В сентябре 1993 г. американская машиностроительная фирма Типпинз инк. представила новый технологический процесс литья и прокатки тонких слябов под названием TSP (Tippins Samsung Process, процесс Типпинз-Самсунг). По технологии TSP слябовая МНЛЗ для среднего диапазона толщин слябов совмещена с прокатным станом Стеккеля. Установка TSP может быть сооружена с небольшими капиталовложениями и откроет владельцам сталеплавильных мини-заводов доступ на рынок листовой продукции.

Фирма Типпинз заключила с южнокорейской фирмой Самсунг хэви индастриз соглашение о продаже новых установок TSP под названием "процесс Типпинз-Самсунг". В результате такого сотрудничества удалось объединить ноу-хау фирмы Типпинз по прокатным станам и технологию непрерывного литья фирмы Самсунг.

Установка TSP состоит из слябовой МНЛЗ (для литья слябов толщиной 100 - 125 мм) и расположенного за ней одноклетьевого стана Стеккеля.

Установка рассчитана на годовую производительность 400 - 1200 тыс. т горячекатаной полосы. При некоторых конструктивных изменениях возможно увеличение производительности до 2 млн. т. Процесс TSP в равной мере пригоден для производства полос из углеродистых, коррозионностойких, высокопрочных низколегированных сталей, сталей нефтяного сортамента (по стандартам ,API) и для глубокой вытяжки с толщиной полосы в готовом виде 1,5 - 12 мм. Такая гибкость в сортаменте продукции делает установку TSP особенно привлекательной для малых региональных заводов – изготовителей стали. Установка пригодна и для экономичного производства толстого листа (в виде карт и рулонов), что значительно расширяет сортамент по ширине, толщине и маркам стали. Процесс TSP можно рекомендовать для сталеплавильных мини-заводов, а также для развивающихся стран, где требуется снабдить сравнительно небольшие рынки различными марками горячекатаной полосы, изготовленными на мировом уровне.

Технология производства стали и рынок металлопродукции очень быстро меняются. Так, 1990-е годы войдут в историю как десятилетие реорганизации и модернизации традиционной черной металлургии.

Ранее черная металлургия XX века характеризовалась преобладанием крупных металлургических заводов с полным циклом, которые сбывали свою продукцию в очень больших объемах. Эти крупные заводы сооружали, как правило, недалеко от необходимых источников сырья и других ресурсов, чтобы обеспечить экономичное снабжение передельным чугуном. Металлургические заводы были рассчитаны на объемы производства в несколько миллионов тонн в год, чтобы получить преимущества по издержкам благодаря большому объему продукции.

Появление дуговых электропечей для переработки лома в 1960-х и 1970-х гг. сделало революцию в производстве прутковой стали. Изготовители получили возможность сооружать металлургические заводы меньшего объема ближе к потребителю и не ориентироваться при выборе территории только на доступность сырья. Такие сталеплавильные мини-заводы быстро завоевали рынок прутковой стали и катанки, потеснив менее экономичные крупные предприятия.

Прутковые (длинномерные) изделия заинтересовали новые сталеплавильные мини-заводы в первую очередь потому, что техническое оборудование сортовых станов требовало небольших капиталовложений. Продолжающееся развитие технологий способствовало производству на мини-заводах катанки, строительной (арматурной) стали, рельсов, бесшовных труб и другой длинномерной продукции. В большинстве западных стран сталеплавильные мини-заводы занимают ведущее положение в производстве длинномерных изделий.

На рынке листовой прокатной продукции крупные металлургические заводы с полным циклом до недавнего времени были вне конкуренции. Из-за требуемых больших затрат начального капитала мини-заводы не могли получить доступа на этот рынок. Кроме того, в распоряжении мини-заводов не было экономически окупающегося оборудования, которое позволило бы им проникнуть на рынок листовой продукции.

Установка TSP при объеме годового произ-кшства всего 400 тыс. т может обеспечить экономичное производство листа.

Разработанный фирмами Типпинз и Самсунг вмоесс TSP может удовлетворять широкому комплексу требований современного сталеплавильного мини-завода.

