Современное состояние технологии непрерывного литья

Обновления модуля Металлургия

В состав модуля Металлургия COMSOL Multiphysics версии 5.6 включен новый физический интерфейс для моделирования цементации, добавлена функция импорта физических свойств фаз и расширены возможности моделирования фазовых переходов. Подробности об обновлении модуля Металлургия приведены ниже.

Новый физический интерфейс Carburization

Для моделирования цементации можно использовать новый физический интерфейс Carburization. С его помощью, например, можно задать цикл ускоренного режима цементации, а затем смоделировать конвективный углеродный обмен с внешней средой.

Интерфейс Carburization

Дерево модели и окно настройки интерфейса Carburization.

Результаты анализа цементации и пользовательский интерфейс

Результаты моделирования цементации. Показано поле концентрации углерода в сегменте шестерни.

Импорт физических свойств фаз при моделировании закалки сталей

Свойства фаз в сталях и сплавах, например, свойства аустенита и перлита, зависят от температуры, пластической деформации и других факторов. Процесс определения физических свойств фаз может быть весьма трудозатратным, поэтому для пользователей модуля Металлургия добавлена функция импорта свойств из программного обеспечения JMatPro. Для каждой фазы можно импортировать:

• Упругие свойства
• Параметры модели пластичности (предел текучести и кривую упрочнения)
• Коэффициент теплового расширения
• Плотность
• Удельную теплоемкость
• Коэффициент теплопроводности

Расширенные возможности моделирования фазовых переходов в сталях и сплавах

Физические интерфейсы Metal Phase Transformation и Austenite Decomposition теперь можно использовать в моделях с сосредоточенными параметрами. Для калибровки моделей фазового перехода на основе экспериментальных данных, например, на основе диаграмм превращения при непрерывном охлаждении (CCT) или изотермического превращения (TTT), геометрическая модель не нужна. Для удобства калибровки моделей фазового перехода по экспериментальным данным в процессе расчета можно сохранять значения времени превращения и температуры. Этот подход показан в модели калибровки на основе данных TTT.

Указание времени превращения

Пример калибровки модели фазового перехода перлита на основе модели с сосредоточенными параметрами.

Кроме того, если известно, что фазовый переход происходит только в определенном диапазоне температур, этот процесс можно моделировать путем указания верхнего и нижнего температурных пределов. Чтобы описать условия перехода, к модели Phase Transformation можно добавить узел Transformation Condition.

Калибровка на основе данных TTT

Результаты сравнения с данными TTT

Результат калибровки модели фазового перехода на основе данных TTT.

Название в Библиотеке приложений:calibration_against_ttt_dataЗагрузка из Галереи приложений

JMatPro является зарегистрированным товарным знаком Sente Software Ltd.

Тенденции развития и перспективы

В процессе непрерывного литья могут возникнуть ситуации, которые нарушают безопасный ход процесса и опасны для персонала. В первую очередь речь идет о следующих ситуациях:

• прорыве сталеразливочного или промежуточного ковша;
• разрушении кожуха или погружного разливочного стакана;
• утечке через подвижный стопор ковша;
• выплесках металла при заполнении промежуточного ковша;
• переполнении промежуточного ковша или кристаллизатора.

Современные роботы, созданные компанией Siemens VAI, позволяют удалить операторов из опасных зон и выполнять автоматическое измерение содержания кислорода. До настоящего времени такая техника применялась прежде всего для измерений температуры в промежуточном ковше, взятия проб стали из промежуточного ковша и дозированной подачи литейного флюса. В дальнейшем предполагается расширение использования роботов, в том числе для прожигания выпускного отверстия в ковше и для полной автоматизации замены кожуха .

Процесс прокатки оказывает решающее влияние на механические свойства толстых листов, в частности на вязкость металла. Степень деформации, зависящая от толщины сляба, определяет протекание металлургических процессов, ведущих, например, к измельчению микроструктуры. Если заказчику требуются более толстые листы с заданными механическими свойствами, то и в качестве заготовки следует применять более толстые слябы. Этот важный фактор следует учитывать при производстве толстых слябов, как это делают, например, на заводе компании AG der Dillinger Hüttenwerke. Если, к примеру, для подвергаемой термомеханической обработки стали марки ТМСР S420M требуется степень деформации минимум 35 %, то из сляба толщиной 400 мм можно прокатать толстые листы толщиной 120 мм, а при прокатке слябов толщиной 300 мм это требование выполняется только при толщине листов до 80 мм .

