НЕПРЕРЫВНАЯ РАЗЛИВКА

КАК И КОГДА ПРИШЛИ МАРТЕНОВСКИЕ ПЕЧИ В УКРАИНУ

6.06.2011
А.Н.Смирнов, В.М.Сафонов

Обычно рождение мартеновского (сименс-мартеновского) процесса датируют 28 июля 1865 г. когда Пьер Эмиль Мартен получил расширенный патент на изобретение «пудлинговой печи, работающей как печь плавления». В ноябре 1866 г. П. Мартен и В. Сименс заключили соглашение, в соответствии с которым В. Сименс становится участником патента П. Мартена. Мартеновский процесс достаточно быстро начал распространяться в ряде стран. Первые промышленные печи были построены: во Франции - в 1866 г., в Англии, Австрии и США - в 1868 г., в России, Германии и Швеции - в 1869 г., в Италии - в 1870 г.

До тех пор, пока мартеновское производство осуществлялось исключительно в печах с кислой футеровкой, оно развивалось сравнительно медленно. Это, впрочем, и неудивительно, поскольку мартеновская сталь стоила дороже и была менее качественна, чем бессемеровская. Промышленная разработка томасовского процесса открыла дорогу применению основной футеровки и в мартеновских печах, после чего началось стремительное развитие мартеновского производства стали: за десятилетие с 1880 по 1890 г. мировая выплавка стали в мартеновских печах выросла с 0,5 до 3 млн. т.

Универсальность технологии мартеновской плавки позволяла ее легко адаптировать к особенностям конкретного промышленного производства. При этом чугун мог поступать в печь в жидком виде, если работу организовывали на заводах, имеющих избыток собственного передельного, относительно дешевого чугуна, а в противном случае мартеновские печи могли работать скрап-процессом на полностью твердой шихте. Как показала практика производства стали, мартеновские печи наиболее удачно вписывалась в производственную цепочку и способствовали совершенствованию металлургического производства в рамках господствующей в то время системы технологий вплоть до середины 60-х годов прошлого столетия. К 1920 г за счет падения производства бессемеровской стали и одновременного роста мартеновской в мире было выплавлено 60%, а в 1940 г. – 75% мартеновской стали.

Таким образом, сформированная в конце ХIХ века новая система металлургических технологий включала в себя производство жидкой стали в плавильном агрегате, разливку ее в слитки с последующей прокаткой на плоскую и сортовую продукцию. Несомненно, что такой подход открывал широкую перспективу для существенного увеличения производительности всех технологических агрегатов, повышения качества металлопродукции и механизации.

В Украине в годы первых советских пятилеток тенденции структура черной металлургии полностью соответствовали мировым аналогам (табл.1). Так, в 1940 г. из 8,3 млн. т стали, выплавленной на территории Украины: в мартеновских печах было произведено 78,5%; в бессемеровских и томасовских конвертерах - 15,6%; в дуговых сталеплавильных печах - 2,3%.

Таблица 1 – Изменение структуры производства стали за рубежом в период с 1920 по 1940 гг, %

Изменение структуры производства стали за рубежом в период с 1920 по 1940 гг, %

Политическая доктрина Советского государства этого периода основывалась на ускоренном развитии металлургической промышленности и предполагала существенное повышение объемов выплавки стали в короткий исторический срок за счет концентрации производства. При этом стоит особо отметить, что, не смотря на кардинальные идеологические и политические противоречия со странами Запада, новые металлургические заводы оснащали преимущественно передовой немецкой и американской техникой и технологией.

Так, на заводах Макеевском, им. Ф. Э. Дзержинского и «Запорожсталь» в годы довоенных пятилеток были построены новые мартеновские цехи по так называемому американскому типу с напольными завалочными машинами, что давало большие возможности для увеличения их производительности. В состав цехов входили крупные миксеры вместимостью 1200—1300 т, сталь разливали в изложницы, установленные на тележках, в слитки массой 5—7 т. Разливочные пролеты были оборудованы мостовыми кранами грузоподъемностью 200—250 т. Часть новых мартеновских печей построили в действующих и реконструируемых цехах.

