50 лет МНЛЗ

Наиболее «короткий» и экономичный путь к МНЛЗ обеспечит новая конвертерная технология (рабочие гипотезы, в порядке обсуждения, часть вторая*)

Кулик А.Д., Кащеев М.А., Похвалитый А.А., Красницкий Я.Г. ДГТУ, Несвет В.В. ОАО «АМК», Учитель Л.М. ОАО «ДМКД»

Постановка задачи

Появление данного анализа обусловлено недостаточно полным пониманием роли и возможностей конвертерной технологии, которое сложилось к началу XXI века и продолжает иметь место/доминировать в настоящее время. Частично мы коснулись данной проблемы в работе [1].

Таким образом, возникает снова вопрос о лидерстве среди двух ведущих технологий производства сталей массового назначения. Указанное сближение произошло в докризисную эпоху, когда в триаде «цена-качество-спрос» длительное время развитие технологии определял «спрос» на металлопродукцию. Высокий спрос и ужесточение требований по качеству способствовали росту цен … до уровня, при котором произошел «обвал».

Цель и задачи работы

Привлечь внимание специалистов к сложившейся ситуации в сталеварении в связи с тем, что в последнее время по важнейшему параметру – длительности плавки, то бишь, производительности – электродуговой передел вплотную приблизился к конвертерному. В новых условиях, когда доминирующим фактором стал не «спрос» на стальную продукцию, а ее «цена», актуальной становится задача расширения функций конвертерной технологии с одношлаковой до двухшлаковой, что является главной задачей работы. Вторая задача – напомнить важнейшие достоинства конвертерной технологии, которые оказались недоиспользованными в прошлом.

Изложение основных материалов работы

Достигнутый уровень электрометаллургии. Накануне активной фазы кризиса состоялась 9-я Европейская конференция по электрометаллургии [2]. Те материалы, которые были оглашены на конференции в период, когда уже проявлялись первые признаки «сбоя» в мировой экономике, свидетельствуют об отсутствии объективного прогноза развития событий и у ведущих фирм – в обзоре [2] проблемы предкризисного состояния оказались не затронутыми. Как следует из этого обзора, на конференции рассмотрены очень важные проблемы развития подотрасли, но доминировал во многих случаях тезис о росте производительности. Он присутствовал в названиях докладов (Ф. Конголи. FLOGEN Technologis Inc., Канада), в новейших разработках фирм. Факторы «достижения максимальной производительности», «сокращения длительности плавки» по известным соображениям были ведущими. Наиболее значимые достижения, согласно [2], были представлены швейцарской фирмой «Concast»:

– длительность плавки на уровне 36 – 40 мин вполне достижима для ДСП любой вместимости;

– достигнут выпуск 50 плавок в сутки при работе ДСП с массой плавки 82 т (средняя длительность плавки 28 мин);

– длительность завалки 50 – 70 сек (с учетом перемещения электродов, открытия свода; бадья объемом 140 м3, плотность лома 0,65 т/м3);

– трансформатор 110 МВ*А (или 1,3 МВ*А/т), расход электроэнергии 380 кВт*ч/т, расход природного газа 4,8 м3/ч*т, кислорода – 30 м3/ч*т.

Должны выделить еще один фактор, который работает на повышение конкурентоспособности ДСП – экологическую безопасность. Согласно данным того же обзора [2], при использовании горячего прямовосстановленного железа в шихте (режим «горячее DRI – ДСП») выделение СО2 существенно ниже, чем на традиционном интегрированном предприятии (жидкий чугун – конвертер), возрастает роль фактора первородной шихты. Однако, имеет место тенденция повышения доли жидкого чугуна (до 30 … 50 и даже до 70 %) в составе металлошихты ДСП [1, 4].

Если принять, что длительность выпуска металла и шлака из 82-т печи составит 5 мин., то длительность активной фазы плавки (плавление и получение полупродукта) составит (28 – 1 – 5) / 28 * 100 = 22 : 28 * 100 = 78,6 %.

