Непрерывная разливка стали

Непрерывная разливка стали — это технологический процесс получения стальных заготовок (слябов, блюмов, заготовок для сортового проката) путём кристаллизации жидкой стали в водоохлаждаемой форме (кристаллизаторе) с последующим вытягиванием затвердевшей оболочки и её резкой на мерные длины. Процесс осуществляется на машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) и является основным способом разливки стали в современной металлургии, вытеснившим традиционный метод разливки в изложницы.

История

Предпосылки и ранние разработки

До середины XX века сталь разливали в изложницы — чугунные или стальные формы, где слитки застывали в течение нескольких часов. Этот метод имел существенные недостатки: низкая производительность, высокие потери металла (до 20 % на обрезь и литники), неоднородность структуры слитка и необходимость последующей прокатки на обжимных станах (блюмингах). Идея непрерывной разливки металлов возникла ещё в XIX веке. В 1840 году Генри Бессемер предложил способ получения бесконечной полосы металла между двумя вращающимися валками, однако практическая реализация была затруднена из-за отсутствия огнеупорных материалов и технологий управления тепловыми процессами.

Первые промышленные установки

Первая в мире промышленная МНЛЗ для разливки стали была запущена в 1952 году на заводе компании «Маннесман» (ФРГ) в городе Дуйсбург-Хаузе. Установка, разработанная под руководством инженера Зигфрида Юнга, позволяла получать слябы сечением 150×150 мм. В СССР первые эксперименты по непрерывной разливке начались в 1940-х годах в Центральном научно-исследовательском институте чёрной металлургии (ЦНИИчермет) под руководством академика И. П. Бардина. В 1955 году на Ново-Тульском металлургическом заводе была введена в строй первая советская МНЛЗ, а в 1960-х годах технология начала активно внедряться на крупных комбинатах — Магнитогорском, Нижнетагильском, Череповецком.

Современный этап

К концу XX века доля непрерывной разливки в мировом производстве стали превысила 90 %. В 2020-х годах в России этот показатель составляет около 95 % (данные Ассоциации «Русская сталь»). Современные МНЛЗ способны разливать до 1,5–2 млн тонн стали в год, а скорость вытягивания заготовки достигает 6–8 м/мин для слябов и 10–12 м/мин для блюмов.

Устройство и принцип работы МНЛЗ

Основные узлы машины непрерывного литья заготовок

1. Сталеразливочный ковш — ёмкость для транспортировки и подачи жидкой стали из сталеплавильного агрегата (конвертера, дуговой печи) в промежуточный ковш.
2. Промежуточный ковш — распределительное устройство, обеспечивающее постоянный уровень металла в кристаллизаторе и отделение шлака.
3. Кристаллизатор — водоохлаждаемая медная форма, в которой начинается кристаллизация стали. Внутренняя поверхность кристаллизатора покрыта слоем хрома или никеля для увеличения износостойкости. Для смазки и теплоизоляции в кристаллизатор подают шлакообразующую смесь (ШОС).
4. Зона вторичного охлаждения (ЗВО) — система форсунок, распыляющих воду на поверхность заготовки после выхода из кристаллизатора. Обеспечивает контролируемое охлаждение и полное затвердевание металла.
5. Тянущая клеть — механизм, вытягивающий заготовку из кристаллизатора с заданной скоростью.
6. Ножницы или газорезка — устройство для резки заготовки на мерные длины (обычно 4–12 м).
7. Рольганг и холодильник — транспортная система для перемещения заготовок к складу или прокатному стану.

Технологический процесс

Жидкая сталь из сталеразливочного ковша поступает в промежуточный ковш, откуда через погружной стакан (огнеупорную трубку) подаётся в кристаллизатор. В кристаллизаторе металл начинает застывать, образуя твёрдую оболочку толщиной 10–20 мм. Заготовка непрерывно вытягивается вниз, проходя через зону вторичного охлаждения, где происходит полная кристаллизация. После выхода из МНЛЗ заготовка разрезается на мерные длины и направляется на склад или в прокатный цех.

