Тенденции развития производства стали в конвертерных цехах
Украинская Ассоциация Сталеплавильщиков

Тенденции развития производства стали в конвертерных цехах

А.Н.Смирнов, д.т.н., проф.
Донецкий национальный технический университет

Производство стали в конвертерах с применением кислорода представляет собой наиболее эффективную систему технологий, не просто обеспечивающую выплавку стали с высокой производительностью плавильного агрегата, но и позволяющую гармонизировать работу всей технологической цепочки от производства чугуна до разливки стали и получения заготовки включительно. Между тем система технологий производства стали в конвертерах с применением кислорода непрерывно совершенствуется, что в ряде случаев и определяет дальнейший научно-технический прогресс в черной металлургии в целом. Последнее десятилетие ознаменовалось беспрецедентным приростом объемов производства конвертерной стали в мире (рис.1): с 466 млн. т в 1999 г. до 890 млн. т в 2007 г. Однако такой резкий рост является результатом, прежде всего, бурного развития черной металлургии КНР. Более того, весьма примечательным, на наш взгляд, представляется и тот факт, что металлургия КНР продолжала наращивать производство в кризисные 2008-2009 г.г., что позволило ей уже в 2008 г. произвести более 50% всего мирового объема производства конвертерной стали.

динамика изменения объемов производства конвертерной стали в мире и КНР

Рис.1. Динамика изменения объемов производства конвертерной стали в мире и КНР

Собственно за последние два десятилетия металлургия КНР стала международным полигоном, на котором все ведущие фирмы и концерны, специализирующиеся в области металлургического машиностроения, реализуют и отрабатывают свои наиболее современные проекты и концепции. Между тем металлургия КНР насчитывает свыше 1200 металлургических заводов и комбинатов, среди которых львиная доля принадлежит малым и средним заводам. Так в 2008 г. пять ведущих металлургических компаний КНР произвели 141,5 млн. т стали. Это составило 28,3% от общего объема производства.

В настоящее время в КНР построены и успешно функционируют многие десятки металлургических заводов, оснащенных конвертерными цехами. При этом в отличие от предыдущих лет, когда предпочтение отдавалось конвертерам небольшой вместимости, теперь основной акцент делается на высокопроизводительных сталеплавильных комплексах, в состав которых входят 2-3 крупных конвертера.

В некоторых других странах также отмечено строительство новых конвертерных цехов, а также реконструкция уже действующих объектов. При этом предпочтение отдается цехам с конвертерами большой вместимости. Например, практически вся конвертерная сталь в Германии выплавляется в 21 конвертере вместимостью 150-380 т.

Обобщая основные технологические и конструктивные черты современного конвертерного цеха, можно выделить следующие характерные аспекты:

  • современные конвертерные цехи оборудуются, как правило, двумя крупными конвертерами вместимостью 150-315 т каждый, что позволяет гармонизировать основные грузопотоки при высокой удельной производительности плавильных агрегатов;
  • приоритет отдается технологическим решениям и построениям, которые направлены на уменьшение потерь энергии, потерь железа, огнеупоров и других расходуемых материалов при снижении вредного влияния на окружающую среду за счет уменьшения выбросов СО2 и пыли, эффективной переработки металлолома и технологических отходов, утилизации технической воды, развития транспортной системы и т.п.;
  • наибольшее распространение в мире получила комбинированная продувка кислородом сверху и нейтральным газом снизу; через донные фурмы могут вдуваться не только аргон или азот, но и CO2 с интенсивностью до 0,1 м3/(т мин) и даже СО;
  • для повышения эффективности ведения конвертерной плавки на современных производствах используются методы контроля положения и конструкции верхней фурмы, скорости вдувания кислорода, повышения эффективности процесса растворения извести, оптимизации параметров вдувания аргона через донные фурмы и пр., а также оперативного прогнозирования содержания углерода по ходу продувки;
  • для стабилизации процесса конвертерной плавки и снижения ее длительности все большее распространение получает технология десульфурации чугуна в ковше (наибольшее распространение получила десульфурация смесью флюидизированной извести и магния);
  • практически обязательной технологической операцией, обеспечивающей повышение качества производимой металлопродукции является раннее обнаружение и отсечка шлака в ходе технологического перелива металла из конвертера в ковш;
  • все большее распространение в практике конвертерного производства получают агрегаты комплексной внепечной обработки стали типа «ковш-печь», которые включают в себя проведение операций подогрева металла, продувки стали аргоном, ее рафинирования, доводки по химическому составу, выдержки по времени в соответствии с режимом разливки на МНЛЗ;
  • устойчивое наращивание объемов конвертерной стали, которая подвергается вакуумной обработке (агрегаты VD/VOD или RH-TOP), что, прежде всего, это связывается с широким распространением новых групп низкоуглеродистых сталей с верхним пределом содержания углерода менее 30 ppm, которое может быть достигнуто только при проведении вакуумной обработки;
  • применение в технологической цепи высокопроизводительных МНЛЗ, которые в максимальной степени совместимы с технологическим ритмом выплавки стали в конвертере;
  • применение литейно-прокатных агрегатов, которые обеспечивают существенное снижение удельных энергозатрат, что следует связывать с рациональной организацией технологической системы;
  • применение конвертерного процесса в совокупности с внепечной доводкой стали и ее непрерывной разливкой открыло совершенно новые возможности по практическому применению стали как конструкционного материала.

Совокупность вышеперечисленных решений в значительной степени способствовала развитию так называемой модульной схемы построения конвертерных цехов, которая предполагает совмещение процесса дискретной выплавки стали в конвертере с ее квазинепрерывной разливкой в рамках технологической цепочки «конвертер» - «ковш-печь» - «машина непрерывной разливки стали». Собственно в таком построении имеется определенный энергосберегающий ресурс. Однако оно требует максимально ритмичной работы конвертеров и оптимальной схемы грузопотоков, которая достигается при использовании двух конвертеров. Между тем при использовании модульного построения масса плавки в значительной степени определяется суточной производительностью МНЛЗ. Так, для конвертерных цехов с сортовыми или блюмовыми МНЛЗ масса плавки за редким исключением не превышает 160-180 тонн стали. Более широкие возможности обеспечивают современные слябовые МНЛЗ, поскольку они машины обычно разливают до 2,5-3,0 млн. т стали в год. Это примерно соответствует массе плавки 250-320 т.

При этом резервы производительности слябовых МНЛЗ еще далеко не исчерпаны. Например, на заводе «Masteel» (КНР) при работе на двух одноручьевых МНЛЗ достигнута суммарная годовая производительность на уровне 5,7 млн. т при скорости разливки 2,2 м/мин (толщина сляба 230-250 мм, ширина 950-2150 мм). Это гарантирует дальнейший прогресс в развитии конвертерных цехов по модульной схеме построения.

Еще более привлекательной представляется схема построения конвертерного цеха на базе применения литейно-прокатных модулей (ЛПМ). В настоящее время в мире насчитывается около 30 сталеплавильных цехов с ЛПМ, которые производят более 50 млн. т листа в год. ЛПМ успешно функционируют как в условиях конвертерных цехов, так и на мини металлургических заводах. Основная доля таких мини заводов приходится на США, КНР и развивающиеся страны (27%). В Западной Европе функционирует 6 ЛПМ, которые разработаны различными фирмами-производителями металлургического оборудования. В КНР в настоящее время функционирует уже 10 заводов оснащенных ЛПМ только типа CSP (Compact Strip Production).

В целом технологическая система на базе ЛПМ может быть представлена следующим образом: выплавка стали в конвертере (или дуговой печи) > доводка стали на установке «ковш-печь» > (вакуумирование стали в ковше) > разливка стали на сляб (толщина сляба 60-100 мм) и его горячая прокатка в технологической цепочке ЛПМ > прокатка на станах холодной прокатки. При этом, как показала практика, для получения 1 тонны холоднокатаного листа достаточно 1,10-1,12 тонны жидкой стали, а значительный энергосберегающий эффект (500-600 МДж/т) достигается, главным образом, за счет сокращения технологической цепочки и исключения дополнительных циклов охлаждения и нагрева заготовки.