В табл.2 приведены показатели оснащенности вводимых в действие новых сталеплавильных цехов и агрегатов на металлургических предприятиях Украины за период 1928—1940 гг.

Таблица 2 - Ввод в действие новых сталеплавильных цехов и агрегатов на металлургических предприятиях УССР за 1928—1940 гг.

Ввод в действие новых сталеплавильных цехов и агрегатов на металлургических предприятиях УССР за 1928—1940 гг.

В период Второй мировой войны украинская металлургическая промышленность и ее инфраструктура были полностью разрушены и лишь небольшая часть прокатного оборудования была эвакуирована на Урал и восточные районы Советского Союза. Сразу после освобождения территории Украины (в 1943 г.) от фашистских захватчиков приступили к ликвидации тяжелых разрушений и восстановлению металлургических предприятий. И уже в 1951 г. в возведенных, по сути, заново сталеплавильных цехах, был превышен довоенный объем выплавки стали. Кроме того, в этот период произошли и значительные события в развитии металлургической техники и технологии Украины. В 1946 г. на Новокраматорском заводе был отлит крупный слиток стали, массой 230 т, диаметром 2,7 и высотой 7,9 м для изготовления поковки вала генератора гидротурбины, а в 1950 г. на мартеновских печах Донецкого металлургического завода была впервые применена система испарительного охлаждения.

Необходимость дальнейшего наращивания производства стали в 50-60-е годы прошлого века выдвигает на передний план довоенную концепцию развития, которая заключалась в строительстве большегрузных мартеновских печей. Так, на основе сопоставительного анализа работы мартеновских печей с различной массой садки (от 70 до 300 т) в одних и тех же цехах ряда заводов были подробно показаны причины повышения технико-экономических показателей при увеличении вместимости печей. Было установлено, что при удвоении массы садки производительность печи возрастает, по меньшей мере, в полтора раза. При этом значительно снижается удельный расход топлива, капитальные затраты, которые для цеха с печами емкостью 370 и 500 т на 10—11% ниже, чем для цеха такой же производительности с печами вместимостью 185 и 250 т. Достаточно очевидно, что эксплуатация цеха с меньшим числом печей проще, что упрощает организацию производства и структуру управления. В 1951—1955 гг. на Украине были сооружены 27 мартеновских печей, из которых 12 имели вместимость 350—360 т. В 1956—1958 гг. впервые в СССР на Алчевском металлургическом заводе были построены четыре мартеновские печи вместимостью 500 т, а в 1959—1962 гг. на Криворожском и им. Ильича комбинатах введены два мартеновских цеха с крупнейшими в мире печами (из них 8 по 600—650 т и 3-по 900 т). После 1962 г. строительство мартеновских цехов в Украине было прекращено. Однако структура мартеновского производства Украины была сформирована как минимум на 20-25 лет с учетом срока окупаемости металлургического оборудования. При этом в 1965 г. в мартеновских печах вместимостью 300 т и выше выплавляли около 60% стали, а средняя вместимость печи в Украине достигла 269 т.

Таким образом, на протяжении всей современной истории черной металлургии Украины мартеновский способ выплавки стали занимал крайне важное значение. В середине 70-х годов прошлого столетия в Украине выплавлялось около 33-34 млн. т мартеновской стали в год, что составляло примерно две трети от всего объема выплавляемой стали.

Был ли обоснован такой подход, на фоне роста объема выплавки кислородно-конвертерного стали в Западных странах? Наш взгляд, да. Логика сформированной в Украине к 1962 году структуры мартеновского производства вполне оправдана и имеет серьезное обоснование. Для объяснения постараемся учесть следующие тенденции, обстоятельства и условия того времени.

