СПОСОБ И УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СТАЛЬНОЙ ПРОДУКЦИИ С ВЫСОКИМ КАЧЕСТВОМ ПОВЕРХНОСТИ
METHOD AND FACILITY FOR RECEIVING OF STEEL PRODUCT WITH HIGH SURFACE CONDITIONS

Изобретение касается способа и установки для получения стальной продукции с высоким качеством поверхности, в частности с предельно низким содержанием углерода (ULC- или IF-стали), азота, общего кислорода, из высокопрочных и/или нержавеющих марок стали, посредством расплавления, обработки расплава методами вторичной металлургии, непрерывной разливки в виде слябов, прокатки, охлаждения и, как правило, наматывания прокатной продукции.
Подобную стальную продукцию из различных марок стали до сих пор получают путем плавки в конвертерах, последующей обработки методами вторичной металлургии с удалением газов на вакуумной установке, отливкой толстых слябов на установке непрерывной разливки стали и последующей прокаткой на черновых и чистовых прокатных станах. Изготовление с помощью других технологических процессов, как, например, с помощью плавки в электродуговых печах металлического лома не рассматривалось в качестве возможного, так как в этом случае совсем не удавалось достичь экстремально низкого содержания таких элементов, как С, N, S,  <O>, а также снизить количество таких вредных элементов, как, например, Cu и Zn, или это было связано с большими затратами. Такие технологические процессы не позволяли получить желаемое высокое качество поверхности. Также не удается получить требуемых геометрических, физических и производственных свойств горячекатаной ленты из ULC и IF стали в качестве необходимой предпосылки для эффективного управления структурой и направленного достижения свойств продукта.
Задача изобретения - развитие известного из Stahl und Eisen, vol 117, №11, 10.11.1997 способа с обеспечением получения продукции с лучшим качеством поверхности при требуемом экстремально низком содержании С, N, S,  <O>, а также сниженном количестве вредных примесей, например Cu и Zn.
Согласно изобретению поставленная задача решается с помощью того, что в зависимости от желаемой конечной структуры выбирают технологический процесс производства стали, включающий получение жидкой стали в электродуговой печи, последующее изготовление на установке непрерывной разливки тонких слябовых заготовок, удаление окалины, частичное придание формы, резку на заготовки определенной длины, затем, как правило, удаление окалины, нагревание и выравнивание температуры в выравнивающей печи перед прокаткой с последующим удалением окалины и чистовую прокатку, наматывание на первой, следующей непосредственно за последней клетью чистового прокатного стана, наматывающей станции или осуществление альтернативной намотки позади участка охлаждения, и регулирование конечной структуры на участке охлаждения с помощью охлаждения на выходном рольганге в соответствии с желаемой маркой стали, и в итоге наматывание прокатного продукта на второй наматывающей станции. Благодаря этому на базе тонких слябовых заготовок с помощью методов вторичной металлургии может быть получена стальная продукция, которая при высоком качестве поверхности имеет желательную структуру и готовый вид в виде рулона ленты, отрезков ленты или в форме другой плоской и имеющей продольную протяженность продукции.
Такая поддающаяся точному регулированию в плане конечной структуры стальная продукция может изготавливаться с помощью других этапов в различных технологических процессах. Согласно первой альтернативе предлагается, что в качестве последовательных этапов технологического процесса осуществляют обработку:
- в электродуговой печи,
- на участке вторичной металлургической обработки,
- на по меньшей мере одной вакуумной установке для удаления газов с предусмотренной печью-ковшом для осуществления обезуглероживания, раскисления и присадки легирующих материалов,
на печи-ковше для шлакообразования, шлакового рафинирования,
контроль температуры и заключительная регулировка конечного состава, а также промывка с целью повышения степени чистоты на содержание Δ<Al>.
-1
-1
-1
-1
Преимущества заключаются в конечных характеристиках упомянутых ULC-, IF сталей, высокопрочных сталей и нержавеющих марок стали, которые после вакуумной обработки содержат С<20-30 млн,  <O><15 млн, N 20-30 млн и S от <100 млн на установке непрерывной разливки.
