что такое онрс в металлургии
НЕПРЕРЫ́ВНАЯ РАЗЛИ́ВКА СТА́ЛИ
Том 22. Москва, 2013, стр. 477-478
Скопировать библиографическую ссылку:
НЕПРЕРЫ́ВНАЯ РАЗЛИ́ВКА СТА́ЛИ, осуществляется на спец. агрегате при непрерывном поступлении жидкого металла в водоохлаждаемый кристаллизатор с одновременным непрерывным вытягиванием из него формирующегося слитка (непрерывно-литой заготовки). Способ получения продукции непосредственно из жидкого металла (т. н. бесслитковая прокатка) предложен Г. Бессемером в 1855, но не был реализован из-за технич. трудностей. Более перспективным оказался метод получения из жидкого металла промежуточной заготовки посредством отливки через водоохлаждаемую форму (изложницу) – кристаллизатор. Стальная заготовка таким методом впервые получена З. Юнгансом (Германия) в 1939. Непрерывная разливка позволила организовать высокопроизводит. процесс произ-ва заготовок, по профилю и размерам пригодных для непосредств. использования их на соответствующих прокатных станах. При Н. р. с. улучшается качество заготовок и значительно повышается (на 12–25%) выход годного металла из жидкой стали, а также экономится энергия (на 85% сокращается расход условного топлива на нагрев под прокатку), создаются условия для полной механизации и автоматизации процесса разливки стали, улучшаются условия труда и снижается загрязнение окружающей среды.
Что такое онрс в металлургии
МНЛЗ — машина непрерывного литья заготовок (или УНРС — установка непрерывной разливки стали). В настоящее время около 60 % отливаемых непрерывным литьем заготовок разливается на слябовых МНЛЗ. Жидкая сталь непрерывно заливается в водоохлаждаемую форму, называемую кристаллизатором. Перед началом заливки в кристаллизатор вводится специальное устройство с замковым захватом («затравка»), как дно для первой порции металла. После затвердевания металла затравка вытягивается из кристаллизатора, увлекая за собой формирующийся слиток. Поступление жидкого металла продолжается и слиток непрерывно наращивается. В кристаллизаторе затвердевают лишь поверхностные слои металла, образуя твердую оболочку слитка, сохраняющего жидкую фазу по центральной оси. Поэтому за кристаллизатором располагают зону вторичного охлаждения, называемую также второй зоной кристаллизации. В этой зоне в результате форсированного поверхностного охлаждения заготовка затвердевает по всему сечению. Этот процесс слиткообразования является способом получения слитков неограниченной длины. В этом случае по сравнению с разливкой в изложницы резко уменьшаются потери металла на обрезку концов слитков, которые, например, при литье спокойной стали составляют 15-25 %. Кроме того, благодаря непрерывности литья и кристаллизации, достигается полная равномерность структуры слитка по всей его длине.
Основными производителями непрерывнолитых слябов в мире являются Япония, США, КНР, Германия, Корея и Россия. На их долю приходится более двух третей мирового объема производства слябов. Сейчас в мире насчитывается чуть более 500 слябовых МНЛЗ с общим числом ручьев свыше 700 шт.
Различают 3 конструкции МНЛЗ:
По количеству ручьёв МНЛЗ разделяют на 1-6 ручьевые.
В зависимости от размера слитка МНЛЗ делятся на
Содержание
История
Идея непрерывного литья была выдвинута в середине XIX в. Г. Бессемером, который предлагал разливать жидкую сталь между двумя водоохлаждаемыми валками. Однако не только при том уровне техники, но и в настоящее время реализовать такую идею бесслитковой прокатки невозможно. В 1943 г. С. Юнган разработал подвижный кристаллизатор для разливки заготовок. В Японии освоение МНЛЗ началось в 1955 г.
Начало 70-х г.г. характеризуется широким промышленным внедрением машин непрерывной разливки слябовой заготовки. На смену низкоскоростным вертикальным МНЛЗ пришли радиальные и криволинейные машины, имеющие значительно большую скорость разливки.
Оборудование и процесс
МНЛЗ состоит из сталеразливочного и промежуточного ковшей, водоохлаждаемого кристаллизатора, системы вторичного охлаждения, устройства для вытягивания, оборудования для резки и перемещения слитка.
