Непрерывная разливка стали
СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛ 1.4

Общая структура сталеплавильных цехов с непрерывной разливкой стали и тенденции ее развития

Непрерывная разливка стали, как совокупность технологических операций, обеспечивающих получение заготовки определенного сечения и длины, может быть реализована в условиях практически любого сталеплавильного цеха. Тем не менее, большая часть МНЛЗ в настоящее время функционирует в конвертерных и электросталеплавильных цехах.

В части конвертерного производства стали последнее десятилетие ознаменовалось беспрецедентным приростом ее объемов (рисунок 1.15): с 466 млн. т в 1999 г. до 890 млн. т в 2007 г. Такой резкий скачок сопровождается совершенствованием всех технологических звеньев, входящих в структуру выплавки и разливки стали. Основная доля прироста обусловлена, прежде всего, бурным развитием черной металлургии КНР, 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

Рисунок 1.15 – Динамика изменения объемов производства конвертерной стали в мире и КНР

Наиболее крупними производителями конвертерной стали в мире являются КНР, Япония, Россия, США, Южная Корея, Германия, Индия, Бразилия и Украина.

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

  • современные конвертерные цехи оснащаются, как правило, двумя крупными конвертерами вместимостью 150-320 т каждый, что позволяет гармонизировать основные грузопотоки при высокой удельной производительности плавильных агрегатов;
  • наибольшее распространение в мире получила комбинированная продувка кислородом сверху и нейтральным газом снизу; через донные фурмы. Кроме того, могут вдуваться не только аргон или азот, но и CO2 с интенсивностью до 0,1 м3/(т мин) и даже СО;
  • все большее распространение в практике конвертерного производства получают агрегаты комплексной внепечной обработки стали типа «ковш-печь», которые служат для проведения операций подогрева металла, продувки стали аргоном, ее рафинирования, доводки по химическому составу, выдержки по времени в соответствии с режимом разливки на МНЛЗ;
  • устойчиво наращиваются объемы конвертерной стали, которая подвергается вакуумной обработке (агрегаты VD/VOD или RH-TOP), что, прежде всего, 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;
  • в структуре конвертерных цехов широко применяются высокопроизводительные МНЛЗ для получения слябов, блюмов, круга и сортовой заготовки, которые в максимальной степени совместимы с технологическим ритмом выплавки стали в конвертере;
  • ряд цехов оснащен литейно-прокатными модулями, которые обеспечивают существенное снижение удельных энергозатрат, что следует связывать с рациональной организацией технологической системы производства.

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 удельной производительностью МНЛЗ. Как показывает практика, для конвертерных цехов с многоручьевыми сортовыми или блюмовыми МНЛЗ масса плавки за редким исключением не превышает 160-180 тонн стали. Более широкие возможности обеспечивают современные слябовые МНЛЗ, двухручьевые 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 рисунке 1.16. 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 производи- тельности 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).

Схема расположения основных функциональных единиц ЛПМ

Рисунок 1.16 – Схема расположения основных функциональных единиц ЛПМ

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.

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» (ОАО «АМК»), являющимся одним из старейших металлургических предприятий Украины. Этот цех сооружен в рамках реконструкции комбината и замены мартеновского цеха.

Модернизация сталеплавильного производства на ОАО «АМК» выполнялась в условиях действующего предприятия с высокой плотностью застройки. Замена мартеновского производства стали конвертерным на ОАО «АМК» осуществлялась путем постепенной замены основного технологического оборудования и технологий, что обеспечило плавный (без потерь) переход на более высокий современный уровень производства стали. Продувка металла кислородом производится через верхнюю шестисопловую фурму и инертным газом (аргоном или азотом) с интенсивностью 6,0-24,0 м3/мин через днище конвертера. Максимально возможная проектная суточная производительность одного конвертера составляет 36 плавок (достигнуто 28 плавок). Проектная длительность технологических операций выплавки стали от выпуска до выпуска составляет 35 минут, а с учетом операций по уходу за конвертером 40-45 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 завершении выпуска плавки тележка с ковшом перемещается к стенду продувки аргоном на установке «ковш-печь».