Можно констатировать, что резерв повышения производительности ДСП за счет организационных факторов практически исчерпан. Длительность активной фазы в данных условиях оценена в 22 мин – почти 80%. Достигнут ли предел по данному показателю покажет время, но резервы здесь очень малы: перевод шихты в жидкое состояние есть лимитирующее звено технологии. На некоторых предприятиях в связи с этим применяют жидкий чугун - оптимум 30% [10]. Таким образом, в последние 20 – 30 лет, когда в большинстве случаев доминировал СПРОС на продукцию из стали, электрометаллургическое производство вплотную приблизилось к уровню производительности конвертерных агрегатов. Однако, длительность активной фазы уже приблизилась к 80%, что косвенно свидетельствует об отсутствии или ограниченных возможностях дальнейшего роста данного показателя.

Нельзя не отметить то, что столь высокие показатели производительности (в проекте 320 т/ч и более) достигаются за счет высокой насыщенности сложными техническими средствами: – стеновыми газокислородными горелками; – фурмами для подачи углеродистого порошка для вспенивания шлака; – фурмами для подачи кислорода. Обязательный атрибут технологии – высокая энергонасыщенность – для печей 250…300 тонн планируется использовать печные трансформаторы до 300 МВ*А (с удельной мощностью трансформатора 1,0…1,2 МВ*А / т). В арсенале средств контроля состояния шихты и шлака – инфракрасные видеокамеры.

Новая послекризисная эпоха. Кризис, по нашему мнению, должен заставить изменить акценты в технической политике корпораций и предприятий. Согласно [3], рост производства стали в мире в связи с кризисом прекратился и в ближайшем будущем ожидается его восстановление медленными темпами. Устойчиво низкими остаются средние цены на стальную продукцию. По сравнению с летом 2008 г. они ниже: – в Азии на 35%, – в Северной Америке на 44%, – в странах Евросоюза на 52% [3].

Не вникая в подробности, можно констатировать, что на смену эпохи, в которой доминировал СПРОС, пришла эпоха, в которой длительное время будет доминировать проблема минимизации ЦЕНЫ на стальную продукцию при ее достаточно высоком качестве. Вспышки СПРОСА возможны, но они, по-видимому, будут носить локальный характер.

Активная фаза конвертерной плавки. Простота и быстротечность – важнейшие достоинства технологии. Одним из наиболее важных путей снижения издержек на любую технологию является упрощение ее основных звеньев и при возможности – их сокращение.

Ранее [1] мы акцентировали внимание на том, что конвертерная технология в целом является лидером среди других по простоте способов ее реализации и простоте устройства самого агрегата (вращающийся вокруг горизонтальной оси, футерованный изнутри сосуд с подачей рабочих газов сверху или сверху и снизу). Еще более важно то, что эта технология является лидером по быстроте/краткости протекания активной фазы, включающей процессы плавления и нагрева металлического и шлакового растворов до требуемых температур, и особенно скорости протекания химических реакций. Вся совокупность этих процессов происходит в очень короткий промежуток времени в процессе продувки ванны – кислородом сверху или комбинированной. Эта фаза плавки – важнейшая стадия сталеварения – длится всего 12 …25 мин. (в среднем можно принять 15 мин.) для агрегатов вместимостью 50 … 350 (400) тонн. При этом в настоящее время, когда конвертер производит только полупродукт, доля активной фазы – продувка ванны кислородом – составляет всего 35 % от общей длительности плавки [1] (против 78,6 % на ДСП). Недоиспользованный резерв в сравнении с ДСП достигает 45 %.

Структура современной технологической схемы. Следствием эпохи повышенного спроса на стальную продукцию явился рост в последние 30…40 лет мирового производства стали с 500…700 до 1200 …1400 млн. тонн стали в год. В этот период, как известно, произошла дифференциация СП передела, обусловившая разделение его на ряд стадий. Согласно принятой концепции еще в 80-ые годы [5], кислородный конвертер или ДСП стали использоваться только как агрегаты для получения полупродукта. Сталеплавильный передел «удлинился» и в прямом (пространственном) и в переносном (временном) смысле. Это, с одной стороны, обусловило рост производительности, а также капиталовложений и эксплуатационных затрат, а с другой – обеспечило получение металла высокого и повышенного качества. В итоге современная технологическая схема передела имеет вид:

КК – СР ковш – уст. П-К (УМКД или АКОС) – Вакууматор – МНЛЗ.

