CC BY
35
ВЕСТНИК
ПРИАЗОВСКОГО ГОСУЛАРСТВЕНОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА 1999г Вып.№7
УДК 669.! 8
Бойченко Б.М.1, Поляков В.Ф. , Харахулах B.C.3
СОСТОЯНИЕ И ПРОБЛЕМЫ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА УКРАИНЫ
В последние годы теория и передовая практика сталеплавтьного производства на Украине по ряду вопросов получили дачънейшее развитые. Однако в целом все отчетливее проявляется отставание отечественных цехов от лучших зарубежных. Раскрыты наиболее современные технологии, которые следует внедрить в ближайшие 10-15 лет, как требующие малых затрат, но дающие наибольшую отдачу. В дальнейшем на первое место должны выйти задачи освоения и широкого применения приведенных нетрадиционных и экологически наиболее чистых технологий.
Металлургический комплекс /МК/ играет ведущую роль в структуре экономики Украины. Черная металлургия входит в пятерку приоритетных направлений развития Украины и рассматривается как базовая отрасль, которая должна обеспечить выполнение важнейших проектов рыночных преобразований в стране. Весомым преимуществом комплекса являются наличие собственной сырьевой базы, его сконцентрированность (Приднепровье. Донбасс) и относительная близость металлургических предприятий к крупным потребителям продукции. По имеющимся мощностям МК Украины занимает пятое место в мире после Японии, США, Китая и России. Однако в 1998 году произведено стали и проката менее 50 % возможного объема, что обусловлено общим снижением уровня производства в стране, в особенности в машиностроении, угольной промышленности и строительной индустрии, сужением внешних рынков сбыта, недостатком энергоресурсов и т.п.
Па металлургических предприятиях эксплуатируются, как правило, агрегаты большой единичной мощности, и производство металлопродукции в целом ряде случаев осуществляется по современным технологическим вариантам, т е. с использованием вмененной обработки металла. непрерывной разливки, термоупрочнения. Подтверждением этому может служить сертификация более 80 наименований строительного, судового, конструкционного проката, труб, метизов известными мировыми сертификационными обществами (Британским и Германским Ллойдом, Американским бюро судостроения и Трубным институтом, Норвежским Веритас, Германским ТЮФ, Нидерландским ТНО и др.), а также экспорт украинской металлопродукции в США, Китай, Францию. Германию. Бельгию, страны Южной Америки, Ближнего Востока, Юго-Восточной Азии с выполнением дополнительных требований по стандартам стран-заказчиков /DIN, ASTM. JIS и др/. Для повышения качества и конкурентоспособности металлоизделий на ряде предприятий выполнены проекты реконструкции и модернизации технологических линий я производства: меткомбинаты «Криворожсталь", им. Ильича. «Азовсталь», им. Дзержинского, заводы «Днепроспецсталь», трубопрокатный им. К. Либкнехта. Объемы инвестиционных проектов, обеспечивающие, выход всех звеньев МК к 2010 году на мировой уровень, должны составлять 2,0-2,5 млрд. у.д.е. ежегодно. Однако пока техническое перевооружение предприятий ограничивается нерешенностью макроэкономических проблем Украины в целом.
1 ГМетАУ, д-р тех и. наук, проф.
2 ИЧМ, д-р техн. наук, проф.
1 Укрметаллургпром. . ________
Поэтому меры по стабилизации работы металлургии, повышению конкурентоспособности продукции и расширению экспортных рынков сбыта металлопродукции являются безотлагательными и важнейшими не только для металлургической отрасли, но и для всей Украины. В последние годы, несмотря на известные трудности, теория и передовая практика сталеплавильного производства на Украине по ряду вопросов получили дальнейшее развитие. Благодаря исследованиям ГМетАУ, ИЧМ, ДГ'ТУ и др. расширяются задачи и совершенствуются методы высокотемпературного моделирования конвертерных и внепечных процессов обработки жидкого чугуна и стали. Металлургические процессы анализируются методами неравновесной термодинамики, что позволяет проводить глубокий анализ состояния систем и точнее прогнозировать возможные пути изменения их параметров. С применением положений волновой гидродинамики удалось получить решения задач по взаимодействию газовых струй с жидкостью и уточнить модель окисления углерода, условия равновесия в системе металл-шлак и вспенивания шлака. Получены геометрические полигональные диаграммы состояния. Вычислительная гидродинамика находит все более широкое применение при расчетах процессов в различных производящих сталь агрегатах. Разработаны модели растворения в конвертерной ванне твердых материалов. Новый подход-трактовка межатомного воздействия как направленного позволяет рассматривать все процессы, протекающие в системе металл-шлак, с единых физико-химических позиций. Теоретически и в полупромышленном масштабе определены условия стабильности процессов в непрерывных сталеплавильных агрегатах конвертерного типа. Детально исследованы физико-химические явления при конвертировании с использованием электрического поля. Накоплены теоретические и практические данные по использованию для контроля и управления сталеплавильным производством сверхвысокочастотной техники, ставшей доступной для металлургии в результате конверсии оборонной промышленности. Отрабатываются основные положения конвертерного процесса с элементами жидкофазного восстановления ванной присадок оксидных железосодержащих материалов, актуальность которых определяется и необходимостью повышения чистоты стали.