Следует отметить следующие преимущества технологии TSP:

• конкурентоспособность (в отношении издержек и качества) производственных мощностей порядка 400 - 2000 тыс. т/г;
• гибкость при выборе шихтовых материалов or лома различных сортов до железа прямого восстановления (губчатого железа);
• возможность производства широкого сортамента готовых изделий для полного удовлетворения потребностей локальных рынков;
• минимальные капиталовложения;
• затраты труда не более 1 чел-ч/т (при годовом объеме производства 1 млн. т занято 400 чел.), а на металлургических заводах с полным циклом на это обычно требуется 3,5 чел-ч;
• экономичность работы при различных масштабах рынка ввиду низких суммарных капиталовложений, низких эксплуатационных расходов и большей универсальности (отсутствия зависимости от строго определенного сортамента продукции);
• высокая эффективность применения в развивающихся странах, поскольку в этой технологии предъявляются меньшие требования к инфраструктуре и условиям окружающей среды, чём на заводах с доменными печами.

Обычно вновь сооружаемый сталеплавильный цех с установками TSP включает сталеплавильное производство, установку вторичной обработки стали, установку непрерывного литья слябов, печь для выравнивания температуры литых слябов и их подогрева, стан горячей прокатки.

Сталеплавильное производство. Как правило, применяют дуговые сталеплавильные печи или кислородные конвертеры. В дуговых печах могут быть применены системы постоянного или переменного тока. Однако размеры и мощность печи должны соответствовать требуемому объему годового производства. Для завода с годовой производительностью 1 млн. т стали необходима 150-т печь постоянного или переменного (трехфазного) тока.

Однако возможны и другие решения. Так, передельный чугун можно рафинировать в имеющихся мартеновских печах или использовать имеющийся кислородно-конвертерный цех с печами-ковшами.

Вторичная обработка стали. Важным звеном в технологической цепи установки TSP является печь-ковш, которая выполняет следующие функции: раскисление стали, десульфурация, управление составом легирующих и получение заданной температуры.

Возможность установления заданной температуры металла является особенно выгодной. Ковши можно промежуточно хранить перед МНЛЗ с целью компенсации колебаний условий производства стали и скоростей литья. Температура в ковше может быть повышена, чтобы компенсировать тепловые потери при транспортировке от наиболее удаленных сталеплавильных цехов. Кроме того, можно подготовиться к температурам литья, специфическим для сталей определенных марок (например, для кремнистых сталей).

Скорость нагрева составляет, как правило, 5 ^оС /мин. Для специальных сталей можно предусмотреть установку вакуумирования (вакуумной дегазации).

Машина непрерывного литья заготовок. В процессе TSP применяется одноручьевая МНЛЗ, разработанная фирмой Самсунг хэви индастиз, на которой разливают плавки массой 80 - 130 т в течение 45 - 60 мин на слябы толщиной 100 - 125 мм и шириной 500 - 2500 мм. Для повышения производительности МНЛЗ можно выполнить и двухручьевой.

Фирма Самсунг хэви индастриз начала производство МНЛЗ в 1984 г., соорудив первую машину на заводе канадской фирмы Интерпровиншел пайп энд стил корп. (IPSCO). С тех пор фирма Самсунг участвовала в строительстве многих МНЛЗ в США, Канаде и Южной Корее как субподрядчик.

Принятие толщины сляба 125 мм в качестве наибольшей. Решающим фактором при выборе толщины сляба 125 мм было то, что для обжатия сляба не нужно отдельной черновой клети и при этом можно получить хорошее качество поверхности. Кроме того, при такой толщине можно получать слябы толщиной до 2500 мм и более, что снижает ограничения по ширине для более тонких слябов.

При такой толщине слябов кристаллизатор может иметь традиционную конструкцию, что позволит избежать сложных устройств, необходимых при литье тонких слябов. При большой продолжительности процесса литья на установке TSP предусмотрены переключение на другой промежуточный ковш и смена погружного сталеразливочного стакана.

