Научная работа: Исследование технологических возможностей увеличения производительности кислородных конвертеров

Научно-исследовательская работа

Исследование технологических возможностей увеличения производительности кислородных конвертеров

Введение

конвертер кислородный плавка сталь

Мировое производство стали уже с 2010 г. превышает уровень предкризисного 2007 г. 1) В 2013 г. оно достигло 1607,2 млн. т, что на 3,55% превышает уровень 2012 г., при этом производство стали в Китае составило 779 тыс. т, что на 7,5% больше, чем в 2012 г. (724,7). Доля Китая в мировом производстве достигла 48,5% (в 2012 г. - 46,7%). В 2013 г. по сравнению с 2012 г. увеличилось производство стали: в Японии - на 3,1% (с 107,2 до 110,6 млн. т), в Индии - на 5,1% (с 77,3 до 81,2 млн. т), в Африке на 4,6% (с 15,3 до 16,0 млн. т), на ближнем Востоке - на 6,8% (с 24,7 до 26,3 млн. т). В остальных странах Европы, Северной и южной Америки производство снизилось на 0,8 - 2,0%.

В мире использование мощностей по выплавке стали в 2013 г. в течение года колебалось от 81,1 в феврале до 74,2% в декабре.

Российская металлургия развивается в общемировой системе хозяйственных связей и ее состояние в значительной степени зависит от тенденций развития металлургии в целом, что позволяет рассматривать Россию как одного из глобальных игроков на мировом рынке металлопродукции. 5

Одним из важнейших интегральных экономических показателей эффективности производства является рентабельность производимой продукции. В черной металлургии России за последние 20 лет она менялась в очень широких пределах - от 54% после перехода к рыночным отношениям в 1992 г. до 3% перед дефолтом в 1998 г.

С 1999 г. по 2008 г. рентабельность продукции отрасли находилась на достаточно высоком уровне, а в ІІІ квартале 2008 г. (перед началом финансового кризиса) она достигла 32%. Однако в 2009-2013 гг. рентабельность продукции значительно снизилась. 5

Важнейшая внутренняя проблема развития отрасли - быстрый рост себестоимости всех видов продукции. Средняя себестоимость единицы товарной продукции отрасли увеличилась за период 2000-2013 гг. примерно в 5,5 раза.

Необходимо подчеркнуть, что значительное повышение себестоимости товарной продукции отрасли произошло, несмотря на улучшение среднеотраслевых показателей использования всех видов потребляемых и используемых на предприятиях ресурсов в натуральном выражении. Так, за период 2000-2013 гг. произошло снижение удельного расхода кокса в доменном производстве с 462 до 419 кг/т, снизился также расходный коэффициент стали на прокат с 1148 до 1095 кг/т, средний удельный расход электроэнергии на производство электростали и готового проката - примерно на 25 и 17% соответственно, средний удельный расход топлива на производство готового проката ~ на 37%, средняя производительность труда выросла в 1,6 раза, а средний коэффициент использования производственных мощностей в сталеплавильном и прокатном производствах вырос с 72 - 77 до 84 - 85%.

Отметим, однако, что указанные выше положительные изменения произошли, прежде всего, за счет совершенствования структуры производства. Так, например, в сталеплавильном и прокатном производствах это связано главным образом с широким применением непрерывной разливки стали. В то же время показатели традиционных и в том числе сталеплавильных процессов изменились мало или вообще не изменились. Так, средний удельный расход металлошихты сталеплавильного производства за период 1990-2013 гг. даже несколько увеличился, а изменение ее структуры способствовало повышению себестоимости стали. 5

1. Основная технологическая схема производства стали в мире

Первые в мире сталеплавильные цеха, оснащенные конвертерами с кислородным дутьем через погружаемую сверху фурму, были введены в эксплуатацию в австрийских городах Линце (1952 год) и Донавице (1953 год). Собственно, функционирование этих цехов и подтвердило окончательно тот факт, что использование кислорода для переработки чугуна обеспечивает высокую эффективность и производительность сталеплавильного процесса и исключает применение дорогостоящих энергоносителей для нагрева металла.

В Украине в 1956 году на верхнее кислородное дутье был переведен бессемеровский цех на Днепропетровском металлургическом комбинате им. Петровского, а в 1957 г. был пущен в эксплуатацию кислородно-конвертерный цех на «Криворожстали». В настоящее время в Украине шесть конвертерных цехов (металлургические комбинаты «АрселорМиттал 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 - «АрселорМиттал Кривой Рог» и Днепропетровский металлургический завод). 6

Одна из отличительных особенностей конвертерного процесса заключается в его высокой интенсивности: периодичность плавки обычно составляет менее 40…45 мин. при массе продукции 100…350 т. Наряду с высокой удельной производительностью широкому и быстрому распространению кислородно-конвертерного процесса способствовала его высокая степень совместимости со способом непрерывной разливки стали. Первый кислородно-конвертерный цех с разливкой всей выплавляемой стали на МНЛЗ был сдан в эксплуатацию наНоволипецком металлургическом комбинате в 1966 году. Видимо, эти конкурентные преимущества и обеспечили весьма быстрое распространение кислородно-конвертерного процесса во всем мире, позволив ему занять доминирующее положение в мировой системе выплавки стали.

