Смирнов А. Н., Пилюшенко В. Л., Минаев А. А., Момот С. В., Белобров Ю. Н.

Процессы непрерывной разливки. – Донецк: ДонНТУ, 2002. – Глава 7, с.433 - 440

Учитывая ситуацию, которая складывается в последние годы в Украине (дефицит и рост цен на энергоносители, рост цен на сырье и огнеупорные материалы и т.п.) проблема оптимизации технологической схемы получения стального проката становится все более актуальной. Сложившаяся в настоящее время высокая энергоемкость на получение 1 т готового проката в Украине в значительной мере обусловлена устаревшей и несовершенной структурой сталеплавильного производства. Низкая, относительно развитых стран, доля производства стали прогрессивными способами: конвертерного, электропечного, комплексной внепечной обработки и непрерывной разливки обусловили производство наиболее массовых видов проката с использованием слитков непрерывно заготовочных станов, блюмингов и слябингов вместо эффективной прокатки из непрерывнолитой заготовки.

Общеизвестно, что непрерывная разливка стал.и имеет ряд экономических преимуществ по сравнению с разливкой стали в слитки, В результате повышения выхода годного при разливке стали на МНЛЗ по сравнению с разливкой в изложницы расход чугуна на 1 т непрерывнолитых заготовок оказывается ниже, что соответственно снижает расход кокса. Кроме того, вместо этого чугуна можно использовать металлолом, что примерно на 9% снижает расход первичных энергоносителей. Поскольку при непрерывной разливке отпадает необходимость в использовании нагревательных колодцев, соответственно экономится и топливо, используемое для обогрева этих колодцев. В общем, с учетом всех этапов, расход первичных энергоносителей на 1 т заготовок снижается 2,5...2,8ГДж.

В 2001г. и 2000 г. в Украине на МНЛЗ было разлито соответственно 6,37 млн. т и 4,55 млн. т стали, из которой большая часть представляет собой сляб. В 2002 г. объем непрерывной разливки стали в Украине, видимо, еще возрастет за счет увеличения объемов производства непрерывнолитого блюма на Днепровском металлургическом комбинате и сортовой квадратной и круглой заготовки на ЗАО “ММЗ-ИСТИЛ (Украина)”.

По самым скромным оценкам, энергетические затраты на производство 1 т стали в Украине в 1,5-1,8 раза выше, чем в ведущих промышленно развитых странах мира (США, Япония, Германия и пр.)- Например, удельная энергоемкость 1 т готового проката в настоящее время составляет примерно 1,8 тонны условного топлива в среднем для основных металлургических предприятий Украины. Поэтому перевод ведущих сталеплавильных цехов Украины на 100% разливку с помощью МНЛЗ позволит уменьшить удельные энергетические затраты, по меньшей мере, на 30-35%. При этом наибольший энергосберегающий эффект может быть достигнут на основе оптимизации всего сталеплавильного цикла и его сопряжения с прокатными станами в рамках конкретного металлургического предприятия.

Основной концепцией такой оптимизации, видимо, следует считать обеспечение максимально возможного энергосберегающего эффекта, достигаемого на основе совершенствования технологического процесса производства чугуна и стали, механизма управления, повышения качества продукции и уровня ее полезного использования.

Общая схема современного производства стальной заготовки, которая включает в себя технологические этапы подготовки шихтовых материалов, выплавки стали в кислородных конвертерах, мартеновских или электродуговых печах, выпуска и доводки стали в ковше (коррекция химического состава и температуры стали), а также разливку на машинах непрерывного литья заготовки (МНЛЗ) или в слитки, в обобщенном виде представляет собой технологический цикл нагрева исходных шихтовых и вспомогательных материалов и последующего охлаждения конечной заготовки. Это связано с большими потерями теплоты технологических полупродуктов в окружающую среду в ходе процесса выплавки и технологических переливов металла.

Не останавливаясь на подробном анализе технологических и экономических преимуществ и недостатков современных способов производства и разливки стали, отметим лишь, что по оценкам большинства зарубежных и отечественных экспертов энергетические затраты на производство 1 тонны стальной заготовки в конвертерном цехе с непрерывной разливкой стали составляют примерно 40-45% от энергетических затрат на производство при выплавке стали в мартеновском цехе с разливкой в слитки и последующим обжатием на блюминге или слябинге.

Такое различие в энергозатратах на производство стальной заготовки в целом предопределяет стратегические особенности трансформации металлургических предприятий Украины: скорейшее уменьшение доли производства стали в мартеновских цехах за счет реконструкции существующих конвертерных цехов и оснащения их современными МНЛЗ.

Кроме того, определенный резерв в сокращении энергетических затрат для металлургического комплекса Украины может быть реализован при проведении реконструкции имеющихся электросталеплавильных цехов по схеме “мини металлургический завод”. Объективная предпосылка успешного функционирования мини заводов имеется, поскольку ежегодно на рынке Украины продается на экспорт несколько миллионов тонн металлолома. Практика функционирования современных мини металлургических заводов показывает, что энергетические затраты при Производстве стальной заготовки сокращаются примерно на 30% в сравнении с кислородно-конвертерным цехом, оснащенным МНЛЗ. Вместе с тем следует считать, что в ближайшее десятилетие кислородно-конвертерный способ производства стали станет главенствующим в структуре металлургического комплекса Украины.

Системный анализ энергетической эффективности основных технологических этапов выплавки стали и получения стальной заготовки в условиях конвертерного цеха, выполненный на основе сравнения реальных данных и результатов расчетов для термодинамически идеализированной системы, однозначно подтверждает наличие широких потенциальных резервов для энергосбережения. При этом одним из ключевых элементов системы энергосбережения в рамках сталеплавильного цеха является этап разливки стали на МНЛЗ. Это объясняется тем, что именно цикличность разливки стали на МНЛЗ во многом определяет ритмичность работы цеха в целом. Любые простои оборудования и дополнительная выдержка металла в ковше или сталеплавильном агрегате, по сути, сопровождаются потерей определенного энергетического потенциала.

