Блум/блок в производстве стали: обзор ключевых процессов и оборудования
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Определение и основные понятия
Блум или блок — это полуфабрикат из стали, производимый во время первичного производства стали, служащий основой для последующих прокатных или кузнечных операций. Эти изделия отличаются своими конкретными поперечными размерами и используются в качестве сырья для производства различных окончательных стальных форм, таких как бруски, стержни и конструкционные секции.
Блум обычно относится к крупному стальному слитку или отливке с квадратным или прямоугольным сечением, как правило превышающему 200 мм в поперечном размере. Блок обозначает изделие меньшего сечения, обычно менее 200 мм, часто производимое непосредственно из непрерывного или слиткового проката.
В цепочке производства стали блумы и блоки — это промежуточные продукты, образующиеся после первичного плавления, рафинирования и отливки. Они необходимы для преобразования жидкой стали в удобные формы, позволяя осуществлять горячую прокатку, холодную прокатку или кузнечные операции для получения конечных изделий, таких как листы, пластины, бруски и конструкционные элементы.
Их место в процессе — после плавления и отливки стали, но до процессов горячей или холодной деформации. Они служат связующим звеном между производством сырой стали и изготовлением готовой продукции, влияя на качество конечного продукта, механические свойства и размерную точность.
Техническое проектирование и эксплуатация
Основные технологии
Производство блумов и блоков в основном включает технологию непрерывной отливки, которая заменяет традиционную слитковую отливку благодаря высокой эффективности и улучшенному контролю качества.
Основной инженерный принцип основан на контролируемом затвердевании расплавленной стали в водоохлаждаемой форме, позволяющем непрерывно извлекать полуфабрикаты. Этот процесс минимизирует дефекты, связанные с отливкой слитков, такие как сегрегация и пористость.
Ключевые технологические компоненты включают тигель, форму, систему направления струн и механизм извлечения. Тигель выступает в роли резервуара, подающего расплавленную сталь в форму. Обычно форма из медных или медных сплавов с водяным охлаждением формирует сталь и способствует начальному затвердеванию.
Система направления струн обеспечивает непрерывное движение затвердевающей стали, а механизм извлечения поддерживает стабильную скорость отливки. Дополнительные зоны охлаждения контролируют процесс затвердевания и развитие микроструктуры.
Потоки материала включают вход расплавленной стали в тигель, ее поток в форму, затвердевание в виде струны и постоянное извлечение. Процесс строго контролируется для получения однородных сечений с точными размерами.
Параметры процесса
Ключевые переменные включают скорость отливки, температуру формы, скорость охлаждения и размеры поперечного сечения струны.
Типичные скорости отливки колеблются от 0,5 до 2,0 м/мин, в зависимости от марки стали и размеров сечения. Температура формы поддерживается в диапазоне от 1 400°C до 1 600°C для обеспечения нужной текучести и затвердевания.
Скорости охлаждения регулируются для контроля микроструктуры и механических свойств, обычно в пределах от 10°C/с до 50°C/с в зонах вторичного охлаждения.
Связь между этими параметрами влияет на микроструктуру, внутренние дефекты, качество поверхности и размерную точность блума или блока.
Системы управления используют датчики в реальном времени, такие как тепловые камеры, лазерные измерители и акустические мониторы, интегрированные в системы автоматизации для постоянного регулирования процесса.
Конфигурация оборудования
Типичные машины непрерывной отливки для блумов и блоков оснащены горизонтальной или вертикальной формой, в зависимости от проектных предпочтений. Длина формы варьируется от 3 до 6 метров, с размерами сечения от 150 мм x 150 мм до 300 мм x 300 мм для блоков, и больше для блумов.
Современные установки имеют изогнутые или прямые конфигурации струны, с продвинутыми системами водяного охлаждения и автоматическими системами управления. Длина машины может превышать 50 метров, охватывая весь процесс от тигля до извлечения.