Не менее важной является проблема математических моделей, которые все больше усложняются и становятся непременным инструментом в современном сталеплавильном и прокатном производствах. Применительно к работе промежуточных ковшей математические модели используют для моделирования процесса истечения металла, выделения включений, реакций в системе сталь – шлак, процессов теплопереноса и т.д

Аналогичные модели разрабатывают для кристаллизаторов. Кроме того, распространенными объектами математического моделирования являются процесс колебаний кристаллизатора, затвердевание металла и конструкция погружного сталеразливочного стакана. Моделирование поведения металла в ручье МНЛЗ сосредоточено вокруг таких проблем, как затвердевание металла, деформация, усадка, динамика заготовки и возникающие в ней механические напряжения. При вторичном охлаждении моделируют такие аспекты процесса, как расположение форсунок и их конструкция, а также температура металла в сечении и на поверхности заготовки. Для процесса мягкого обжатия моделируют затвердевание металла, форму и расположение жидкой сердцевины, пористость, морфологию и сегрегацию – проблемы, представляющие наибольший интерес для оператора

Применительно к работе промежуточных ковшей математические модели используют для моделирования процесса истечения металла, выделения включений, реакций в системе сталь – шлак, процессов теплопереноса и т.д. Аналогичные модели разрабатывают для кристаллизаторов. Кроме того, распространенными объектами математического моделирования являются процесс колебаний кристаллизатора, затвердевание металла и конструкция погружного сталеразливочного стакана. Моделирование поведения металла в ручье МНЛЗ сосредоточено вокруг таких проблем, как затвердевание металла, деформация, усадка, динамика заготовки и возникающие в ней механические напряжения. При вторичном охлаждении моделируют такие аспекты процесса, как расположение форсунок и их конструкция, а также температура металла в сечении и на поверхности заготовки. Для процесса мягкого обжатия моделируют затвердевание металла, форму и расположение жидкой сердцевины, пористость, морфологию и сегрегацию – проблемы, представляющие наибольший интерес для оператора.

Наиболее важные математические модели, используемые в процессе непрерывного литья, приведены на рис. 15. Задачей на будущее является дальнейшее усложнение этих моделей и установление взаимосвязей между ними.

Рис. 15. Математические модели, описывающие процесс непрерывного литья

Консолидация и укрупнение производителей стали

Рейтинг производителей

До недавних пор разрыв по объёму производства стали между мировым лидером – компанией ArcelorMittal – и другими составлял значительную величину. Но наметившаяся тенденция китайских производителей на укрупнение и консолидацию собственной металлургии значительно изменила первую десятку рейтинга крупнейших производителей стали:

Директивное объединение китайских производителей на основе крупных государственных холдингов позволило упрочить позиции китайских металлургов в списке крупнейших производителей стали.

Эффект консолидации

Принято считать, что укрупнение и объединение приносят исключительно положительный эффект. В основном это достигается за счёт снижения удельных затрат, оптимизации дублирующих функционалов, экономии при проведении крупномасштабных закупок, ремонтов и т.д. Но при консолидации могут возникать и отрицательные эффекты:

• громоздкая структура управления приводит к снижению управляемости производством, увеличению времени прохождения управляющих сигналов, трудностям с «обратной связью», излишней зарегулированности производства;
• объединение разрозненных производств с низкой синергией может превратить компанию с чётко выстроенной структурой и стратегией в искусственный конгломерат предприятий, производящих продукцию для совершенно различных секторов экономики без единой стратегии.

И всё же укрупнение в целом позволяет лучше выстраивать стратегию развития, оптимизировать производство под требования рынка и проводить масштабные высокозатратные преобразования и инвестпроекты.

Что происходит в середине декабря на рынках?

Подорожание металлолома и железной руды в мире становится трендом. Заготовка и готовые изделия тоже дорожают. Однако за океаном и в Европе сохраняется повышенный уровень спроса по причине дефицита предложения.

