Электронная библиотека магистра ДонНТУ Рутковской Н.Л.

ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ КОНВЕРТЕРНОГО ПРОИЗВОДСТВА СТАЛИ В МИРЕ И В УКРАИНЕ

                                                         Рутковская Н.Л.

В 2002 году исполнилось 50 лет кислородно-конвертерному процессу производства стали. По оценкам специалистов, он является достаточно зрелым процессом, период его бурного развития перешёл в стадию относительно спокойного усовершенствования отдельных важных элементов технологии и оборудования. В его становлении и развитии – значительная роль украинских производителей и ученых, и это определило достойное место конвертерного производства стали в горно-металлургическом комплексе (ГМК) Украины и в мире.

Мировая и отечественная практика конвертерного производства имеет в своём распоряжении широкий арсенал технологий, обусловленных, во-первых, разнообразием чугунов, которые перерабатываются, по составу и содержанию металлолома в шихте, во-вторых, бесчисленным количеством режимов конвертерной плавки и, в третьих, широким сортаментом выплавляемых сталей, включая высококачественные стали ответственного назначения. В последнее десятилетие за рубежом и в Украине для развития конвертерных процессов ведутся работы по таким направлениям:

- усовершенствование конструкции агрегатов и технологических вариантов продувки;

- разработка технологии производства сталей с минимальным содержанием вредных и балластовых примесей, “чистых” и “особенно чистых” сталей;

- увеличение продуктивности конвертеров при одновременном решении экологических задач;

- повышение стойкости огнеупорной футеровки.

Однако накопленный потенциал по ряду причин, про которые пойдёт речь ниже, в отечественных цехах используется далеко не полностью.

В 2002 году Украина достигла рекордного, со времени независимости, уровня производства сырой стали – 33,1 млн. т, из которых конвертерной – 49,2 млн. т. Это составило 4 % мировой выплавки и позволило стране занять седьмое место среди самых крупных производителей стальной продукции, значительно опередив Италию и Бразилию, уровень производства которой ещё недавно был равен отечественному. Загружённость производственных мощностей в 2000 и 2001 гг. в конвертерных цехах составила соответственно 79,1 и 85,0 %. По этому показателю Украина тоже вошла в число ведущих стран мира.

Конвертерное производство Украины включает шесть цехов с 19 конвертерами ёмкостью 2×350 т, 2×250 т, 12× (150 – 170 т), 3×65 т. Доля беспрерывной разливки в целом в сталеплавильных цехах ещё низка – ~20 %. Технологический уровень в конвертерных цехах в целом достаточно высокий, лучшие из них входят в число ведущих конвертерных цехов мира.

Определенное развитие в последние годы получил процесс технического перевооружения. В конвертерном цехе ЕМЗ пущена в эксплуатацию сортовая МНЛЗ и ковш-печь. Решается вопрос про строительство МНЛЗ на комбинате “Криворожсталь”. Приобретена и монтируется 6-струйная МНЛЗ в конвертерном цехе завода им. Петровского. Продолжается реконструкция на Мариупольском МК им. Ильича. Здесь намечено построить ещё две МНЛЗ, перевести ШСГП “1700” на непрерывно-литую заготовку, реконструировать ЦХП со станом “1700” и организовать в Украине производство холоднокатаного автомобильного листа с 1-ю группой обработки поверхности. Рядом с освоением на предприятии “ИСТИЛ” ДМЗ современного комплекса из электропечей, установки “ковш-печь”, вакууматора и 6-струйной сортовой МНЛЗ это свидетельствует про определённую активизацию предприятий в результате проведения известного экономического эксперимента со второй половины 1999 года. Тем не менее, темпы перевооружения даже в  разрезе последних 5 лет заметного оживления деятельности совсем недостаточны.

К положительным чертам развития сталеплавильного производства Украины также следует отнести последовательное завоевание на мировых рынках стали значительной ниши украинскими производителями – 8,9 % от общего объёма мировой торговли металлопродукцией, что обеспечило значительный  (~40 %) взнос металлургии в валютное пополнение бюджета страны.