Классификация машин непрерывного литья заготовок

По типу заготовки

• Слябовые МНЛЗ — для получения плоских заготовок (слябов) толщиной 150–300 мм и шириной 800–2500 мм. Используются для производства листового проката.
• Блюмовые МНЛЗ — для получения квадратных или прямоугольных заготовок (блюмов) сечением от 200×200 мм до 400×500 мм. Применяются для сортового проката (балки, швеллеры, рельсы).
• Сортовые МНЛЗ — для получения заготовок малого сечения (100×100 мм — 150×150 мм), используемых для производства арматуры, катанки, проволоки.
• Радиальные и криволинейные МНЛЗ — заготовка движется по дуге окружности, что позволяет уменьшить высоту установки.

По конструктивному исполнению

• Вертикальные МНЛЗ — заготовка движется строго вертикально. Устаревший тип, требует большой высоты здания (до 30–40 м).
• Радиальные МНЛЗ — заготовка движется по дуге, что снижает высоту до 10–15 м. Наиболее распространённый тип.
• Криволинейные МНЛЗ — заготовка движется по кривой с переменным радиусом, что позволяет разливать заготовки большого сечения.
• Горизонтальные МНЛЗ — заготовка движется горизонтально. Применяются для разливки цветных металлов и специальных сталей.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая производительность — одна МНЛЗ заменяет несколько десятков изложниц.
• Экономия металла — выход годного достигает 95–98 % (против 80–85 % при разливке в изложницы).
• Однородность структуры — непрерывная кристаллизация обеспечивает равномерное распределение легирующих элементов и отсутствие усадочных раковин.
• Автоматизация — процесс полностью контролируется системами управления, что снижает влияние человеческого фактора.
• Энергоэффективность — отсутствие необходимости нагрева слитков перед прокаткой (горячий посад).

Недостатки

• Высокая стоимость оборудования — строительство МНЛЗ требует значительных капитальных вложений (до 100–200 млн долларов для крупной установки).
• Сложность настройки — для каждого типа стали требуется подбор режимов охлаждения и скорости разливки.
• Ограничения по маркам стали — некоторые высоколегированные и специальные стали (например, с высоким содержанием серы) трудно поддаются непрерывной разливке.
• Дефекты заготовки — возможны поверхностные трещины, осевая пористость, ликвация при нарушении технологии.

Применение

Непрерывная разливка стали используется во всех отраслях чёрной металлургии:

• Листовой прокат — слябы идут на производство горячекатаных и холоднокатаных листов для автомобилестроения, судостроения, строительства.
• Сортовой прокат — блюмы и заготовки используются для изготовления арматуры, балок, швеллеров, рельсов, трубной заготовки.
• Специальные стали — нержавеющие, инструментальные, жаропрочные стали разливают на МНЛЗ с электромагнитным перемешиванием и вакуумированием.

Развитие технологии в России

В России крупнейшие производители непрерывнолитой заготовки — ПАО «Северсталь», ПАО «Магнитогорский металлургический комбинат», ПАО «Новолипецкий металлургический комбинат», ПАО «ЕВРАЗ» и АО «Металлоинвест». В 2010-х годах на российских предприятиях были внедрены современные МНЛЗ с радиальным кристаллизатором и системами динамического контроля охлаждения. В 2023 году доля непрерывной разливки в России составила 96,2 % (по данным Минпромторга РФ). Активно развивается технология «близкой к конечной форме» (near-net-shape casting), позволяющая получать заготовки, максимально приближённые по размерам к готовому прокату.

Перспективы

Основные направления развития непрерывной разливки стали:

• Увеличение скорости разливки — до 10–12 м/мин для слябов за счёт улучшения теплоотвода в кристаллизаторе.
• Разливка тонких слябов — толщиной 50–90 мм, что позволяет отказаться от черновой прокатки.
• Электромагнитное перемешивание — для улучшения структуры и снижения ликвации.
• Цифровизация и моделирование — использование цифровых двойников для оптимизации режимов разливки.
• Разливка высоколегированных сталей — расширение марочного сортамента за счёт применения вакуумной дегазации и специальных ШОС.

Источники

1. Бардин И. П. «Непрерывная разливка стали». — М.: Металлургия, 1965.
2. Смирнов А. Н., Куберский С. В. «Непрерывная разливка стали: технология, оборудование, качество». — М.: Теплотехник, 2018.
3. «Технология непрерывной разливки стали» / под ред. В. А. Кривошеина. — Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2010.
4. Данные Ассоциации «Русская сталь» (2023).
5. Отчёт Минпромторга РФ «О состоянии металлургической промышленности России» (2023).