для сравнения, стойкость гнездового стакана в шиберном затворе ВТ-60/80Р достигает 25 плавок. Очевидно, что следующим принципом построения современных сталеразливочных систем будет достижение равностойкости гнездового стакана, шиберной плиты и стакана-коллектора.

Последняя разработка компании шиберный затвор 60/80 для особо тяжёлых условий эксплуатации с основными узлами, изготовленными из ВЧШГ. Использование высокопрочного чугуна позволит увеличить ресурс шиберного затвора, исключит термическое коробление деталей и налипание брызг расплавленного металла.

Новейшей разработкой фирмы является устройство газодинамической защиты струи металла от вторичного окисления (рис. 3), которое также предлагается в составе комплектной поставки совместно с шиберным затвором.

Рис. 3. Устройство газодинамической защиты струи металла от вторичного окисления

В качестве альтернативного варианта защиты струи металла от вторичного окисления НПП «Вулкан-ТМ» предлагает использовать устройство газодинамической защиты металла от вторичного окисления, которое имеет широкие технические возможности, в том числе адаптировано под сифонную разливку металла.

Использование защитной трубы не даёт 100 процентной защиты струи от окисления в следствие негерметичности стыка стакана-коллектора и защитной трубы. При таком способе защиты используют защитные трубы, оборудованные системой подачи аргона в зону сопряжения, с целью препятствия проникновения кислорода внутрь защитной трубы.

Как известно, совместное использование защитной трубы и аргоновой продувки накладывает существенные ограничения на предельные отклонения геометрических размеров стыкующихся поверхностей огнеупоров, что требует ужесточения технологии их изготовления и, в свою очередь, сказывается на повышении себестоимости стаканов-коллекторов и защитных труб. Такой способ защиты металла от вторичного окисления используется в сталеразливочных системах фирмы Vesuvius. Выпускаемые этой фирмой огнеупорные изделия обладают высокой точностью изготовления (±0,3-0,5 мм), но и, соответственно, имеют высокую стоимость. Еще одним существенным недостатком данных систем защиты является невозможность использования в их составе огнеупорных элементов других производителей. У китайских и индийских производителей огнеупорных изделий точность посадочных размеров гораздо ниже и составляет ±2 мм, у российских — еще ниже и достигает ±5 мм (согласно ТУ предприятий). Такая низкая точность посадочных размеров огнеупорных изделий не позволяет эффективно использовать защитные трубы с подачей аргона.

Другим способом защиты металла от вторичного окисления является совместное использование защитной трубы и эластичного уплотнения из огнеупорного материала, устанавливаемого между стаканом-коллектором и защитной трубой. Огнеупорное уплотнение обеспечивает плотный контакт стыкуемых поверхностей огнеупоров, за счет эластичного состава, который принимает форму сопряженных поверхностей, тем самым компенсируя отклонения их формы и размеров.

Недостатком способов защиты металла от вторичного окисления с использованием защитных труб, а также эластичных вставок, является то, что они одноразовые и требуют замены после каждой плавки. В литейных производствах, а также в металлургии, где имеет место сифонная разливка, использование защитных труб невозможно.

Разработанное устройство газодинамической защиты металла от вторичного окисления производства НПП «Вулкан-ТМ» монтируется на шиберном затворе путем защелкивания на байонетной гайке во время межплавочного обслуживания сталеразливочного ковша. Продувка аргоном осуществляется весь период разливки плавки. Стойкость системы защиты составляет до 7 плавок. Износ системы обуславливается накапливанием металла на продувочные щели и растрескиванием огнеупорного кольца.

За счет возможности многократного использования газодинамическая защита является более предпочтительным вариантом по сравнению с рассмотренными выше. Доля затрат на тонну разливаемой стали по сравнению с использованием защитных труб и эластичных вставок меньше на 30-40 %.

Для заводов, использующих устаревшие шиберные затворы жесткого типа, однако не имеющие пока возможности перехода на современные системы бесстопорной разливки стали, НПП «Вулкан-ТМ» предлагает антикризисные решения по модернизации существующих шиберных затворов с целью повышения их надежности и многоплавочности за счет доработки их конструкций и использования многоплавочных огнеупорных комплектующих. При этом усовершенствование шиберных затворов заключается в установке новых элементов, представляющих собой легкозаменяемые модули, при этом не требуется съема шиберных затворов с ковшей и изменения конфигураций из базовых элементов и систем крепления. Примером такой модернизации может служить замена системы прижима огнеупорных элементов с жесткого типа на пружинный с использованием жаропрочных упругих элементов и оптимального распределения нагрузки на шиберные плиты, что существенно повысит из стойкость и надёжность затвора в целом. Стойкость огнеупорного комплекта при этом подбирается, исходя из требований производственных условий заказчика.