Такая конструкция МНЛЗ была выбрана еще и в связи с отличными теплофизическими свойствами, достигаемыми при данной толщине сляба. Так, сляб толщиной 125 мм сохраняет тепло гораздо лучше тонкого сляба (толщиной 50 мм и менее). При литье сляба толщиной 125 мм сердцевина его на выходе из кристаллизатора еще сохраняет значительно более высокую температуру, чем корка. Накопленное тепло после выхода металла из МНЛЗ передается из сердцевины к поверхности сляба.

Для компенсации разности температур между сердцевиной и поверхностью сляб передают в печь для выравнивания температуры. В печи сляб дополнительно подогревается в четырех различных положениях (каждый раз по 12,5 мин) и его температура выравнивается до 1250 ^оС по всей толщине. Сляб толщиной 125 мм имеет меньшую площадь поверхности по отношению к объему металла, через которую может теряться тепло (относительная поверхность у сляба толщиной 50 мм в 2,5 раза больше). Теплоаккумулирующие свойства сляба толщиной 125 мм способствуют тому, что такой сляб можно довести до температуры начала прокатки с меньшими затратами тепла, чем тонкий. Кроме того, образуется минимальное количество окалины ввиду малого времени пребывания сляба в печи.

Печь для выравнивания температуры и подогрева слябов. Непрерывнолитой сляб поступает в печь для выравнивания температуры и дополнительного подогрева (обычной конструкции), которая расположена между МНЛЗ и прокатным станом. Температура на выходе из печи в зависимости от требований к готовому продукту составляет, как правило, около 1100 °С для толстого листа и 1250 °С для более тонкого.

Длина сляба выбирается, в зависимости от его толщины и требуемой массы рулона. Для получения удельной массы рулона 15 кг/мм ширины при толщине сляба 125 мм его длина должна быть 15,5 м. Для получения удельной массы 20 кг/мм ширины сляб толщиной 125 мм должен иметь длину 20,5 м.

В установках TSP в зависимости от желательной толщины и длины сляба применяют печи с шагающими балками или с шагающим подом. Типичная печь длиной 10 м вмещает около 200 - 300 т металла, что является достаточным для покрытия потребности МНЛЗ и прокатного стана при обычной скорости их работы

Горячий посад является одним из основных преимуществ установки TSP перед установкаи, работающими с холодным посадом. Однако печь для выравнивания температуры рассчитана на работу с обоими видами посада (горячим и холодным), хотя ее производительность во втором случае уменьшится. Таким образом, печь обеспечивает работу МНЛЗ или прокатного стана в случае выхода из строя одного из этих агрегатов.

Слябы поступают в печь для дополнительного подогрева и выравнивания температуры непосредственно из МНЛЗ. Слябы, как правило, разрезают на длины с учетом получения удельной массы рулона 18 - 20 кг/м. Для специальных сталей могут быть предусмотрены соответствующие системы кондиционирования (доведения до определенной кондиции) слябов в потоке. При обычном сортаменте углеродистых сталей доля горячего посада, как правило, должна составлять 85 - 90%. Холодные слябы собирают в партии, объем которых является достаточным для компенсации задержки или простоя (нерабочей смены) МНЛЗ.

Горячая прокатка. Основным узлом установки TSP является прокатный стан Стеккеля. Первый стан Стеккеля, сконструированный в 1930-х гг., прокатывал горячекатаную полосу ограниченного качества. Однако в 1960-х гг. технология Стеккеля была возрождена фирмой Tippins inc. на совершенно новой основе, и с тех пор модернизация и автоматизация этих станов продвинулась очень далеко. В 1980-х гг. фирма Tippins выступила как пионер внедрения одноклетьевых станов Стеккеля, которые были гораздо дешевле двухклетьевых. Такой одноклетьевой стан и применен в установках TSP

Одноклетьевой реверсивный стан выполняет черновые и чистовые проходы. С двух сторон клети расположены закрытые печи с моталками с барабанами, изготовленными из высокотемпературного сплава. После обжатия до толщины 20 - 25 мм полоса поступает в печи с моталками, чтобы уменьшить ее нежелательное охлаждение. Затем полосу пропускают поочередно вперед и назад через клеть и при этом в каждом проходе полностью сматывают и разматывают. Для прокатки сляба толщиной 125 мм до полосы минимальной готовой толщины 1,5 мм требуются, как правило, три черновых прохода, во время которых раскат движется плоско по рольгангу взад и вперед, и шесть чистовых проходов, при которых раскат сматывается на печные моталки.