После выпуска металла из сталеплавильного агрегата, доводки по химическому составу и температуре на АКП, ковш поднимается литейным краном на поворотный стенд МНЛЗ. Поворотный стенд представляет собой вращающуюся конструкцию с двумя позициями для установки ковшей. После опустошения ковша в позиции разливки, стенд поворачивается на 180° и уже полный ковш находится в позиции разливки. После открытия шибера ковша, жидкий металл начинает поступать в промежуточный ковш. Пром. ковш является своего рода буфером между Сталь ковшом и кристаллизатором. После открытия шибера пром. ковша металл поступает в кристаллизатор. Кристаллизатор представляет собой водоохлаждаемую конструкцию, которая совершает вертикальные или околовертикальные колебания, для предотвращения застывания металла на стенках кристаллизатора. В зависимости от конструкции МНЛЗ размеры кристаллизатора могут варьироваться. В кристаллизаторе происходит застывание стенок сляба. Далее, под воздействием тянущих роликов сляб попадает в зону вторичного охлаждения (дуговой участок ручья), где на металл через форсунки разбрызгивается вода. После выхода металла на прямолинейный участок ручья, происходит отрезание слябов (газовая резка или ножницы).
Пуск литья, управление процессом и проблемы
Для пуска процесса непрерывного литья, перед открытием шибера на пром-ковше, на радиусный участок ручья заводится «затравка», таким образом в районе кристаллизатора образуется своего рода карман. После наполнения этой полости металлом начинается вытягивание «затравки». На конце радиусного участка расположен механизм отделения затравки. После отделения она отводится рольгангом и цепными транспортёрами.
Преимущества МНЛЗ перед разливкой в изложницы
По сравнению с прежним методом разливки стали в изложницы при непрерывной разливке можно сократить не только время за счет исключения некоторых операций, но и капиталовложения (например, на сооружение обжимных станов). Непрерывная разливка обеспечивает значительную экономию металла вследствие уменьшения обрези и энергии, которая тратилась на подогрев слитка в нагревательных колодцах. Исключение нагревательных колодцев позволило в значительной степени избавиться от загрязнения атмосферы. По ряду других показателей: качеству металлопродукции, возможности механизации и автоматизации, улучшению условий труда непрерывная разливка также эффективнее традиционных способов. Но непрерывная разливка имеет и Отрицательные стороны. Стали некоторых марок, например кипящие, нельзя разливать по этому методу, малые объемы разливки сталей различных марок повышают их себестоимость, неожиданные поломки оказывают большое влияние на снижение общей производительности.
Усовершенствования
В настоящее время все большее распространение получает метод электромагнитного торможения потока стали, попадающей в кристаллизатор. Это дает возможность существенно снизить скорость движения потоков, ограничить их проникновение вглубь жидкой фазы заготовки, а также обеспечить их рациональное движение. Вероятно, в ближайшее время этот метод получит развитие в совокупности с использованием погружных стаканов оптимальной геометрической формы, которая будет создаваться для каждого конкретного случая.
Кристаллизатор МНЛЗ работает как теплообменник, задача которого состоит в быстром отводе тепла от стали, проходящей через него. К краю кристаллизатора корка отливки начинает утолщаться, при этом изнашивая поверхность кристаллизатора. Кроме того, диффузия меди из кристаллизатора приводит к появлению брака — трещин на поверхности отливок. Во многих случаях износ медной стенки кристаллизатора и захват меди отливкой могут быть предотвращены с помощью нанесения защитных покрытий на нижнюю часть кристаллизатора. В конце XX века для защиты активно применялись хромовые и никелевые покрытия. Во многих странах они превалируют и сейчас. Никель может наноситься различными способами и толщинами, обладает близким к меди коэффициентом теплопередачи. В начале XXI века началось активное внедрение технологий газотермического напыления для защиты плит кристаллизаторов МНЛЗ с помощью керамических, металлокерамических покрытий, покрытий из сплавов. Эти покрытия позволяют обеспечить еще лучшую защиту поверхностей кристаллизатора. Разработаны методы высокоскоростного газопламенного напыления покрытий, которые позволяют нанести металлокерамические материалы с превосходными противоэрозионными характеристиками и хорошей теплопередачей. Газотермические покрытия имеет смысл наносить на всю рабочую поверхность кристаллизатора. Из-за меньшего коэффициента теплопроводности металлокерамических покрытий становится возможным уменьшить и более точно контролировать скорость охлаждения мениска. Такой тип охлаждения часто называют «мягким», и он позволяет обеспечить более равномерное формирование слитка и более равномерный профиль температуры, что позитивно влияет на производительность кристаллизатора и качество литья.