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; NipponSteel, заводы Yawata и Kimitsu), два - в Германии (TKS ThyssenKruppStahl и ArcelorMittal, заводStahlwerkeBremen), по одному - в Украине («Азовсталь»), США (WeirtonSteel), Южной Корее (Posco), Польше (ArcelorMittal, завод HutaKatowice), Великобритании (Corus/TataSteel, завод Scunthorpe), Франции (Arcelor, FossurMer), Индии (компания SAIL, завод Bokaro) и Нидерландах (Corus/TataSteel, завод HoogovensIjmuiden BV). При этом, как показывает практика, конвертерный цех в составе трех 400 тонных конвертеров может обеспечить годовой объем производства на уровне 10 млн. т.

В числе основных производителей стали в кислородных конвертерах следует назвать КНР, Японию, США, Россию, Южную Корею, Бразилию, Украину, Индию и пр. (таблица 1). 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. 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). 6

конвертер кислородный плавка сталь

Таблица 1. Основные показатели производства конвертерной стали в мире

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 Алчевскогометкомбината. 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 рабочеговремени): 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 двухручьевыеслябовые 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. Пуск первого конвертера планируется осуществить до конца 2007 года. Следовательно, основной прогресс в кислородно-конвертерном 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. 6

2. Общие сведения о кислородно-конвертерном процессе

Классической схемой кислородно-конвертерного процесса принято считать определенную совокупность технологических операций по переработке жидкого чугуна и некоторого количества добавленного металлолома благодаря вдуванию в расплав технически-чистого кислорода, что обеспечивает удаление углерода и повышение температуры расплава. При этом, для проведения конвертерной плавки не требуется дополнительного (внешнего) источника тепла. Конвертер представляет собой открытый сверху сосуд грушеобразной формы, внутренняя поверхность которого имеет огнеупорную футеровку. Для выполнения технологических операций конвертер способен вращаться относительно некоторой горизонтальной оси, проходящей через него. Основные технологические операции в процессе выплавки стали в кислородном конвертере такие: загрузка металлолома; заливка чугуна; продувка кислородом через погружаемую сверху водоохлаждаемую фурму; отбор проб для химического анализа металла; слив стали и шлака; подготовка конвертера к следующей плавке (таблица 2). Как правило, при кислородно-конвертерной плавке, длящейся 35…45 мин., содержание углерода уменьшают от уровня, примерно, в 4% почти до 0,1% и ниже, повышая при этом температуру расплава до 1635…1650°С. В практике металлургического производства успешно применяются три схемы вдувания кислорода в жидкую ванну - сверху через погружаемую фурму, через расположенные в днище продувочные блоки и комбинированную, у каждой из них свои преимуществаи недостатки. Наибольшее распространение в металлургии получила схема, при которой кислород с расходом 2…3,5 м³ в минуту подается через погружаемую сверху водоохлаждаемую фурму. В наконечнике такой фурмы предусмотрены три или пять специальных отверстий, через которые кислород вдувается в расплав со сверхзвуковой скоростью, создавая тем самым благоприятные условия для интенсивного перемешивания металла с вводимыми флюсами и максимально ускоряя протекание химических реакций окисления и рафинирования вследствие эмульгирования металла со шлаком. В результате окисления образуются оксиды CO, CO2, SiO2, MnO и оксиды железа. 7

Газообразные оксиды всплывают в жидкой ванне, способствуя ее вспениванию, а затем поднимаются к горловине конвертера. Остальные оксиды перемешиваются с флюсом, состоящим, в основном, из обожженной извести, способствуя образованию жидкого шлака, который обеспечивает рафинирование расплава (удаление серы и фосфора). Успешная промышленная эксплуатация конвертеров с донным дутьем началась в конце 60-х годов в Германии (ОВМ-процесс) и Канаде (Q-BOP-процесс). Собственно, реализация этого процесса связывается с успешным решением технической задачи предотвращения быстрого износа днища и продувочных фурм. Каждая из таких фурм состоит из двух концентрически установленных труб. Кислород подается через центральную трубу, а охлаждающий ее углеводород (природный газ) - в пространство между трубами. Характерно, что при донной продувке весь кислород вдувается через фурмы, расположенные в днище конвертера, что обеспечивает его всплытие через жидкую ванну металла и шлака, создавая максимально интенсивное перемешивание и эмульгирование шлака и металла. Порошкообразные флюсы вводятся в жидкую ванну через специальные фурмы, расположенные в днище конвертера. Примерно, в это же время в практике металлургического производства начали применять конвертеры с донным кислородно-аргонным дутьем (AOD-процесс). В конструкционном плане безусловным преимуществом конвертеров с донной продувкой оказалось радикальное уменьшение высоты цеха и возможность переработки крупногабаритного металлолома. При этом, судя по промышленным данным, при донной продувке снижается содержание железа в шлаке, улучшается удельный расход извести и кислорода на тонну стали, повышается стойкость футеровки конвертера и т.д. В дальнейшем, с середины 70-х годов, многие ведущие металлургические компании приступили к разработке своих модификаций кислородно-конвертерного процесса, сводя все, по сути, к организации комбинированной (верхней и донной) продувки с учетом специфики каждого конкретного сталеплавильного производства.

Таблица 2. Основные операции и их длительность при кислородно-конвертерном процессе (для большегрузных конвертеров)