Во-первых, мартеновские печи с наименьшими затратами в сравнении с электропечами позволяли переработать накопления послевоенного стального лома. При этом рост добычи природного газа в Украине, который начали широко применять для отопления мартеновских печей позволил упростить их конструкцию (замена трехканальных головок одноканальными) и на 20—25% увеличить площадь пода агрегатов в действующих цехах.

Во-вторых, ввод в действие последнего мартеновского цеха в Украине на металлургическом заводе им. Ильича нельзя рассматривать с позиции реалий 1962 г. – «в эпоху бурного распространения кислородно-конвертерного способа производства в мире мы продолжаем строить мартены». На самом деле научные, проектные и конструкторские разработки, геологические работы и начало строительства последнего мартеновского цеха с большегрузными печами относятся к середине 50-х годов, т. е. до начала «эпохи бурного распространения кислородно-конвертерного процесса».

В-третьих. В 1962 г. в Украине уже работали два кислородно-конвертерных цеха, а параллельно с мартеновским на металлургическом заводе им. Ильича строили новый кислородно-конвертерный цех (по разработанному к тому времени типовому проекту), который был пущен в 1964 г. При этом, за счет строительства новых цехов доля кислородно-конвертерной стали в общем объеме выплавки в Украине до середины 70-х годов непрерывно увеличивалась в соответствии с мировой тенденцией и в 1975 достигла 27,9% (табл.3).

Таблица 3 - Структура выплавка стали в Украине в период с 1950 по 1975 гг, млн.т

Структура выплавка стали в Украине в период с 1950 по 1975 гг, млн.т

Кроме отопления мартеновской печи природным газом увеличение производительности агрегата достигали за счет применения технического кислорода. Так, в 1956—1957 гг. были введены в действие кислородные станции на заводах Макеевском, им. Петровского, им. Дзержинского.

До 1966 г. основным способом применения кислорода для интенсификации мартеновского процесса являлась подача его в факел, что было вызвано простотой данного метода. Применение же этого метода, например, на мартеновских печах Макеевского металлургического завода позволило увеличить их производительность на 12% при сокращении расхода условного топлива на 16%. Внедрение в 1963 впервые в СССР на этих же печах продувки ванны кислородом через сводовые фурмы в масштабе цеха увеличило производительность на 10—25%, а расход топлива снизился на 10—30% в сравнении с подачей кислорода в факел.

В дальнейшем такая тенденция развития производства привела к полной деградации концепции мартеновской печи как пламенного агрегата:

  • увеличение расхода кислорода до уровня 120 м3/т и более, что в полтора раза превышает аналогичный показатель для кислородно-конвертерного процесса;
  • повышение площади сечения рабочего пространства из-за необходимости увеличения высоты свода печи, что существенно снизило отражательную способность;
  • увеличение проходного сечения регенераторов из-за необходимость пропускать через них без засорения большого количества плавильной пыли;
  • выделение бурого дыма при продувке резко снизило оптическую прозрачность атмосферы рабочего пространства;
  • увеличение интенсивности продувки до 0,6... 0,8 м3/ (т мин) с полным отказом от регенераторов и увеличением глубины ванны как это имеет место в двухванной печи;
  • компоновка под общим сводом двух ванн, не связанных друг с другом ни технологическими, ни теплотехническими задачами, что, по сути, представляет пудлинговую печь, оснащенную сводовыми кислородными горелками и фурмами.

Указанные мероприятия привели к существенному повышению производительности видоизмененной мартеновской печи (до 150 т/ч при массе плавки 200-300 т), а также резкому ухудшению качества поверхности слитка из-за разливки стали сверху в связи с необходимостью повышения пропускной способности разливочных пролетов и дворов изложниц действующих мартеновских цехов.