Схема расположения основных функциональных единиц ЛПМ (линейное расположение) представлена на рис.2.

Схема расположения основных функциональных единиц ЛПМ

Рис.2.Схема расположения основных функциональных единиц ЛПМ

По сути ЛПМ представляет собой хорошо гармонизированную и автоматизированную систему, состоящую из машины непрерывной разливки стали на тонкий сляб, участка подогрева (выравнивания температуры) сляба и очистки его от окалины и прокатного стана для получения горячекатаного листа заданной толщины.

Современная практика применения ЛПМ показывает, что их разливочный модуль представляет собой, как правило, высоко функциональную одноручьевую МНЛЗ, в которой совмещены все основные достижения в области разливки стали. Прокатная часть ЛПМ может быть совмещена с одной или двумя МНЛЗ в зависимости от номинальной производительности цеха. Рекордный показатель годовой производительности ЛПМ в составе двух линий непрерывной разливки и одной линии прокатки составляет 3,4 млн. т плоского проката в год. Он достигнут на металлургическом заводе “Essar Steel” (Индия).

Таким образом, современные МНЛЗ (или ЛПМ) могут обеспечивать разливку всей стали, которую возможно выплавить в одном конвертере, а выбор вместимости конвертера (массы плавки) определяется технологическими и конъюнктурными соображениями. При этом во всех технологических процессах в максимальной степени сокращается использование природного газа, а выбросы СО2 уменьшаются на 22-25%.

В целом основной прогресс в конвертерном производстве достигается в части совершенствования процесса выплавки стали с целью повышения удельной производительности плавильного агрегата при условии комплексной автоматизации всех элементов технологической цепочки, что обеспечит дополнительный энерго- и ресурсосберегающий эффект, большую экологическую безопасность, а также оптимальные экономические показатели.

Лидирующее положение в конвертерных цехах занимают так называемые LD-конвертеры (Linz-Donawitz). Это, видимо, объясняется успешным внедрением в технологический процесс различных средств контроля (фурма-зонд для повышения степени автоматизации процесса плавки; динамические модели для более точного задания параметров процесса; применение способов комбинированной продувки для улучшения перемешивания донной части жидкой ванны и пр.). В целом кинетика реакций, происходящих в конвертере с комбинированной продувкой, обусловила максимальную производительность для всех существующих сталеплавильных агрегатов. Потенциал дальнейшего увеличения и развития конвертерного процесса, вероятно, заключается в увеличении доли скрапа в шихте и сокращении выбросов СО2.

При верхней продувке кислородом через фурму углерод, содержащийся в чугуне, образует газообразный оксид углерода и таким образом удаляется из жидкой ванны. Сопутствующие элементы, входящие в состав чугуна (кремний, марганец, фосфор и пр.) окисляются и связываются известью, содержащейся в слое шлака на поверхности жидкой ванны. В результате реакции с добавляемой известью определенная часть серы также переходит в шлаковую фазу в виде CaS.

Одной из важнейших стратегий развития технологии и конструкции конвертеров является достижение высокой стойкости рабочей футеровки, что соответствует минимальным удельных затратам на огнеупоры и исключает простои, связанные с ремонтом. Следует иметь в виду, что само по себе мероприятие по радикальному повышению стойкости футеровки конвертера обеспечивает довольно таки значительное повышение производительности конвертерного цеха в целом. Последнее десятилетие характеризуется значительным повышением стойкости футеровки конвертера за счет применения комбинированных сбалансированных схем, в которых учитываются особенности износа отдельных зон, в том числе подверженных повышенной эрозии (рекордные показатели стойкости футеровки конвертеров составляют на сегодняшний день 10-30 тыс. плавок в зависимости от количества промежуточных ремонтов). Так, в различных зонах футеровки конвертера используются различные по качеству и толщине изделия, что, в конечном счете, приводит к сбалансированному износу футеровки в целом.