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
После выпуска из электродуговой печи перед вакуумной обработкой сталь содержит С=400-600 млн, S<150 млн, N<35 млн и свободный кислород <600 млн. После дегазации эти величины падают до значений С<15 млн, S<150 млн, N<35 млн и  При этом преимуществами являются умеренное пенообразование во время шлакообразования (100% DRI в завалке), свободный от шлаков выпуск, возможные присадки шлакообразующих и предварительное раскисление с помощью ФМн, высокоуглеродистого.
1
-1
-1
-1
Эти величины после обработки на печи-ковше перед разливкой на установке непрерывной разливки стали изменяются до: С<25 млн-, S<50 млн, N<35 млн,  и <O><15 млн.
Во время вакуумной обработки стали по способу порционного вакуумирования происходит обезуглероживание и раскисление части расплава (процессы DH и RH и т.д.), а также осуществляется присадка ферросплавных материалов. Необходимое рафинирование шлаков, полученных на печи-ковше, удаление серы и конечная регулировка химического состава жидкой стали осуществляется во время обработки на печи-ковше. Она заканчивается обработкой для повышения степени чистоты.
-1
-1
-1
-1
Посредством добавления шлакообразующих осуществляют шлаковое рафинирование стали, нагревание, удаление серы, регулировку конечного анализа, а также повышение степени чистоты, благодаря чему конечные результаты достигают значительной точности. Перед разливкой жидкой стали могут быть достигнуты следующие показатели: С<25 млн, S<50 млн, N<35 млн и  а также <O><15 млн.
По второму альтернативному варианту предлагается, что в качестве следующих друг за другом этапов второго технологического процесса выполняют обработку:
- с помощью электродуговой печи или установки с электродуговой печью,
- с помощью методов вторичной металлургии,
- на печи-ковше для образования шлака,
- для нагревания,
- для предварительного раскисления стали углеродистым ферромарганцем,
- с помощью вакуумной установки для удаления газов,
- для обезуглероживания и очистки от азота,
- для раскисления шлаков на поверхности стали,
-для удаления серы при уменьшенном давлении,
- для регулировки конечного состава,
- для достижения степени частоты на Δ<Al> при атмосферном давлении.
Преимущества заключаются в том, что в электродуговые печи может загружаться до 100% DRI (железа прямого восстановления) или твердый или жидкий чугун, а также металлолом в любом соотношении. После этого может проводиться полное удаление шлака. Во время обработки на печи-ковше образовываются дополнительные шлаки; общее количество шлаков достигает 8 кг/т. Затем имеет место нагревание и формирование восстановительных шлаков (с ФМн). Во время обработки на вакуумной установке производится обезуглероживание, раскисление и шлаковое рафинирование, удаление серы и азота при уменьшенном давлении,регулировка конечного состава и перемешивание для повышения степени чистоты при атмосферном давлении.
По третьему альтернативному варианту предлагается, что в качестве следующих друг за другом этапов технологического процесса выполняют следующую обработку:
- с помощью электродуговой печи или установки с электродуговой печью,
- с помощью методов вторичной металлургии,
- на печи-ковше,
- для контроля температуры,
- для предварительного раскисления углеродистым ферромарганцем,
- с помощью по меньшей мере установки удаления газов с дифференцированным давлением для обезуглероживания,
удаления серы (под давлением) и удаления азота,
раскисления и добавления легирующих добавок из ферросплавов и заключительной корректировки,
конечного состава,
2
3
-1
-1
- для промывки при атмосферном давлении до концентрации до содержания связанного <Al> в <AlО> <15 млн или <O><15 млн.
Преимущества заключаются в том, что в стали, выплавленной в электродуговой печи, достигают следующих величин:
-1
С 500-800 млн;
-1
О 500-700 млн;
-1
N 60-100 млн;
-1
S 160-300 млн.
После чего в вакуумной установке для удаления газов достигают следующих величин:
-1
С<40 млн;
-1
О<3 млн;
-1
N<40 млн;
-1
S<50 млн;
-1
<Al><15 млн.
Сталь в последовательно включенной установке непрерывной разливки (CSP) имеет следующие показатели:
-1
С<50 млн;
-1
О<3 млн;
-1
N<40 млн;
-1
S<50 млн;
-1
<Al><15 млн.
