Технологические основы, современное состояние и перспективы развития черной

Технологические основы, современное состояние и перспективы развития черной металлургии Раздел: «Требования к качеству, особенности технологии и задачи технического прогресса в производстве холоднокатаного листа, в том числе, с защитными покрытиями» . (Анализ уровня технологии ПХП ) г. Череповец, 2011 г.

Сортамент продукции ПХП. Прокат производится в рулонах массой до 20 т или в пачках листов Вид проката Толщина, Ширина, Длина листов, мм мм Горячекатаный 1, 2 -6, 0 850 -1500 - травленый Холоднокатаный 0, 25 -3, 2 850 -1600 500 -6000 без покрытий Оцинкованный. 0, 45 -2, 0 900 -1600 - С полимерными 0, 40 -1, 2 900 -1550 - покрытиями Электротехни- 0, 45 – 0, 65 950 -1050 - ческая динамная сталь

Потребительские свойства стального проката Технологические характеристики Механические свойства • Свариваемость • Штампуемость/способность к • Предел текучести глубокой вытяжке • Предел прочности • Шероховатость поверхности • Твердость • Пластичность/относительное • Адгезия покрытия удлинение • Химическая стойкость • Электросопротивление защитного Геометрические параметры покрытия (для эпектротехнических сталей) • Толщина/разнотолщинность • Ширина/разноширинность Магнитные свойства • Поперечный профиль (для электротехнических сталей) • Плоскостность/прямолинейность • Удельные магнитные потери на перемагничивание Качество поверхности • Магнитная индукция • Отсутствие дефектов • Анизотропия магнитной индукции • Чистота поверхности • Анизотропия магнитных потерь • Отражающая способность, блеск

Потребительские свойства стального проката Классификация современной автомобильной стали. Мягкие Высокопрочные Сверхвысокопрочные стали cтали σв>700 МПа σв<270 МПа σв>270 МПа Относительная деформация, % Обычные высокопрочные стали Усовершенствованные высокопрочные стали Временное сопротивление, МПа 5

Испытания механических свойств растяжением Диаграмма растяжения образца проката из микролегированной стали HX 420 LA

Потребительские свойства стального проката Наследственность дефектов конечного продукта Неметаллические включения, плена Окалина. Разнотолщинность. Выплавка и Поперечный профиль. разливка стали Мехповреждения. Перетрав, «грязь» . Коррозия. Горячая Мехповреждения. Травление прокатка Качество Разнотолщинность. Холоднокатаного Неплоскостность. проката Сварка витков. Мехповреждения. Цвета побежалости. Механические Отжиг свойства. Холодная Холоднокатаных прокатка рулонов Отделочные операции. Отклонение от Дрессировка, плоскостности. Порезка. Мехповреждения. Дефекты кромки

Структура производства (ПХП) и назначение проката В состав производства входят цехи: • травления металла • прокатки и отжига • покрытий металла – 1 (АНГА, АГНЦ-1, отделение динамных сталей) • покрытий металла – 2 (АГНЦ-2 «Севергал» , АПП) • отделки металла. Исходная заготовка • Горячекатаные полосы в рулонах из ЛПЦ-1 и ЛПЦ-2 толщиной от 1. 2 до 6. 0 мм. ; шириной от 900 до 1620 мм, массой от 8 до 30 т. Товарный прокат • горячекатаный травленый - в рулонах и резаной ленте – конструкционный и для автомобильной промышленности • холоднокатаный - в рулонах, листах и резаной ленте: - для автомобильной промышленности; - для эмалирования, «белой техники» , промышленной упаковки; - для строительства и конструкций; • горячеоцинкованный - в рулонах: - для автомобильной промышленности; - для строительства и конструкций • с полимерными покрытиями - в рулонах • изотропная динамная сталь - в рулонах и резаной ленте - для электротехнической промышленности.

