Раздел 7. Перспективные технологии производства продукции дальнейшего передела черных металлов

Раздел 7. Перспективные технологии производства продукции дальнейшего передела черных металлов

7.1 Горячая прокатка листа

7.1.1 Использование регулируемых процессов прокатки

Тенденцией развития производства толстого горячекатаного листа является увеличение доли регулируемых процессов прокатки в общем цикле производства. Получение требуемых механических свойств проката в цикле горячей деформации позволяет существенно сократить объем дополнительной термической обработки, проводимой вне основного технологического потока. Это позволяет уменьшить затраты на изготовление продукции и снизить вредные экологические факторы, связанные дополнительным нагревом проката. Например, в 2002 г. в Иране установлен толстолистовой стан 190", предназначенный для производства 1050 тыс. т/год толстолистового проката размерами 5-150 х 1100-4500 х 2500-24 000 мм из судостроительной, трубной, котельной и конструкционной сталей [14]. Технология производства на этом стане предусматривает следующее распределение доли реализуемых на нем способов и процессов получения толстолистового проката:

- обычная прокатка - 15 %;

- прокатки с регулируемой температурой - 25 %;

- термомеханическая обработка в процессе прокатки - 40 %;

- резкое охлаждение и отпуск после прокатки - 20 %.

7.1.2 Применение новых конструкций прокатных клетей

Особенностью современных технологий получения горячекатаного толстого листа является применение новых конструкций прокатных клетей, повышающих эффективность процесса, улучшающих качество продукции и экологическую обстановку прокатного цеха. В Германии сконструирован и пущен толстолистовой стан 3200, рассчитанный на объем производства 700 тыс. т/год, позволяющий в зависимости от марки стали осуществлять обычную прокатку, прокатку с регулируемой температурой, термомеханическую обработку толстолистовой стали размерами 5-160 х 1000-2800 х 400010 000 мм.

Стан характеризуется высоким уровнем автоматизации на всех этапах технологического процесса и применением в качестве деформирующего устройства реверсивной прокатной клети кварто 3200 (см. рисунок 7.1), которая имеет оптимальное соотношение поперечного сечения стойки и верхней поперечины станины, что при большом диаметре опорных валков придает клети большую жесткость [14].

Грубая (быстрая) установка валков производится электромеханически. Установка валков с гидравлическим управлением используется для регулирования толщины листа и может работать при усилии прокатки 70 МН. Гидроцилиндры в виде встроенного блока расположены между нажимными винтами и подушками верхнего опорного валка. Динамометрические датчики под подушками нижнего опорного валка измеряют усилие на валки и передают эти значения в систему автоматического регулирования.

Устройства для охлаждения рабочих и опорных валков на входной и выходной сторонах клети содержат подвижные распылители, соединенные с питательными трубопроводами при помощи шарнирного соединения труб (без шлангопроводов). Верхние и нижние гидравлические окалиноломатели на входе и на выходе клети работают при максимальном давлении в системе 190 бар.

А: 1 - гидравлический окалиноломатель; 2 - уравновешивание и изгиб рабочих валков; 3 - рольганг; 4 - станинные ролики; 5 - устройство для смены рабочих валков; Б: 1 - уравновешивание опорного валка; 2 - электромеханическая установка валков; 3 - гидравлическая установка валков; 4 - подшипник типа Morgoil; 5 - устройство для смены опорных валков

Рисунок 7.1 - Рабочая клеть кварто 3200

По три станинных ролика на входной и выходной сторонах клети образуют продолжение рабочих рольгангов. Ролики имеют индивидуальный привод со сцепной муфтой. Поворотные рольганги перед клетью и за ней позволяют повернуть слябы для поперечной прокатки.

Сдвоенный главный привод состоит из двух электродвигателей постоянного тока по 6400 кВт и шарнирных шпинделей с гидравлическим уравновешиванием.

Для смены валков используются устройства с гидроприводом, установленные на перевалочной стороне клети. Смена рабочих валков происходит в автоматическом режиме. Перемещение комплекта валков в продольном и поперечном направлениях продолжается около 15 мин. Устройство для смены опорных валков можно заменить весь комплект или только один нижний опорный валок.

Основные особенности и преимущества клети кварто 3200:

- прокатка с регулируемой температурой и термомеханическая обработка;

- жесткие допуски по толщине листа благодаря гидравлической установке валков в сочетании с автоматическим контролем толщины, а также устройством для изгиба рабочих валков;

- автоматическая смена рабочих валков без использования крана.

7.1.3 Производство горячекатаного рулонного проката

При горячей прокатке малых и средних партий углеродистой, нержавеющей и специальных марок стали технология Стеккеля является идеальной как для новых цехов, так и для модернизации существующих прокатных станов. Новая конструкция и концепции автоматизации, предлагаемые изготовителями прокатного оборудования, расширяют возможности применения станов Стеккеля и дают возможность значительно снизить затраты на производство горячекатаной полосы.

Основные преимущества новой конструкции стана:

- новая конструкция печи закрытого типа с уникальной герметизацией печи, которая сокращает потери энергии на 30 % и обеспечивает меньшие выбросы в атмосферу цеха;

- конструкция печной моталки с регулируемым подвижным сегментом барабана, состоящим из двух частей, обеспечивает отсутствие повреждений при входе полосы в паз барабанной моталки;

- качество поверхности и допустимые отклонения значений температуры, толщины, профиля и плоскостности приближаются к соответствующим показателям непрерывных полосовых станов горячей прокатки;

- прокатка стали разных марок для всех видов дальнейшей обработки.

В зависимости от потребностей производства можно использовать станы Стеккеля разной конфигурации для прокатки слябов любых размеров - от одноклетевого стана производительностью от 200 до 800 тыс. т/год (с возможностью расширения в виде двухклетевого стана тандем производительностью 1,3 млн т/год) до обычного шестиклетевого стана производительностью более 3 млн т/год (см. рисунок 7.2).

С учетом применения станов Стеккеля современная технологическая схема производства горячекатаного листа (см. рисунок 7.3) имеет ряд преимуществ:

- получаемые слябы имеют мелкозернистую структуру, которую при обычном процессе прокатки на толстолистовом стане можно получить только после нескольких черновых пропусков;

- в нагревательную печь заготовка поступает с более высокой температурой, обеспечивая тем самым непрерывный процесс, в 2-3 раза уменьшая длину печи, время нагрева и расход топлива;

- заправка подката в первую печь стана Стеккеля производится при температуре на 50 °C - 75 °C выше, чем при прокатке на обычном толстолистовом стане, что позволяет получать более тонкий лист, а также улучшает механические и геометрические характеристики готового проката.

1 - печь; 2 - эджер/черновая клеть; 3 - стан Стеккеля; 4 - стан Стеккеля тандем; 5 - стан Стеккеля и чистовая клеть; 6 - стан Стеккеля и две чистовые клети; 7 - пять клетей и элементы реверсирования; 8 - шесть прокатных клетей

Рисунок 7.2 - Производительность станов Стеккеля разной конфигурации

Рисунок 7.3 - Технологическая схема производства непрерывно-литых слябов и горячекатаного листа

Процесс "динамического слабого обжатия" позволяет уменьшить размеры зерна при любом режиме литья благодаря большему объему кристаллизатора.

Бесконечная прокатка является одним из примеров новых технологий, использование которых позволяет отказаться от холодной прокатки, значительно сократить затраты на модернизацию производства и изменить диапазон толщины поучаемой полосы.

Принципы полубесконечной и бесконечной прокатки могут быть реализованы на действующих станах горячей прокатки путем установки дополнительного оборудования. Так, для бесконечной прокатки (скорость до 20 м/с, конечная толщина 1,0-1,2 мм) требуется установка сварочной машины, устройств для подогрева кромок раската и снятия грата, а также летучих ножниц перед моталками.

С начала 1990-х гг. начато интенсивное строительство тонкослябовых литейно-прокатные агрегаты (ЛПА) для производства горячекатаной полосы. Новейшие концепции агрегатов CSP (Compact Strip Production - компактное получение полосы) позволяют обеспечить при использовании двухручьевой УНРС, производительность до 2,5 млн т/год.

Полностью непрерывный процесс UTHS (Ultra Thin Hot Rolled Strip) производства сверхтонкой горячекатаной полосы разработан в США. Он основан на использовании планетарного стана Платцера, обеспечивающего высокое обжатие, при этом скорость входа подката в клеть Платцера соответствует скорости разливки. Последующее обжатие осуществляется в четырехвалковых клетях, между которыми установлены устройства для нагрева полосы. Минимальная толщина готовой полосы составляет около 0,7 мм.

Процесс ESP позволяет исключить промежуточный нагрев (экономия топлива и улучшение экологической обстановки в прокатном цехе) и смотку подката. При этом в обжимную группу добавляют несколько клетей, а за ними устанавливают секцию охлаждения, ножницы и моталку. На агрегате ESP с восемью прокатными клетями можно производить полосу толщиной 0,6 мм [14].

В Австрии разработан процесс Conroll для производства горячекатаной полосы толщиной 0,7-1,0 мм, предназначенной взамен холоднокатаной, с производительностью одного агрегата 1,5 млн т/год. Заготовка выходит из кристаллизатора с параллельными стенками с еще жидкой сердцевиной и обжимается примерно на 20 мм. Гибкая конструкция УНРС позволяет регулировать толщину заготовки в интервале 90-100 мм в соответствии с конечной толщиной производимой полосы. Горячие слябы проходят через печь для выравнивания температуры и поступают в двухклетевой черновой стан, затем направляются в промежуточное перемоточное устройство. В чистовой группе клетей применяют обычные обжатия, для регулирования плоскостности и профиля используют валки с осевой сдвижкой (система CVC) с устройствами противоизгиба.