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.

Таким образом, в мировой практике в последние десятилетия 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.

Современное производство в электросталеплавильных цехах характеризуется высокой интенсивностью выплавки стали (длительность плавки дуговой печи составляет 45-55 мин и менее). Как правило, современные электросталеплавильные цехи входят в состав так называемых «мини-заводов», мощность которых зависит от удельной мощности плавильного агрегата. Годовой объем производства на таких мини-заводах может составлять от нескольких десятков тысяч до 1,0-1,5 миллионов тонн стали в год. Основной вид продукции – непрерывнолитая сортовая заготовка и длинномерный прокат.

Понятие «мини-завод» (mini-mill) включает в себя: относительно небольшие удельные затраты на производство, минимальные выбросы технологических отходов в окружающую среду, минимальные простои оборудования и агрегатов, минимальный производственный цикл при максимальной производительности, продажах и рентабельности. В условиях динамизма внешней среды сравнительно небольшие размеры мини-заводов несут явные преимущества, среди которых особо выделяются быстрота реакции на изменяющийся спрос на различные виды продукции, а также возможность выполнения мелких заказов применительно к конкретному заказчику.

По мере развития техники и технологического обеспечения металлургические мини-заводы достигли технико-экономического уровня, достаточного для их высокой конкурентоспособности с традиционными заводами полного цикла. При этом современная стратегия металлургического мини-завода, как правило, основывается на выплавке стали в высокопроизводительной дуговой сталеплавильной печи (ДСП), доводке металла по химическому составу и температуре в агрегатах «ковш-печь» и вакуумирования, последующей разливке на сортовых или тонкослябовых МНЛЗ и прокатке (рисунок 1.17). При этом некоторые составляющие элементы могут отсутствовать в зависимости от характера выпускаемой продукции. Таким образом, часть энергоемких переделов, имеющихся на интегрированных заводах полного цикла, на мини-заводах исключаются.

Схема современного мини металлургического завода для производства длинномерного проката

Рисунок 1.17 – Схема современного мини металлургического завода для производства длинномерного проката

Для мини-металлургических заводов характерны небольшие площади, требуемые для размещения оборудования (18-20 га на 1 млн. т выплавляемой стали в год), величина которых примерно в 8-15 раз ниже, чем для традиционных металлургических комбинатов с полным циклом. Строительство мини-завода не предполагает также наличия разветвленной социальной инфраструктуры. За счёт сокращения собственного ремонтного, энергетического, транспортного и прочего хозяйства доля общезаводского хозяйства в общем объёме капитальных вложений может быть снижена с 60% (по нормативным и фактическим данным) до 20%, что подтверждается опытом создания мини-заводов в Украине и России.

Как показала практика последнего десятилетия, наибольший эффект при строительстве может быть достигнут при размещении оборудования на существующих промышленных площадях, недостроенных или высвобождающихся в результате перепрофилирования производства. Сооружение мини-завода и освоение производственных мощностей продолжается всего 1,5-2 года, в то время как для заводов полного цикла оно может превышать 7-10 – летний период.

Рациональное географическое расположение мини-заводов обеспечивает использование металлолома или рудных запасов данного экономического района и исключает нерациональные перевозки на большие расстояния. Это позволяет снизить удельные капиталовложения в 3-4 раза по сравнению с интегрированным заводом и предложить металлопродукцию на рынке по конкурентным ценам, при условии сохранения достаточно высокой рентабельности производства.