Варим суп из стали: оптимизация логистики ковшей и как устроен цех КЦ № 2
Привет из конвертерного цеха металлургического комбината! Смотрите, у нас тут есть вот такой суп в ковше, стоящем на сталевозе:
Таких ковшей на 320 тонн стали в цехе 40 штук, и они медленно остывают. Этой стали грустно и одиноко, она подмерзает. Через эти ковши проходит 10 миллионов тонн стали в год, это 14% стали России
На входе в цех у нас жидкий чугун и металлолом, на выходе надо получить сляб — большой слиток стали. Контур системы диспетчеризации «Гефест» начинается с конвертера, где мы продуваем чугун кислородом, таким образом окисляем и удаляем ненужные нам примеси. После конвертера получается «стальной бульон» для супа, в который уже можно добавлять основные ингредиенты, чтобы получались разные марки стали. За смену мы выплавляем несколько заказов, и каждая сталь требует своего рецепта — это разные добавки, разные техпроцессы, разные температуры и разные последовательности действий.
На участке аргонной установки
Узким местом, в зависимости от сорта стали, может стать любой технологический узел на пути плавки от конвертера до разливки — агрегаты внепечной обработки, мостовые краны или сталевозы для перемещения ковшей могут оказаться в какой-то конкретный момент перегружены. Раньше графики последовательности действий составлялись в блокноте человеком и были недостаточно оптимизированы. Плюс непредсказуемость: графики с довольно широкими временными границами дают большие потери производительности, а графики с узкими границами — не дают прореагировать на возможную поломку, задержку в процессе или вынужденную остановку. Не знаю, сколько стоит у вас простой прода, но у нас один остывший не к месту ковш запросто может нанести ущерба на несколько миллионов рублей.
В общем, мы написали систему, которая не только оптимизирует загрузку этого участка производства, но и регулярно (во время смены) пересчитывает всю логистику ковшей.
Но давайте начну с, собственно, рассказа про то, что же именно оптимизируется в цехе.
Слева — установка печь-ковш, впереди — подход к трайб-аппарату
Как устроен цех
Идею конвертерного производства стали я примерно описал выше. На входе у нас чугун, который выплавляется в доменной печи, и лом чермета. На конвертерный участок он поступает всё ещё в жидком виде и заливается в конвертер (после завалки туда лома).
Конвертер достаточно хорошо автоматизирован. Поскольку химический состав сырья варьируется, у него есть датчики, позволяющие примерно понять, что происходит внутри и выбрать верный температурный режим, режим окисления и так далее. В конвертере чугун продувается кислородом, что даёт его разогрев до температуры 1600+ градусов Цельсия, окисление кремния, марганца и углерода. Полученные оксиды удаляются из расплава, и на выходе получается жидкий металл в объёме ковша (плавка) — то, что позже станет сталью определённой марки.
Конвертеров у нас три штуки, они могут подавать «бульон» в любое время и по заданному расписанию. При этом если процесс окисления запущен, мы не можем его остановить, в любом случае на выходе примерно через 40 минут получится ковш расплава, с которым надо будет что-то делать.
Выглядит он вот так:
А так выглядит проба металла (остывшая), которую берут из ковша на агрегате внепечной обработки. На длинной ручке, которой эту пробу берут, на конце есть ёмкость такой формы, как этот застывший образец. Там разрежённая среда, и в эту форму засасывается жидкий металл, а сама форма сгорает.
На данной фотографии ковш перемещается по цеху на мостовом кране. Кранов у нас 10 штук, они вот такие:
Лебёдка мостового крана
Здесь хорошо видно ещё одно ограничение логистики: мостовой кран может двигаться по цеху по своим направляющим только в диапазоне от одного крана до другого, а не полностью независимо. Краны управляются из кабин:
Итак, вы получаете ковш с жидким металлом. Далее его нужно перемещать по цеху, чтобы в зависимости от сорта изготавливаемого металла, тем или иным образом обработать плавку — довести до нужной температуры, добавить примеси (флюсы и/или ферросплавы) и некоторое время перемешивать при определённой температуре.