В настоящее время такую или близкую к ней структуру уже имеют и старые конвертерные цехи. Очевидно, что наличие двух новых звеньев «установка П-К – Вакууматор», усложнило сам передел и сделало его более дорогим.

Возможен ли возврат к «короткой» технологической линии!? Классический СП передел не один десяток, точнее примерно сто лет, обеспечивал получение металла любого качества, опираясь на «короткую» технологическую линию:

СП агрегат ––– СР ковш ––– Разливка.

Все операции по доводке стали производились в агрегате (вспомним «чистое кипение» или требование по содержанию [C] к моменту расплавления в мартеновских печах или в ДСП), а потом постепенно стали переносить их в ковш, совмещая с выпуском металла. Лидером в производстве сталей высокого качества в тот период был электродуговой передел. Такое лидерство было обеспечено применением в процессе плавки двухшлаковой технологии (окислительный период – восстановительный период), позволяющей довести металл до кондиции еще до выпуска его из печи и / или в процессе выпуска.

Не углубляясь в детали хорошо известной технологии, поставим вопрос: Можно ли реализовать двухшлаковую технологию (вначале «черные», а потом «белые») в конвертере?

Сегодня ответить на первый вопрос, зная богатый опыт внепечной обработки [5] и хорошо апробированные АОD и VOD-технологии [6, 7, 8], достаточно просто. В работе [1] даны самые общие рекомендации по реализации двухшлаковой технологии в конвертере. Одно из главных условий для ее реализации – наличие технических средств обработки металла в конвертере нейтральными газами после завершения окислительного периода. Для решения такой задачи могут применяться различные технические приемы, но сегодня наиболее приемлемой является комбинированная продувка с донным вариантом ввода нейтральных газов в металл.

Мы не можем согласиться с выводами авторов [9, с. 21] о том, что « … в конвертерной плавке не обеспечиваются термодинамические условия для эффективной десульфурации металла, а следовательно, … в конвертерных процессах заниматься десульфурацией технологически и экономически не оправдано». Этот вывод верен только для одного варианта технологии в конвертере – одношлакового, к которому в силу сложившихся условий в последние 10 …20 лет постепенно перешел (от двухшлакового) и ЭДП.

На сегодня состояние конвертера и уровень его технической оснащенности таков, что, не прибегая к помощи установок П-К и вакууматора, можно производить многие марки стали, отвечающие по качеству (по содержанию проблемных элементов S, О, Н, низкого [C] и НВ) мировым стандартам. Для этого достаточно освоить технологию сталеварения в конвертере, выделив при ведении плавки два самостоятельных периода/фазы:

– первый, предусматривающий реализацию окислительного рафинирования в современном режиме исполнения (кислородом сверху или кислородом сверху и нейтральным газом снизу) со скачиванием полученного окисленного шлака;

– второй, предусматривающий наведение нового (основного и неокисленного) шлака, продувку металла аргоном в течение 5…10 мин., выполнение операций раскисления, легирования и при необходимости модифицирования. Завершение последних стадий должно производиться в процессе выпуска металла и последующей короткой выдержки в ковше, после чего ковш направляется на МНЛЗ. Схема такого «короткого» передела в самом общем виде представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Схема двухшлакового конвертирования

Доля активной фазы:

Экстраполируя достижения, полученные двухшлаковой технологией ДСП, а также результаты АОD, VOD, VODK-a технологий в малых конвертерах, можно ожидать достижение высоких показателей раскисления и рафинирования в период новой «второй активной фазы» плавки в конвертерах большой вместимости.

