Назад в библиотеку

КОНВЕРТЕРНОЕ ПРОИЗВОДСТВО В УКРАИНЕ И В МИРЕ

Автор: А.И. Троцан, А.В. Турков
Источник: http://www.confcontact.com/

КОНВЕРТЕРНОЕ ПРОИЗВОДСТВО В УКРАИНЕ И В МИРЕ

Совершенствование технологии конвертерного процесса является наиболее актуальной задачей современной чёрной металлургии. В силу того, что 70% стали в мире производится данным способом, существует острая потребность оптимизации затрат для него. Для отечественных предприятий это особенно важно, потому как они находятся на стадии реформирования и реорганизации своих технологий.

Вопросу совершенствования конвертерного процесса уделяется огромное внимание и в странах СНГ, и в Европе, и в Японии, и в США, что лишний раз доказывает важность поднимаемого вопроса. Решением данной проблемы занимались и занимаются следующие учёные: Протопопов Е.В., Меджибожский М.Я., Харлашин П.С.,Соколов В.В.,Комшуков В.П., Айзатулов Р.С. , а так же многие зарубежные учёные.

В настоящее время в Украине шесть конвертерных цехов (металлургические комбинаты Арселор Миттал Кривой Рог, Азовсталь, им. Ильича и Днепровский, а также Днепропетровский и Енакиевский металлургические заводы), имеющих в своем составе 16 кислородных конвертеров и один конвертер для газокислородного рафинирования (завод Днепроспецсталь). Примечательно то, что в большинстве из них разливка стали осуществляется на МНЛЗ (исключение – Арселор Миттал Кривой Рог и Днепропетровский металлургический завод).

В настоящее время в мире эксплуатируется около 280 кислородно-конвертерных цехов, имеющих в своем составе до 700 конвертеров, производящих 65,5% от суммарного мирового объема металла (811 млн. т в 2006 году). При этом,только 18 цехов в мире имеют в своем составе сверхкрупные конвертеры емкостью 290-300 т и более. Четыре из них находятся в России (Череповецкий, Магнитогорский, Новолипецкий и Западносибирский меткомбинаты), четыре – в Японии (JFE Steel, заводы Mizushima и Keihin; Nippon Steel, заводы Yawata и Kimitsu), два – в Германии (TKS ThyssenKrupp Stahl и Arcelor Mittal, завод Stahlwerke Bremen), по одному – в Украине(Азовсталь), США (Weirton Steel), Южной Корее (Posco), Польше (Arcelor Mittal, завод Huta Katowice), Великобритании (Corus/Tata Steel, завод Scunthorpe), Франции (Arcelor, Fos sur Mer), Индии (компания SAIL, завод Bokaro) и Нидерландах (Corus/Tata Steel, завод Hoogovens IjmuidenBV). При этом, как показывает практика, конвертерный цех в составе трех 400 тонных конвертеров может обеспечить годовой объем производства на уровне 10 млн.т. [1].

В числе основных производителей стали в кислородных конвертерах следует назвать КНР, Японию, США, Россию, Южную Корею, Бразилию, Украину, Индию и пр. Обращает на себя внимание тот факт, что 5 ведущих производителей конвертерщиков обеспечивают две трети, а 10 ведущих производителей – четыре пятых ее мирового производства. При этом, в 2006 году КНР произвела 45% всей конвертерной стали в мире [1]. Это свидетельствует о том, что для конвертерного способа производства характерна высокая концентрация в небольшом количестве промышленно развитых стран. Причем, доля полученной по такой технологии стали в общем объеме производства в этих странах колеблется весьма существенно: от 43,1% (США) и 56,4% (Украина) до 87% (КНР) и 74% (Япония).

Между тем, наблюдаемый в последнее десятилетие рост объемов производства конвертерной стали в мире достигнут, главным образом, за счет КНР, в меньшей степени – России, Украины, Японии и Индии. В то же время, годовые объемы ее производства снизились в США (более чем на 10 млн. т) и странах ЕС 15 (на 5,5 млн. т). Исходя из того факта, что Япония, Россия и Украина известны как ведущие экспортеры металлопродукции на мировом рынке, ситуация на котором весьма сложная, можно предположить, что серьезного прироста объемов такой продукции в США и Европе не будет. Возможно, что в РФ и Украине определенный приток конвертерной стали реален в случае реструктуризации цехов с мартеновскими печами.

Так, в последние два года наиболее значимым инновационным проектом в Украине является реконструкция сталеплавильного производства Алчевского меткомбината. При этом соответствующей программой предполагалось строительство нового кислородно-конвертерного цеха с массой плавки 300 т (генподрядчик – Siemens VAI). Длительность плавки от выпуска до выпуска – 40 минут. Среднесуточная производительность (с учетом общего количества плавок в год и полного рабочего времени): один конвертер (первая очередь) – 29 плавок; два конвертера (полное развитие) – два конвертера (полное развитие) – 58 плавок. Максимально возможная годовая проектная производительность конвертерного цеха составляет 5,5 млн. т. Кроме того, в состав конвертерного цеха входят двухпозиционный агрегат печь-ковш, вакууматор камерного типа и две двухручьевые слябовые МНЛЗ номинальной мощностью 2,5 млн. т в год каждая, запущенные в 2005 и 2006 годах соответственно. В проекте конвертерного цеха предусмотрен участок десульфурации чугуна. Следовательно, основной прогресс в кислородно-конвертерном процессе будет достигаться в части его технологического совершенствования и автоматизации, которые будут обеспечивать дополнительный энерго- и ресурсосберегающий эффект, большую экологическую безопасность при повышении удельной производительности, а также обеспечивать оптимальные экономические показатели [1].