Эволюция дизайна включает использование тонкослойной формовки для плит, но для блумов и блоков улучшения сосредоточены на увеличении скорости отливки, снижении дефектов и повышении контроля микроструктуры.
Дополнительные системы включают нагрев или перемешивание тигля, системы подачи шлаков, и зоны вторичного охлаждения с регулируемыми разбрызгивателями. Эти системы обеспечивают однородное затвердевание и качество поверхности.
Химия процесса и металлургия
Химические реакции
Во время отливки основные химические реакции связаны с затвердеванием стали из жидкой фазы, при этом минимальные химические реакции происходят в процессе.
Однако окисление легирующих элементов, таких как марганец, кремний и хром, может происходить на поверхности стали при неправильном управлении защитными атмосферными средами илиFluxами. Это окисление может привести к образованию включений и вариациям состава.
Термодинамические принципы управляют стабильностью различных фаз в процессе затвердевания, а скорость охлаждения влияет на формирование микроструктур феррита, перлита, бейнита или мартенсита.
Значимые продукты реакции включают шлак и включения, образующиеся из примесей и fluxов, используемых при отливке. Правильное управление шлаком минимизирует захваты включений и дефекты поверхности.
Металлургические превращения
Ключевые металлургические изменения происходят во время затвердевания и последующего охлаждения. По мере охлаждения расплавленная сталь формирует первичные микроструктуры, такие как dendrites, которые влияют на конечный размер зерен и механические свойства.
Микроструктура развивается через фазовые превращения, при контролируемом охлаждении способствуя образованию желательных фаз, таких как феррит и перлит, для пластичности, или бейнит и мартенсит — для прочности.
Термическая обработка или термомеханическая обработка после отливки могут дополнительно изменять микроструктуру, улучшая гранулометрический состав и снижая остаточные напряжения.
Эти превращения напрямую влияют на механические свойства, такие как прочность на растяжение, ударопрочность и пластичность готового изделия.
Взаимодействия материалов
Взаимодействия между сталью, шлаком, огнеупорной облицовкой и атмосферой критичны для контроля качества.
Шлак взаимодействует с поверхностью расплавленной стали, удаляя примеси и защищая сталь от окисления. Правильный состав и поток шлака необходимы для предотвращения захвата включений.
Облицовки из огнеупорных материалов в форме и тигле при высокой температуре подвергаются химическому воздействию, что приводит к износу и возможному загрязнению при недостаточном обслуживании.
Газы атмосферы, такие как кислород и азот, могут растворяться в стали, вызывая дегазацию или поглощение азота, что влияет на механические свойства.
Методы контроля нежелательных взаимодействий включают поддержание защитных атмосфер, оптимизацию химии шлака и выбор устойчивых к химическому воздействию огнеупорных материалов.
Технология процесса и интеграция
Материалы входа
Основной вход — высококачественная расплавленная сталь, обычно производимая методом кислородной конвертерной машины (BOF) или электрошлаковой печи (EAF). Марки стали варьируются от низкоуглеродистых до высоколегированных с определённым химическим составом.
Дополнительные входы включают легирующие элементы, fluxы и депрессоры серы, настроенные на желаемые свойства стали.
Подготовка материалов включает обеспечение соответствия температуры, состава и чистоты расплавленной стали техническим требованиям процесса. Обработка включает передачу в ковш и подачу в тигель.
Качество входных материалов напрямую влияет на стабильность отливки, уровень дефектов и микроструктуру. Наличие примесей или непредсказуемых составов может вызывать дефекты поверхности или внутренние включения.
Последовательность процесса
Последовательность начинается с передачи расплавленной стали в тигель, который подает сталь в форму. Затем осуществляется непрерывная отливка с затвердеванием струны при контролируемой скорости.
Зоны вторичного охлаждения регулируют процесс затвердевания, обеспечивая однородную микроструктуру и качество поверхности.