1. Цена на руду к середине декабря приблизилась к показателям 2013 года — $160 за тонну.
2. Стоимость лома на внешнем рынке не дотягивает до $ 400 всего на 24 единицы. И это не предел.
3. ГК рулон в Черном море продают по $ 610.
4. Квадратная заготовка уходит по 505 $/т, сляб по 555.

Ажиотажный рост цен и спроса на мировом рынке привели к подорожанию транспортировки морским путем. Активное подорожание фрахта замечено со стороны Китая.

В России лом тоже дефицитный товар, а цена на него немного не дотягивает до 30.000 руб./ т. Поэтому планируется наложить ограничения на вывоз лома с 5 % до 15 %. Ожидается, что уравнивание внутренних цен России на металлопрокат с экспортным паритетом произойдет ближе к завершению новогодних праздников. Уровень перевалки черных металлов в портах России с начала года по ноябрь увеличился на 0,8 %.

К 20-м числам декабря 2020 года на отечественном рынке цены сложились следующим образом:

• сортовой прокат подорожал трижды за месяц и приближается к отметке 65 000 руб./т (арматура А500С);
• прокат изготовленный методом горячей прокатки приближается к 60 000 руб./т;
• балка дорожает вслед за плоским гк прокатом (с 16.12. ещё +4500 руб./т);
• для холодного проката прогнозируют рост до 75 тыс. за т.

Небывалое движение цен, которые местами в два раза превышают показатели декабря 2019 года в России продиктовано низкими запасами на складах трейдеров и факторами вынуждающими производителей идти ва-банк в зимний период.

Литье тонких полос

В технологическом процессе Twinroll Casting роль кристаллизатора исполняют два валка, вращающихся в противоположных направлениях. С помощью такого устройства можно получать полосу толщиной 1-5 мм с профилем, близким к заданному. Так как этот технологический процесс исключает необходимые при других технологиях операции термообработки и обжатия заготовки, то длительность технологического цикла значительно сокращается, и в результате общая экономия энергозатрат может достигнуть 90 % по сравнению с традиционной технологией непрерывного литья слябов и горячей прокатки полосы.

Скорость затвердевания, которая в 400-700 раз выше, чем при непрерывном литье слябов, способствует улучшению микроструктуры, предотвращению микроо и макросегрегации. Схема процесса Twinroll Casting, который наиболее пригоден для литья инновационных марок стали с высоким содержанием марганца и алюминия, а также сравнительные характеристики этого процесса и процессов непрерывного литья слябов, в том числе тонких, приведены на рис. 13.

Рис. 13. Схема и характеристики процесса Twinroll Casting и процессов непрерывного литья слябов, в том числе тонких

До настоящего времени сооружены только две промышленные установки для непрерывного литья тонких полос по технологии Twinroll Casting. Установка Eurostrip была введена в эксплуатацию компанией ThyssenKrupp Steel в Крефельде в 1999 г. и значительно расширена в 2002 г. В настоящее время ее производительность составляет 400 тыс.т/год, и в основном она разливает полосы из коррозионностойких сталей. Установка Castrip в Крофордсвилле, введенная в эксплуатацию в 2002 г., аналогична установке Eurostrip, но производит низкоуглеродистые конструкционные стали. Ее годовая производительность также достигает 400 тыс. т/год .

Проблемы, которые приходится решать при освоении процесса Twinroll Casting, связаны с поверхностными дефектами, так как этот процесс не предоставляет возможностей исправления таких дефектов. Другие проблемы касаются трудностей регулирования процесса затвердевания металла в литейных валках, уплотнения боковых стенок ванны металла, формирования боковых кромок сляба и экономичности процесса .

Компания Salzgitter AG на своем заводе в Пайне впервые внедрила в промышленных масштабах установку прямого литья полосы, использующую технологию BEST (Belt Strip Technology) . Соответствующая пилотная установка была введена в эксплуатацию в Техническом университете Клаусталя. Жидкая сталь вытекает из промежуточного ковша и охлаждается на горизонтальном участке стальной полосы, образующей движущуюся замкнутую петлю. Для первичного охлаждения на поверхность металла разбрызгивается вода, подаваемая сверху и снизу (рис. 14). Процесс окончательного затвердевания происходит в защитной атмосфере. Литая полоса перед прокаткой в линии установки имеет толщину 10-15 мм. При использовании этой технологии проблема поверхностных дефектов стоит не так остро, как при технологии Twinroll Casting.