Структура производства и назначение проката Сквозной технологический маршрут СП(КЦ, ЭСПЦ) – ПГП(ЛПЦ-1, ЛПЦ-2) – ПХП Технологический маршрут в ПХП

Обработка г/к полос в цехе травления металла Исходная заготовка • горячекатаные рулоны из ЛПЦ – 1 и ЛПЦ – 2. Цель технологического процесса • удаление окалины, обрезка дефектных концов полос, обрезка кромок, промасливание поверхности, формирование рулонов травленой полосы. Продукция • товарный травленый конструкционный и автолистовой прокат из низкоуглеродистой и микролегированной стали для резки, гибки, штамповки, сварки • подкат для переката на 4 -клетьевом и 5 -клетьевом станах холодной прокатки. Основное оборудование • три агрегата непрерывного кислотного травления; • отделение регенерации травильных растворов.

Обработка г/к полос в цехе травления металла Сортамент и потребительские свойства горячекатаного травленого проката Марочный сортамент • низкоуглеродистые марки 08 пс-20 пс, DD 11, DD 12, DD 13 по EN 10111 • микролегированные высокопрочные S 315 MC-S 550 MC по EN 10149, 07 ГБЮ по ТУ • высокопрочные двухфазные DP 500 -DP 780. Размерный сортамент • Толщина полос от 1, 2 до 6, 0 мм; ширина от 850 до 1500 мм. Прокат отгружается в рулонах и листах. Листы режутся на агрегате поперечной резки в ЛПЦ-2. Возможна порезка на ленту в ПХП. Механические свойства • предел текучести σт от 250 до 600 МПа • предел прочности σв от 300 до 800 МПа • относительное удлинение δ от 10 до 40% • твёрдость HRB от 50 до 80 ед. Микроструктура • в ряде случаев регламентируется размер зерна, например, от № 8 до № 10, не допускается полосчатость структуры; ограничивается размер неметаллических включений (не более 1 -3 балла). Точность размеров • отклонение по толщине: от ± 0, 08 до ± 0, 30 мм (ГОСТ 19903) • отклонение по ширине: от + 5 до + 10 мм с обрезной кромкой; до + 20 мм с необрезной кромкой. Форма полосы • отклонение от плоскостности от 5 до 15 мм в зависимости от толщины и ширины полос.

Обработка г/к полос в цехе травления металла НТА-1, НТА-2 – травление в серной кислоте. НТА-3 – травление в соляной кислоте - с 2006 г. Суммарная производительность трех агрегатов - свыше 3 000 тонн. Часовая производительность зависит от сортамента и состава оборудования; на НТА -1, -2 она составляет 90 -95 т/час, на НТА -3 около 175 т/час. Преимущества соляной кислоты (HCl) по сравнению с серной кислотой (H 2 SO 4): • в 1, 5 - 2 раза большая производительность агрегатов (за счёт большей скорости растворения окалины) • HCl почти не реагирует со стальной основой полосы, что снижает риск перетравливания металла • более лёгкое удаление травильного шлама, благодаря хорошей растворимости в воде продуктов травления • в 2 - 3 раза меньший расход кислоты на тонну протравленного металла • лучшее качество поверхности травленых полос • более светлая и менее шероховатая поверхность, что особенно важно при производстве подката для нанесения покрытий и производстве автолиста с высокой отделкой поверхности • возможна полная регенерация отработанных травильных растворов и промывных вод с получением из них соляной кислоты и товарной окиси железа, что очень важно не только с экономической точки зрения, но и с т. зр. охраны окружающей среды. Основным недостатком является: • высокая агрессивность и летучесть паров соляной кислоты, которая ведет к повышению стоимости травильных и промывных ванн (необходимы материалы с высокой коррозионной стойкостью, требуется высокая степень герметизации ванн). НЛМК – 2 агрегата на соляной кислоте - 3 млн. т/год; ММК – новая непрерывная линия: НТА (HCI) – 5 -кл. стан 2000. (2 млн. т/год).