Тем не менее, высокий уровень экспортной ориентации несёт с собой определённую опасность для стабильности отечественного производства стали и нормального функционирования всей отрасли. Тем более, что, в отличие от развитых металлургических стран, в экспорте которых преобладает дорогая продукция, с высоким уровнем переработки (75 – 90 %), в экспорте Украины доля готового проката держится на уровне 50 – 55 %, а остальное – это дешёвые сырьевые материалы (чугун, ферросплавы) и полуфабрикаты (слябы, заготовки). Доступ Украины к наиболее прибыльным сегментам рынка готового проката остаётся ограниченным, а за страной может закрепиться роль поставщика сырья и продуктов низкого уровня переработки. Такой ход событий должен быть преодолён повышением конкурентоспособности готовой отечественной продукции.

Вследствие нестабильной работы доменных печей (результат низкого качества их шихты) в противовес мировой практике (см. далее) остаётся высокое содержание кремния в передельном чугуне со всеми негативными последствиями этого для конвертерного процесса (табл. 1.1).

Таблица 1.1 – Состав передельного чугуна на предприятиях Украины в 2001 – 2003 гг.

Особенно расточительна хроническая недопоставка отечественным цехам металлического лома, что продолжается на протяжении уже десяти лет и связана с привлекательностью для фирм-заготовщиков продажи его за границу. Кроме ликвидации перерасходов энергоёмкого и дефицитного чугуна, использования лома в отечественных цехах резко сократило бы энерго- и ресурсозатраты на единицу продукции, улучшило бы экологическую обстановку в регионах, обеспечило бы использование высокоэффективных отечественных конвертерных технологий, впервые разработанных НМЕтАУ и “Криворожсталью”. При это следует учитывать, что на экспорт отправляют лом высококачественный, оставляя в стране значительную часть загрязнённого и зашлакованного сырья.

Необходимость преодоления жёсткой конкуренции на мировом рынке металла ставит перед собственниками и руководителями предприятий задачу быстрой ликвидации технического и технологического отставания, проявившееся  в последние 10 лет из-за низких темпов переоснащения цехов. Предприятия уже в состоянии вкладывать  в обновление отрасли половину  из необходимых 1 млрд. грн. в год. Государственные организации постепенно определяют как организовать государственную поддержку  для того, чтобы изменить ситуацию в этом вопросе. Намеченные программы технического перевооружения предприятий обобщены и систематизированы в “Национальной программе развития ГМК Украины”, в соответствии с которой основным направлением модернизации является оснащение сталеплавильных цехов агрегатами внепечной обработки стали, в большинстве случаев – ковши-печи и МНЛЗ. В результате реализации этой программы (2010 г.) предусматривается улучшение самой структуры сталеплавильного производства – повышение доли конвертерной стали до 72 %, увеличение объёмов металла, который разливается на МНЛЗ, до 80 %.

В связи с широкой программой модернизации сталеплавильного производства необходимо брать во внимание, что в некоторых случаях принятые решения могут посвящаться, в основном, проблемам данного времени, без надлежащего учёта перспективы. При  этом следует заметить, что в последнее десятилетие в мировой металлургии происходят интенсивные изменения как в технологиях, так и в конструкции основного оборудования, постоянно растут требования потребителей к химическому составу, неметаллических включений, свойствам металлоконструкции. Этот процесс продолжается. Поэтому определение технологических и конструктивных параметров работающих и подлежащих введению в эксплуатацию агрегатов должно осуществляться с учётом тенденций в современной металлургии. А они следующие.