7.2 Холодная прокатка листа

7.2.1 Непрерывные технологические линии и комплексы бесконечной холодной прокатки полос

В Японии разработана и установлена на одном из заводов первая в мире линия бесконечной холодной прокатки полос (см. рисунок 7.4).

Рисунок 7.4 - Линия бесконечной холодной прокатки полос разработки фирмы IHI

Отличительными особенностями технологии обработки металла в этой линии являются следующие:

- использование в качестве подката рулонов горячекатаных полос, минуя традиционные непрерывно-травильные агрегаты (НТА);

- установка непосредственно в линии новой системы удаления окалины с поверхности горячекатаной полосы.

Процесс "Исиклин", разработанный японскими металлургами, удаляет окалину с горячекатаных полос механическим воздействием, создаваемым струей высокого давления 10 МПа в виде пульпы из воды с железистым песком [14]. Новая система удаления окалины обеспечивает:

- экономию как капитальных, так и текущих расходов на 50 % - 80 %;

- компактность линии удаления окалины;

- высокую скорость движения металла в линии;

- безопасную работу обслуживающего персонала;

- полную охрану окружающей среды.

Эффективно сочетать процесс "Исиклин" с процессом прокатки и волочения с охватом валков полосой (ПВО), разработанным в Южно-Уральском государственном университете (г. Челябинск, Россия), что позволяет увеличить скорость травления на 10 %, экономить травильные растворы (на 10 % - 20 %), уменьшить отбраковку по плоскостности, недотравам и изломам в 1,5-2 раза.

Другой комплекс стана бесконечной холодной прокатки, созданный немецкими и корейскими проектировщиками прокатного оборудования, включает:

- линию травления турбулентного типа, встроенную в линию стана;

- 5-клетевой стан холодной прокатки;

- непрерывную линию горячего цинкования.

Производительность стана - 1335 тыс. т/год. Стан выпускает листовой прокат толщиной 0,15-2,3 мм и шириной 700-1630 мм в рулонах массой до 45 т. Скорость прокатки - до 30 м/с, скорость травления - 4 м/с.

Все пять клетей стана шестивалковые, оборудованы устройствами для принудительного изгиба рабочих и промежуточных валков и гидравлическими нажимными устройствами, установленными снизу. Автоматическое регулирование толщины полосы осуществляется по принципу прохождения секундной массы металла. Регулирование плоскостности осуществляется по замкнутому циклу.

Линия травления работает по самой передовой запатентованной MDM-технологии турбулентного травления. Секция химического травления включает четыре ванны, за ней установлена секция из шести промывочных ванн каскадного типа. Новая технология использует высокую кинетическую энергию травильной кислоты для ее быстрого проникновения к основанию трещин в окалине при оптимальном обмене в пограничном слое между поверхностью полосы и кислотой. Это позволяет добиться максимально возможного сокращения продолжительности травления при высоком качестве поверхности полосы.

Аналогичная линия с использованием MDM-процесса успешно реализована на стане бесконечной прокатки в Бельгии, скорость травления - 6 м/с.

Линия горячего цинкования CGL производительностью 350 тыс. т/год обеспечивает покрытие проката на скорости движения 3-3,5 м/с [14]. Особенности непрерывной линии горячего цинкования CGL:

- наличие системы из двух ванн для нанесения покрытия galvalume;

- электролитическая очистка полосы;

- шахтная печь типа ART;

- высокочастотная индукционная установка для цинкования и отжига;

- усовершенствованная система контроля покрытия;

- наличие 4-валкового дрессировочного стана и установки для правки полосы растяжением.

Традиционные технологии очистки полосы от окалины, используемые в современных линиях нанесения покрытий (лужения, цинкования и др.), предусматривают кислотное травление. Эти технологии имеют ряд недостатков, а именно:

- очистка поверхности происходит в агрессивной среде;

- в процессе обработки образуются загрязняющие окружающую среду отходы;

- требуется система вытяжной вентиляции;

- потери металла за счет агрессивной среды;

- необходимость обработки опасных отходов.

В связи с этим представляет интерес линия бескислотной очистки полосы по технологии AFC, базирующейся на следующих новых принципах:

- очистка полосы без удаления слоя окалины;

- оксидный слой металла химически восстанавливается водородом (H₂);

- в результате восстановления образуется слой железа, рафинированного от примесей, и водяной пар [2].

Основные параметры и особенности процесса AFC:

- состав газа - 50 % - 95 % H₂ в N₂;

- в зависимости от марки стали и режимов протекания химических реакций температура процесса составляет 500 °C - 700 °C;

- более высокая температура способствует увеличению кинетики реакций;

- турбулизация потока газа способствует увеличению скорости восстановления.

Промышленная агрегатная линия AFC имеет следующие особенности. Поверхность полосы нагревается при помощи горелок прямого действия, причем нагрев происходит в неокислительной атмосфере с целью предотвращения образования окалины. Скорость реакции быстро увеличивается с увеличением температуры. В зависимости от толщины полосы температура процесса находится в диапазоне от 600 °C до 700 °C. Структурные и механические характеристики материала до 700 °C необратимо не меняются.

Техническая характеристика линии AFC:

- толщины полосы 1,5-4,0 мм, ширина полосы 610-1500 мм, масса рулона 18 т;

- скорость линии 30 м/мин, производительность линии 110 тыс. т/год.

Восстановительная реакция происходит в смеси водорода и азота. Реактор разделен на две зоны, чтобы обеспечить необходимую концентрацию смеси газов течение всей реакции. При помощи вентиляторов происходит постоянное обновление газовой смеси и одновременное непрерывное удаление газообразных продуктов, образующихся после восстановления (водяной пар). Температура подаваемой газовой смеси 20 °C - 30 °C. Чтобы не произошло повторное окисление из-за контакта с воздухом, температура полосы на выходе из секции охлаждения не должна превышать 150 °С.

Охлаждение полосы до 120 °C происходит в неокислительной атмосфере: секция охлаждения состоит из водяной рубашки и холодильника с изменяемой скоростью охлаждения (до 15 °С/с). Охлаждение происходит в восстановительной атмосфере < 5 % H₂/N₂.

Скруббер удаляет чешуйки восстановленных окислов. При помощи щеток чешуйки измельчаются в порошок, который смывается водой с поверхности полосы. Частицы порошка в среднем имеют достаточные размеры, чтобы их задерживал фильтр с отверстиями 10 мм [3].

Еще одним примером перспективных технологий в области производства холоднокатаных полос, основанных на совмещении операций травления и холодной прокатки в единую непрерывную линию, является процесс IRAPL (Integrated Rolling-Annealing-Pickling Line) совмещения холодной прокатки, отжига и травления полосы из коррозионно-стойкой стали в одной линии, обеспечивающий суммарное снижение затрат почти на 20 % по сравнению с традиционной технологией.

7.2.2 Модернизация реверсивных станов холодной прокатки

Сравнение эффективности применения различных способов регулирования профиля и формы полосы показало, что наибольший диапазон регулирования выпуклости полосы (без утонения кромок) обеспечивают четырехвалковые клети с попарно скрещивающимися валками (РС), четырехвалковые клети с валками выпукло-вогнутой профилировки (CVS) и шестивалковые со смещением валков (HCMW) [14].

Поскольку утонение кромок полосы является следствием неравномерности локального упругого сжатия участков рабочих валков, контактирующих с прикромочными участками полосы, методы регулирования профиля конусных рабочих валков (КРВ) и колеблющихся конусных рабочих валков (ККРВ), применяемые в четырехвалковых клетях со смещением рабочих валков с односторонней выпуклостью (К-WRS), наиболее эффективны для регулирования этого утонения. Высокую эффективность обеспечивают также шестивалковые клети типа НС.

В порядке убывания эффективности регулирования плоскостности полосы тип клети можно расположить в следующей последовательности: PC, HCMW, HCM (с осевым перемещением промежуточных валков), K-WRS, CVC-HS (с горизонтальной стабилизацией рабочих валков с S-образной профилировкой), HVC (шестивалковые с горизонтальным перемещением рабочих валков в направлении прокатки, осевым перемещением и изгибом промежуточных, приводом опорных валков), CVC, причем клети типа РС, K-WRS и CVC наиболее целесообразно использовать при горячей, а клети типа HCMW, HCM, CVC-HS и HVC - при холодной прокатке.

Рабочие валки различного или одинакового диаметра в сочетании с системой противоизгиба используют в конструкциях четырех-, пяти-, шестивалковых клетей EFC (Flexible Flatness Control) одно- и многоклетевых станов холодной прокатки. FFC-стан снабжен системами изгиба валков в горизонтальной и вертикальной плоскостях, обладающими широкими возможностями для исправления разнообразных дефектов формы полосы. FFC-станы обеспечивают снижение усилия прокатки на 20 % и потребляемой электроэнергии на 10 %, уменьшение на 50 % разнотолщинности холоднокатаных полос, возможность прокатки стальной фольги толщиной менее 50 мкм, повышение качества холоднокатаной полосы в результате улучшения ее плоскостности и уменьшения серповидности.

При холодной прокатке важнейшее значение имеет возможность регулирования геометрии раствора валков, которая определяет плоскостность и форму поперечного сечения полосы.

Новая технология 6-high 3C предусматривает в 6-валковой клети кроме прогиба рабочих и промежуточных валков, смещения рабочего валка и регулируемого по длине охлаждения рабочих валков, перекрещивание промежуточных валков. Перекрещивание промежуточных валков может осуществляться в процессе прокатки. При этом изменяются условия контакта промежуточного валка с рабочим и опорным валками, которые можно рассматривать как эквивалент использования промежуточных валков с параболическим профилем бочки.

В клети 6-high 3C можно менять эквивалентный профиль бочки промежуточного валка путем изменения угла пересечения, причем в динамическом режиме, что позволяет получать полосу высокого качества по ее геометрии при использовании одного профиля валков для широкого диапазона параметров полосы.