Рис. 14. Процесс Salzgitter Belt Strip (вверху – схема процесса; внизу – пилотная установка в Университете Клаусталя)

К особым преимуществам этого инновационного процесса непрерывного литья относятся меньшая сегрегация, меньшее энергопотребление, исключение стадии обжатия сляба и предотвращение образования горячих трещин, так как исключен изгиб полосы в процессе затвердевания.

Что же будет дальше?

Карантин неизбежен, иначе коронавирус не остановить. Ученые выдвинули гипотезу, что при температуре окружающей среды выше 10 градусов Цельсия вирус теряет свою силу. В это вериться с трудом, так как коронавирус спокойно  распространяется по африканскому континенту, где средняя температура выше 10 градусов, а значит вирус в ближайшее время не исчезнет.

Даже если карантин введут только в учебных заведениях и детских садах, это приведет к тому, что одному из родителей необходимо будет оставаться дома. Работа на дому не будет такой эффективной, как в офисе, так как дети в любом случае будут требовать к себе внимания.

Далее, не все предприятия могут перевести сотрудников на удаленную работу. Производство товаров требует присутствия человека на рабочем месте. Логистика тоже ещё не может работать без водителей. В этом мы убедились на ситуации с переполненными товаром портами в Китае. Контейнеры просто некому развозить. Проблемы можно перечислять бесконечно долго, но уже понятно, что это затронет каждого человека. В итоге рост мировой экономики может остановиться.

Рынок акций в такой ситуации не сможет расти. Доходы компаний могут упасть до критических отметок, а мировым корпорациям будет очень сложно удержаться на рынке, так как они стали очень большими, и их расходы на поддержание бизнеса соответствуют их размерам.

В связи с этим очень высока вероятность, что в ближайшем будущем мы увидим новые, молодые компании, которые будут очень быстро захватывать свою долю на мировом рынке.

Выводы

1. Увеличение числа отказов металлургических машин с увеличением сроков эксплуатации не связано с физическим износом всего объема металла, в результате которого металл «устает». Все отказы вызваны конструктивно-технологическими причинами, заложенными в машины заводами-изготовителями  на стадиях проектирования, изготовления и монтажа. Базовые детали после выявления и устранения конструктивно-технологических причин разрушения имеют неограниченную долговечность.

2. Для обеспечения безотказной работы металлургических машин и оборудования разработан и апробирован комплекс технических решений по прогнозу надежности, предупреждению отказов и восстановлению базовых деталей металлургических машин. Своевременное проведение этих работ дает возможность:

2.1. На дальнейший длительный срок обеспечить работу действующего оборудования при сохранении существующих технологических режимов.

2.2. Провести модернизацию металлургических машин и оборудования, в том числе с увеличением производительности и усилия, при сохранении существующих базовых деталей.

3. Максимальный экономический эффект в минимальные сроки будет получен при включении программы модернизации металлургического комплекса в национальную программу модернизации тяжелых машин и оборудования на основе прогноза и обеспечения их прочностной надежности.

Выводы

Описанные выше современные достижения компаний, являющихся членами Института стали VDEh, касаются в основном повышения безопасности и стабильности процессов, улучшения качества стали, реализации модульного принципа организации производства, обеспечения производственной гибкости предприятий. Стратегия развития компаний в традиционном формате должна ставить целью дальнейшее укрепление их позиций на мировом рынке. В будущем литье тонких слябов останется чрезвычайно перспективной областью приложения научных и производственных усилий. Необходимо улучшать эту технологию и внедрять в повседневную производственную практику. Представляет большой интерес наблюдение за работой сооружаемых в настоящее время установок литья тонких полос и прямого непрерывного литья полос. Однако только будущие исследования позволят окончательно оценить экономиические преимущества этих процессов.