Степень неизвестности и перспективы применения «короткой» технологии. Организация второй активной фазы – доводки плавки в конвертере не лишена трудностей. Первая из них – удаление шлака окислительного периода (шлак окисленный, поэтому имеет место хорошее смачивание его металлом). Потребуется время и «умение» для формирования шлакового расплава толщиной до 80…100 мм, поддержания требуемого температурного режима, отработки эффективного режима облагораживания металла аргоном в сочетании с процессами раскисления, легирования и т.д.

Следует иметь в виду, что проведение этих операций в полости конвертера, удельный объем которого примерно 1,0 м3/т против удельного объема в ковше 0,15…0,20 м3/т (со «свободным» бортом 0,5…0,9 м), позволит получить более высокую мощность перемешивания и работать в режиме формирования аргонно-шлако-металлической эмульсии. Это обеспечит быстротечность – наиболее важное преимущество конвертерных технологий. Достаточно объективно ее можно оценить с помощью универсального показателя – по скорости процесса обезуглероживания.

Справка. Оценим приближенно возможную быстротечность двух конкурирующих технологий при следующих хорошо известных исходных данных:

– вместимость агрегатов………………… по 250 т;

– среднее содержание углерода в исходной шихте:

а) конвертер – 3,5 %; б) ДСП – 1,5 % (в шихте доминируют лом или продукты прямого восстановления, согласно [10] оптимальная доля чугуна в ДСП-180 составляет 30 %, длительность tпл. = 38…45 мин, при [C]ш = 1.4 %);

– содержание углерода на выпуске принимаем в обеих случаях равным [C] = 0,1 %;

– длительность активной фазы:

а) для конвертера – 15 минут (средняя длительность продувки);

б) для ДСП – 22 минуты (лучший показатель, оцененный нами для 82 т печи [2]) и фактический – примерно 35 мин для условий [10].

– усредненная скорость обезуглероживания для сравниваемых технологий:

а) для конвертера – VC = (3,5-0,1) / 15 = 0,23 % / мин;

б) для ДСП – лучший показатель VC = (1,5 - 0,1) / 22 = 0,06 % / мин;

– фактический по [10] VC = (1,4 - 0,1) / 35 = 0,04 % / мин.

При этом в конвертере необходимо окислить 3,5 * 250 / 100 = 8,75 т углерода, а в ДСП по лучшей версии 1,5 * 250 / 100 = 3,75 т, соответственно за 15 и 22 минуты.

Таким образом, быстротечность конвертерной технологии выше по сравнению с быстротечностью процессов в условиях ДСП в 0,23 / (0,06…0,04) = 3,83…5,75 раза.

Другие достоинства. Отсутствие экспериментальных данных затрудняет количественную оценку очевидных достоинств. На первых порах «короткая» технология может применяться для выплавки рядовых марок стали (особенно с пониженным содержанием углерода).

К числу явных преимуществ относятся следующие:

– сокращение основных звеньев технологии с 4-х…5-ти до трех;

– отсутствует необходимость производить «отсечку» окисленного шлака;

– улучшаются условия обработки металла аргоном, благодаря высокому удельному объему металла в конвертере;

– благодаря повышенной окисленности металла после первой активной фазы окислительного рафинирования (обычно 400…1000 ppm кислорода) при решении проблемы быстрой наводки основного и неокисленного шлака, можно создать условия для активного протекания процессов углеродного и диффузионного раскисления, десульфурации, а также последующей реализации осаждающего раскисления; в течение всей второй активной фазы происходят снижение содержания углерода и дегазация (эффективность удаления водорода и возможно азота необходимо подтвердить опытом);

– нет необходимости отсекать конечный «белый» шлак после выпуска металла в ковш и иметь высокий (500…900 мм) «свободный» борт в ковшах «короткой» технологии.

Возможные трудности реализации «короткой» технологии:

– некоторое удлинение плавки в целом до 50…55 мин, что может негативно сказаться на стойкости футеровки конвертера;

– трудность полного скачивания окисленных шлаков, что чревато восстановлением фосфора в металл из оставшейся части;

– сложнее обеспечивать требуемый температурный режим плавки и производить наводку нового неокисленного шлака;

– необходимо предпринять меры для снижения негативного воздействия атмосферы на выпускаемый металл на участке конвертер – сталь ковш.