В известных 6-валковых клетях при смещении промежуточного валка распределение контактных напряжений между промежуточным и опорным валками становится несимметричным, что сокращает срок службы валков. В системе 6-high 3C распределение контактных напряжений между валками всегда остается симметричным.

Оптимальное использование технологии 6-high 3C обеспечивается двухуровневой системой автоматизации и регулирования Hi PAC. Новая технология 6-high 3C позволяет снизить себестоимость продукции, например, для непрерывного 5-клетевого стана холодной прокатки производительностью 1 млн т/год - от 1,5 до 3,5 долл. США (в ценах 2005 г.) на тонну проката.

7.3 Производство сортового проката

Прогнозируется, что в ХХI веке получат распространение микрометаллургические заводы производительностью 3-30 тыс. т/год, которые могут решить проблему рационального снабжения металлопродукцией удаленных регионов, что актуально для России. Для микрозаводов разрабатываются технологии и оборудование для получения проката преимущественно мелких сечений с деформациями, необходимыми для проработки структуры и достижения заданных свойств.

Основными направлениями развития современных мелкосортных и проволочных станов являются [14]:

- увеличение размеров и массы исходных заготовок, конечной скорости прокатки;

- совмещение процесса литья заготовки с прокаткой;

- расширение сортамента продукции и повышение технологической гибкости прокатных станов;

- увеличение точности размеров прокатываемых профилей;

- повышение механических свойств проката в результате применения специальных температурных режимов деформации и регулируемого охлаждения;

- использование агрегатов высокого обжатия (компактных черновых блоков клетей с консольными валками, планетарных косовалковых станов и др.), рабочих клетей жесткой бесстанинной конструкции, трехвалковых клетей с тремя приводными валками, чистовых блоков клетей, средств непрерывного контроля качества продукции.

Широко используемая арматурная сталь для железобетонных конструкций является одним из видов проката, объемы производства и потребление которого не уменьшаются, а требования к его качеству непрерывно возрастают. Основными тенденциями развития производства арматурной стали для обычных железобетонных конструкций являются:

- повышение прочностных свойств до уровня 500 Н/мм²;

- обеспечение гарантированной свариваемости благодаря ограничению содержания углерода до 0,24 % и углеродного эквивалента С_эк до 0,52 %;

- полная унификация, т.е. переход на единый класс арматуры В500 по EN 10080 (ЕС);

- повышение надежности, долговечности и улучшение совместной работы арматуры и бетона в результате улучшения качества стали и перехода на единый (серповидный) профиль.

7.3.1 Бесконечная прокатка сварных заготовок

Процесс бесконечной прокатки сварных заготовок (EWR) позволяет увеличить часовую производительность, стабилизировать качество продукции, увеличить выход годного. Сварочная машина установлена на тележке с приводом, перемещающейся по рельсам. Она может сваривать стальные заготовки любого профиля размерами от 100 х 100 мм до 200 х 200 мм. Программа сварки выбирается в соответствии с маркой стали заготовки и температурой. Цикл сварки длится около 25 с для заготовок 130 х 130 мм, причем из них 7 с составляет чистое время оплавления. По окончании сварки производится снятие грата.

Концы заготовок фиксируются между двумя зажимными устройствами в процессе движения машины со скоростью прокатки в первой клети, и выполняется стыковая сварка оплавлением. Зажимные устройства имеют систему охлаждения и гидропривод. Положение первого зажимного устройства можно регулировать, чтобы обеспечить автоматическое выравнивание заготовок в процессе сварки. В ходе стыковой сварки сначала происходит нагрев торцов двух заготовок до их оплавления, а затем производится их сварка путем прижатия друг к другу с большим усилием. Как следствие фазы сжатия, происходит выдавливание расплавленного металла из соединения поверхностей, что улучшает качество металла в зоне.

Технология EWR может применяться как на новых предприятиях, так и при модернизации и переоборудовании имеющихся установок.

7.3.2 Процесс QTR и оборудование для его осуществления

К сортовому прокату для армирования, поставляемому в виде бунтов, в настоящее время предъявляются следующие требования:

- предел текучести не менее 500 МПа;

- относительное удлинение не менее 12 %;

- хорошая свариваемость при содержании углерода не менее 0,4;

- вес бунта до 3 т;

- диаметр проката до 25 мм.

Для производства арматурной стали разработан процесс QTR, при использовании которого приведенные выше свойства можно придать прокату любого диаметра из стали химическим составом, %: углерод 0,18-0,24; марганец 0,60-0,80; кремний 0,15-0,30 [14].

Из рисунка 7.5 видно, что для реализации процесса QTR необходимо следующее оборудование: дополнительная водяная камера для обеспечения требуемой продолжительности закалки и промежуточные тянущие ролики для обеспечения охлаждения головной и хвостовой частей заготовки.

1 - закалка; 2 - отпуск; 3 - не используется; 4 - чистовой блок; 5 - стандартная водяная камера; 6 - дополнительная водяная камера для QTR; 7 - тянущие ролики; 8 - головка для укладывания витков

Рисунок 7.5 - Блок-схема технологии QTR

Процесс QTR предназначен для:

- создания на поверхности проката мартенситного слоя заданной глубины путем частичной закалки в воде;

- отпуска образовавшегося на поверхности мартенсита, благодаря распространению остаточного тепла от сердцевины к поверхности во время заключительного охлаждения на воздухе.

В соответствии с технологией QTR прокат, выходящий из последней клети, подвергается специальной термической обработке, включающей три стадии.

Первая стадия заключается в резком охлаждении водой на выходе проката из последней чистовой клети для получения поверхностного слоя мартенсита.

На второй стадии прокат выходит из линии закалки в воде и подвергается воздействию воздуха. Тепло из горячей сердцевины проката нагревает закаленную поверхность, и мартенсит, образовавшийся на первой стадии, подвергается самоотпуску, что обеспечивает достаточную пластичность при высоком пределе текучести.

На третьей стадии осуществляется окончательное охлаждение проката. Предварительная камера перед чистовым блоком используется для выбора заранее заданной и равномерной температуры проката в диапазоне 880 °C - 950 °C в зависимости от его диаметра на входе в чистовой блок.

Тянущие ролики поддерживают натяжение при прохождении проката через водяные камеры и обеспечивают равномерность охлаждения по длине и сечению. Охлаждающая способность сопел межклетевого охлаждения регулируется индивидуально при помощи клапанов с отражением соответствующих данных на дисплее главного пульта управления.

Линия закалки за чистовым блоком включает ряд камер водяного охлаждения, расположенных между чистовым блоком и головкой для укладывания витков. Первые камеры используются для резкого охлаждения поверхности проката на выходе из чистового блока. Каждая камера водяного охлаждения состоит из ряда полых охлаждающих элементов, в которые через кольцеобразное сопло подается вода под высоким давлением.

В каждой камере имеются также противоточные устройства, питаемые водой под высоким давлением, и осушительные устройства, в которых с помощью сжатого воздуха полностью удаляются с поверхности проката остатки воды.

Процесс QTR осуществляется на оборудовании, разработанном таким образом, чтобы производить обработку всего бунта, включая передний и задний концы. Благодаря этому, выход годного увеличивается более чем на 1 %, что достигается, в частности, применением промежуточных тянущих роликов, сопел новой конструкции для водяного охлаждения и головки для укладывания витков новейшей конструкции.

Применение метода QTR позволяет увеличить предел текучести проката на 100-150 МПа без необходимости холодной обработки давлением, повышает однородность и воспроизводимость механических свойств проката.

7.3.3 Термическая обработка сортового проката и катанки

Сущность технологии поточной термической обработки проката THERMEX состоит в следующем. Сразу за последней прокатной клетью сортовой прокат проходит через систему охлаждения THERMEX, где происходит кратковременное и интенсивное охлаждение его поверхности.

Так как снижение температуры происходит со скоростью, которая выше, чем критическая скорость при закалке на мартенсит, то поверхностный слой проката упрочняется, а сердцевина остается аустенитной. После этого интенсивного охлаждения прокат подвергается воздействию воздуха, и сердцевина нагревает закаленный поверхностный слой. Таким образом, происходит отпуск мартенсита. Когда прокат поступает на холодильник, остаточный аустенит превращается в мелкозернистую перлитную структуру [14].

По сравнению с другими системами охлаждения, в которых охлаждение происходит не так быстро, поверхностный слой отпущенного мартенсита является более тонким, но более прочным. Следовательно, при равенстве механических свойств (таких, как предел текучести и предел прочности на растяжение) удлинение будет больше.

Геометрическая форма элементов THERMEX обеспечивает наиболее эффективное охлаждение проката по сравнению с известными в настоящее время устройствами (см. рисунок 7.6). Трубки Вентури, установленные последовательно с чередованием расширения/сужения под оптимальным углом, обеспечивают наивысшую скорость теплообмена между охлаждающей водой и перемещающимся прокатом. В зависимости от скорости и размеров проката в линию устанавливаются одна или несколько трубок разной длины. Внутри трубок вода течет в том же направлении, в котором перемещается прокат, но с более высокой скоростью, создавая эффект сопротивления. Благодаря этому отсутствует искривление проката в линии охлаждения.

Примером производства термоупрочненного проката служит линия получения катанки, установленная в Швейцарии. Расстояния между центрами клетей выбраны с таким расчетом, чтобы можно было установить систему для эффективного охлаждения между ними.

Температура на входе в блок поддерживается на одном уровне и не меняется при увеличении скорости прокатки. Круглый прокат диаметром 5,5-18 мм получают в виде бунтов весом до 2,5 т. Скорость прокатки составляет 100 м/с, производительность - 100 т/ч.