Повышению стойкости футеровки способствует сокращение времени ее прямого контакта со струей кислорода. Для этого в начале процесса продувки принудительно ускоряется шлакообразование посредством добавки доломитизированной извести для вспенивания шлака. Конечно, повышению стойкости футеровки способствует также автоматизация конвертерного процесса, позволяющая уменьшить количество повалок конвертера и предотвратить перегрев стали в конце плавки.

Для повышения стойкости футеровки большинство металлургических предприятий применяют технологию раздува шлака в кислородном конвертере, заключающуюся во вдувании азота высокого давления через верхнюю кислородную или вспомогательную фурму с целью разбрызгивания шлака по футеровке. При этом шлак покрывает футеровку, охлаждается и затвердевает, создавая прочную защитную корочку, препятствующую износу огнеупоров. Технология раздува шлака предусматривает качание конвертера для нанесения покрытия на участки футеровки, подвергаемые повышенному износу при завалке металлолома и сливе металла. Дополнительный положительный эффект от шлакового гарнисажа достигается также за счет того, что при заливке в конвертер чугуна шлак частично оплавляется, что приводит к образованию некоторого слоя жидкого шлака еще до начала продувки.

Существенную роль в повышении стойкости футеровки конвертеров играют современные методы контроля за ее состоянием, позволяющие измерять профиль футеровки и степень ее износа в ходе эксплуатации. Примером такого оборудования может служить лазерная система измерения профиля футеровки. Полное сканирование конвертера занимает 25-30 минут. Обнаруженные участки с малой толщиной футеровки ремонтируют торкретированием и раздувом шлака. Мониторинг футеровки выполняется 7-10 раз в процессе ее эксплуатации. В целом уже сегодня нормальной средней стойкостью футеровки конвертера принято считать 6000-10000 плавок.

*****

На территории бывшего СССР и стран Восточной Европы развитие конвертерного производства стали акцентируется, прежде всего, на совершенствовании технологии и модернизации основного оборудования крупных цехов, сооруженных в 80-е годы прошлого века и ранее. Так, в последнее десятилетие глубокой реконструкции и модернизации подвержены крупные конвертерные цехи ОАО «Магнитогрский металлургический комбинат», ОАО «Северсталь», ОАО «Новолипецкий металлургический комбинат» и АО "Миттал Стил Темиртау".

Единственный новый конвертерный цех на территории бывшего СССР построен и запущен в эксплуатацию на ОАО «Алчевский металлургический комбинат» (Украина), являющимся одним из старейших металлургических предприятий страны. Этот цех сооружен в рамках реконструкции комбината и замены мартеновского цеха (рис.3).

Максимальная годовая производительность мартеновского цеха была достигнута в 1984 г. и составила 4,4 млн. т. За период своего существования мартеновский цех неоднократно подвергался реконструкции.

Модернизация сталеплавильного производства на ОАО «АМК» выполнялась в условиях действующего предприятия с высокой плотностью застройки. Для освобождения территории под строительство отделения непрерывной разливки стали и конвертерного цеха потребовался целый ряд системных мероприятий по переносу существующих и необходимых для производства продукции объектов. Замена мартеновского производства стали конвертерным на ОАО «АМК» осуществлялась путем постепенной замены основного технологического оборудования и технологий, обеспечивающими плавный (без потерь) переход на более высокий современный уровень производства стали. При этом вместимость конвертеров была принята 300 т. Что соответствовало вместимости сталеразливочных ковшей в мартеновском цехе.