Выводы

1. В мире все большую роль набирают две взаимно исключающие тенденции: ужесточение требований к качеству металла, заставляющее вводить в эксплуатацию все более сложное и дорогое оборудование (например, установки печь-ковш), и, с другой стороны, продолжается послекризисная тенденция необходимости максимально удешевлять продукцию (по конъюнктурным требованиям), не снижая требований к ее качеству.

2. В процессе активной фазы развития сталеплавильного производства уникальный конвертерный процесс, ввиду действия первой из тенденций и повышенного СПРОСА на стальную продукцию, превращен к настоящему времени в простой плавильно-окислительный передел, действующий по схеме дуплекс-технологии: конвертер – установка печь-ковш.

3. Являясь лидером среди сталеплавильных технологий ПО ПРОСТОТЕ И ПО БЫСТРОТЕЧНОСТИ ПРОТЕКАНИЯ ХИМИЧЕСКИХ, ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ, конвертерный передел продолжает оставаться высокотехнологичным РАФИНИРОВОЧНЫМ агрегатом, в котором можно реализовать двухшлаковую технологию и производить сталь, приближающуюся по качеству к металлу установок Печь-Ковш. Об этом свидетельствует опыт реализации специальных технологий AOD, VODK-а в конвертерах малой вместимости.

4. Мы четко представляем, что наше видение перспектив развития конвертерной технологии идет вразрез с технологической линией, взятой на вооружение в металлургии стали массового производства ведущими производителями и поставщиками оборудования. Однако, к этому нас заставило обратиться изменение ситуации в мире на рынке торговли металлом, о чем мы сказали ранее.

Библиографический список:

1. Кулик А.Д., Несвет В.В., Полетаев В.П., Похвалитый А.А. Об альтернативном направлении развития конвертерной технологии // Сб. трудов 6-ой Международной научно-практической конференции «Экологическая безопасность: проблемы и пути решения» (6 – 10сентября 2010 года, г. Алушта, АР Крым Украина) том 2. Харьков. 2010. С. 240-245.

2. Сафонов В.М., Смирнов А.Н. Современный уровень и будущее электросталеплавильного производства // Сталь. 2009. № 1. С. 47 – 51.

3. Афонин С.З. Современное состояние и перспективы мирового рынка стали // Металлург, 2010, №3, с. 5-9.

4. Кудрин В.А. Проблемы выплавки стали, чистой по примесям цветных металлов // Сталь. 2009. №1. С. 20 – 24.

5. A new role for ladle metallurgy: high tonnage output. McManus George. “Iron Age”, 1982, 225, № 16, MP-5, MP-7, MP-9, MP-11, MP-14, MP-16. / Новая роль ковшевой металлургии: массовое производство (РЖ 12В 629, 1982).

6. Made in the U.S.A., the AOD process takes on the world. Irwing R. “Iron Age”, 1982, 225, № 15, 78-79, 81-82, 84. / Разработанный в США процесс АОD завоевывает мир (РЖ 12 В628, 1982).

7. Металлургия стали. Кудрин В.А. Учебник для вузов. – М.: Металлургия, 1989. – 560 с.

8. Бойченко Б.М., Охотский В.Б., Харлашин П.С. Конвертерне виробництво сталі: теорія, технологія, …Підручник. – Дніпропетровськ: РВА «Дніпро-ВАЛ», 2006. – 454 с.

9. Исаев О.Б., Чичкарев Е.А., Кислица В.В. и др. Моделирование современных процессов внепечной обработки и непрерывной разливки стали. – Москва: Металлургиздат, 2008. – 376 с.

10. Ивин Ю.А., Великий А.Б., Саранчук И.В. и др. Особенности работы дуговых сталеплавильных печей с применением жидкого чугуна // Сталь. 2008. №7. С. 49-50.

© Кулик А.Д., Несвет В.В., Учитель Л.М., Кащеев М.А., Похвалитый А.А., Красницкий Я.Г., 2010



СТАТЬИ

ПОПУЛЯРНОЕ

КОНФЕРЕНЦИИ

КНИГИ