1 - входная воронка; 2 - предварительная камера для воздушной очистки; 3 - первый коллектор с соплами; 4 - второй коллектор с соплами; 5 - промежуточная трубка; 6 - спускная труба (свободный сток воды); 7 - камера для регулирования стока; 8 - отклоняющая камера; 9 - подача воды под давлением; 10 - обратная труба; 11 - подача сжатого воздуха или воды под давлением для отклонения воды

Рисунок 7.6 - Элемент охлаждения THERMEX:

Благодаря прочной конструкции и определенному расположению клетей чистового блока полностью исключаются колебания катанки при высокой скорости.

Система первичного охлаждения предназначена как для обработки катанки для волочения проволоки, так и для производства арматурного профиля диаметром до 14 мм в бунтах.

Благодаря использованию специальной технологии термической обработки достигаются значения предела текучести выше 500 Н/мм² и величины относительного удлинения 28 %.

Расстояние от блока до устройства для формирования витков точно определено с учетом поточной термической обработки катанки и высокой скорости ведения процесса. Благодаря использованию специального оборудования для охлаждения проката, линия охлаждения имеет небольшую длину, что способствует снижению до минимума искривления проката между блоком и устройством для формирования витков, несмотря на высокие скорости прокатки.

На первом участке естественного воздушного охлаждения витков возможно как замедленное, так и принудительное охлаждение. Скорость охлаждения - 1 °C - 10 °C/с.

Витки свободно падают между первым участком медленного охлаждения и следующим участком. Это обеспечивает лучшее распределение витков и облегчает манипуляции на участке формирования бунтов массой до 2,5 т, которые затем перемещаются на участок, где производится обрезка переднего и заднего конца, обвязка бунтов.

7.4 Производство проволоки

7.4.1 Волочение в роликовых волоках

Процесс волочения в монолитных волоках характеризуется рядом недостатков: существенные затраты на подготовку поверхности исходной заготовки; необходимость использования дорогостоящих смазок; низкая стойкость и высокая трудоемкость изготовления рабочего инструмента, в особенности при производстве фасонных профилей; невозможность получения профилей с малыми радиусами закругления; недостаточная проработка поперечного сечения деформируемого металла, полученного литейными методами.

Одним из наиболее перспективных процессов производства проволочной металлопродукции является волочение в роликовых волоках (клетях с неприводными валками-роликами).

В настоящее время роликовые волоки находят применение при производстве проволоки различного назначения в широком диапазоне профилеразмеров сечений, причем наибольшее распространение они получили при волочении прямоугольных, трапециевидных профилей и проволоки для армирования железобетонных изделий. Большой практический интерес, проявляемый к волочению в роликовых волоках, обусловлен рядом преимуществ данного способа, сочетающего в себе особенности процессов волочения и прокатки. Более благоприятная схема напряженного состояния позволяет осуществлять деформацию материалов с пониженными пластическими свойствами, что важно при обработке труднодеформируемых металлов и сплавов. Другое достоинство - меньшие затраты на изготовление рабочего инструмента, особенно при производстве сложных фасонных профилей.

Применение роликовых волок позволяет свести к минимуму расходы на подготовку заготовки к волочению, ограничиваясь очисткой поверхности металла от окалины. Применение роликовых волок позволяет существенно уменьшить объем операций химической обработки поверхности проволоки перед волочением (травление, нанесение подсмазочных покрытий), что благоприятно отражается на количестве выбросов в атмосферу цеха, образующихся при обработке проволоки в ваннах с различными кислотными или щелочными растворами. Процесс роликового волочения можно проводить с использованием в качестве технологической смазки наиболее дешевых материалов, вплоть до масляно-водяной эмульсии, которая одновременно охлаждает рабочий инструмент.

В ряде случаев для достижения требуемой эффективности производства, волочение в роликовых волоках используют в совокупности с процессами прокатки и волочения в монолитных волоках.

В настоящее время роликовые волоки выпускаются различными зарубежными фирмами Великобритании, США, Германии, Японии и Швеции, причем наибольшее распространение получили клети с четырехроликовой сборкой калибра.

На отечественных заводах нашли применение роликовые волочильные станы ВФР-4, ВФР-36 и ВФР-196 конструкции ВНИИметмаш. Комплекс оборудования стана включает: размоточные фигурки, стыкосварочный аппарат с гратоснимателем, одну или две четырехроликовых волоки, тянущее устройство горизонтального типа, намоточную фигурку (для приема бунтов), две машины для правки в двух плоскостях, летучие ножницы и приемный карман (для приема прутков). Магнитогорским государственным техническим университетом (МГТУ) и ВНИИметиз разработаны роликовые волоки с поступательной связью осей роликов. Эти волоки хорошо зарекомендовали себя при производстве прутков и проволоки фасонного сечения.

Основной объем производимой проволоки приходится на проволоку круглого поперечного сечения, для получения которой используются волоки со смещенными парами вертикальных и горизонтальных роликов, установленных в одном корпусе (их иногда называют сдвоенные роликовые волоки). Наиболее известны во всем мире рычажные роликовые волоки, разработанные в Японии. В отечественном волочильном производстве имеются примеры применения волок со смещенными парами роликов, разработанных в Южно-Уральском государственном университете (ЮУрГУ, г. Челябинск). Данные волоки успешно использовались в линиях калибровки стальной катанки для изготовления канатной проволоки на Магнитогорском калибровочном заводе [4]. В линию перед роликовой волокой устанавливали окалиноломатель или иглофрезерное устройство, волочению подвергали катанку без предварительной подготовки поверхности, полученную калиброванную проволоку затем подвергали патентированию и многократному волочению на готовый размер. Волоки со смещенными парами роликов конструкции ЮУрГУ эффективно применялись при изготовлении: проволоки для обвязки бунтов (Челябинский металлургический комбинат), проволоки квадратного сечения для гвоздей (Вяртсильский метизный завод), калиброванных прутков шестигранного сечения из высокоуглеродистых и легированных сталей (Златоустовский металлургический завод).

В Челябинске разработана также серия конструкций рычажных роликовых волок для изготовления стальной проволоки круглого сечения диаметром 1,0-7,0 мм, на базе которых создана инновационная технология переработки полосовой обрези [5]. Данная технология реализована на одном из малых предприятий и предусматривает продольную резку полосовой обрези на отдельные длинномерные заготовки, которые сваривают в торец и подвергают волочению в роликовой волоке в проволоку круглого сечения [6], [7]. Полученная проволока, в том числе из коррозионно-стойкой стали, используется для изготовления сетки или в качестве обвязочной проволоки.

7.4.2 Совмещение технологических операций в одном агрегате непрерывного действия

Совмещение в один технологический поток двух и более технологических операций обработки проволоки позволяет значительно сократить удельные расходы основных и вспомогательных материалов, энергозатраты, трудовые затраты и в настоящее время является одним из основных направлений повышения производительности проволочно-волочильного производства в целом.

Для возможности совмещения отдельных технологических операций в общий поток необходимо время каждой технологической операции в отдельности привести к общей скорости всего технологического потока.

В современном проволочно-волочильном производстве многие технологические операции стремятся объединить в общий технологический поток.

Волочение - отжиг (отжиг - волочение) проволоки. Совмещение этих операций достаточно хорошо отработано для проволоки из цветных металлов. Имеются перспективные разработки и для проволоки из стали, в том числе нержавеющей. Волочильное оборудование с пристроенными электроконтактными печами, выпускаемое многими зарубежными фирмами, позволяет осуществлять эти совмещенные операции с общей скоростью 3000 м/мин и даже более.

Механическое удаление окалины - нанесение подсмазочного слоя - волочение. Совмещение указанных операций эффективно для ускоренно-охлажденной с прокатного нагрева низкоуглеродистой катанки, поверхность которой имеет пониженное содержание окалины. В этом случае становится целесообразным использование роликовых волок для первого прохода волочения, где после механической очистки возможно присутствие до 5 % - 10 % остаточной окалины на поверхности катанки.

В настоящее время широко используются поточные агрегаты термической обработки, химического травления и подготовки поверхности к волочению, поточные линии патентирования, горячего оцинкования и подготовки поверхности проволоки к волочению и др. На Магнитогорском калибровочном заводе освоена новая технология производства высокоуглеродистой проволоки с блестящим цинковым покрытием. Реализация технологии выполнена с использованием линии оцинкования (FIB), и позволяющей производить высококачественную горячеоцинкованную проволоку диаметром 1,4-4,5 мм с равномерным блестящим цинковым покрытием на катушках или в бунтах [8].

К основным преимуществам технологии изготовления горячеоцинкованной проволоки с блестящим покрытием фирмы FIB можно отнести совмещение процессов патентирования, отжига и оцинкования, благодаря чему обеспечивается требуемый уровень механических свойств в горячеоцинкованной проволоке и существенно повышается качество цинкового покрытия за счет лучшей подготовки поверхности металла и регулируемой величины цинкового покрытия. Мощность линии составляет 1425 тыс. т оцинкованной проволоки в год.

Технологический процесс состоит из следующих основных операций. Проволока поступает в печь отжига фирмы FIB с прямым газовым нагревом импульсными горелками, которая разделена на участки предварительного и основного нагрева, характеризующиеся различной температурой и атмосферой. На участке предварительного нагрева проволока нагревается посредством прямого контакта с горячими парами воздуха, воздействующими на проволоку под углом. Далее на участке основного нагрева проволока разогревается до температуры отжига и остается при такой температуре для получения однородной структуры. На первом участке (со стороны входа проволоки в печь) для расплавления волочильной смазки атмосфера поддерживается нейтральной или слабо окислительной. На втором участке - атмосфера нейтральная. В зависимости от сортамента печь может быть использована как для аустенизации, так и для отжига. После аустенизации проволока поступает в свинцовую ванну для закалки.