Схема производства металлопродукции на ОАО «Алчевский металлургический комбинат» в период его модернизации

Рис.3. Схема производства металлопродукции на ОАО «Алчевский металлургический комбинат» в период его модернизации

Основными этапами графика выполнения инвестиционных проектов являлись - строительство комплекса непрерывной разливки стали совместно с установкой ковш-печь и вакууматором, строительство комплекса конвертерного цеха в составе двух конвертеров, строительство печей для обжига извести, капитальный ремонт с реконструкцией доменной печи №1 объемом 3000 м3, капитальные ремонты доменных печей № 3,4,5 и пр. Первые непрерывнолитые слябы были получены в августе 2005 г. При этом сталь выплавлялась в двухванных сталеплавильных агрегатах и обрабатывалась на установке ковш-печь. Комплекс конвертерного производства стали в составе двух конвертеров с комбинированной продувкой по 300 т каждый, двух отделений десульфурации чугуна, комплекса газоочистного оборудования с использованием электрофильтров, отделения подготовки и погрузки металлолома, сыпучих материалов и ферросплавов, отделения водоподготовки, отделение футеровки, сушки и разогрева ковшей и т.п. был запущен в эксплуатацию 27 ноября 2007 г. Генеральный поставщик оборудования и технологии – компания Siemens-VAI. Номинальное производство – 5,5 млн. тонн стали в год. Весь комплекс конвертерного цеха с момента подготовки строительной площадки до пуска был построен в рекордно короткие сроки – 26 месяцев.

Кислородный конвертер с основной футеровкой из периклазоуглеродистого кирпича имеет следующие основные характеристики:

садка, т - 330

вместимость по жидкой стали, т - 300

рабочий объем, м3 - 289

удельный объем по жидкой стали, м3/т - 0,96

глубина ванны, м 1,91

площадь ванны, м2 - 30,85

днище конвертера съемное диаметр горловины, м - 4,2

масса всей футеровки, т - 800

скорость поворота, об/мин - 0,1-1,0

расход кислорода max, м3/мин - 1200

давление кислорода, МПа - 1,8-2,0

диаметр фурмы, мм - 406,4

скорость передвижения, м/мин:

  • платформы - 5
  • фурмы - 20

рабочий ход фурмы, м - 21,7

диаметр фурмы-зонда, мм - 220/140

длина зонда, м - 2,0

диаметр зонда, мм - 80

глубина погружения зонда, мм - 600

межцентровое расстояние фурма-зонд – кислородная фурма, м - 1,0

рабочий ход фурмы-зонда, м - 2,38

Продувка металла кислородом производится через верхнюю шестисопловую фурму и инертным газом (аргоном или азотом) через днище конвертера. Продувка металла через днище инертным газом выполняется с интенсивностью 6,0-24,0 м3/мин. Вид газа определяется требованиями к качеству стали. Длительность плавки (проектная) от выпуска до выпуска (технологические операции) – 35 минут, длительность плавки от выпуска до выпуска (технологические операции и операции по уходу за агрегатом) – 40-45 минут. Выпуск металла из конвертера осуществляется через сталевыпускное отверстие диаметром 140 мм, обеспечивающее слив металла организованной струей. Продолжительность выпуска находится в пределах 5-12 минут. Во время выпуска металла из конвертера осуществляется отсечка конвертерного шлака с помощью автоматизированной системы управления. Система основана на измерении инфракрасного излучения металла и шлака. Удерживание шлака выполняется путем вдувания сжатого азота через сопло в выпускное отверстие. По завершению выпуска плавки, тележка с ковшом перемещается к стенду продувки аргоном на установке ковш-печь.

Максимально возможная суточная производительность одного конвертера (проектная) – 36 плавок (достигнуто 28 плавок). Достигнутая стойкость футеровки конвертера – 3555 плавок. В 2008 г и 2009 г. было выплавлено 1,2 млн. т и 2,6 млн. т стали соответственно. Основной сортамент цеха предусматривает выплавку следующих групп марок стали: углеродистые спокойные и полуспокойные, общего назначения; конструкционные спокойные и полуспокойные; высококачественные; низколегированные; легированные; судостроительные стали. В настоящее время освоена технология выплавки и разливки сталей со сверхнизким содержанием углерода.