• Т. Болендер
• Р. Фандрих
• Х.А. Юнгблют
• Г. Кемпер
• Р. Мюллер
• Х.П. Нарцт
• Г. Ней
• Х. Шнитцер

Несмотря на продолжающийся мировой финансовый и экономический кризис, в ближайшие годы ожидается дальнейший рост производственных мощностей по непрерывному литью заготовок традиционного профиля – блюмов, слябов, сортовых и балочных. Одновременно получат дальнейшее развитие новые технологические процессы литья, такие, как литье тонких слябов и тонких полос. Все технологические процессы непрерывного литья характеризуются разными потенциальными возможностями с точки зрения соответствия требованиям заказчиков, качества продукции и производительности. Для того чтобы технология оставалась конкурентоспособной, она должна постоянно совершенствоваться. Исходя из этого, можно определить основные задачи, стоящие перед металлургией в будущем: производство сверхчистых сталей с отличной микроструктурой и высоким качеством поверхности; разработка новых марок сталей; стратегия бездефектной продукции; системы гарантированного качества в сочетании с высокой производительностью и хорошей производственной гибкостью.

• непрерывное литье,
• качество,
• микроструктура,
• сляб,
• полоса,
• кристаллизатор,
• оборудование,
• огнеупоры,
• производительность.

1. Datenbank “Plantfacts” des Stahlinstituts VDEh, Düsseldorf; Stand: 30. Juni 2008.
2. Ney, G.; Korte, E.; Richter, K.J.; Rüppel, R.: stahl u. eisen 125 (2005) Nr. 11, S. 51/62.
3. Kemper, G.: Beitrag zur Reibung zwischen Strang und Kokille beim Knüppelstrangguss von Stahl, RWTH Aachen, 1991 (Dr.-lng.-Diss.).
4. Hodnik, P.; Fürst, C.; Illie, S.; Etzelsdorfer, K.; Priemetshofer, C.: Operational results on casting 335 mm thickness slab on a bow-type caster at voestalpine Stahl Linz, Proc. 6. Europ. Conf. on Continuous Casting 2008, 3.–6. Juni 2008, Riccione, Italy.
5. Kaiser, H..P.; Kemper, G.; Liebisch, K.-O.: New SlabbCasting Technologies at the Hüttenwerke Krupp Mannesmann GmbH Steel Plant, Proc. 4. Europ. Continuous Casting Conf. 2002, 14.–16. Okt. 2002, Birmingham, UK.
6. Thome, R.; Ostheimer, V.; Ney, G.; Rüppel, F.; Girgensohn, A.; Plociennik, U.; Schmitz, W.; Geerkens,C.; Becker, M.: stahl u. eisen 127 (2007) Nr. 2, S. 43/30.
7. Schueren, M.; Campbell, P.; Blejde, W.; Mahapatra, R.: Iron & Steel Techn. (2008) Nr. 7, S. 65/70.
8. Fisher Jr., F.; Schueren, M.; Campbell, P.; McQuillis, G.; Bleijde, W.; Mahapatra, R.: The Castriprocess: commercialized thin strip casting of steel, Proc. 3. Internat. Conf. on New Developments in Metallurgical Process Technologies, 11.–15. Juni 2007, Düsseldorf, S. 200/207.
9. Wans, J.; Hennig, W.; Bilgen, C.; Neumann, N.: Endabmessungsnahe Gieβtechnologien CSP – DSC – TRCi – Gieβverfahren für innovative Stahlwerkstoffe, Proc. 26. Verformungskundliches Kolloquium, 10.–13. März 2007, Donnerbach, Österreich, S. 91/104.
10. Schäperkötter, M.; Eichholz, H.; Kroos, J.; Niemeyer, M.; Schmidt-Jürgensen, R.; Spitzer, K.-H.: Direct Strip Casting (DSC) – an option for the production of HSD steel grades, Proc. 1. Internat. Conf. SuperrHighhStrength Steels, 2.–4. Nov. 2005, Rom, Italien, S. 188.
11. Fischer, H.: Belt strip technology – broadening the steel portfolio, Proc. IISII41 – Steel: Innovative Solutions for Energy and Resource Challenges, 7.–10. Okt. 2007, Berlin.
12. Jungbauer, A.; Penn, J.; Lanschützer, J.; Ebner, H.: Revue de Métallurgie-CIT (2008) Nr. 4, S. 206/11.
13. Penn, J.; Jungbauer, A.; Ebner, H.; Hügel, N.; Wahl, H.: Liquirob – a new answer for caster safety, Proc. 6. Europ. Conf. on Continuous Casting 2008, 3.–6. Juni 2008, Riccione, Italien.
14. Schwinn, V.; Schütz, W.; Flüss, P.; Bauer, J.: Prospects and stateeofftheeart of TMCP: steel plates for structural and linepipe applications, Thermec’ 2006, 4.–8. Juli 2006, Vancouver, Kanada.