Далее проволока подвергается солянокислому травлению (Tornado) при температуре до 60 °C с последующей промывкой. Для сокращения попаданий кислоты в отсек промывки за секцией с кислотой следует внутренний воздушный обтир с каплеотбойником и вентилятором. После чего осуществляется флюсование и сушка горячим воздухом.

Подготовленная проволока поступает в ванну оцинкования. Разогрев цинка до требуемой температуры осуществляется при помощи погружных горелок. При выходе из цинковой ванны проволока проходит через обтирочное устройство, контролирующее цинковое покрытие, используется как наклонный механический обтир, так и динамический обтир азотом (газовый "нож").

После охлаждения оцинкованная проволока подвергается вощению и наматывается на катушки. Скорость обработки проволоки в агрегате регулируется в зависимости от производимой продукции.

7.5 Производство труб

7.5.1 Горячедеформированные бесшовные трубы

Ключевыми тенденциями при совершенствовании существующих, разработке новых технологий производства горячедеформированных труб является автоматизация технологических процессов, внедрение оборудования бесконтактного контроля геометрических, качественных характеристик труб, использование систем планирования, контроля и управления производственными процессами на основе контроля технологических параметров и качественных характеристик производимой продукции.

Ведущими машиностроительными компаниями Европы и России ведутся разработки и представлены на рынке высокопроизводительные двухвалковые прошивные станы винтовой прокатки, в том числе с направляющими приводными дисками, многоклетьевые раскатные непрерывные прокатные станы продольной прокатки труб, многоклетьевые калибровочные станы [9], [10].

Новые технологии производства горячекатаных труб обеспечивают:

- производство труб с более тонкими стенками;

- получение более жестких допусков по толщине стенки труб за счет более равномерной деформации;

- обеспечение более жестких допусков по толщине стенки и диаметру труб;

- обеспечение высокого качества наружной и внутренней поверхности труб.

- снижение производственных затрат за счет увеличения выхода годной продукции, повышения стойкости технологического инструмента, снижения численности производственного персонала.

Представляет интерес концепция четырехвалковых станов продольной прокатки - FRT (four roll technology) [11]. В основу технологии заложена новая клеть с четырьмя приводными валками, в которой производят редуцирование трубы по внешнему диаметру одновременно с изменением толщины стенки. Основными областями применения новых клетей при производстве бесшовных труб являются следующие трубопрокатные станы:

- калибровочные станы;

- редукционно-растяжные станы;

- оправкоизвлекатели (в линии непрерывных станов с удерживаемой оправкой);

Во всех этих станах клети FRT могут заменить традиционные двухвалковые и хорошо зарекомендовавшие себя трехвалковые клети, так как имеют лучшие технологические характеристики. В частности, стан с клетями FRT обеспечивает следующие преимущества:

- более жесткие допуски (на внешний диаметр и толщину стенки);

- возможность прокатки материалов с более высокими прочностными характеристиками;

- минимальный эффект полигонизации внутренней поверхности;

- значительное сокращение расходов на технологический инструмент благодаря уменьшенному износу валков.

НИТУ "МИСиС" совместно с ОАО "ЭЗТМ" была разработана и внедрена на предприятиях РФ концепция минитрубопрокатных агрегатов на основе станов винтовой прокатки [12]. Новая перспективная технология производства бесшовных труб включает следующие технологические операции:

- раскрой исходных заготовок на мерные длины дисковой пилой;

- нанесение сверлением центрирующего углубления на передний торец заготовки в холодном состоянии;

- нагрев заготовок в газовой печи с шагающими балками;

- прошивку заготовки в двухвалковом стане винтовой прокатки с чашевидными валками с использованием линеек в качестве направляющего инструмента;

- раскатку гильзы в этом же стане на короткой конической оправке;

- калибрование полученной черновой трубы по диаметру в трехвалковом стане винтовой прокатки с одновременной правкой;

- контролируемое охлаждение трубы.

Преимуществами разработанной технологии являются: короткие сроки изготовления технологического оборудования, низкая энергоемкость оборудования и технологического процесса в целом, универсальность технологического процесса, малый объем, масса оборудования и технологического инструмента, высокое качество геометрических параметров, качества наружной и внутренней поверхности труб, низкие затраты на технологический инструмент.

Представляет интерес технология двойной винтовой прошивки, применяемая при изготовлении труб из малопластичных высоколегированных и коррозионно-стойких сталей. Согласно этой технологии, при первой прошивке получают толстостенную гильзу, а при последующей прошивке - более тонкостенную (из соображения об использовании малых деформаций при винтовой прокатке малопластичных марок стали, т.е. с минимальным коэффициентом вытяжки). Вторая прошивка необходима для расширения гильзы (значительного подъема наружного диаметра гильзы). Использование двойной прошивки требует установки дополнительного оборудования (еще одного прошивного стана) и, как правило, введения дополнительной технологической операции (подогрева гильзы перед раскатным, непрерывным станом).

Подобную технологию успешно использует японская компания JFE при производстве труб из коррозионно-стойких сталей, например, из стали типа 13Cr, последовательно установленные два прошивных стана имеют одинаковую конструкцию, но различные калибровки инструмента (валков, оправок, линеек), так как первый стан является собственно прошивным, а второй выполняет функции стана-элонгатора [13].

В качестве одного из прошивных станов, первого по ходу технологического цикла, может быть использован стан винтовой прокатки с трехвалковой (по типу клети стана Ассела) клетью с перемещаемым прошивным устройством, которая может работать в режиме прошивки и в режиме обкатки непрерывно-литой заготовки (в этом случае прошивное устройство отводится в сторону). Новое техническое решение ТПА с таким комплексом прошивных устройств, непрерывным раскатным и непрерывным редукционно-растяжным станами [14].

Ведутся работы по освоению новой разработки фирмы SMS Meer - технологии внесения "раскислителя" в процессе прошивки через оправку, заключающегося в том, что на внутреннюю поверхность полой заготовки с самого начала наносится порошковое покрытие, предотвращающее образование окалины. Толщина слоя окалины уменьшается до 10 % от обычной толщины слоя окалины.

В США разработана технологическая схема прокатки труб, включающая прошивку заготовки на двухвалковом стане винтовой прокатки и раскатку на двухвалковом стане-элонгаторе с двумя приводными дисками на удерживаемой оправке. Такой тип стана-элонгатора получил название Accy-Roll.

Два приводных диска большого диаметра облегчают захват гильзы валками, а также способствуют получению черновых труб точных размеров с очень малыми допусками по внутреннему диаметру и с уменьшенной поперечной разнотолщинностью стенки.

На стане Accy-Roll прокатывают трубы с соотношением размеров наружного диаметра и толщины стенки D/S = 4-40 высокого качества по наружной поверхности и минимальными потерями на обрезь. Валки стана расположены в горизонтальной плоскости, их оси развернуты на угол раскатки, что улучшает условия деформирования металла, обеспечивает более стабильное положение оправки и, следовательно, раскатку гильз с меньшими допусками по толщине стенки. Использование удерживаемой оправки в стане Ассу-Roll вместо плавающей оправки на стане Дишера значительно расширяет сортамент выпускаемых труб.

Для редуцирования предлагается использовать четырехвалковые клети, что позволяет уменьшить разнотолщинность стенки труб и уменьшить количество клетей редукционно-растяжного стана.

За рубежом все большее значение при строительстве трубных цехов средней мощности находят ТПА с реечным станом, позволяющие получать трубы диаметром до 178 мм, с допуском по толщине стенки в диапазоне 7 % - 8 %. В настоящее время в мире эксплуатируется более 30 ТПА с реечными станами [15].

Процесс раскатки в реечном стане происходит путем проталкивания гильзы-стакана на оправке-дорне через ряд неприводных клетей с многороликовыми калибрами, диаметр которых последовательно уменьшается.

На ТПА традиционного типа в реечных станах проталкивание гильзы-стакана происходило в обоймах из волочильных колец; квадратная катаная заготовка прошивалась на вертикальном прессе в круглую гильзу с донышком.

Немецкие металлурги разработали принципиально новую технологическую схему производства труб на реечном стане - процесс СРЕ. По этой схеме круглую непрерывно-литую или катаную заготовку нагревают в кольцевой печи и прошивают в двухвалковом стане винтовой прокатки с приводными дисками, затем на прессе производят отбортовку одного конца гильзы на реечном стане в трех- или четырехроликовых калибрах, обкатку трубы с оправкой с целью последующего извлечения оправки, подогрев и редуцирование (или калибрование) труб на готовый размер.

Основным достоинством процесса СРЕ является высокий коэффициент выхода годного, обеспечиваемый жестким допуском по толщине стенки - до  (5-6)%. Производительность трубного агрегата при этом может доходить до 400-500 тыс. т в год. По технологической схеме СРЕ работают ТПА на заводах Испании, Германии, США, Австрии и др.

7.5.2 Холоднодеформированные трубы

Основными направлениями развития производства холоднодеформированных труб являются:

- повышение точности геометрических размеров труб и выполнение требуемых механических свойств;

- улучшение качества поверхности (шероховатость, отсутствие окисных пленок, наличие антикоррозийных покрытий);

- обеспечение возможности получения длинномерных труб.

В современном производстве холоднодеформированных труб можно выделить ряд общих тенденций: максимальная автоматизация технологического процесса и воспроизводимость его основных параметров; широкое использование поточных линий; повышение требований к качеству горячедеформированной заготовки, применение безокислительной термической обработки и переход на жидкие технологические смазки [16]. Последняя тенденция является исключительно важной с точки зрения улучшения экологического состояния цехов по производству холоднодеформированных труб.

Исходя из этого, наибольшее распространение получают технологические схемы, предполагающие следующие мероприятия.

1) Разрезка заготовки для холодного передела по весу и порезка труб непосредственно в линии современного стана ХПТ или ХВТ.