Чем меньше отклонение реального процесса от нормативного времени обработки плавки, тем меньше нужно тратить ресурсов (в частности, электроэнергии) на производство. У каждого ковша есть критическая температура (температура ликвидуса), после снижения до которой расплав становится непригоден для дальнейшей разливки. Плавку в такой ситуации надо догревать. Как мы говорим — сталь мёрзнет. Лучший способ её догреть — это опустить в неё графитированные электроды и включить ток (в конвертер ничего не возвращается). Стендов с электродами (установки печь-ковш) всего два. Они вот такие:
При плотном графике каждый внеплановый догрев означает распространение волны опозданий дальше по очереди. Кроме того, графитированные электроды сами по себе довольно дорогие, и каждый такой догрев — это рост себестоимости конечного продукта. Поэтому наш сервис и работает на то, чтобы не дать стали замёрзнуть.
Разливщик стали берёт пробу металла на установке печь-ковш (УПК)
Агрегатов в конвертерном цехе 8 штук, мы двигаем ковши между ними, часто оставляем в них на N минут. Между конвертером, например, в вакууматоре и на других узлах сталь может провести 20 минут, может 40 — зависит от задачи (как именно нужно обработать плавку, чтобы получить заказанную марку стали) и начальных условий.
Перенос теплоизолирующей засыпки
В конце цеха сталь попадает в одну из УНРС — установку непрерывной разливки стали.
Это вид сверху на одну из наших УНРС. Мы видим два стенда для установки стальковшей. Сталь из ковша слева, который с крышкой, уже почти разлилась, через пару минут там останется один шлак. Ковш справа только что был поставлен краном, он полный, его разливка начнётся сразу, как иссякнет сталь в левом ковше. Как уже говорилось, крайне важно, чтобы поток стали в УНРС не прерывался
Установка доводки металла
Ключевое слово «непрерывной»: в эти установки должны попадать ковши с правильно подготовленным «супом» без остановок. То есть УНРС имеет небольшой буфер (примерно на 2 минуты), и если выйти за него, то разливка прервётся. Прерывание разливки — это большой финансовый убыток, и эту ситуацию допускать ни в коем случае нельзя. Напоминаю, если мы формируем очередь перед УНРС, то сталь в ковшах остывает, поэтому всё нужно точно вовремя. Мы можем варьировать скорость разливки, но в небольших пределах.
Вот принципиальная схема цеха:
На этой стадии может показаться, что задача сводится к формированию оптимальных очередей на агрегаты цеха и догрев того, что в эти очереди не умещается. Добавляем новые уровни сложности:
Алюминиевая проволока для раскисления стали
Более широкая задача
Может показаться, что можно один раз подобрать набор оптимальных режимов загрузки узлов производства и придерживаться его. К сожалению, это работало бы только в той ситуации, если бы мы могли производить примерно одинаковый набор сталей — или если бы мы делали очень длинные серии в больших заказах. На практике гибкость на нашем участке производства означает некоторые потери в оптимальности процесса, но эти потери куда меньше, чем выигрыш за счёт гибкости производства в целом.
Проще говоря, каждый день нам нужно лить разные заказы — несколько разных сталей, каждая из которых имеет свой процесс и свой «рецепт супа».
Заказы поступают примерно за две-три недели в систему более высокого уровня, где кластеризуются, группируются, дефрагментируются и спускаются в цех в виде суточных планов.
На основе отобранных для исполнения в данные сутки заказов начальник отдела планирования составляет суточное задание по загрузке УНРС, что-то вроде следующего: «с 12 до 15 на такой-то машине мы разливаем такую-то серию, переналаживаем 2 часа, затем с 17 до 22 разливаем следующую серию, переналаживаем, затем с полуночи до 4 утра третью». На каждую из пяти разных установок может быть запланировано несколько серий, отличающихся по продолжительности. Кроме серий на УНРС, ему необходимо запланировать работу конвертеров. Эта задача, вообще-то, требует расчёта, особенно в случае большого количества разноплановых заказов. Но до сих пор она решалась на опыте и профессиональном чутье специалиста вручную. Сейчас же он имеет возможность создать несколько сценариев, комбинируя разное время запуска разных серий и пробуя сочетания. Лучший план из полученных отправляется в работу.
После того, как начальник смены составит такой верхнеуровневый план на сутки, он уходит в диспетчерскую службу цеха, где начальник смены составляет более подробный план с учётом всех промежуточных агрегатов. Раньше, опять же, специалист вручную рассчитывал такие планы. Точнее, на самом деле, конечно, этот процесс автоматизировался, но всё равно у систем автоматизации не было возможности пересчитывать график в реальном времени в зависимости от положения и статуса каждого ковша, то есть он составлялся один или два раза в смену. Сейчас мы сделали систему, которая может пересчитывать оптимальные графики постоянно. При выходе ситуации за план, он пересчитывается.