Заключение

Основные тенденции развития современной металлургии:

• стабилизация доли электросталеплавильного производства в общей структуре мирового производства стали;
• продолжение оптимизации китайской металлургии, в т.ч. за счёт закрытия мелких и низкоэффективных производств;
• развитие производства стали на мини-миллах;
• умеренное увеличение объёмов производства металлизованного сырья с учётом известных ограничений и рисков добычи сланцевого газа.

Рассмотрены основные тенденции развития современной черной металлургии – консолидация производителей стали, развитие электросталеплавильного производства и мини-миллов, развитие процессов производства прямовосстановленного железа (DRI), описаны текущее состояние и перспективы «сланцевой революции».

• мини-милл;
• электросталь;
• DRI;
• сланцевый газ.

Общие итоги I полугодия 22020 года в отечественной металлургии:

В первом полугодии совокупное производство стали в РФ снизилось на 2,9% относительно аналогичного периода прошлого года и составило 35,2 млн тонн. На фоне провала многих других лидеров мировой черной металлургии (Индии, Японии, Южной Кореи, США, Германии) этот показатель можно считать вполне позитивным. Вместе с тем, проседание нефтяного рынка, «коронавирусный» кризис, а также более ранний экономический спад, безусловно, оказали давление на российских производителей, часть из которых имеет металлургические активы за рубежом.

Топ-7 российских компаний в первом полугодии снизили выпуск металлопродукции на 4,7% (до 35,2 млн тонн), причем только «Металлоинвест» прибавил в выплавке стали на 4,6%. Остальные игроки снизили производство на 0,7-13%. Наиболее сильно просели ММК и ТМК, пропустив вперед, соответственно «Северсталь» и «Мечел». Лидером по выплавке по-прежнему остается НЛМК с показателем в 8,17 млн тонн.

Производство стали, млн тонн (для ТМК представлены итоги продаж)

Совокупные продажи металлопродукции Топ-7 составили 31,3 млн тонн. Результаты прошлого года удалось превзойти лишь компаниям ЕВРАЗ и «Металлоинвест». Наиболее сильно в сбытовом плане потеряла Группа ММК, сократившая объемы отгрузки на 11,9%. При этом основные трудности компании начали испытывать в марте, когда проявилось влияние пандемии коронавируса. В России пострадали поставщики арматуры, которые на некоторое время потеряли металлоемкий рынок Москвы и Подмосковья, где был введен запрет на проведение строительных работ. В апреле-мае потребление стали в РФ сократилось на 15-20%, а «долларовые» цены на арматурный прокат упали на 22% относительно прошлого года и на 8% в сравнении с первым кварталом.

Продажи стали, млн тонн (для «Мечела» указано производство стали)

Металлургические рынки США и Европы также демонстрировали падение спроса и цен. Квартальное снижение объемов потребления на обоих направлениях оценивается в 20%, а проседание цен на лист — в 11-16%, что отразилось и на деятельности российских экспортеров. НЛМК, «Северсталь», ЕВРАЗ и другие игроки (кроме ММК) переориентировались на торговлю слябами и даже чугуном, что позволило воспользоваться весенним проседанием рубля.

Выручка лидеров российской металлургии, млрд долларов (доходы ТМК и «Мечела» пересчитаны по курсу рубля к доллару в последний день полугодия)

В итоге все семь основных игроков металлургического рынка РФ потеряли в выручке на 14-33%. Лучше всех с ситуацией справился «Мечел», а наиболее значительное проседание доходов показала ТМК. При этом в первом полугодии прирост прибыли продемонстрировал лишь ЕВРАЗ.

Чистая прибыль компаний, млн долларов

Выводы

Несмотря на оптимистичное начало года, российская металлургия значительно просела в марте-мае, сократив как производство, так и выручку. Вместе с тем, лидеры рынка относительно удачно справились с падением спроса на сталь на внутренних и внешних рынках, что свидетельствует об определенном запасе прочности. При условии сохранения текущих тенденций во второй половине года компании смогут несколько восстановить финансовые и операционные показатели, поскольку рынок стали начал оживать еще в июне и пока ничего не предвещает усугубление кризиса.