Обработка г/к полос в цехе травления металла Средства контроля качества травленого проката На НТА-1, -2 • визуальный контроль качества верхней поверхности проката, что не гарантирует полного выявления дефектов • периодический контроль геометрических параметров проката путем замеров ручными средствами контроля: микрометр, рулетка. На НТА-3 • непрерывный контроль толщины изотопным толщиномером • непрерывный контроль поверхности автоматизированной оптической системой "Parsytec HTS-P 5. 0". Возможности инспекционной системы: - контроль поверхности горячекатаного травленого подката с двух сторон полосы на всем диапазоне скоростей агрегата в режиме реального времени; - распознавание дефектов, имеющихся на поверхности полос в реальном времени; - определение размеров и местоположение дефектных участков на полосе; - передача данных в локальные информационные сети и архивирование их срок до 1 года. - получаемая информация позволяет технологическому персоналу правильно определять причины дефектов и планировать корректирующие действия по технологии предыдущих переделов и технологии травления металла, а также принимать решения по назначению травленых полос.

Обработка г/к полос в цехе травления металла Проблемы, связанные с технологией травления проката • «недотрав» - невытравленная окалина • «перетрав» - растворение основного металла полосы • повышенная загрязнённость поверхности полос продуктами травления • коррозия травленого проката. Пути развития технологии удаления окалины • НТА-1. -2 – реконструкция с переходом на соляную кислоту • оборудование агрегатов автоматизированными системами контроля технологии и качества полосы • строительство агрегатов травления новых поколений: - с мелкими ваннами травления и турбулентной подачей травильного раствора; - с плоскими ваннами травления и струйной подачей травильного раствора; - агрегаты толкательного типа без сварочных машин и накопителей полосы. Преимущества таких агрегатов: - меньший расход кислоты - высокое качество травленых полос - меньшие капитальные затраты при строительстве.

Холодная прокатка полос на непрерывных станах 5 -клетьевой стан

Холодная прокатка полос на непрерывных станах Исходная заготовка • травленые рулоны массой до 30 т Цель технологического процесса • утонение полос с суммарным обжатием от 50 до 80% • уменьшение продольной разнотолщинности от начальной ±(4 -8)% до ±(1 -2)% • формирование заданной микрогеометрии поверхности проката Ra=1, 0 -1, 5 мкм • формирование рулонов холоднокатаной полосы Продукция • тонкая полоса в рулонах для обработки на последующих переделах (назначение стали: холоднокатаная - без отжига и с отжигом; с покрытиями - оцинкованная, с полимерными покрытиями, электротехническая) Основное оборудование • Пятиклетьевой стан 1700 бесконечной прокатки (клети кварто) - производительность 1, 8 млн. т/год • Четырехклетьевой стан 1700 порулонной прокатки (клети кварто) - производительность 1 млн. т/год Преимущества бесконечной прокатки • Высокая точность прокатки, большая производительность, повышенная чистота поверхности полос.

Холодная прокатка полос на непрерывных станах Специфические показатели качества холоднокатаной полосы Показатель 4 -клетьевой стан 5 -клетьевой стан Перспективные требования Продольная ± 4 ± 2 ± 1 разнотолщинность, % Отклонение толщины на концевых участках ± 10 ± 3 -5 ± 1 полосы (нестационар- ный режим), % Длина утолщённых 30 -50 10 -30 0 концов полосы, м Отклонение от 8 -12 6 -8 2 -4 плоскостности, мм/п. м Балл загрязнённости поверхности по 4 3 -4 2 -3 Не более 1 -бальной шкале

Холодная прокатка полос на непрерывных станах 5 -клетьевой стан бесконечной холодной прокатки 1 – тележка загрузочная; 2 – разматыватель барабанный; 3 – ролик прижимной; 4 –ролики тянущие; 5 – машина правильная; 6 – ножницы гильотинные; 7 – ролики отклоняющие; 8 – машина стыкосварочная; 9 – ролики натяжные; 10 – накопитель петлевой; 11 – ролик направляющий; 12 – разматыватель двухголовчатый; 13 – клеть рабочая; 14 – ножницы барабанные; 15 – транспортер магнитный; 16 – моталка; 17 – захлестыватель.