Прогресс в развитии концепции мини-завода наиболее рельефно обозначился в середине 80-х годов прошлого века. Он был достигнут, в первую очередь, за счет обеспечения модульной схемы построения технологической цепочки, в которой производительность дуговой сталеплавильной печи полностью соответствовала возможностям разливки стали на многоручьевой высокоскоростной сортовой МНЛЗ, имеющей годовую производительность одного ручья на уровне 150-250 тыс. т жидкой стали. Благодаря научно-техническому прогрессу в части конструкции дуговых печей период выплавки в них стали уменьшился до 40-42 мин, а расход электроэнергии на тонну стали - до уровня 310-345 кВт час. При этом следует отметить, что в последнее время для нужд мини-заводов созданы крупные высокопроизводительные печи, которые в состоянии обеспечить годовое производство одним агрегатом на уровне 1,0-1,5 млн. т и более.

Только за последние десять лет (до кризиса 2008 г.) производство стали в электродуговых печах в мире возросло более чем в 1,5 раза (рисунок 1.18) и достигло своего максимума (419 млн. т) в 2007 г.

Динамика увеличения мирового производства металла в дуговых сталеплавильных печах

Рисунок 1.18 – Динамика увеличения мирового производства металла в дуговых сталеплавильных печах

В целом же наибольшее количество стали на мини-заводах производится в настоящее время в следующих странах: США, КНР, Индия, Япония, Южная Корея, Италия, Турция, Россия, Германия и Испания. Широкое использование концепции мини-заводов позволило, например, Испании и Турции, имеющим выгоднейшее географическое положение, выйти на серьезные позиции в мировом рейтинге производителей стали. Благодаря строительству мини-заводов в ряду заметных производителей металлопродукции появились ранее «неметаллургические» страны: Египет, Аргентина, Индонезия, Таиланд, Мексика, Венесуэла, Саудовская Аравия и пр.

Наиболее сложной технической задачей, решаемой в рамках мини-завода, представляется совмещение производительности ДСП и МНЛЗ с производительностью прокатных станов при производстве плоского проката в условиях сравнительно небольших (для практики получения плоского проката) объемах производства (0,7-1,0 млн. т в год).

Эта задача решена благодаря принципиально новой совокупности технологических решений в виде литейно-прокатного модуля (ЛПМ), адаптированного к условиям работы мини-завода. При этом скорость вытяжки слябов на ЛПМ составляет 5-8 м/мин. Для повышения качества внутренней структуры такого сляба в зоне вторичного охлаждения его подвергают «мягкому» обжатию, что позволяет получить на выходе из МНЛЗ плоскую заготовку толщиной 40-60 мм. После выхода из МНЛЗ заготовка без охлаждения подается в проходную печь для обеспечения выравнивающего нагрева перед прокаткой, которая выполняется либо на стане Стеккеля, либо по схеме непрерывного прокатного стана.

Следует ожидать, что мини-заводы для производства плоского проката будут, прежде всего, появляться в регионах, испытывающих потребность в таковом и достаточно удаленных от основных его производителей. Не следует при этом исключать возможность появления специализированных мини-заводов по производству плоского проката, ориентированных на определенные виды продукции. Примером такого проекта может быть строительство Объединенной металлургической компанией мини-завода поблизости от ОАО «Выксунский металлургический завод» (Россия) с целью получения листа для труб большого диаметра.

В целом же современное производство стали в конвертерах и дуговых сталеплавильных печах уже сегодня представляет собой весьма совершенную систему технологий, базирующихся на небольшом количестве технологических парадигм, которые используют эффективные закономерности, большинство из которых полностью оформились в конце ХХ века и их потенциал практически полностью ограничивается действием физико-химических законов. Соответственно, современные сталеплавильные цехи оснащаются высокофункциональными машинами для непрерывной разливки стали, сечение заготовок в которых стремятся приблизить непосредственно к профилю конечной продукции с учетом ее прокатки. При этом все большее предпочтение отдается модульной схеме построения технологического цикла, которая предполагает наличие в технологической цепочке одного сталеплавильного агрегата, одной установки «ковш-печь» и одной высокофункциональной МНЛЗ.

СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛ 1.4

СТАТЬИ

ПОПУЛЯРНОЕ

КОНФЕРЕНЦИИ

КНИГИ