Д.т.н. Троцан А.И., Турков А.В.

Приазовский государственный технический университет, Украина

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 Thyssen Krupp Stahl и Arcelor Mittal,завод Stahlwerke Bremen ), по одному – в Украин е( « 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 Ijmuiden BV). 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 прогре сс в ки слородноконвертерном 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 кислородноконвертерного 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:

– кислорода сверху и инертного ( Ar ) или нейтрального (N2) газа через пористые элементы, установленные в днище;

– кислорода сверху и смеси «кислород – природный газ» через донные фурмы;

– кислорода сверху и инертного ( Ar ) или нейтрального (N2) газа через неохлаждаемые фурмы, установленные в днище.

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 использованных источников:

1.       Освоение технологии комбинированной продувки в 160-т конвертерах / Смирнов Л.А., Бабенко А.А., Данилин Ю.А., Мухранов Н.В., Ремиго С.А. // Сталь. – 2010. – №5. – С. 43–45.    

2.        Закономерности формирования расплавов на основе железа и металлургические резервы улучшения эксплуатационных свой ств ст алей / 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.