Холодная прокатка полос на непрерывных станах Системы автоматизации процесса прокатки на станах ПХЛ САРТи. Н – система автоматического регулирования толщины и натяжений • быстродействующие гидронажимные устройства обеспечивают изменение зазора между верхним и нижним рабочими валками • изменение межклетевых натяжений позволяет тонко регулировать толщину полосы САРПи. Ф – система автоматического регулирования планшетности и формы полосы • обеспечивает отклонение от плоскостности не более 6 -8 мм, в зависимости от сортамента • датчик планшетности (многосекционный измерительный ролик контактных натяжений по ширине полосы), установлен за 5 -й клетью. Регулирование производится по 3 каналам в 5 -й клети: перекос валков, принудительный изгиб валков, регулируемая подача эмульсии по длине бочек рабочих валков. САПЭ – система автоматической подачи эмульсии • обеспечивает регулирование температурного режима валков, полосы и самой эмульсии. Системы автоматического управления главными приводами клетей • обеспечивает синхронное взаимодействие двигателей главных приводов. Локальные автоматизированные системы • осуществляют управление механизмами стана. • На 4 -клетьевом стане не установлена САРПи. Ф. Регулирование плоскостности производится в ручном режиме с визуальным контролем.

Холодная прокатка полос на непрерывных станах Проблемы качества, связанные с технологией холодной прокатки • Отклонения по толщине • Отклонения от плоскостности • Дефекты поверхности в результате вибрации оборудования, перегрева валков • Повышенная загрязнённость поверхности полос Направления совершенствования технологии холодной прокатки • Реконструкция 4 -клетьевого стана с переводом на режим бесконечной прокатки • Оснащение станов холодной прокатки системами и оборудованием: - системой регулирования формы межвалкового зазора осевой сдвижкой рабочих или промежуточных валков (CVC, UPC); - системой контроля вибраций оборудования стана; - специальным участком для инспектирования качества полосы; - системой мониторинга и диагностики оборудования; - высокоскоростными машинами для смены валков (комплект рабочих валков за 8 минут); - усовершенствованными измерительными приборами и системами управления. • Для расширения сортамента и увеличения объёмов производства – строительство реверсивного стана холодной прокатки в комплексе с травильной линией толкательного типа. (На ММК, НЛМК построены реверсивные станы). • Сопряжение прокатного стана с травильной линией на входе с целью повышения производительности, улучшения качества и уменьшения расхода металла (например, новая линия травления-прокатки на ММК производительностью 2 млн. т/год).

Холодная прокатка полос на непрерывных станах Усовершенствованные измерительные приборы и системы управления • В основе многих способов повышения качества продукции лежит применение соответствующей аппаратуры для измерения основных переменных параметров, характеризующих качество продукции, ход технологического процесса и работу оборудования. • В качестве примера размещения измерительной аппаратуры можно рассмотреть 2 -х клетевой стан холодной прокатки. Стан оборудован: - тремя рентгеновскими толщиномерами со встроенным лазерным измерителем скорости; - двумя роликами для измерения плоскостности полосы; - детектором для выявления дефектов кромок; - детектором для обнаружения крупных дефектов; - системой для определения загрязнений и остаточной смазки (по отражающей способности); - системой измерения вибраций с интеллектуальным анализом данных; - а также расположенными вне линии стана измерителями плоскостности и поперечного профиля полосы.