Таким образом, процесс «интенсификации» и «модернизации» мартеновского процесса шел как бы по замкнутому кругу. Неуклонный рост объемов выплавляемого в мартеновских металла в отсутствии стимулирования освоения высокотехнологичных марок стали и снижения металлоемкости порождал новый виток повышения производительности. К примеру за 15 лет с 1960 по 1975 гг в Украине доля выплавки кипящей и полуспокойной стали уменьшилась лишь на 2,5% абс. с 54,8 до 52,3% соответственно, при физическом увеличении производства более, чем в два раза с 12,8 до 26,2 млн. т в год.

Вместе с тем начало 70-х г.г. характеризуется быстрым внедрением МНЛЗ на многих металлургических заводах промышленно развитых стран мира. В этот период производителям МНЛЗ пришлось конкурировать с консервативным, но сравнительно дешевым процессом разливки стали в слитки. Опять-таки потребовалось создание новой системы технологий в сталеплавильном переделе.

В результате научно технического прогресса все основные качественные и количественные показатели, достигаемые при непрерывной разливке стали, заметно превзошли параметры слиткового передела. К концу 70-х – началу 80-х годов стало совершенно очевидным, что непрерывнолитая заготовка не превосходит по качеству заготовку, полученную прокаткой на обжимном стане. Выход годной заготовки составлял уже 96...97% (против 78...82% при разливке в слитки), что в совокупности с исключением из системы технологических процессов энергоемких обжимных станов рассматривалось как одно из наиболее эффективных энерго- и ресурсосберегающих мероприятий в черной металлургии. Кроме того, новая система технологий позволила полностью адаптировать ее к конвертерным и электросталеплавильным, в которых представлялась возможность выстроить высокоэффективную технологическую цепочку «сталеплавильный агрегат-МНЛЗ», характеризующуюся минимальными простоями оборудования и агрегатов, минимальным производственным циклом при максимальной производительности. Очевидно, что на оснащение действующих конвертерных цехов МНЛЗ и реконструкция сравнительно новых крупных мартеновских в соответствии с новой системой технологий требовало рассмотрения возможности второго пути совершенствования структуры сталеплавильного производства — реконструкцию крупных мартеновских цехов.

С середины 70-х годов в мире прорабатывались различные варианты замены мартеновских печей конверторами с донной продувкой, для которых, как тогда считали, не требовалось строительства высокого пролета в силу иных условий размещения агрегатов. К 1978 г. в мире действовало пять цехов с большегрузными конверторами с донным дутьем вместимостью от 150 до 230 т, при этом в двух из них конверторы располагались именно на месте мартеновских печей. Общая мощность таких цехов оценивалась в 13—15 млн. т в год, а вместе с реконструированными томасовскими цехами приблизительно в 25 млн. т, что составляло около 6—7% мощности конверторов с верхней продувкой. При этом необходимо отметить, что в новых зарубежных конверторных цехах с донной продувкой высота тракта и здания не уменьшалась. Например, в цехе Форж де Ти Марсинель Монсо (Бельгия) со 150-т конверторами с донной продувкой высота здания превышает 50 м, т. е. остается примерно такой же, как в отечественных цехах с конверторами с верхней продувкой подобной вместимости. Здание цеха фирмы «Кавасаки сэйтэцу» (Япония) с 230-т конверторами с донной продувкой имеет приблизительно такую же высоту, как отечественные цехи с 300-т конверторами с верхней продувкой. Расположение газоотводящего тракта в горизонтальном направлении облегчает размещение конверторов с донной продувкой в здании мартеновского цеха, однако объем реконструктивных мероприятий остается довольно значительным (требуются сооружение новой рабочей площадки, устройства под конверторами траншей для сталевозов, усиление зданий для опирания элементов газоотводящих трактов, выбивание колонн, демонтаж печей и т. д.).

На практике была показана возможность несколько вариантов размещения конверторов с донной продувкой.