По четвертому альтернативному варианту предлагается, что в качестве следующих друг за другом этапов технологического процесса выполняют следующую обработку:
- с помощью электродуговой печи или в установке с электродуговой печью,
- методами вторичной металлургии,
на печи-ковше,
для контроля температуры и последующего обезуглероживания и удаления азота и серы,
с помощью ковшового вакуумирования,
для заключительной регулировки конечного анализа,
для промывки до степени частоты по содержанию <Al>.
Преимущества заключаются в достижении очень низких содержаний примесей железа перед установкой непрерывной разливки стали для получения тонких слябовых заготовок и получения конечной структуры.
Осуществление способа предусматривает, что непосредственно под кристаллизатором для разливки осуществляют удаление окалины. Этот этап служит для подготовки обеспечения более высокого качества поверхности с помощью управления процессом образования окалины в установке непрерывной разливки стали, при этом могут применяться специальные способы для удаления окалины.
Другой шаг в этом направлении заключается в том, что в выравнивательной печи осуществляют с помощью управления атмосферой контролируемое образование окалины.
Другим признаком является наличие за уравнительной печью индуктивного нагрева мерных длин заготовки. Благодаря этому осуществляется быстрый и равномерный нагрев заготовки.
Более благоприятный уровень температуры достигается за счет того, что перед первой клетью чистого прокатного стана мерные длины заготовки охлаждаются под управлением.
Конечная структура среди прочих этапов может быть достигнута с помощью того, что заготовка, намотанная на второй намоточной станции, охлаждается под контролем.
Другое улучшение заключается в том, что в качестве установки с электродуговой печью применяется печь с двумя металлоприемниками и с вращающимся электродным устройством и вращающимся навстречу кислородным дутьевым устройством, которые работают на чугуне, прямо восстановленных материалах, металлическом ломе, при этом процесс осуществляют с подводом электроэнергии и/или химической энергии (так называемая печь CONARC).
Способ может осуществляться таким образом, что может быть получена сталь с многофазной структурой (двухфазная сталь или Trip-сталь).
Установка для получения стальной продукции с высоким качеством поверхности, в частности с предельно низким содержанием углерода (ULC или IF-сталь), азота, общего кислорода, продукции из высокопрочных и/или нержавеющих марок стали, исходя из уровня техники содержит по меньшей мере одну установку для плавки и установки вторичной металлургии, установку для непрерывной разливки стали с получением слябовых заготовок, прокатный стан, выходной рольганг и наматывающую станцию.
Согласно изобретению поставленная задача решается за счет того, что установка для плавки состоит из установки с электродуговой печью с расположенным за ней по движению материала оборудованием вторичной металлургии, установки для непрерывной разливки стали, снабженной разливочным кристаллизатором для получения тонкостенных заготовок, из по меньшей мере одной установки для удаления окалины, ножниц, выравнивающей печи, по меньшей мере одного выходного рольганга, установленного перед или после наматывающей станции, из участка охлаждения. Благодаря этому достигается желательная конечная структура горячекатаной ленты, листовой продукции и т.п., которая требуется для ULC-, IF-, высокопрочных или нержавеющих сталей.
Особый признак, обеспечивающий более высокое качество поверхности готовой стальной продукции, заключается в том, что в установке для непрерывной разливки стали непосредственно под кристаллизатором предусмотрена установка для удаления окалины.
Качество поверхности стальной продукции может быть обеспечено еще за счет того, что кроме установки для удаления окалины, расположенной позади разливочного кристаллизатора и ножниц, предусмотрена другая установка для удаления окалины перед первой клетью чистового прокатного стана.
Другой вариант исполнения заключается в том, что перед ножницами в клети опорных роликов установки для непрерывной разливки стали расположен участок обжатия с жидкой сердцевиной (LCR) или участок мягкого обжатия SR.
Другим мероприятием для создания благоприятных предпосылок конечной обработки стальной продукции является то, что кристаллизатор установки непрерывной разливки выполнен в воронкообразной форме.
Предпочтительное нагревание заготовки для проката осуществляется согласно другому усовершенствованию благодаря тому, что по направлению потока между выравнивающей печью и первой прокатной клетью чистового прокатного стана или установкой для удаления окалины предусмотрена установка индукционного нагрева.
Другой вариант исполнения предусматривает, что участок охлаждения образован из участка ламинарного охлаждения в комбинации с несколькими зонами интенсивного охлаждения.