Прокатный стан представляет собой четырехвалковую клеть, приводимую от электродвигателя специальной конструкции, который во время первых черновых проходов работает с большим вращающим моментом, а во время последних чистовых проходов с высокой частотой вращения. Автоматическое гидравлическое регулирование толщины с противоизгибом рабочих валков и с автоматизированным расчетом режима обжатий на ЭВМ обеспечивает точные допуски на размеры и высокую планшетность. Встроенная вертикальная клеть предназначена для обжатия сляба по ширине максимально на 50 мм и оборудована системой автоматического регулирования ширины. Наряду с регулированием ширины эта система обеспечивает также выравнивание кромок полосы и тем самым повышает их качество. В ряде случаев на рынок можно поставлять толстый лист с естественной кромкой (полученной после прокатки), что дает существенные преимущества по выходу годного и по издержкам. Вертикальная клеть является специфическим признаком установки TSP и в установках для передела более тонких слябов в настоящее время отсутствует.

Окалину со слябов удаляют непосредственно после выхода из печи предварительного подогрева и после каждого второго прохода при прокатке. В сочетании с повышенным качеством поверхности слябов, что достигается более низкой скоростью непрерывного литья, высокой скоростью прокатки и специальной конструкцией печей с моталками, таким способом обеспечивается и высокое качество поверхности полосы.

Установка для гидросбива окалины, имеющаяся на прокатном стане, может быть использована для управления температурой конца прокатки, чтобы гарантировать получение равномерных и точно определенных металлургических свойств готовой полосы.

Весь процесс дополнительного подогрева и прокатки управляется системой ЭВМ с двумя иерархическими уровнями. Программа прокатки (режим обжатий) рассчитывается в динамическом режиме и задается заранее на основе детальных требований готовой продукции и меняющихся условий материала и работы установки (температуры, износа валков).

Кроме прокатного стана ЭВМ управляет также и печью для дополнительного подогрева, так что на всех стадиях процесса производства полосы достигаются оптимальные температурные условия.

После последнего чистового прохода полоса поступает на рольганг, где проходит через ряд последовательно расположенных зон ламинарного охлаждения. При этом техника управления от ЭВМ обеспечивает оптимальное согласование расхода воды и скорости прокатки, благодаря чему могут быть достигнуты специальные скорости охлаждения и заданные значения температуры смотки или конца прокатки, что имеет решающее значение при контролируемой прокатке.

Последней операцией получения готовой полосы является смотка. Готовые рулоны затем маркируют, взвешивают, обвязывают, охлаждают и направляют на склад.

Стандартная установка TSP, как уже было отмечено ранее, рассчитана на производственную мощность до 1,2 млн т/г в зависимости от сортамента. Соответствующими конструктивными изменениями можно добиться повышения этой производительности до 2 млн. т/г. Производительность МНЛЗ зависит от марки стали и ширины сляба.

При ширине сляба 1000, 2000 и 3000 мм она составляет соответственно около 120, 180 и более 300 т/ч. При средней ширине сляба 1500 мм годовая производительность превышает 1 млн. т.

Производительность установки TSP по стану горячей прокатки зависит от толщины и ширины готовой полосы.

При размерах полосы 1,8 х 1030 мм; 2,5 х 1530 мм и 6,0 х 1580 мм производительность составляет соответственно 100 т/ч; 160 т/ч и 220 т/ч.

Таким образом, при среднем размере полосы 2,5 х 1530 мм годовая производительность превысит 1 млн. т. В настоящее время разрабатывается альтернативная концепция прокатною стана, которая позволит получить более высокую производительность.

Установка TSP особенно подходит для применения в развивающихся странах, где имеется спрос на широкий сортамент металлопродукции. Обычно установку можно рассчитать на производство стали различных марок с разным сортаментом размеров по ширине и толщине полосы.