Сравнение показателей работы известных в мире производителей стали показывает, что существенного снижения потребления энергоносителей и уменьшения удельного расхода сырья и вспомогательных материалов удается достигнуть в случае обеспечения высокой удельной производительности сталеплавильных агрегатов при условии достижения максимального согласования ритма их работы с ритмом работы МНЛЗ. Вместе с тем для большинства отечественных МНЛЗ средний показатель их производительности представляется достаточно низким, поскольку он в 1,5-2,0 раза ниже, чем у лучших западных аналогов. Это негативно сказывается на количественных показателях выхода годного металла, а также удельного расхода огнеупоров и потребляемой энергии.

Учитывая этот факт, можно утверждать, что одной из главных задач развития технологии разливки и конструкций МНЛЗ (наряду с повышением качества заготовки) является проведение комплекса мероприятий по организационному и эксплуатационно-технологическому совершенствованию и технической модернизации элементов действующих установок, позволяющих существенно повысить их производительность с целью использования резервов энерго- и ресурсосбережения, имеющегося в действующей системе сталеплавильного цеха.

Повышение производительности МНЛЗ и выхода годной заготовки может быть достигнуто, главным образом, при увеличении серийности разливки с возможным увеличением длительности эксплуатации каждого промежуточного ковша. Основным лимитирующим звеном при эксплуатации промковшей является стойкость рабочего слоя их футеровки (зона прямого воздействия падающей струи и шлаковый пояс), а также работоспособность стопоров-моноблоков и стаканов-дозаторов в части обеспечения режима дозирования стали в течение всей разливки.

В настоящее время, например, на Днепровском металлургическом комбинате, металлургическом комбинате им. Ильича и Череповецком металлургическом комбинате “Северсталь” разливка стали из одного промковша осуществляется в течение 18-20 часов и более, что следует считать достаточно высоким показателем.

В условиях ДМК переход на промышленную разливку металла длинными сериями обеспечил целый ряд технологических и экономических преимуществ, существо которых сводится к заметному энерго- и ресурсосбережению в сталеплавильном переделе. Так, на рис.7.1 представлена диаграмма изменения требуемой температуры стали на выпуске при разливке на МНЛЗ. В целом увеличение серийности разливки, например, до 12 плавок позволяет стабилизировать работу конвертеров за счет уменьшения в 2-3 раза числа плавок, перегретых на 10-15°С. Необходимость таких перегретых плавок, как известно, определяется потребностью в прогреве футеровки промковша на первой и второй плавках. Установлено, что увеличение серийности разливки до 12-14 плавок позволяет снизить удельный расход энергии в среднем на 2,5-3,0 кг условного топлива на тонну стали. Снижение тепловой нагрузки на футеровку конвертера позволило повысить длительность ее эксплуатации в среднем на 60-80 плавок, что эквивалентно снижению удельного расхода огнеупоров в среднем на 0,08-0,10 кг на тонну стали.

С другой стороны, увеличение серийности разливки до 12-14 плавок позволяет значительно снизить удельный расход огнеупоров на тонну разливаемой стали (рис.1) и уменьшить затраты природного газа на подогрев промковшей перед разливкой.

Рис.1 Зависимость удельного расхода огнеупоров от числа разливаемых плавок: 1 - кирпичная шамотная футеровка; 2 - комбинированная футеровка шамотный кирпич и торкрет — покрытие; 3 - комбинированная футеровка: наливной высокоглиноземистый бетон и торкрет-покрытие

Рис.2 Динамика роста объемов непрерывной разливки стали на Днепровском металлургическом комбинате

Динамика роста объемов непрерывной разливки стали на Днепровском металлургическом комбинате в течение последних лет представлена на рис.2.

Переход на разливку стали сериями по 12-14 плавок (из одного промковша) позволил уменьшить расход природного газа на подготовку промковшей в среднем на 1,45-1,55 нм³ на тонну разливаемой стали (при экономии расхода энергии в целом на 21-25 кг у.т./т стали), снизить расхода огнеупоров в среднем на 6,2-6,4 кг/т стали (для шамотной футеровки), обеспечить выход годной заготовки в пределах 98,5-99,3%.

Дальнейшее снижение удельного расхода огнеупоров может быть достигнуто при применении технологии нанесения специального торкрет-покрытия на основе MgO либо на шамотный кирпич, либо на наливную высокоглиноземистую бетонную футеровку. В обоих случаях торкрет-покрытие используется только в течение одной серии, а кирпичный или бетонный слой используется многократно.

При этом следует иметь в виду, что использование наливных бетонных футеровок обеспечивает низкий удельный расход огнеупоров только при условии систематического проведения ремонтов футеровки, что требует дополнительных затрат дорогостоящих ремонтных материалов и затрат рабочего времени. Кроме того, высокая стоимость высокоглиноземистых наливных бетонов, которая в 3-4 раза превышает стоимость шамотного кирпича, во многом ограничивает область их применения для промковшей МНЛЗ. Вместе с тем, использование в качестве рабочего слоя дешевого отечественного шамотного кирпича совместно с торкрет -покрытием позволяет снизить удельные затраты на огнеупоры в среднем в 1,7-2,5 раза.

В целом же полученные результаты доказывают, что совершенствование технологии непрерывной разливки стали и повышение производительности МНЛЗ являются ключевыми элементами при разработке комплекса энерго- и ресурсосберегающих мероприятий в рамках современного конвертерного цеха.