По достижении нужной длины струна нарезается на блоки или блумы с помощью горячего механического ножа или механического резака. Полуфабрикаты затем охлаждаются, инспектируются и подготавливаются к последующей обработке.
Время цикла зависит от размеров сечения и скорости отливки, обычно составляет от 30 минут до нескольких часов на струну.
Точки интеграции
Этот процесс взаимодействует с upstream-отделами металлургии (BOF или EAF) и downstream — горячими прокатными цехами, кузнечными прессами или теплообработкой.
Потоки материалов и данных включают отчеты о химическом составе, температурные профили и параметры процесса, обеспечивая координированную работу.
Буферные системы, такие как промежуточные склады или ковшовые печи, компенсируют колебания спроса upstream или downstream, обеспечивая непрерывное производство.
Эффективная интеграция минимизирует задержки, снижает запасы и повышает общую производительность предприятия.
Производительность и контроль эксплуатации
| Показатель эффективности | Типичный диапазон | Факторы влияния | Методы управления |
|---|---|---|---|
| Скорость отливки | 0,5 – 2,0 м/мин | Марка стали, скорость охлаждения | Автоматическая регулировка скорости на основе тепловых датчиков |
| Качество поверхности | 90 – 98% без дефектов | Состояние формы, равномерность охлаждения | Регулярное обслуживание формы, оптимизация вторичного охлаждения |
| Однородность микроструктуры | Достигнута по всей длине отливки | Скорость охлаждения, содержание легирующих элементов | Мониторинг температуры в реальном времени, моделирование процесса |
| Размерная точность | ±2 мм | Дизайн формы, скорость извлечения | Точное управление скоростью извлечения и температурой формы |
Эксплуатационные параметры прямо влияют на микроструктуру, механические свойства и дефекты в конечном полуфабрикате.
Мониторинг в реальном времени с помощью датчиков температуры, деформации и акустических сигналов, интегрированных в системы управления, позволяет немедленно корректировать параметры.
Стратегии оптимизации включают регулировку скорости отливки, интенсивности охлаждения и состава fluxов для максимизации выхода, минимизации дефектов и обеспечения стабильного качества.
Оборудование и обслуживание
Основные компоненты
Машина непрерывной отливки включает форму, тигель, систему направления струны, зоны вторичного охлаждения и механизм извлечения.
Форма, souvent faite из медных сплавов, содержит водяные каналы для поддержания тепловой стабильности. Тигель включает огнеупорные облицовки и устройства контроля потока.
Системы охлаждения используют распылительные разбрызгиватели, насосы циркуляции воды и датчики температуры для регулировки затвердевания. Механизм извлечения использует гидравлические или механические приводы для точного перемещения струны.
Критические изнашиваемые части включают медные пластины формы, огнеупорные облицовки и распылительные сопла, срок службы которых варьируется от 6 месяцев до 2 лет в зависимости от интенсивности работ.
Требования к обслуживанию
Рутинное обслуживание включает очистку поверхностей формы, проверку огнеупорных облицовок и калибровку датчиков и систем управления.
Предиктивное обслуживание использует методы мониторинга состояния, такие как термография, анализ вибраций и акустическая диагностика, для раннего обнаружения износа или неисправностей.
Крупные ремонты включают замену формы, репланирование огнеупорных материалов и восстановление компонентов, часто планируются во время плановых остановок.
Смазка, проверка системы охлаждения и калибровка систем управления необходимы для надежной эксплуатации.
Операционные задачи
Типичные проблемы включают поверхностные трещины, внутреннюю сегрегацию, захват включений и засорение формы.
Поиск причин включает анализ данных процесса, проверку физических компонентов и регулировку таких параметров, как скорость охлаждения или состав fluxов.
Аварийные процедуры включают остановку отливки, эвакуацию расплавленной стали и осмотр оборудования на наличие повреждений при критических сбоях, таких как разрыв формы или утечка воды.