Главной отличительной особенностью трайб-аппаратов НПП «Вулкан-ТМ» (рис. 4) является то, что они имеют организованную систему приёма проволоки в трайб-аппарат и устройство, синхронизирующее размотку бунта (бунторазматывающее устройство) с циклами работы трайб-аппарата. При этом проволока подается с наружного витка бунта. Бунторазматывающее устройство НПП «Вулкан-ТМ» является новой и уникальной разработкой на Российском рынке (патенты № 2014111293 и № 2014132137) и в настоящее время не имеет аналогов (рис. 5).

а б

Рис. 4. Трайб-аппараты производства НПП «Вулкан-ТМ»

а – одно-ручьевого исполнения, мод. ТАП 1-1.

б – двух-ручьевого исполнения, мод. ТАП 2-1.

Рис. 5. Конструктивные решения подачи порошковой проволоки в ковш: 1 – направляющие валки, 2 – устройство контроля провисания,

3 – шкаф управления, 4 – телескопическое устройство подачи проволоки, 5 – бунторазматывающее устройство

Предлагаемый в комплекте поставки бухтоприемник — вращающийся, с частотным приводом, применяется синхронно с трайбаппаратом, в том числе для подачи порошковой проволоки в ковш на больших скоростях циклами.

Приёмный канал трайбаппарата выполняется с возможностью поступления проволоки из внешнего диаметра бухты через направляющие валки. Между приёмным каналом для ввода проволоки и направляющими проволоку валками расположено устройство определения её провисания, связанное с системой управления, синхронизирующей режимы подачи проволоки трайбаппаратом со скоростью вращения план-шайбы опоры для размещения бухты проволоки. Выпускной канал трайбаппарата выполнен телескопическим с отогнутым на угол 45°-90° прямолинейным участком, величина которого составляет 0,15-0,75 м, а радиус отгиба – 10-25 диаметров проволоки. Данная техническая особенность позволяет подавать проволоку в различные участки ковша, что улучшает растворимость компонентов порошковой проволоки по объему ковша [4].

НПП «Вулкан-ТМ» на сегодня является также одним из ведущих отечественных разработчиков и производителей систем донной продувки аргоном, технические решения в области создания современных изделий идут в направлении:

Максимального охвата всего объёма ковша процессом продувки, изменения формы продувочной пробки, позволяющей проводить обработку металла по всему объёму, применения продувочных блоков, применения «мульти-пробок».
Использования гибридных схем, сочетающих процессы удаления неметаллических включений и перемешивания.
Новых конструкций пробок для малых литейных ковшей (литейное, машиностроительное производство), не требующих сложных байонетных креплений, как в ковшах большой и средней ёмкости, используемых на агрегатах печь-ковш.

Современных быстросъемных систем подвода (защищенный трубопровод, быстроразъёмное соединение, оборудование контроля расхода и давления газа, фильтры), а также систем управления процессом продувки.

Предлагаемый комплекс оборудования для сталеразливки и внепечной обработки стали является актуальным решением в деле повышения эксплуатационных характеристик конечного продукта и эффективности производств, т.к. обеспечивает:

— модернизацию металлургических и литейных производств на основе современных конкурентоспособных технологий;

— внедрение инноваций с целью получения высококачественных сталей с совокупно-заданными свойствами.

— уменьшение импортозависимости отечественных стратегически-значимых предприятий от зарубежных поставщиков.

Таким образом, НПП «Вулкан-ТМ» в нынешней ситуации в состоянии полностью удовлетворить потребности металлургов РФ по замене импортного оборудования для разливки и внепечной обработки стали. Поэтому необходимо разработать и реализовать комплексную программу по проектированию и изготовлению шиберных затворов для предприятий РФ, ЛНР, ДНР, Украины, которые восстанавливать придется.

Список литературы

Сталеразливочные системы для металлургических и литейных производств. Золотухин В.И., Головко А.Г., Гордеев Е.И., Провоторов Д.А. Новые огнеупоры. № 2. 2014. С. 14-16.
Комплексные альтернативные решения для разливки стали в металлургических и литейных производствах. Головко А.Г., Гордеев Е.И., Жилин Д.И., Золотухин В.И., Провоторов Д.А. Черная металлургия. № 1. 2013. C. 79-83.
Новая концепция построения современных сталеразливочных систем и огнеупоров к ним на основе инновационных решений / Золотухин В.И., Гордеев Е.И., Головко А.Г., Провоторов Д.А. // Новые огнеупоры. № 9. 2014. С. 26-29.
Современное оборудование для производства порошковой проволоки и новые технические решения по ее вводу в расплав металла. Золотухин В.И., Головко А.Г., Провоторов Д.А. Черная металлургия. № 8. 2015. C. 79-84.