Холодная прокатка полос на непрерывных станах Средства контроля на непрерывном 2 -х клетевом стане 5

Холодная прокатка полос на непрерывных станах Зависимость упрочнения стали от пластической деформации 800 700 600 500 σТ, МПа 400 300 200 100 20 40 60 80 аналитическая кривая деформация, % экспериментальная кривая

Отжиг холоднокатаных рулонов Цели технологического процесса - Снижение прочности и увеличение пластичности проката в результате рекристаллизации структуры металла - Повышение чистоты поверхности полос за счёт возгонки остатков прокатной эмульсии и выноса их защитным газом. Основное оборудование - Колпаковые печи с азотным защитным газом (95 -98% N 2, 2 -5% H 2) - Колпаковые печи c водородо-азотным защитным газом (75% H 2; 25% N 2) - Стенды ускоренного охлаждения - Отделение приготовления защитных газов. Системы контроля и регулирования технологии - Отжига и охлаждения рулонов; подачи защитного газа. Преимущества применения водородо-азотного защитного газа по сравнению с азотным - Более высокая производительность печей - Повышенная чистота поверхности отожженных полос. Недостатки – повышенная взрывоопасность

Отжиг холоднокатаных рулонов Установка защитного муфеля.

Отжиг холоднокатаных рулонов График отжига рулонов в одностопной колпаковой печи Недостатки отжига в колпаковых печах - длительный цикл отжига-охлаждения (50 -80 час. ); риск сваривания (схватывания) витков плотно смотанного рулона при высокой температуре (650 -750 о. С); наличие внутренних складов рулонов. Альтернативный способ термообработки в проходном агрегате непрерывного отжига - АНО. (НЛМК имеет АНО; ММК – строит комбинированный агрегат АНГЦ/АНО, ) Преимущества АНО: короткий цикл обработки, высокая однородность механических свойств по длине и ширине полосы; совмещение в одном агрегате операций: очистки поверхности полосы, термообработки, дрессировки, промасливания, инспектирования качества, формирование готовых рулонов под заказ; исключается промежуточное складирование рулонов.

Дрессировка отожженных полос Цель технологического процесса - деформация металла с обжатием от 0, 5 до 3, 0% - исправление дефектов плоскостности - формирование заданной микрогеометрии поверхности проката Основное оборудование • Два одноклетьевых стана 1700 «кварто» - производительность 1, 8 млн. т/год. - системы подачи дрессировочной жидкости (для снижения усилий дрессировки, защиты от коррозии полос при хранении). Средства контроля и регулирования - автоматическая система контроля и регулирования степени деформации - системы положительного и отрицательного изгиба рабочих валков - система измерения и регулирования скорости полосы - системы управления оборудованием стана - система контроля плоскостности полосы (на ДС № 2) Пути модернизации дрессировочных станов - применение 6 -валковых клетей и систем осевой сдвижки валков CVC - совершенствование средств контроля характеристик проката и регулирования процесса дрессировки

Дрессировка отожженных полос Контроль качества поверхности и геометрии полосы

Производство горячеоцинкованного проката На трёх агрегатах Чер. МК производится прокат с цинковым покрытием. АНГА – перепрофилирован на производство горячеоцинкованного проката строительного и конструкционного назначения. Производительность 350 тыс. т/год. • АНГЦ – в 2010 г. запущен в работу после реконструкции. Производительность 350 тыс. т/год проката строительного и конструкционного назначения. • «Севергал» (УОЛ ЦПМ-2) - запущен в работу в декабре 2005 г. Производительность 400 тыс. т/год автолистового проката и проката конструкционного назначения. Есть возможность производства проката с железоцинковым покрытием. Назначение горячеоцинкованного проката Конструкционный прокат обычного качества • - для сварки, гибки, формовки, несложной штамповки (из низкоуглеродистой стали 08 пс, 1 - 3 пс, 1 -3 сп и др. ) с пределом текучести 250 -350 МПа • Автолистовой прокат с высокой отделкой поверхности • мягкий высокопластичный прокат из стали IF с пределом текучести не более 180 МПа и относительным удлинением при деформации не менее 36 -40% - для глубокой, и сложной штамповки • прокат повышенной прочности и пластичности из сверхнизкоуглеродистой рефосфорированной стали с минимальным пределом текучести от 180 до 260 МПа и с эффектом упрочнения при нагревании (ВН-эффект) • высокопрочный прокат из низкоуглеродистой микролегированной стали из сверхнизкоуглеродистой рефосфорированной стали с минимальным пределом текучести от 260 до 420 МПа • высокопрочный прокат из 2 -фазной и ТРИП-стали с улучшенным комплексом механических свойств для силовых деталей автомобиле • Прокат для нанесения полимерных покрытий • для последующей гибки, формовки, несложной штамповки (из низкоуглеродистой стали 08 Ю, 08 пс, 1 -3 сп и др. ) с пределом текучести 200 -350 МПа