2) Прокатка труб с использованием быстроходных длинноходовых, высокоточных станов холодной прокатки с подачей на рабочий конус, валки и оправки смазочно-охлаждающей жидкости на основе минеральных и синтетических масел с противозадирными добавками, что позволяет прокатывать заготовки без подсмазочного покрытия, отказаться от традиционных пастообразных смазок на основе графита и существенно улучшает экологическую обстановку цеха по изготовлению холоднодеформированных труб. Ведущими изготовителями станов ХПТ в РФ являются АХК "ВНИИМЕТМАШ" (г. Москва) и ОАО "ЭЗТМ" (г. Электросталь), а за рубежом - концерн SMS Meer GmbH (Германия), производящий станы типа KPW (аналоги отечественных станов ХПТ).

3) Использование поточных линий очистки поверхности труб от остатков смазки, безокислительной термической обработки (как правило, в среде чистого водорода или смеси водорода и азота, правки), шлифования, полирования, в том числе электрохимическим способом, неразрушающего контроля.

Очистку труб от остатков СОЖ в линии стана ХПТ производят струйно-циркуляционным способом по двухкаскадной схеме путем их мойки водным раствором моющего препарата, окончательной промывки обессоленной водой с сушкой очищенным горячим воздухом. Для предотвращения вредного воздействия на водный бассейн окружающей среды и уменьшения расхода компонентов моющего раствора и воды установку для очистки труб комплектуют системой регенерации с замкнутым циклом циркуляции моющего раствора и промывной воды без каких-либо стоков.

В цехе изготовления холоднодеформированных труб из коррозионно-стойких сталей одного из ведущих украинских предприятий смазку с наружной поверхности удаляют, пропуская готовую трубу через трехкамерный моечный агрегат для очистки труб: в грязном, чистом моющих растворах и в горячей воде. С внутренней поверхности готовых труб смазка удаляется струйным методом посредством подачи моющего раствора на внутреннюю поверхность под давлением около 0,4 МПа через сопла, герметично состыкованные с торцами обрабатываемых труб, с последующей промывкой горячей водой и продувкой горячим воздухом. На этой установке возможно удаление смазки на трубах с внутренним диаметром 10-32 мм, длиной до 26 м, с производительностью до 350 м/ч.

Для промывки наружной поверхности труб эффективно использовать установку для ультразвуковой промывки НО-113 российского производства, предназначенную для промывки наружной поверхности труб диаметром от 12 до 63,5 мм и достаточно просто встраиваемую в производственную линию. Промывка происходит в ультразвуковом модуле, куда подается проточная вода со щелочными добавками, подогретая водонагревателем.

Для очистки внутренней поверхности труб от остатков СОЖ и ее просушивания целесообразно использовать оборудование для продувки внутреннего канала трубы с применением специальных пыжей.

4) Волочение на жидких реактивных смазках в один или максимум в два прохода, из которых первый (заготовительный) осуществляется на длинной оправке. Реактивная смазка также удаляется обезжириванием в линии стана или сгорает без образования копоти в нагревательной печи.

5) Формирование волочильных головок труб холодной ковкой.

6) Применение бухтового волочения бесшовных труб. Данное техническое решение позволяет не только производить длинномерные трубы (до 60 м), но также экономить металл, энергию, время.

7) Использование технологии безокислительной термической обработки, обеспечивающей требуемое качество труб и исключающей необходимость проведения экологически вредных операций химической обработки (травления и др.), которая имеет следующие особенности: труба, движущаяся поступательно-вращательно, нагревается в индукторе и охлаждается в газовом (водород или аргон) спрейере или поступает в термостат (если требуется выдержка). Такая термообработка обеспечивает сохранение достигнутого при прокатке высокого качества поверхностей трубы. Кроме того, вращающаяся труба выходит из печи практически ровной, поэтому исключается появление на ней участков с повышенными, выходящими за узкие пределы норм, механическими свойствами из-за наклепа металла при правке.

Исследования влияния защитной газовой среды при термической обработке в проходной электрической печи аустенитных марок коррозионно-стойкой стали на газонасыщенность и коррозионные свойства металла, проведенные в работе [17], показали, что наилучшей защитной средой при проведении светлого отжига является чистый водород. Это обстоятельство учтено в печи с роликовым подом LOI, установленной на одном из украинских предприятий. Приведем ряд факторов, обеспечивающих получение высокого качества труб, обрабатываемых в этой печи.

а) Точный контроль регулировки температуры. Излучающие трубки располагаются выше и ниже транспортировочных роликов печи на оптимальном расстоянии между роликами, что обеспечивает точность контроля регулировки температуры в печи. Нагрев излучающих трубок осуществляется газовыми горелками или при помощи электрического сопротивления с тиристорным контролем. Высокая степень изоляции корпуса печи обеспечивает перепад температуры не более  5 °C. Это позволяет производить равномерный отжиг труб без заметного увеличения зернистости стали или возникновения новых интерметаллических фаз.

б) Возможность термообработки труб из новых сталей, требующих отжига при больших температурах. В течение многих лет применение новых сталей для производства труб было ограничено максимально возможной температурой отжига 1180 °C. Эта температура в первую очередь зависела от использовавшихся на то время сплавов, применяемых для изготовления роликов печи. В рассматриваемой печи установлены ролики, выдерживающие температуру по меньшей мере 1200 °C, что позволяет осваивать новые сплавы для производства труб.

в) В процессе деформации в металле труб возникают интерметаллические, карбидные и азотные фазы, которые уменьшают пластичность и коррозионную стойкость нержавеющих труб. Поэтому вариант отжига труб с последующим быстрым их охлаждением необходим для получения продукции высокого качества, Кроме того, на поверхности труб после светлого отжига не должно быть окислений. Быстрое охлаждение металла труб может быть достигнуто при водном охлаждении, что несовместимо со светлым отжигом, поэтому используют газовое охлаждение. Наилучшим газом для охлаждения нержавеющих труб является водород, и это одна из причин, по которой он используется для создания защитной атмосферы печи. В охладителе печи скорость газа увеличивается за счет особенного устройства Jet Cooler (струйного охладителя), позволяющего менять скорость подачи газа, что важно при изменении сечения обрабатываемых труб.

г) Водород очень важен для светлого отжига, так как он предотвращает любое окисление на поверхности трубы. Кроме того, поток газа удаляет всякое остаточное загрязнение труб после предыдущих процессов. Все открытые узлы печи, такие как фланцы радиантных труб, подшипники и др. имеют газонепроницаемое исполнение для предотвращения попадания воздуха, воды и отработанных газов в печь. Для предотвращения загрязнения, под действием углерода, термообрабатываемых в печи труб все ролики изготовлены из нержавеющей стали, остальные другие части печи имеют специальное покрытие.

Новый вариант печи LOI оптимизирован с целью максимального снижения производственных затрат: потребления водорода, энергетических затрат, снижения количества быстроизнашивающихся деталей и внеплановых простоев. Техническое обслуживание газовых горелок может проводиться во время работы печи путем остановки работы соответствующей горелки. Электрические нагревательные элементы также могут быть заменены без остановки печи и остановки процесса охлаждения, тогда как старый дизайн с нагревом при помощи молибденовых нагревательных элементов предполагал необходимость медленного охлаждения печи под защитной атмосферой перед проникновением обслуживающего персонала внутрь печи и заменой нагревательных элементов с последующим разогревом и контролем атмосферы печи. Время остановки печи уменьшается с 2 нед. до 3 дн. - в зависимости от характера возникшей проблемы. Общеизвестным фактом является то, что водород взрывоопасен, поэтому применительно к данной печи внедрены стандартные процедуры для повышения безопасности печи до максимального уровня.

8) Использование автоматизированных поточных линий беспыльной порезки труб, шлифования и автоматизированной правки труб.

Предпочтительно использовать правильные машины фирмы, имеющие при высоких эксплуатационных характеристиках эффективную компьютерную систему, обеспечивающую быструю и точную настройку машины, что очень важно в условиях частых переходов с одного размера обрабатываемой трубы на другой.

Для обработки поверхности труб эффективно использовать бесцентровые шлифовально-полировальные комплексы, например, комплекс модели RPS 374 (Германия), являющейся одним из лидеров этого сегмента станкостроительного рынка. Этот комплекс включает 12-станционный станок с 8 шлифовальными станциями и 4 полировальными станциями, в линии с автоматической упаковкой и накопителем труб весом до 1 т. Комплекс имеет автоматическую наладку и систему компенсации для автоматизированного режима работы. Комплекс обеспечивает декоративное шлифование, обдирку, предварительное шлифование под УЗК, удаление дефектов, удаление нанесенных покрытий, полирование, полировку труб диаметром 10-80 мм из нержавеющей стали с возможностью достижения частоты поверхности до Ra = 0,04 мкм бесцентровым способом за один проход.

9) Придание трубам формы, требуемой заказчиком (например, U- или W-образная форма труб для атомного машиностроения).

За счет безостаточного раскроя длинномерных труб на короткие длины достигается дополнительная существенная экономия металла, уходящего в неизбежную концевую обрезь при изготовлении коротких труб.

Необходимо отметить, что отдельные из описанных выше мероприятий по созданию современной технологии изготовления длинномерных труб повышенного качества с элементами поточности реализованы в условиях ООО "ТМК-ИНОКС".