В ходе модернизации на ОАО «АМК» реализована доставка чугуна из доменного цеха к участкам перелива чугуна конвертерного цеха по железнодорожным путям обычной колеи в передвижных миксеровозных ковшах типа «торпедо» вместимостью 350 т. Чугун переливается непосредственно из передвижных миксерных ковшей в заливочный ковш вместимостью 300 т, который установлен на чугуновозе. Он перемещается по рельсовому пути параллельно путям передвижных миксерных ковшей на отметке, позволяющей размещение заливочного ковша непосредственно под сливной горловиной миксерного ковша. По завершении перелива металла чугуновоз с заливочным ковшом транспортируется в загрузочный пролет, где заливочным краном устанавливается на кантовальный стенд отделения десульфурации чугуна с участком скачивания шлака. В цехе предусмотрено два отделения десульфурации чугуна (по одному для обслуживания каждого конвертера). После установки заливочного ковша на кантовальный стенд камера десульфурации накрывается наезжающей на нее тележкой-крышкой и выполняется процесс десульфурации путем вдувания двух реагентов: негашеной извести (СаО) и магния (MgO). После окончания процесса заливочный ковш на кантовальном стенде наклоняется и шлак скачивается с поверхности металла в шлаковую чаша посредством скребка, оснащенного гидравлическим приводом. Затем заливочный ковш мостовым краном передается к конвертеру.

Особое место в системе ресурсосбережения на ОАО «АМК» занимает способ отвода и очистки конвертерных газов, обеспечивающий получение значительных объемов вторичных энергоресурсов. Это достигается при принятой технологии конвертерной плавки без дожигания конвертерных газов, позволяющей обеспечить генерацию энергии и использование газа в хозяйстве комбината. Для охлаждения отходящих газов используется двухконтурная система охлаждения с применением воды высокого и низкого давления.

В проекте комплекса конвертерного цеха предусмотрена следующие виды газоочистки: очистка конвертерных газов (электростатический охладитель); газоочистка в отделении перелива и десульфурации чугуна; газоочистка подготовки сыпучих и ферросплвов; система аспирации бункерных эстакад; система газоочистки неорганизованных выбросов при заливке чугуна и выпуске стали, от стендов продувки металла в ковше и пр. Пыль от газоочистки конвертерных газов окусковывается в увлажняющем миксере.

Заключение

В последние десятилетия основные усилия металлургов были направлены на дальнейшее совершенствование кислородно-конвертерного процесса производства стали. Главными векторами, стимулирующими в последнее время развитие системы производства стали в конвертерах с применением кислорода, видимо, следует считать металлургические комплексы стран Европейского Экономического Союза и Китайской Народной Республики. Эволюция конвертерного производства характеризуется, прежде всего, сокращением количества плавильных агрегатов малой единичной мощности за счет введения в эксплуатацию более мощных агрегатов, обеспечивающих повышение производительности завода в целом. При этом предпочтение отдается конвертерам вместимостью 200-250 т и более с комбинированной продувкой, включающей вдувание аргона через днище. Совершенствование технологической системы производства стали в конвертерных цехах продолжает осуществляться за счет расширения десульфурации чугуна в ковшах, радикального повышения стойкости футеровки, использования эффективных систем отсечки шлака при сливе металла из конвертера, автоматизации процесса плавки, функционального расширения внепечной доводки стали (включая ее вакуумирование) и т.п. В части непрерывной разливки стали предпочтение отдается высокофункциональным МНЛЗ и литейно-прокатным модулям. Вместе с тем современное производство стали в конвертерах с применением кислорода уже представляет собой весьма совершенную систему технологий, базирующихся на небольшом количестве технологических парадигм, которые используют весьма эффективные закономерности, большинство из которых полностью оформились в конце 20-го века и их потенциал практически полностью ограничивается действием физико-химических законов. Соответственно дальнейший прогресс в конвертерном производстве следует ожидать в части повышения эффективности совмещения технологий подготовки чугуна после выпуска из доменной печи, процессов выплавки в конвертере и ковшевой доводки стали, ее разливки на МНЛЗ и т.п.