Профилактическое обслуживание и постоянный мониторинг процесса необходимы для минимизации простоев и обеспечения безопасности.
Качество продукции и дефекты
Характеристики качества
Ключевые параметры включают размерную точность, качество поверхности, внутреннюю чистоту, микроструктуру и механические свойства.
Методы испытаний включают ультразвуковой контроль, магнитопорошковое исследование, металлографию и растяжение.
Системы классификации качества, такие как стандарты ASTM или EN, устанавливают допустимые размеры дефектов, микроструктурные особенности и механические показатели.
Распространённые дефекты
Типичные дефекты включают поверхностные трещины, сегрегацию, включения, пористость и внутреннюю сегрегацию.
Механизмы формирования дефектов связаны с неправильными скоростями охлаждения, загрязнением или неровностями поверхности формы.
Стратегии предотвращения сосредоточены на контроле параметров процесса, обслуживании оборудования и обеспечении чистоты материалов.
Восстановление может включать повторную обработку, термообработку или удаление дефектов в процессе последующей обработки.
Постоянное совершенствование
Оптимизация процесса включает статистический контроль процессов (SPC) для отслеживания уровня дефектов и стабильности процесса.
Анализ причин и методологии Six Sigma помогают выявить и устранить источники вариаций.
Кейсы демонстрируют улучшения качества поверхности через модификации формы, повышение контроля охлаждения и регулирование состава шлака.
Непрерывные исследования направлены на разработку технологий сопротивления дефектам и расширение мониторинговых систем.
Энергетические и ресурсные аспекты
Требования к энергии
Процессы отливки потребляют значительное количество энергии, в основном через водяное охлаждение, дополнительное нагревание и электросистемы.
Типичное потребление энергии составляет примерно 0,5–1,0 ГДж на тонну отлитой стали, в зависимости от эффективности оборудования.
Меры повышения энергетической эффективности включают оптимизацию использования охлаждающей воды, восстановление отходящего тепла и модернизацию на энергоэффективные приводы и насосы.
Новые технологии включают использование электромагнитного перемешивания и усовершенствованные системы охлаждения для снижения энергопотребления и повышения качества.
Потребление ресурсов
Входные материалы включают высококачественную расплавленную сталь, легирующие элементы, fluxы и огнеупорные материалы.
Вода широко используется для охлаждения; повторное использование и обработка снижают потребление ресурсов и воздействие на окружающую среду.
Стратегии повышения эффективности включают переработку шлаков, многократное использование огнеупорных материалов и очистку технологической воды.
Минимизация отходов достигается за счет улавливания и повторного использования шлаков и пыли, снижения выбросов и внедрения замкнутых водных систем.
Экологическое воздействие
Выбросы включают CO₂, вызванный использованием энергии, частичные частицы из пыли и gaseous pollutants, такие как SOx и NOx.
Твердые отходы составляют шлак, пыль и огнеупорные остатки, которые могут быть переработаны для повторного использования или утилизации.
Технологии контроля окружающей среды включают пылесборники, скрубберы и установки обработки шлаков.
Соответствие нормативным требованиям включает мониторинг выбросов, отчетность о загрязнении и соблюдение экологических стандартов, установленных местными органами.
Экономические аспекты
Капитальные вложения
Начальные капитальные затраты на оборудование для непрерывной отливки варьируются от $50 миллионов до свыше $200 миллионов, в зависимости от мощности и уровня автоматизации.
Факторы, влияющие на стоимость, включают размер предприятия, технологические особенности автоматизации и региональные цены на рабочую силу и материалы.
Оценка инвестиций проводится с использованием методов, таких как чистая приведенная стоимость (NPV), внутренняя норма доходности (IRR) и анализ срока окупаемости.
Эксплуатационные расходы
Основные затраты включают электроэнергию, огнеупорные материалы и расходные материалы, трудовые ресурсы, ремонт и вспомогательные материалы.