Изготовление холоднодеформированных труб из коррозионно-стойких, сложно-легированных сталей и сплавов характеризуется формированием значительного количества отходов металла на всех этапах технологии. Эффективность переработки этих отходов может быть значительно повышена путем внедрения технологии изготовления передельных труб-заготовок, предусматривающей использование центробежного литья заготовок. В этом случае образующиеся отходы не отправляют в сталеплавильный цех по традиционной схеме, а перерабатывают на специальном участке, оснащенном небольшой по массе садки (5-10 т) электросталеплавильной печью, машиной центробежного литья заготовки и оборудованием для ее механической обработки. Опыт холодной прокатки центробежно-литой заготовки показал, что для лучшего качества холоднодеформированных труб литая структура заготовки должна быть обязательно подвергнута горячей деформации [18]. Поэтому в состав участка по изготовлению центробежно-литой заготовки целесообразно включать нагревательное устройство и машину ротационной ковки, предусматривающую горячую деформацию полой литой заготовки на оправке. Проект такого участка был создан ОАО "Российский научно-исследовательский институт трубной промышленности" (ОАО "РосНИТИ", г. Челябинск) в рамках выполнения НИОКР БОП-05-009 "Создание производства бесшовных и электросварных труб на базе нового поколения высокоэффективных сталей и сплавов" по государственному контракту N 8411.0816900.05.599.

7.5.3 Сварные трубы

В мировой трубной промышленности наметились следующие тенденции, определяющие направления ее развития.

- замена бесшовных труб сварными трубами;

- изготовление не трубы, а изделия, используемого потребителем с минимальной последующей обработкой;

- изменение структуры потребления сварных труб большого и среднего диаметров в сторону повышения прочностных характеристик, увеличения толщины стенки и ужесточения требований к их качеству.

Последняя тенденция в свою очередь требует:

- улучшения качества рулонного металла;

- освоения производства новых марок низколегированной стали повышенной прочности;

- совершенствования технологии сварки и оборудования для сварки и неразрушающего контроля,

- разработки трубосварочных агрегатов (ТЭСА) нового поколения.

Российскими и зарубежными производителями ведется активная работа по разработке как новых перспективных марок стали толстолистового проката для последующего производства ТБД, эксплуатируемых в сложных условиях (низкие температуры окружающей среды, высокие давления транспортируемых продуктов, применение в сейсмически неустойчивых районах, при строительстве подводных трубопроводов и пр.), так и по освоению производства новых марок керамического флюса, сварочной проволоки, используемых для сварки ТБД, полимерных материалов, применяемых в качестве покрытий для нанесения на наружную и внутреннюю поверхность ТБД [19], [20].

С целью повышения качества и механических характеристик сварного шва, уменьшения зоны термического влияния (ЗТВ) шва ТБД ведутся разработки и частично реализованы на практике технологии лазерной и гибридной сварки (см. рисунок 7.7), совмещающей процессы дуговой и лазерной сварки (гибридная лазерно-дуговая сварка) [21]-[24].

1 - бункер для флюса; 2 - контактная трубка; 3 - флюс; 4 - жидкая ванна; 5 - твердый шлак; 6 - металл шва; 7 - проволочный электрод дуговой сварки под флюсом; 8 - полость шва с дугой; 9 - струя гелия; 10 - парогазовый канал; 11 - жидкий шлак; 12 - плазма с парами металла; 13 - разделительная пластина; 14 - лазерный луч

Рисунок 7.7 - Принципиальные схемы процесса гибридной лазерно-дуговой сварки

Главным достоинством гибридного процесса сварки перед дуговым и лазерным по отдельности является синергетический эффект, при котором достигается качественно новый результат при взаимном устранении недостатков составляющих процессов [21]. Достоинства и недостатки лазерной и дуговой сварки представлены в таблице 7.1.

В результате проведенных исследований и опытно-промышленных работ по использованию гибридной сварки достигнуто уменьшение ширины сварного шва в 2-3 раза, ЗТВ - в 4-5 раз, повышение ударной вязкости сварного соединения - на 200 % - 300 %, разрушение сварного соединения происходило по основному металлу [21].

Недостатком новой технологии гибридной сварки является усложнение процесса сварки ТБД в целом - при производстве труб взамен ранее применяемой технологии трехслойной сварки (технологический шов, внутренний и наружный рабочие швы) необходимо накладывать четыре шва (технологический шов, корневой способом гибридной сварки, внутренний и наружный рабочие швы).

Таблица 7.1 - Достоинства и недостатки лазерной и дуговой сварки

Вид сварки	Достоинства	Недостатки
Лазерная сварка	Высокая концентрация энергии, дающая узкий и глубокий шов. Низкая погонная энергия процесса. Малый размер ЗТВ. Высокая стабильность процесса. Снижение издержек производства путем уменьшения разделки и, как следствие, снижение объема присадочного металла	Необходимая высокая точность сборки и наведения на стык. Значительная стоимость оборудования, его ремонта и сервисного обслуживания
Дуговая сварка	Терпимость к зазору. Гораздо меньшие требования к точности сборки. Наличие присадочного материала. Сравнительно простой дешевый способ	Маленькая глубина проплавления. Большая погонная энергия, значительная ширина ЗТВ. Недостаточная стабильность по сравнению с гибридным и лазерным процессами

7.6 Устройства для нагрева металла

7.6.1 Печи для нагрева металла перед прокаткой

Удельный расход энергоресурсов на действующих печах для нагрева слябов (или блюмов) составляет 85-100 кг усл. т/т, поскольку у этих печей, как правило, отсутствует автоматизированная система управления процессом, в результате чего не обеспечиваются современные требования к качеству их нагрева, что негативно сказывается на качестве металла при дальнейшей термообработке. Неудовлетворительная герметичность печи, а также неэффективная конструкция системы затворов являются причиной повышенного расхода топлива и выбросов продуктов горения в атмосферу цеха. Печи работают с большим избытком воздуха, нагрев металла в них характеризуется повышенным угаром металла. Действующие печи имеют низкий КПД, происходят значительные тепловые потери через корпус, в них отсутствует возможность эффективного регулирования коэффициента избытка воздуха.

Современные агрегаты имеют удельный расход энергоресурсов на 40 % - 50 % ниже, что составляет 50-55 кг усл. т/т. Такие показатели энергоэффективности обеспечиваются за счет:

- применения современных горелочных устройств;

- применения систем автоматизации;

- использования высокоэффективных изолирующих материалов футеровки;

- сокращения длительности нагрева заготовок;

- нагрева воздуха горения до 500 °C в рекуператоре;

- оптимального распределения тепловой мощности печи по зонам;

- обеспечения высокой газовой плотности печи;

- снижения угара металла до 0,7 %;

- обеспечения равномерного нагрева слябов по толщине и ширине.

Технологическая схема процесса нагрева слябов в современной нагревательной печи следующая. Посад металла в печь осуществляется загрузочной машиной, которая перемещает слябы с рольганга подачи на глиссажные трубы печи. Продвижение металла по печи осуществляется путем перемещения подвижных балок. Скорость движения металла в печи регулируется путем изменения интервалов движения между циклами перемещения подвижных балок и зависит от сортамента нагреваемого металла, а также количества работающих одновременно печей. Выдача слябов из печи осуществляется безударным способом с помощью специальной машины, которая перемещает слябы с балок печи на рольганг стана. Воздух подогревается в металлическом рекуператоре, расположенном в отдельном помещении. Воздух с помощью дутьевого вентилятора подается в рекуператор и по теплоизолированным воздухопроводам транспортируется к горелкам. Газ и воздух из общих трубопроводов подводятся к каждой зоне по зонным коллекторам, на которых установлены приборы измерения расхода и исполнительные механизмы регуляторов расходов.

Образовавшиеся при сжигании газа в сводовых горелках верхних зон продукты сгорания нагревают металл посредством прямого лучистого теплообмена, также продукты сгорания разогревают горелочные блоки, свод и стены печи, которые, в свою очередь, посредством косвенного радиационного теплообмена обогревают слябы в печи. Оптимальное сочетание расположения горелок на своде и расстояния между сводом и уровнем слябов обеспечивает интенсивный и равномерный нагрев слябов сверху. Факел, образующийся при сжигании топлива в горелках нижних зон, прямым лучистым теплообменом нагревает металл снизу и разогревает пол и стены печи, которые, в свою очередь, посредством косвенного радиационного теплообмена также нагревают металл.

Схема взаимного движения продуктов сгорания и металла - противоточная. Из зоны рекуперации продукты сгорания по трубопроводу продуктов сгорания подводятся к рекуператору, где нагревают воздух, затем по дымопроводу подаются на дымовую трубу и выбрасываются в атмосферу. Поворотный клапан установлен в дымопроводе между рекуператором и дымовой трубой и предназначен для регулирования давления в печи. Конструкция клапана - лепестковая, исключающая заклинивание при тепловом расширении. Вращение клапана обеспечивается с помощью пневмоцилиндра. Охлаждение подовых труб осуществляется химически очищенной водой, которая циркулирует по замкнутому контуру. Для отвода тепла от охлаждающей воды используется сухая вентиляторная градирня.

Схема нагревательной печи для нагрева слябов представлена на рисунке 7.8.

Рисунок 7.8 - Схема нагревательной печи для нагрева слябов

Печь оснащена современной АСУТП, которая позволяет управлять процессом нагрева слябов с помощью онлайн-моделирования и осуществляет измерение, регулирование, контроль и запись всех параметров работы.

В РФ печи описанного уровня изготовляют компании ОАО "ВНИИМТ", ООО "АНХ-Инжиниринг", ООО "НПО" СПБ ЭК", а за рубежом - фирмы CMI, FIVES, TENOVA, ANDRITZ, WISDRY, DANIELI, SMS.

7.6.2 Печи для термической обработки

Колпаковые печи с водородной и азото-водородной атмосферой широко используются для термической обработки рулонного плоского холоднокатаного проката, проволоки и труб в бунтах. Удельный расход энергоресурсов существующих колпаковых печей термической обработки холоднокатаного проката составляет 41-45 кг усл. т/т (650-700 ). На установках отсутствует автоматическая регулирующая газовая арматура, система уплотнений нагревательного колпака и муфеля не обеспечивает требуемую герметичность, что исключает возможность проведения отжига в высоко конвективной водородной среде, отсутствует регулирование удаления дымовых газов от колпака, отсутствует оборудование для ускоренного охлаждения садки после отжига. Такие колпаковые печи характеризует низкая производительность, неравномерность нагрева металла и низкое качество поверхности, что не позволяет обеспечить требуемого уровня свойств и качества поверхности готовой электротехнической анизотропной стали.