На чертежах представлены примеры исполнения установки, с помощью которых более подробно поясняется и сам способ.
Фиг.1 - альтернативные технологические процессы, представленные в виде блок-схем, которые предшествуют литейно-прокатной установке.
Фиг.2A - технологические процессы 1 и 2 в увеличенном изображении.
Фиг.2В - технологические процессы 3 и 4 в увеличенном изображении.
Фиг.3 - литейно-прокатная установка, следующая за плавлением и обработкой методами вторичной металлургии, с регулировкой конечной структуры.
Фиг.4 - диаграмма преобразования в координатах время - температура для структуры охлаждения, полученной после последней клети чистового прокатного стана при охлаждении прокатанного материала (аустентичная, мягкий перлит, бейнит и мартенсит).
Фиг.5 - диаграмма прочности/растяжения для мультифазных марок стали (двухфазные стали, Trip-стали).
Согласно фиг.1 и 2А, 2В стальная продукция 1 может изготавливаться в виде горячекатаной ленты, подлежащей дальнейшей переработке (например, стального листа для кузовов автомобилей, стального листа для сварных труб и т.п.).
Этап 2 плавления металла, а именно жидкой стали 1b, осуществляется в плавильной установке 2а, которая представляет собой не конвертер, а электродуговую печь 2b. Выпущенная сталь потом подвергается обработке на этапе 3 вторичной металлургии, этапу 4 непрерывной разливки стали на установке 4а. Отлитая там заготовка 5 имеет вид не имеющего большой толщины сляба и представляет собой заготовку 5а с обычной толщиной <100 мм. После этого следует прокатка 6 в чистовом прокатном стане 6а. Продукт прокатки 1а в форме полосового продукта 1с (стальной лист, лента, продольный продукт и т.п.) охлаждается под управлением на выходном рольганге 22. Этап 7 охлаждения осуществляют по основным критериям, которые требуют дополнительного пояснения. Полосовой продукт 1с, как правило, с конечной структурой 9 наматывается 8 на наматывающей станции.
Плавильная установка 2а состоит из электродуговой печи 2b, которая, когда речь идет о печи CONARC, может быть выполнена в виде электродуговой печи с двумя емкостями 35. На последующем этапе 3 вторичной металлургии идет подготовка к получению стали с экстремально низким содержанием углерода (ULC-сталь - сталь с экстремально низким содержанием углерода) или стали с контролируемым выделением (IF-сталь - сталь без растворенных примесных атомов внедрения в смеси кристаллов), высокопрочных и/или нержавеющих сталей.
Жидкая сталь 1b в установке непрерывной разливки стали 4а с помощью разливочного кристаллизатора 14 отливается в тонкие слябовые заготовки 5а. По направлению подачи потока 36 для удаления окалины 28 предусмотрены по меньшей мере одна установка 28а для удаления окалины, одни ножницы 15 для получения отрезков заготовки, выравнивающая печь 16 (дополнительная выравнивающая печь 16а), чистовой прокатный стан 6а, по меньшей мере одна наматывающая станция 20, установленный впереди или позади первой наматывающей станции выходной рольганг 22 с участком охлаждения 21.
В установке 4а непрерывной разливки стали для удаления окалины 28 непосредственно под разливочным кристаллизатором 14 предусмотрена установка 28а для удаления окалины, в которой применяются водяные струи.
Кроме установки 28а для удаления окалины по направлению 36 подачи позади разливочного кристаллизатора 14 и следом за ножницами 38 предусмотрена другая установка 28а для удаления окалины, которая расположена перед первой прокатной клетью 17 чистового прокатного стана 6а. В выравнивающей печи 16 (в данном случае 16а) предусмотрен контроль 37 за температурой с защитой от окисления.
Перед ножницами 38 в клети с опорными роликами 39 установки непрерывной прокатки стали 4а может быть предусмотрено нахождение участка 41 мягкого обжатия или обжатия с жидкой сердцевиной.
Разливочный кристаллизатор 14 может быть выполнен в воронкообразном виде, как это принято на CSP-установках.