Оптимизация затрат включает автоматизацию процессов, меры энергосбережения и переговоры с поставщиками по поводу расходных материалов.
Сравнение с отраслевыми стандартами помогает выявить области для снижения затрат и повышения эффективности.
Разумное соотношение включает баланс между увеличением капитальных затрат на автоматизацию и долгосрочной экономией при эксплуатации.
Рыночные аспекты
Качество и стабильность блума и блока влияют на конкурентоспособность продукции на downstream-рынках.
Требования рынка стимулируют улучшение процессов, такие как более точные допуски и снижение уровня дефектов.
Экономические циклы влияют на инвестиционные решения: спадоугонные периоды задерживают модернизацию, а бум способствует расширению мощностей.
Адаптация к рыночным требованиям предполагает гибкое производство и постоянные инновации в процессе.
Историческое развитие и будущие тренды
История эволюции
Переход от слябовой к непрерывной отливке стал значительным технологическим прорывом в 1950-х годах, значительно повысив производительность и качество.
Достижения включают разработку изогнутых форм, электромагнитное перемешивание и быстрые методы охлаждения, что улучшило контроль микроструктуры.
Рыночные требования, такие как потребность в более высоком качестве и больших сечениях, стимулировали инновации в скорости отливки и автоматизации.
Современное состояние технологий
Сегодня процесс непрерывной отливки блумов и блоков — это зрелая, высоко автоматизированная технология с высокой пропускной способностью и стабильным качеством.
Существуют региональные различия, с передовыми заводами в Северной Америке, Европе и Азии, использующими новейшие системы автоматизации и контроля.
Передовые операции достигают скоростей отливки выше 2 м/мин, с уровнем дефектов ниже 2%.
Новые разработки
Будущие инновации сосредоточены на цифровизации, интеграции Industry 4.0 и умных датчиках для оптимизации процесса в реальном времени.
Исследования включают электромагнитное формование, продвинутые огнеупорные материалы и энергоэффективные системы охлаждения.
Потенциальные прорывы включают управление процессами с помощью искусственного интеллекта, интеграцию аддитивных технологий и экологически устойчивые практики отливки.
Аспекты охраны здоровья, безопасности и окружающей среды
Опасности безопасности
Основные риски для безопасности включают высокотемпературную расплавленную сталь, горячие поверхности, механические движущиеся части и системы под давлением.
Меры профилактики аварий включают разработку комплексных протоколов, защитные барьеры, системы аварийного остановки и обучение персонала.
Процедуры реагирования включают эвакуацию, системы пожаротушения и барьеры для предотвращения разливов.
Профессиональные аспекты здоровья
Работники подвергаются воздействию тепла, шума, пыли и химических паров, что может вызывать ожоги, респираторные проблемы или долгосрочные заболевания.
Мониторинг включает замеры качества воздуха, использование средств индивидуальной защиты (СИЗ) и программы наблюдения за здоровьем.
СИЗ включают огнеупорную одежду, респираторы, перчатки и защиту глаз, с обеспечением строгого соблюдения правил.
Долгосрочное наблюдение за здоровьем помогает своевременно выявлять возможные профессиональные заболевания.
Соответствие экологическим требованиям
Регламенты устанавливают лимиты выбросов, управление отходами и экологическую отчетность.
Мониторинг осуществляется посредством постоянного измерения выбросов, тестирования качества воды и отслеживания отходов.
Лучшие практики включают системы снижения загрязнений, переработку отходов и минимизацию ресурсного потребления.
Системы экологического менеджмента направлены на устойчивую деятельность, снижение экологического следа и соблюдение стандартов.
Данное полное описание предоставляет всестороннее понимание Блума/Блока в сталелитейной промышленности, охватывая технические, металлургические, эксплуатационные, экономические и экологические аспекты для поддержки профессионалов и исследователей отрасли.