В общем плане модернизация конвертерного производства обеспечивает достижение традиционных целей: повышение качества продукции, снижение расходов производства, увеличение продуктивности, улучшение охраны окружающей среды. Неотъемлемыми составными элементами современной технологии являются:

- соединение верхней кислородной продувки с донной продувкой инертными газами (~80 % из 660 конвертеров мира) с целью улучшения хода и результатов продувки, обработки плавки перед выпуском;

- отсечение шлака, чаще всего – газодинамическое для уменьшения попадания шлака из конвертера в ковш во время выпуска;

- автоматизация процесса с использованием вспомогательной фурмы-зонда, а также анализа отходящих газов для точного определения момента повалки конвертера и выпуска плавки без додувки и, в ряде случаев, без ожидания анализа (“прямой выпуск”);

- система предотвращения выбросов для увеличения выхода годного, усовершенствование управления технологическими процессами и обеспечения безопасности персонала.

Серьёзных успехов за последнее десятилетие в мире и в Украине добились в повышении стойкости футеровки конвертеров, главным образом, благодаря использованию периклазо-углеродных огнеупоров, разбрызгиванию конечного  шлака по футеровке и разным видам торкертования. Достигнуты рекордные показатели – 17 тыс. плавок (США), 12 тыс. (КНР), 5 тыс. (Россия), 2,5 тыс. (Украина).

Существенную роль в повышении стойкости футеровки играют лазерные системы измерения профиля и стенок местного износа огнеупоров, которые обеспечивают автоматическое сканирование и выдачу данных об их состоянии для оперативного вмешательства разбрызгиванием шлака или торкретированием.

Высокая стойкость огнеупорной футеровки допускает, для исключения остановок, выведение на соответствующий уровень всех вспомогательных систем и оборудование конвертера: механического привода, системы фурм, улавливание и очистку конвертерного газа, оборудования для транспортирования стали и шлака. Кроме того, в США выявлен интерес к внедрению систем с отведением конвертерного газа без дожигания и водным охлаждением камина под повышенным давлением, уже много лет применяемым в Японии и Европе; добавлено только защитное покрытие рабочей поверхности труб камина и модернизировано конструкцию последнего.

Системы автоматического управления конвертерным процессом на разных заводах заметно отличаются: от вполне автоматизированных до управления отдельными операциями (шихтовкой, потерями кислорода, введением флюсов и т. д.). Наиболее прогрессивные реализуют “прямой выпуск” стали в момент получения заданного химического состава и температуры. Система с погружением сенсорного датчика в конвертерную ванну включает  статическую модель расчёта шихты, динамическую модель контроля химического состава и температуры металлической ванны в процессе продувки по анализу отходящих газов и прямыми замерами при помощи сенсорных датчиков, а также модель “прямого выпуска” с определением момента окончания продувки. Модель рассчитывает содержание углерода, марганца и фосфора, сравнивает с результатами прямого измерения датчиками и выполняет корректирование. Специальная модель определяет содержание азота, серы и цветных металлов (Cr, Ni, Mo, Cu). По результатам определений производится “прямой выпуск”.

На многих заводах мира к общей системе автоматизации процесса включена автономная система регулирования шлакообразования и предотвращения выбросов по типу системы НМетАУ. Система включает:

-     виброметр на кислородной фурме, который регистрирует вибрацию фурмы, что отображает изменение уровня кинетической энергии газа в процессе вспенивания шлака;

-     модель металлургических реакций, которая служит для определения физических свойств шлака и оценке его склонности к вспениванию на основе информации о процессе продувки.

На основе обработки информации по этим трём компонентам комплексно оценивают вероятность выбросов. Если она превышает какое-то граничное значение, система автоматически выбирает параметр управления и реализует его (высота подъёма фурмы, расход кислорода на верхнюю продувку, расход газа на донную продувку, масса загружаемых материалов).

Используя рентгеновский флуоресцентный анализатор, разделяют пыль и шлам с разным содержанием цинка. Содержание цинка в пыли резко снижается после окончания 40 % длительности продувки. 30 – 40 % массы всей пыли, т. е. пыль первой половины, рециркулируют для добычи цинка. Остальные 60 – 70 % пыли обрабатывают для получения брикетов, которые загружают назад в конвертер или используют при агломерации железной руды.