Рассмотрим основные направления развития конвертерного процесса, обеспечивающие повышение качества металла.

К примеру, оперативный контроль по ходу кислородно-конвертерной плавки представляется весьма важным элементом, обеспечивающим контроль химического состава металла и его температуры, а также веса плавки, металлолома, железной руды (или окалины), обожженной извести и доломита. Такая стратегия, в конечном счете, минимизирует количество додувок и добавок охладителя. Используемые системы автоматического контроля и управления процессом конвертерной плавки базируются либо на статистических, либо на динамических моделях. В первом случае применяются компьютерные аналоги с накопленным в данных производственных условиях статистическим материалом. Однако такие модели требуют достаточно точной информации о химическом составе, весе и температуре заливаемого металла и заваливаемого скрапа, а также о химическом составе и размерах кусков извести, доломита и прочих флюсов. На практике это не всегда возможно обеспечить, так что точность таких моделей, как правило, не удовлетворяет производственников. Поэтому прямым развитием процесса моделирования стало введение в них вспомогательных параметров, контролируемых по ходу плавки. Например, для корректировки статистической модели может быть использована информация о химическом составе отходящих газов либо температура металла и активность кислорода, определяемая по ходу плавки. На нескольких заводах в Северной Америке, например, для оценки уровня содержания углерода в низкоуглеродистых сталях применяются световые сенсоры [2]. Эта система определяет интенсивность свечения в горловине конвертера в период продувки. Безусловно, динамические модели автоматического контроля более эффективны, поэтому следует ожидать их дальнейшего усовершенствования, особенно в части создания новых приемов измерения (контроля) используемых в модели корректирующих параметров.

Что касается разработок в области дутьевых режимов, то с середины 70-х годов, многие ведущие металлургические компании, в том числе украинские, приступили к разработке своих модификаций кислородно-конвертерного процесса, сводя все, по сути, к организации комбинированной (верхней и донной) продувки с учетом специфики каждого конкретного сталеплавильного производства. На практике различают следующие схемы комбинированной продувки с вдуванием:

Выбор вариантов комбинированного процесса зависит от многих факторов и определяется, прежде всего, сортаментом выплавляемой стали, наличием достаточного количества чугуна и требованиями экономического и конъюнктурного характера. Так, например, весомо влияют на долю жидкого чугуна и лома в шихте соотношение цен на эти материалы и, в конечном счете, экономика процесса [4].

Вместе с тем, наибольшее распространение в мире получила комбинированная продувка кислородом сверху и нейтральным газом снизу [2]. По такой технологии в мире работает около 80% от общего числа конвертеров. Через донные фурмы могут вдуваться не только аргон или азот, но и CO2 с интенсивностью до 0,1 куб. м(т) в минуту и даже СО. Все шире в мировой практике применяют вдувание снизу нейтрального газа после завершения кислородной продувки сверху. В целом же комбинированная продувка обеспечивает: снижение окисленности конечного шлака на 10-20% и повышение выхода годного на 0,2-0,3%; высокую гомогенизацию металла в конвертере по составу и температуре; повышение точности попадания в анализ на выпуске (сокращается средняя продолжительность продувки на 0,5-1,5 мин.); уменьшение содержания углерода в конце продувки; сокращение расхода раскислителей и пр. [3].

Если говорить об операции скачивания шлака, то здесь одной из важних технологических операций, обеспечивающих повышение качества производимой металлопродукции, является обнаружение и отсечка шлака в ходе технологического перелива металла из конвертера в ковш. По оценкам разных исследователей количество попадающего в ковш шлака во время выпуска стали из конвертера распределяется следующим образом: 15-20% – в начале выпуска, 65-70% – в конце, 15-20% – во время возврата конвертера в рабочее положение. При сливе металла из конвертера в ковш оператор наблюдает за вытекающей струей металла и по изменению ее цвета, а также по характерному шумовому эффекту, создаваемому падающей струей, судит о проникновении в нее шлака и поворачивает конвертер в исходное – вертикальное – положение при обнаружении признаков устойчивого появления шлака в струе. Вместе с тем, результат в таком случае сильно зависит от квалификации оператора. Зачастую условия процесса (состав шлака и пр.) не позволяют точно идентифицировать момент проникновения шлака даже опытному оператору.