Производство горячеоцинкованного проката Специфические характеристики проката с покрытием на основе цинка Типы покрытия • цинк «Z» (не менее 99%) • железоцинковый сплав «ZF» (Fe=8 -12%) • цинкалюминиевый сплав «ZA» (95%Zn, 5%Al) • алюмоцинковый сплав «AZ» (55%Al, 1, 6%Si, остальное Zn) • алюмокремниевый сплав «AS» (90%Al, 10%Si). Параметры покрытия • удельная масса цинкового покрытия от 100 до 350 г/м 2 на две стороны. • толщина покрытия от 7 до 25 мкм на одну сторону. • отделка покрытия: - нормальный блеск – с узором кристаллизации - минимизированный блеск – без узора кристаллизации. • нормированная адгезия покрытия – устойчивость к отслоению при механических воздействиях

Производство горячеоцинкованного проката Схема типовой линии горячего оцинкования автомобильного листа

Производство горячеоцинкованного проката Линия оцинкования «Севергал» Линия оцинкования введена в эксплуатацию в 2005 году предназначена для производства высококачественного автолистового проката. Проектная производительность 400 тыс. т/год. Сортамент полос: толщина 0, 4 -2, 0 мм; ширина проектная - 900 -1800 мм (в зависимости от толщины и марки стали), фактическая – 900 -1550 мм – ограничена шириной подката ПХП. Этапы технологического процесса • Подготовка концов полос • Сварка концов полос для обеспечения непрерывности процесса • Очистка полосы в секциях химической очистки и электролитического обезжиривания • Термохимическая обработка полосы в печи термохимического отжига • Нанесение покрытия погружением полосы в расплав • Исправление формы полос и нанесение шероховатости на поверхность оцинкованной полосы в правильно-дрессировочном стане • Нанесение на поверхность цинкового покрытия пассивирующего раствора на основе Cr. • Промасливание поверхности полос. Инспектирование качества - производится визуально в процессе производства и на отдельной линии инспекции. Линия инспекции - предназначена для аттестации проката с назначением на лицевые детали автомобилей; производительность 140 тыс. т/год. НЛМК: новый АНГЦ -3 (толщина 0, 4 -4, 0 мм, в т. ч. 1, 2 -4, 0 мм – из горячекатанного) – 340 тыс. т/год ММК строит: - комбинированный агрегат АНГЦ - АНО» (толщина – 0, 3 -3, 0 мм, ширина 850 -1850 мм) – 650 тыс. т проката конструкционного и автолистового назначения - АНГЦ для производства автолистового оцинкованного проката толщиной 0, 3 -3, 0 мм, шириной 850 -1850 мм, производительностью 450 тыс. т/год.

Производство горячеоцинкованного проката Задачи и пути их решения Задача Проблема Решение Производство автолистового Отсутствие собственного Строительство новых проката шириной до 1800 мм подката мощностей по производству широких холоднокатаных полос Производство новых Технология некоторых видов Проведение НИОКР по высокопрочных видов проката не освоена освоению НВП (2 -фазные и автолистового проката ТРИП-стали). Исключение дефектов Накопление в Zn-расплаве и Закупка установки увлажнения цинкового покрытия «дросс» . оседание на полосу частичек азота и системы откачки дросса. "дросса" в носке печи. Снижение отбраковки у Дефектные участки полосы Установка потребителей по качеству остаются незамеченными при автоматизированной системы проката. контроле в процессе контроля в линии горячего производства цинкования. Применение пассивирующих р Пониженная защитная Поиск и испытание новых -ров на основе менее способность CR+3 пассивирующих растворов токсичного Cr+3 вместо Cr+6