Современные установки имеют удельный расход энергоресурсов на 40 % - 45 % ниже, что составляет 24-28 кг усл. т/т (550-570 ). Высокие показатели энергоэффективности обеспечиваются следующими конструктивными особенностями:

- применением современных горелочных устройств;

- использованием отработанного водорода и эмульсии в качестве топлива;

- сокращением длительности нагрева и охлаждения садки рулонов;

- применением систем автоматизации;

- использованием высокоэффективных изолирующих материалов футеровки;

- применением гидроприжимных устройств для муфеля;

- использованием нагревательных и охлаждающих колпаков (при этом нагревательный колпак используется на следующем стенде).

Технический эффект обеспечивается следующими конструктивными особенностями новых колпаковых печей:

- нагрев садки металла до температуры 1200 °C;

- использование защитных муфелей для герметизации и возможности охлаждения садки без нагревательного колпака, который используется на следующем стенде;

- обеспечение малого температурного градиента по сечению и высоте стопы отжигаемых рулонов;

- использование высокоэффективных изолирующих материалов футеровки;

- использование принудительного охлаждения;

- обеспечение высокой газоплотности печей за счет использования водяного затвора при установке на стенд нагревательного колпака.

Для отжига печной стенд загружают рулонами стопой от 3 до 5 шт. с установкой между ними конвекторных колец, опускают муфель и поджимают его фланец к уплотнению фланца стенда гидроцилиндрами прижимного устройства (см. рисунок 7.9). Фланец стенда охлаждается циркулирующей водой. Далее подвергают проверке на герметичность стенд и систему "муфель - стенд" с применением азота, затем производят продувку подмуфельного пространства (через свечу), при которой воздух под муфелем заменяется на продувочный газ - азот. Во время предварительной продувки (через свечу) на стенд устанавливается и зажигается нагревательный колпак. После выполнения всех условий окончания предварительной продувки находящийся под муфелем продувочный газ заменяется защитным газом - водородом. Отжиг в колпаковых печах происходит по заданному алгоритму, контролируемому системой автоматического управления, и включает в себя нагрев, выдержку и охлаждение. Во время нагрева рулонов испаряется эмульсия, оставшаяся на поверхности полосы в рулонах после холодной прокатки. Эти испарения выдуваются вместе с водородом из подмуфельного пространства и направляется в горелку для дожигания.

После окончания выдержки система "муфель - стенд" автоматически подвергается проверке на герметичность, далее нагревательный колпак снимают, и он в нагретом состоянии используется для отжига следующей садки. Охлаждение начинается со снятия нагревательного колпака и установки охлаждающего колпака, который посредством центробежных вентиляторов охлаждает муфель воздухом. При достижении определенной температуры муфеля, исключающей образование термических напряжений, выключаются вентиляторы охлаждающего колпака и дальнейшее охлаждение садки происходит за счет орошения поверхности муфеля водой.

Рисунок 7.9 - Схема технологического процесса отжига проката в колпаковых печах

Фаза охлаждения заканчивается, когда достигается требуемая температура в центре рулонов. Перед снятием муфеля водород под ним заменяется на продувочный газ - азот. В течение всего времени отжига, когда под муфелем находится водород, осуществляется непрерывный контроль давления в подмуфельном пространстве. Если это давление снижается ниже установленного минимального уровня, то автоматически производится аварийная продувка азотом.

В РФ печи подобного типа не изготавливают, а за рубежом это оборудование выпускают фирмы EBNER, LOI, FIVES, RAD-CON.

7.6.3 Производство водорода для использования в качестве защитного газа в агрегатах термообработки прокатной продукции

В настоящее время для получения водорода, используемого в качестве защитного газа в агрегатах термообработки прокатной продукции, как правило, применяют технологию электролиза воды. На электролизной установке при пропускании электрического тока через электролит (водный раствор щелочи КОН) происходит разложение воды на водород и кислород. На электроды, расположенные на концевых плитах электролизера, подается напряжение.

Образовавшиеся во время электролиза водород и кислород собираются в два раздельных трубопровода, затем через расширители газов поступают в газоотделители, где отделяются от электролита и направляются в холодильники газов и соответствующие регуляторы давления. Из регуляторов давления водород и кислород поступают на газовый пост, который предназначен для местного управления подачей газов.

Водород по общему коллектору направляется на очистку от кислорода и осушку. Кислород выбрасывается в атмосферу. Очистка водорода от кислорода осуществляется в контактном аппарате на палладиевом катализаторе ПК-3. После очистки водород через теплообменник-рекуператор и сепаратор направляется на блок осушки. Осушка водорода выполняется в две ступени: на силикагелевых и цеолитовых адсорбентах. Очищенный и осушенный водород поступает к потребителям. Затраты энергоресурсов для производства 1000 м³ водорода электролитическим способом составляют:

- электроэнергия - 4900-5700 кВт ч (1960-2280 кг усл. т);

- прочие энергоресурсы (вода, тепловая энергия) - 750 кг усл. т;

- суммарное потребление энергоресурсов - 2710-3030 кг усл. т.

Альтернативные способы производства водорода:

- получение водорода из коксового газа;

- получение водорода из доменного или конвертерного газа;

- получение водорода методом риформинга природного газа.

Основные показатели различных способов получения водорода представлены в таблице 7.2.

Таблица 7.2 - Основные показатели различных способов получения водорода

Показатели	Электролиз	Коксовый газ	Природный газ	Доменный газ	Конвертерный газ
Расход на 1000 м3 Н2
Топливный газ, м3	-	660	530	3500	1750
кг усл. т	-	377	604,2	500	500
Теплоэнергия в	-	1,64	-	2,6	2,6
паре, Гкал кг усл. т	-	234	-	372	372
Электроэнергия,	4900-5700	400	30	450	450
кг усл. т	1960-2280	160	12	180	180
Прочие, кг усл. т	750	49	8	140	140
Итого на 1000 м3, кг усл. т	2710-3030	820	624,2	1192	1192

Анализ данных, представленных в таблице, позволяет сделать выводы:

- получение водорода методом электролиза воды является самым высоко затратным с точки зрения расхода энергетических ресурсов: в 4,3-4,8 раза выше, чем получение водорода из природного газа, в 3,3-3,7 раза больше, чем из коксового газа, и в 2,3-2,5 раза больше, чем из доменного или конвертерного газа;

- энергозатраты на получение водорода из природного газа являются минимальными, что связано с эффективным использованием природного газа: отдувочные газы служат топливом для риформинга, тепло риформинга используется для получения пара (из конденсата, выделяющегося при охлаждении газов риформинга), используемого для конверсии природного газа в две ступени;

- недостатки применения технологии получения водорода из доменного газа связаны с необходимостью компримирования исходного сырья из-за физико-химических свойств доменного газа (наличие негорючих соединений, теплотворная способность в ~9 раз ниже по сравнению с природным газом) и расходе пара на конверсию монооксида углерода;

- применение конвертерного газа имеет те же недостатки, что и для доменного газа. Кроме того, в этом случае дополнительно необходима дорогостоящая система сбора, хранения и транспортировки конвертерного газа;

- основной недостаток коксового газа как сырья для производства водорода - высокие затраты на предварительную очистку исходного газа от примесей.

Технологическая схема производства водорода методом риформинга природного газа выглядит следующим образом (см. рисунок 7.10).

При паровом риформинге водород получают из природного газа (СН₄) с последующей конверсией монооксида углерода, позволяющей снизить его содержание и повысить концентрацию водорода. Процесс получения водорода происходит в несколько стадий:

1) сероочистка природного газа;

2) паровой реформинг обессеренного природного газа;

3) конверсия монооксида углерода;

4) очистка водорода.

Рисунок 7.10 - Технологическая схема производства водорода методом парового риформинга

Природный газ после добавления к нему водорода компримируется до 18 бар (кг/см²) и направляется в газоподогреватель, где нагревается дымовыми газами до температуры 450 °C. После этого газо-водородная смесь поступает в аппарат сероочистки для извлечения содержащейся в природном газе серы. Очищенная газо-водородная смесь подается в смеситель инжекторного типа, где происходит ее смешение с предварительно нагретым до температуры 450 °C паром с последующей подачей паро-газо-водородной смеси в реакционные трубы для конверсии природного газа на специальном катализаторе. Печь представляет собой цилиндрическую шахту, выложенную изнутри высокоогнеупорным бетоном. В нижней части шахты печи располагается зона горения, куда через многоканальную горелку поступает смесь воздуха с отходами короткоцикловой адсорбции (КЦА) с добавлением природного газа. Зона горения отделяется от остального объема печи керамической толстостенной перегородкой, являющейся стабилизатором температурного поля теплового потока. Паро-газо-водородная смесь из входного коллектора поступает в межтрубное кольцевое пространство, заполненное катализатором, по которому опускается до нижнего конца труб. Затем на выходе из слоя катализатора продукты конверсии, сделав поворот на 180°, поступают во внутреннюю трубу для подъема вверх, после чего попадают в выходной коллектор и покидают печь. Конструкция печи предусматривает утилизацию отходов тепла и продуктов блока КЦА, что делает всю установку энергетически пассивной в части потребления тепловой энергии. Современные установки риформинга полностью автоматизированы. Производительность установки можно гибко изменять в интервале от 30 % - 100 % от номинальной в течение короткого интервала времени. Чистота получаемого водорода - 99,999 %.

В РФ установки производства водорода методом парового риформинга не изготавливают, а за рубежом это оборудование выпускают фирмы Hydro-Chem, Haldor Topse, Uhde, Mahler AGS.