За последние 15 лет создано значительное количество устройств для бесшлакового слива стали в ковш с применением механического закрытия лётки, в том числе с электромагнитным определением момента появления в ней шлака, после чего лётка сразу закрывается шлаковым стопором. Но наиболее эффективным оказалось применение в Японии, Китае и Европе газодинамического отсечения шлака (достигают попадания его в количестве меньше 1 кг/т стали).

Переработка шлака в конвертерных цехах до этого времени остаётся технологически примитивной и экологически неусовершенствованной. Некоторое его количество используют как добавку к удобрениям. Модифицирование шлака (при ускоренном охлаждении) позволяет использовать его в качестве заменителя портландцемента. Изучается возможность применения сухой грануляции шлака для получения продукта с повышенной потребительской стоимостью, при этом гранично уменьшаются загрязняющие выбросы. В стадии разработки находится вариант приёма клака для грануляции не из шлаковой чаши или шлаковоза, а непосредственно из конвертера, что имеет ряд преимуществ.

Продолжаются исследования вариантов по переработке повышенных расходов металлолома в конвертерах. Их принцип мало отличается от разработанных в своё время отечественных технологий, сама же замена чугуна ломом резко снижает энергоёмкость стали.

Повышение в последнее время требований к качеству продукции на рынке металла привело к разработке способов и технологических вариантов получения сталей с ультранизким содержанием примесей элементов (например, IF-сталей), которые обеспечивают уникальные свойства металлоизделий.

Высокой частоты стали по примесям можно достичь лишь при использовании высококачественной шихты. Несмотря на появление новых альтернативных материалов, самым важным остаётся чугун. В настоящее время конвертерный процесс рассматривается как комплексный, что включает подготовку чугуна, собственно процесс плавки и внепечное рафинирование стали, включая обработку её в промежуточном ковше.

Наибольшее развитие получила внедоменная десульфурация чугуна. Несмотря на разнообразие решений, основными признаками технологий является: процесс, основанный на вдувании при помощи фурмы, в качестве газа-носителя в большинстве случаев используют азот, десульфуратора – смеси на основе карбида кальция + известь (известняк) или смеси на основе магния + известь или карбид кальция. Предусматривается вдувание в ковши торпедного типа (сейчас используется мало из-за проблемы скопления в них шлака) или в заливочные ковши. Для повышения эффективности применяют специальную инжекцию (ко-инжекцию) – подачу двух (или даже трёх) компонентов к фурме, которая погружается при помощи раздельных узлов вдувания.

Всё шире используют внедоменную десиликонизацию и десульфурацию чугуна, они становятся основой комплексной его обработки. При этом на первом этапе чугун десиликонизируют во время выпуска на жёлобе доменной печи, а потом дефосфорируют и десульфурируют на установках, расположенных по маршруту передачи чугуна из доменного цеха в конвертерный, и обезуглероживают в конвертере. Для десиликонизации используют или окалину с известью, или смесь шлаков агломерационного производства с известью, что снижает содержание кремния до 0,15 – 0,20 %. Дефосфорируют чугун обычно в торпеде отдельно, или вместе с десульфурацией. В первом случае чугун обрабатывают известково-железистыми шлаковыми смесями (например, 40 % CaO; 40 % Fe₂O₃; 12 % MgO; 8 % MnO) с расходом ~20 кг/т, во втором – вдуванием рафинирующих смесей (материалов, содержащих известь) через наклонную фурму. Содержание фосфора снижают до 0,010 %.

Снижение содержание кремния в чугуне обеспечивает не только возможность последующей внепечной дефосфорации и эффективной малошлаковой технологии в конвертере, но и позволяет получить существенную экономию при выплавке чугуна. В целом оно становится одним из главных направлений усовершенствования технологий в комплексах доменная печь – кислородный конвертер.

Наряду с внедоменной десиликонизацией, на многих заводах Европы и Японии за счёт усовершенствования непосредственно доменной плавки также обеспечивают низкое содержание кремния в чугуне, который подаётся в конвертерный цех,  – до 0,30 – 0,35 %.