По направлению 36 потока между выравнивающей печью 16 и первой клетью 17 чистовой прокатки на нескольких клетях 18 чистовой прокатки и следом за последней клетью 19 чистовой прокатки или установкой 28а для удаления окалины может быть установлена установка 42 индукционного нагрева.
Участок 21 охлаждения может быть образован из участка 21а с ламинарным охлаждением в комбинации с несколькими боксами 21b интенсивного охлаждения.
Способ получения стальных продуктов 1 (фиг.1) предусматривает предварительную обработку жидкой стали 1b с помощью альтернативных технологических процессов 10, 11, 12 или 13, разливку с помощью разливочного кристаллизатора 14 в тонкие слябовые заготовки 5а, затем удаление окалины, при необходимости, частичное деформирование, нарезку мерных длин 15 заготовки, многократное удаление окалины 28, подогревание до температуры прокатки и выравнивание температуры по меньшей мере в одной уравнительной печи 16 (или в дополнительной уравнительной печи 16а), как правило, (за несколькими исключениями) еще производится удаление окалины и прокатка на стане 6а чистовой прокатки, затем намотка рулона на наматывающей станции 20, непосредственно за последней клетью 19 чистовой прокатки или это происходит, в качестве альтернативы, позади участка 21 охлаждения и осуществляется регулировка конечной структуры 9 в соответствии с желаемой маркой стали на участке 21 охлаждения путем охлаждения на выходном рольганге 22, и затем полученный продукт 1а прокатки, как правило, проходит окончательное наматывание на второй наматывающей станции 23.
Если с первого по четвертый технологические процессы 10, 11, 12 и 13 представлены на фиг.1 в общем виде, то на фиг.2А и 2В технологические процессы поясняются детальным образом.
Первый технологический процесс 10 (фиг.2А) в качестве загрузочного материала для электродуговой печи 2b предусматривает DRI/HBI (окатыши или брикеты напрямую восстановленного железа) или металлолом с очень низким начальным содержанием серы. На следующем этапе 24 обработки при применении способа порционного вакуумирования 27а внутри вакуумной установки 27 имеет место снижение содержания углерода и азота до более низких величин. На следующем этапе обработки 24 на печи-ковше 25 температура повышается на ΔТ и устанавливается степень чистоты с помощью уменьшения содержания <Al>.
При втором технологическом процессе 11 (фиг.2А) загрузочные материалы, представленные DRI/HBI, металлоломом, жидким чугуном или чугуном в чушках с низким содержанием серы, загружаются в установку 35 с электродуговой печью. Установка 35 с электродуговой печью может состоять как из электродуговой печи 2b, так и из такой установки 35, в которой осуществляется способ CONARC. Следующий этап 24 обработки осуществляется на печи-ковше 25, где имеет место повышение температуры. На этом технологическом этапе 24 в вакуумной установке 27 для удаления газов производится удаление углерода, серы, азота и осуществляется повышение степени чистоты путем снижения содержания <Al> до более низкого уровня.
2
3
В третьем технологическом процессе 12 (фиг.2В) предусматривается загрузка DRI/HBI, металлолома, жидкого чугуна или чугуна в чушках с низким начальным содержанием серы в установку 35 с электродуговой печью или в электродуговую печь 2b. На следующем этапе 24 на печи-ковше осуществляется повышение температуры ΔТ. На этом этапе обработки 24 предусмотрено удаление газов на вакуумной установке 43 под дифференцированным давлением, в которой осуществляется снижение до более низких величин содержания углерода С, серы S, азота N и повышение степени чистоты путем снижения содержания AlO (Δ<Al>).
2
3
Четвертый технологический процесс 13 (фиг.2В) предусматривает загрузку в установку 35 с электродуговой печью или в отдельную электродуговую печь 2b материалов с низким первоначальным содержанием серы, таких как DRI/HBI, металлолом, жидкий чугун или чугун в чушках. Далее на следующем этапе обработки 24 на печи-ковше 25 производится повышение температуры ΔТ и сразу же следом на установке 27а порционного вакуумирования  удаление газов, при этом осуществляется снижение содержания углерода С и азота N до более низких величин. Далее на этапе обработки 24 на вакуумной установке 27 проводится дегазация в ковше для снижения до более низких значений содержания серы S и повышения степени чистоты путем снижения AlO (Δ<Al>).