На установке TSP можно получать полосу из следующих групп марок сталей:

Ширина готовой полосы на установках TSP зависит в основном от спроса в соответствующем регионе. На установках, рассчитанных на производство более тонких полос (для последующей холодной прокатки), ширина полосы обычно составляет 1000 - 1500 мм. На комбинированных установках для получения, тонких и толстых листов (в виде отдельных карт и в рулонах), ширина полосы может быть 1000 - 2500 мм и достигать 3000 мм.

На установках TSP можно получать весь сортамент полос по толщине от 1,5 до 20 мм в рулонах, а также толстый лист в виде карт.

В начальный период работы станов Стеккеля их основным недостатком было низкое качество поверхности полос из-за образования окалины. На современных прокатных станах Стеккеля проблема окалинообразования решена. Высокие скорости прокатки, быстрое реверсирование, оптимизированные установки для удаления окалины и способы прокатки с контролируемой температурой позволяют получить поверхность более высокого качества.

Поскольку в процессе TSP применяют слябы средней толщины, полученные по традиционной технологии литья, он позволяет получить очень хорошее качество поверхности слябов и, соответственно, можно ожидать хорошего качества полосы после стана Стеккеля.

Преимущества процесса TSP можно разделить на две категории: “финансовые критерии” и ”эксплуатационные” критерии. В первой категории основными преимуществами процесса TSP являются низкие капиталовложения и эксплуатационные расходы.

Капиталовложения в строительство установки на новом месте при ее годовой производительности 1 млн. т составляют 200 млн. долл. В эту сумму входят затраты на сооружение агрегатов и зданий, кранов, пуск в эксплуатацию электросталеплавильного цеха, печей-ковшей, машины непрерывного литья слябов, печи для выравнивания температуры, прокатного стана, строительство газоочистных и водных сооружений и вальцетокарной мастерской. Низкие эксплуатационные расходы обусловливаются горячим посадом, средней толщиной слябов и комплексной автоматизацией, что сокращает требуемую численность персонала.

Поскольку в процессе TSP используют хорошо зарекомендовавшие себя компоненты (сталеплавильный цех, МНЛЗ, печь, прокатный стан Стеккеля), эксплуатация и ремонт установки TSP не вызывают проблем.

Кроме того, на установке TSP можно получать полосы как из низкоуглеродистых сталей, так и из коррозионностойких и высокопрочных легированных сталей.

Точная ориентация производственной мощности на определенное назначение и низкие капиталовложения сокращают до минимума риск осуществления проекта. Применение опробованных технических решений также сокращает предпринимательский риск.

С эксплуатационной точки зрения процесс TSP имеет ряд преимуществ. Раздельная, работа МНЛЗ и прокатного стана значительно сокращает потери в выпуске продукции в случае выхода из строя только одной из этих систем. Кроме того, такая концепция позволяет включить промежуточный этап подготовки слябов при необходимости получения продукции специального назначения.

Поскольку печь для выравнивания температуры пригодна и для нагрева остывших слябов, установку можно эксплуатировать в режиме горячего и холодного посада. Качество поверхности металлопродукции будет хорошим, поскольку при работе со слябами средней толщины проблем с дефектами поверхности нет. К тому же современное управление прокатным станом Стеккеля обеспечивает максимально возможное качество продукции.

Такой прокатный стан можно оборудовать вертикальной (эджерной) клетью, чтобы обеспечить высокое качество полосы по кромкам.

Прокатный стан Стеккеля делает возможным действительно "контролируемый" процесс прокатки в том смысле, что конкретные материалы можно прокатывать при конкретных заданных температурах с целью получения желательных физических и металлургических свойств. Использование прокатного стана Стеккеля с одной стороны позволяет устранить тепловые потери и обеспечить протекание специальных процессов превращения в металле, а с другой стороны – обеспечить отвод тепла для выделения микролегирующих добавок при оптимальной температуре, повышающих прочность материала.

Размещение дополнительного охлаждающего устройства за моталками дает возможность передавать горячекатаную полосу на дрессировку или холодную прокатку, а также применять другие способы обработки.