На практике для фиксирования шлака в струе вытекающего металла наиболее широко применяется электромагнитный метод, имеющий высокую точность и быстродействие измерений при их независимости от акустических и визуальных помех и т.п. Вместе с тем, этот метод не лишен определенных недостатков, заключающихся, прежде всего, в сравнительно низкой чувствительности индуктора, что предполагает отдачу контрольного сигнала на ранней стадии появления шлака и дополнительные потери металла при сливе. При использовании автоматических систем раннего обнаружения шлака при сливе металла из конвертера отсечка может происходить простым поворотом конвертера в исходное положение или с помощью специальных устройств – заглушек [5]. Примером такого устройства может служить газодинамическая система отсечки шлака. При обнаружении шлака в струе металла в выпускное отверстие снизу под большим давлением подается газ, очищающий выпускной канал и размазывающий шлак по внутренней поверхности отверстия конвертера. Недостатком системы является уязвимость сопла, через которое подается газ. Оно забивается шлаком и подлежит частой очистке. Другой пример устройства для отсечки шлака – система типа шиберный затвор, которая перекрывает сливное отверстие конвертера в соответствии с командой оператора. В целом она представляется достаточно громоздкой и дорого стоящей, а ее успешное применение во многом определяется условиями работы шибера. Следует иметь в виду, что для большинства работающих конвертеров расстояние между выходным торцом летки и зеркалом металла в ковше достаточно небольшое (менее 1 м). Соответственно на шиберный механизм действует мощный тепловой поток, что может привести к преждевременному разрушению механизма. Кроме того, использование такой системы требует наличия шиберных плит специального формата, что существенно ограничивает круг производителей этих изделий.

Альтернативой для автоматических методов определения проникновения шлака в струю металла, предполагающих соответствующее оборудование для прекращения процесса истечения, стали так называемые пассивные методы отсечки шлака. Их действие основано на определенных физических эффектах в критических условиях: система керамического стопора (тампона) для отсечки первичного шлака, который устанавливается в сливном отверстии, и система типа поплавок (шар или конус) для отсечки шлака в конце слива металла. Для отсечки шлака, попадающего в ковш вместе с последними порциями металла, наиболее целесообразно использовать систему заглушки поплавкового типа, устанавливаемой в зоне слива металла. Следует иметь в виду, что слив металла из конвертера сопровождается образованием в жидкой ванне воронки, которая, вращаясь, затягивает в струю вытекающей стали шлак. Наиболее эффективной системой отсечки представляется поплавковая система типа конус. При этом, для отсечки шлака используется керамический поплавок, снабженный цилиндрической направляющей, которая при его установке в конвертер проникает в сливное отверстие, предотвращая тем самым возможность смещения поплавка относительно отверстия при сливе металла, как это может происходить при использовании поплавка в виде шара. Максимальная эффективность по степени отсечки шлака достигается за счет выбора рациональной плотности керамического материала, что обеспечивает расположение конуса на границе шлак-металл. Варьирование геометрических размеров конуса позволяет учесть вязкость и толщину слоя шлака, а также внутренний диаметр отверстия. По данным компании Corus, на металлургическом заводе B.S. Scunthorpe (Великобритания) система отсечки типа конус в 1999-2000 годах успешно выполнила свои функции в 99,4% случаев (всего около 15 тыс. плавок). При этом, в ковш попадало не более 300-500 кг шлака. Экономический эффект от использования такой системы отсечки шлака составил $1,0-1,4 на т стали, в том числе от уменьшения угара алюминия и ферросплавов соответственно $0,12 и 0,14 на т, а от снижения удельного расхода огнеупоров $0,16 на т. [5].

Как видно из вышеизложенного материала, у предприятий отечественной металлургии сохраняется огромный потенциал развития. При концентрации внимания научных кадров на проблемах чёрной металлургии Украины, в частности на организации оперативного контроля по ходу плавки, на организации рационального дутьевого режима процесса и на своевременной отсечке конвертерного шлака, можно будет значительно улучшить показатели эффективности конвертерного процесса в целом, что обязательно скажется на себестоимости выплавляемой продукции в сторону её снижения.

Список использованной литературы

1. Освоение технологии комбинированной продувки в 160–т конвертерах / Смирнов Л.А., Бабенко А.А., Данилин Ю.А., Мухранов Н.В., РемигоС.А. // Сталь. – 2010. – №5. – С. 43-45.
2. Закономерности формирования расплавов на основе железа и металлургические резервы улучшения эксплуатационных свойств сталей /Бурмасов С.П., Гудов А.Г., Дегай А.С., Степанов А.И., Смирнов Л.А. // Сталь. – 2010. – № 8. – С. 42-46.
3. Попков М.Н. Опыт и перспективы развития горизонтальной непрерывной разливки стали / Попков М.Н., Решетов В.В., Трушин А.И. // Сталь. – 2010. – №1. – С. 24-33.
4. Влияние некоторых фактов на перемешивание расплава при его обработке на установке ковш-печь средней мощности / Пиптюк В.П., Поляков В.Ф., Самохвалов С.Е. и др. // Металл и литье Украины. – 2011. – №1. – С. 7-10.
5. Технолого–экономический аудит металлошихты сталеплавильных процессов / Бергеман Г.В., Пищида В.И., Шибко А.В. и др. // Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2011. – №1. – С.16-20.