Выбор благоприятного или желаемого технологического процесса 10, 11, 12 или 13 осуществляется на основе экономических соображений, в частности стоимости загрузочного материала и качества конечной продукции, при этом должно учитываться производство тонких или толстых слябов, затраты на энергию и соответственно инвестиции на оборудование.
После поступления (фиг.3) обработанной стали 1b под разливочным кристаллизатором 14 производится удаление окалины 28.
В выравнивающей печи 16 происходит контролируемое образование окалины 29 при управлении температурой.
Далее, после выравнивающей печи 16 отрезки заготовки 15 могут подвергаться нагреванию с помощью индукционного способа. Кроме того, следом за установкой 42 индукционного нагрева может проводиться выравнивание температуры в другой выравнивающей печи 16а. Отрезки 15 заготовки позади выравнивающей печи снова нагреваются с помощью индукции в установке 42 индукционного нагрева. Печь-ковш 25 работает с электродным устройством 31 и/или с фурмой 32 для кислородного дутья.
За первой клетью 17 чистовой прокатки и между клетями 18, 19 чистовой прокатки чистового прокатного стана 6а может производиться под управлением охлаждение отрезков 15 заготовки. Для этого между клетями 17, 18, 19 чистовой прокатки, смотря по обстоятельствам, могут быть расположены боксы 21b интенсивного охлаждения. Перед первой клетью 17 чистовой прокатки может быть расположено устройство 44 для обжима.
Намотанная продукция 1с под контролем охлаждается на второй наматывающей станции 23.
На участке 21 охлаждения или на станции 23 осуществляется формирование многофазной структуры.
На фиг.4 схематически изображено изменение температуры в зависимости от времени. Кривая охлаждения твердого материала позади последней клети прокатного стана 19 во время наматывания катаной продукции 1а на второй наматывающей станции 23 изменяется в точке перехода АСЗ. Возникающая конечная структура 9 может быть представлена аустенитом, мягким перлитом, бейнитом или мартенситом. Таким образом конечная структура 9 создается во время прокатки и охлаждения.
2
0
На фиг.5 представлено изменение прочности (Н/мм) при изменении относительного удлинения (I/I) для многофазной стали, например, у двухфазной стали 33 и Trip-стали 34.
Нижняя кривая показывает нормальное поведение стали с высокой прочностью и низким удлинением.
Перечень позиций
1 Стальной продукт
1a Продукт прокатки
1b Жидкая сталь
1с Полосовой продукт
2 Плавление
2а Установка для плавления
2b Электродуговая печь
3 Вторичная металлургия
4 Заготовка для литья
4а Установка для непрерывной разливки стали
5 Сляб
5а Тонкий сляб
6 Прокатка
6а Стан чистовой прокатки
7 Охлаждение
8 Наматывание
9 Конечная структура
10 Первый технологический процесс
11 Второй технологический процесс
12 Третий технологический процесс
13 Четвертый технологический процесс
14 Разливочный кристаллизатор
15 Отрезки заготовки (мерные длины)
16 Выравнивающая печь
16а Дополнительная выравнивающая печь
17 Первая клеть чистовой прокатки
18 Клеть чистовой прокатки
19 Последняя клеть чистовой прокатки
20 Наматывающая станция (карусельная моталка)
21 Участок охлаждения
21а Участок ламинарного охлаждения
21b Боксы интенсивного охлаждения
22 Выходной рольганг:
23 Наматывающая станция
23а Контролируемое устройство охлаждения для рулона
24 Этап обработки
25 Печь-ковш
26 Легирующие материалы
27 Вакуумная установка для удаления газов
27а Порционное вакуумирование
28 Удаление окалины
28а Устройство для удаления окалины
29 Контролируемое образование окалины
30 Металлоприемник в печи (конвертер или электродуговая печь)
31 Электродное устройство
32 Кислородная фурма
33 Двухфазная сталь
34 Trip-сталь
35 Установка с электродуговой печью
36 Поток материала
37 Контролируемое охлаждение и защита от окисления
38 Ножницы
39 Клеть с опорными роликами
40 Участок обжатия с жидкой сердцевиной
41 Участок мягкого обжатия
42 Установка индукционного нагрева
43 Вакуумная установка для удаления газа под дифференцированным давлением
44 Обжимное устройство