Внедрение малошлаковой технологии (2 – 4 % шлака в конвертере от массы стали вместо обычных 12 – 15 %) повышает выход годного на 1 – 2 %, стойкость футеровки и допускает возможность прямого легирования металла в конвертере добавками марганцевой руды.

Проблема производства стали с низким содержанием азота сводится к предотвращению его попадания в металл на конечной стадии продувки в конвертере (путём вспенивания шлака, например, добавками сырого доломита) и на последующих этапах. Комбинированная продувка в конвертере приближает реакцию окисления углерода к равновесию и снимает переокисление металла и шлака. Последующее снижение содержания кислорода и удаление из стали водорода обеспечивают обработкой её после выпуска в разного типа вакууматорах. В мире в среднем вакуумируют 8 % произведённой стали, в Японии – 40 %. Предусматривается, что до 2010 г. в мире будут вакуумировать 27 % выплавляемой стали.

Агрегаты типа ковш-печь с вакуумированием наиболее многопрофильные, в них можно проводить практически всю обработку стали, особенно когда предусмотрена возможность скачивания шлака из ковша. Они пригодны для производства всех сталей, выпускаемых сегодня, и легко размещаются в действующих конвертерных цехах. Усовершенствование агрегатов направлено, главным образом, на создание условий, способствующих ускорению и углублению хода процессов рафинирования. Это, в первую очередь, мероприятия, способствующие интенсификации перемешивания металла в ковше. Они необходимы для всех видов внепечной обработки. В ковше-печи и агрегатах циркуляционного вакуумирования они  осуществляются за счёт усовершенствования оборудования для введения инертного газа, оптимизации расположения продувочных устройств, периода и интенсивности (режима) введения газа; для агрегатов порционного и циркуляционного вакуумирования – усовершенствованием конструкции камеры и патрубков. В агрегатах типа ковш-печь применяют электромагнитное перемешивание, часто вместе  с продувкой аргоном.

Следует заметить, что на многих зарубежных заводах, учитывая постоянное усложнение сортамента выплавляемых сталей и необходимость достижения невероятно высокого уровня комплекса требований к их качеству и свойствам, считают необходимым иметь в конвертерных цехах набор разных способов и методов внепечного рафинирования для обеспечения решения практически любой задачи.

Новым является обезуглероживание стали до ультранизких концентраций, удаление водорода и, в ряде случаев, азота в циркуляционных вакууматорах с подачей кислорода через водоохлаждаемую фурму в вакуумную камеру при так называемом “KTB-процессе” (Kawasaki Top Blowing). Если брать во внимание уже изученные возможности дальнейшего повышения эффективности внепечной обработки, с использованием способа “KTB”, в том числе вдуванием флюсов через фурму, то можно считать, что способ “KTB” станет основой для сосредоточения всех функций внепечного рафинирования сталей. В последнее время число таких комплексных агрегатов растёт быстрыми темпами. Нам необходимо также учесть, что в развитых странах, с применением разных методов внепечного рафинирования, выпускается 80 % сталей (для изделий ответственного назначения).

Для снижения производственных расходов и повышения качества металла на МНЛЗ рекомендуется следующее:

- для всех видов заготовок целесообразно использование вертикальных машин с изгибом их в горизонтальное положение;

- использование промковшей повышенной ёмкости и высоты, кристаллизаторов с переменной по высоте конусностью с более доскональным режимом шатания;

- электромагнитное торможение потоков стали  в кристаллизаторе и мягкое обжатие незатвердевшего слитка в зоне вторичного охлаждения;

- термическое влияние на заготовку в зоне окончания затвердевания.

     Исключительно важным аспектом, без которого техническое перевооружение вряд ли возможно, является налаживание сотрудничества в новых условиях между учебными, научными, проектными учреждениями и собственниками предприятий.  Это позволит решить вопросы повышения технологического уровня, экологической безопасности, ресурсо- и энергосбережения в сокращённые сроки.