Итак, есть книга заказов, в которой указываются заказы, которые производство должно поставить. Часть заказов из этой книги попадают в конкретную смену, где оптимизируются в рамках производственного участка тактически. Каждый заказ — это серия разливки. Мы поднимаемся от разливки к конвертерам и прописываем, что будет происходить в какое время и на какой установке, и каким образом туда будут попадать ковши. Это делает начальник отдела по планированию производства.
Бывают смены, когда серии попадаются очень длинные, и все сутки участок работает по одному маршруту. Это облегчение для всех, и это упрощает задачу. Но чаще марки стали разные.
Система планирования в её текущей реализации работает исходя из того, что чугун приходит к нам в необходимом количестве и в те моменты, когда нужно загружать конвертеры. С этим тоже есть нюансы, но включение техпроцессов предыдущих переделов пока оставили в развитии, это отдельный и сложный вопрос.
Некоторые типоразмеры слябов и марки стали могут разливаться только на конкретных (не всех) установках. Некоторые серии должны быть обязательно в конце смены, поскольку их продолжит следующая смена.
Как это выглядит на практике
Вот кадры, которые показывают в презентациях:
Это онлайн-планировщик сменных заданий
А это «живая» мнемосхема цеха, на которой видно текущее местоположение стальковшей и другого оборудования
А вот так это выглядит в цехе:
Сталевар
Зеркало металла
Основной рабочий инструмент отслеживания плана — мнемосхема цеха и статусы каждого из ковшей:
На мнемосхеме мы наблюдаем в реальном времени перемещение ковшей, статус плавок в них, состояние сталевозов и кранов. Любой мостовой кран может стать узким местом, как и любой агрегат. Каждая плавка снабжается связкой с камерой, которая её отслеживает.
Система называется «Гефест». Алгоритм оптимизации плана, заложенный в систему, интересен в первую очередь тем, что позволяет очень гибко учесть всё то большое количество технологических требований и нюансов, которое отличает чистую математическую задачу от прикладной. Эта гибкость позволяет использовать оптимизатор ещё и как инструмент моделирования и сценарного анализа.
Что касается отслеживания ковшей, надо сказать, что это отдельная проблема, далеко выходящая за рамки исключительно распознавания образов и детекции событий нейросетями.
Вот тут вы можете видеть 1 Тб стали — на самом деле это лоток с металлоломом:
Номера стальковшей выглядят вот так. Видите его? А он есть, и машинное зрение его видит:
Первый блок отслеживания — это видеоаналитика, которая распознаёт сталевозы, положения кранов, номера ковшей (гораздо лучше, чем люди) и так далее. Второй блок — это алгоритмическая надстройка над сигналами видеоаналитики, ведь это отдельная непростая задача — сформировать целостную траекторию движения ковша с плавкой по событиям и сигналам с нескольких десятков камер.
Почему видеоаналитика, а не датчики? Потому что мы не видели датчика, который бы у нас не сгорел.
Температура стали 1600 градусов примерно. К концу смены датчик прогорит, будет залит каплями расплава или шлака, закопчён газами и, если там было что-то магнитное, размагничен. Несколько раз. Даже в самых экзотических местах даже пассивные метки довольно уязвимы.
Для каждого сортамента стали у нас есть зависимости, как именно увеличение времени обработки стали сказывается на допзатратах с нагревом и удалением кислорода. Первая наша цель — хорошее планирование, когда эти допзатраты не нужны — с учётом регламентных ремонтов, графика заказов и всех обстоятельств. Вторая цель — в случае нештатной ситуации — перераспределение графика для минимизации потерь. Сделать это на бумажке или в уме хоть сколько-то оптимально невозможно.
Текущий экономический эффект — 4% экономии по электроэнергии, электродам и алюминиевой катанке. Он достигается за счёт сокращения времени выдержки металла в стальковше до 7%. Плановый эффект по экономии энергии, электродов и алюминия от использования сервиса — 100 миллионов рублей в год. При этом мы также снижаем брак, но посчитать точно пока не можем, здесь мы будем сравнивать исторические серии. По ощущениям — на порядок больше.