1.В печном пролете на месте мартеновских печей, как это было осуществлено на заводах в Фэрфилде и Рипаблик стил в Саут-Чикаго. При этом полностью сохраняются разливочный и печной пролеты мартеновского цеха, однако под конвертором приходится сооружать траншеи большой глубины, что, по-видимому, несколько усложняет организацию работы в разливочном пролете. При существующем уровне расположения головки подкрановых рельсов установка в главном здании мартеновских цехов конверторов с донной продувкой вместимостью, соответствующей вместимости сталеразливочных ковшей (250—300 т), глубина траншеи составит 6—8 м, а для 150—200-т конверторов - 4—6 м.

2.В шихтовом открылке. В этом случае глубина траншеи будет примерно на 3 м меньше, чем при размещении конверторов в печном пролете, и составляет для 250—300-т конверторов 4—5,5 м, а для 150—200-т конвертеров — 2—4 м. На месте шихтового открылка были установлены 220-т конверторы в мартеновском цехе фирмы «Соллак» во Франции.

3.Размещение первого конвертора в здании, пристраиваемом к свободному торцу цеха, а последующих — в главном здании цеха по мере вывода печей из эксплуатации. При этом пристраиваемое здание может иметь или пролеты такой же высоты, как в мартеновском цехе, или более высокие. Во втором случае, когда к торцу цеха пристраивается новое конверторное отделение, отпадает необходимость в сооружении траншей. Реконструкция цеха по этому варианту связана с удлинением разливочного пролета и наличием свободного пространства.

4.В новом здании, расположенном параллельно оси главного здания и примыкающем к шихтовому открылку или к разливочному пролету.

В целом же установка конверторов с использованием здания мартеновского цеха сопровождается потерями производства во время реконструкции, величина которых определяется вариантом размещения конверторов, а также конкретными условиями цеха, в частности возможностью интенсификации процесса на агрегатах, работающих во время реконструкции. Каждый последующий из рассматриваемых вариантов характеризуется более высокими капитальными вложениями, но меньшими потерями производства по сравнению с предыдущими. Однако во всех случаях капитальные затраты будут меньшими, чем при строительстве конверторного цеха такой же производительности на новой площадке.

По предварительным расчетам того времени, общая стоимость замены мартеновских печей конверторами на металлургическом заводе средней мощности составляла 100—110 млн. руб. (СССР), в том числе затраты на переделку главного здания оценивались в 40—45 млн. руб. Кроме того, для выплавки заданного количества стали по отрасли должен быть использован весь образующийся металлолом. Было недопустимо также превышение предусмотренного плановым заданием количества потребляемого чугуна. Поэтому каждому предприятию требовалось израсходовать выделенное ему количество чугуна и лома — независимо от того, сохраняется ли на этом предприятии мартеновский процесс или он заменяется конверторным. Поскольку при конверторном процессе расход чугуна выше, чем при мартеновском, а расход лома ниже, замена мартеновских печей конверторами приводит, с одной стороны, к образованию избытков лома, а с другой, — к нехватке чугуна и к снижению возможного объема производства стали.

Очевидно, что в условиях планового хозяйства СССР перестройка сравнительно новых крупных мартеновских цехов в конверторные была экономически неоправданна в связи с тем, что ввод в эксплуатацию конверторов в мартеновском цехе не давал необходимого экономического эффекта, сопровождался с потерями производства в период длительной реконструкции, большими капиталовложениями при незначительном приросте годовой выплавки стали, возрастанием себестоимости стали и нарушением баланса металлошихты на заводе. Однако устойчивое поддержание высоких объемов производства мартеновской стали в Украине, в том числе и в последнее десятилетие достаточно убедительно подтверждает «живучесть» мартеновского процесса как такового даже в динамически изменяющейся внешней среде, определяющей эффективность процессов выплавки стали в целом. Следовательно, важным аспектом в прогнозных оценках дальнейших перспектив применения мартеновского способа выплавки стали в Украине является всесторонняя оценка возможных резервов этой технологии в системе технологий выплавки и разливки стали в сравнении с современными технологическими системами, сформировавшимися в конце 20-го – начале 21-го века.


СТАТЬИ

ПОПУЛЯРНОЕ

КОНФЕРЕНЦИИ

КНИГИ