К числу наиболее значимых прикладных работ, проведенных с непосредственным участием металлургических предприятий, следует отнести следующие. На ОАО «Азовсталь» внедрено науглероживание среднеуглеродистой стали жидким чугуном с целью получения особо чистой стали. Там же внедрили раскисление стал и ферроалюминием, что повысило степень усвоения алюминия с 5-20 до 50 %. На ряде заводов показана эффективность легирования конвертерной стали молибденом путем использования интерметаллоида- губчатого молибдена, опробованы послойные лигатуры, осуществляется десульфурация в ковше электротехнических и трубных сталей.
На ОАО «ДМК» разработаны и применяются высокостойкие шестисопловые наконечники кислородных фурм с использованием предъэксплуатациоиной доводки, заключающейся в удалении медной окалины и придании охлаждаемым водой поверхностям расчетной шероховатости. Осваиваются безобжиговые леточные блоки и плиты для шиберных затворов вместо обожженных. Определены эффективные варианты вертикального факельного торкретирования с использованием в составе торкретмассы известняка (комбинат «Криворожсталь»), показано, что известные меры по минимизации износа огнеупоров при их комплексной реализации повышают их стойкость в 2 раза (ММК). Количественно определены все источники водорода в стали, освоено производство 8¡-Са, модификатора КМКТ, СаС2 и ванадиевой лигатуры (ОАО «Азовсталь»),
Предложены способ" и устройство для ввода легких присадок в чугун при помощи электромагнитных сил. Улучшены показатели качества металла за счет продувки в ковше нейтральным газом через наклонную и перемещающуюся фурмы. Освоена система химического подогрева стали в ковше на 30-35°С, введены в действие многофункциональные агрегаты доводки стали (комбинат им. Ильича). На заводе им. Петровского осуществляют контроль динамики обезуглероживания ванны но уровню вибрации конвертера.
Завод им. Ильича в 1993 г. освоил и в дальнейшем усовершенствовал непрерывную разливку стали, применив новые горелки для нагрева основных ковшей, теплоизолирующие смеси для основных и промковшей, утеплительные крышки для основных ковшей, биметаллические бандажи роликов, нержавеющие вставки в узкие медные стенки кристаллизаторов и т.д. ДМК
освоены две МНЛЗ, причем качеством заготовок управляют с помощью компьютерной системы.
Разработан классификатор дефектов макроструктуры непрерывнолитых слябов /"Азовсталь"/. Усилено внимание к совершенствованию составов шлакообразующих смесей МНЛЗ (МК им. Ильича и ДМК ) с целью снижения их токсичности, содержания импортных материалов и повышения эффективности. Показана целесообразность использования борсо-держащей смеси для слитков кипящих сталей в изложницы. Разработаны приемы снижения вторичного окисления в промковше, кристаллизаторе, предложены различные методы повышения однородности заготовок /ДМК/. Отработана технология утилизации сталеплавильных шлаков в производстве перспективных вяжущих материалов, шлаков после газоочистки- для применения в качестве охладителей конвертерных плавок.
Тем не менее, несмотря на отмеченные достижения, в целом все отчетливее проявляется отставание отечественных цехов от лучших зарубежных. В настоящее время в Украине функционирует 6 конвертерных цехов ( цех N1 на комбинате «Криворожсталь» выведен из эксплуатации), в которых эксплуатируется 19 конвертеров, из них 5 работают сверх нормативного срока (15 лет). Если 5-10 лет назад официальная оценка за исключением отдельных случаев сводилась к тому, что по техническому уровню отечественное конвертерное производство в целом близко к зарубежному, то на сегодняшний день подобную оценку следует считать неоправданной и, что еще более важно, непродуктивной.
В последние годы объем производства стали был существенно ниже ранее достигнутого. В 1995 г. в сравнении с 1990 г. производство конвертерной стали снизилось на 55,2 %, мартеновской - на 58 %, а на тех предприятиях, где есть конвертерные и мартеновские цехи, снижение составило соответственно 47,2 и 58,2 %. В 1996 году по сравнению с 1995г. производство конвертерной стали возросло на 6, а мартеновской снизилось на 11,6 %. В 1997 г. в сравнении с ■996 г. производство мартеновской стали возросло на 11,5 %, конвертерной- на 20,6 %. Таким образом, в сегодняшних сложных условиях конвертерный процесс оказался более живучим.
Истекающий период характерен не только спадом производства, но и существенным ухудшением показателей работы конвертерных цехов. Длительность плавки возросла с 44,5 до 52,9 мин., стойкость футеровки конвертеров снизилась во всех цехах за исключением ККЦ-2 комбината «Криворожсталь», расход металлошихты возрос с 1139,4 до 1146,9 к?/т. расход чугуна - с 832,6 до 877,5 кг/т.
Если говорить непосредственно об этапе выплавки металла, то в отечественных конвертерных цехах отсутствуют многие элементы, широко используемые на зарубежных предприятиях и оказывающие решающее влияние на показатели качества стали, ресурсо-энергосбережения и экологии. К основным из них, в частности, относятся:
использование широкой гаммы устройств для контроля процесса (зонды для оценки температуры и состава металла без прекращения дутья и повалки конвертера, датчики окисленности металла, приборы для определения химического состава шлака, устройства для косвенного контроля за ходом процесса и поведением ванны, в частности на базе использования ультразвука, светимости, вибрации и т.п.);
применение точных весоизмерительных устройств для оценки массы металлошихты, добавок и жидкой стали;
реализация различных вариантов комбинированной продувки; системы статического и динамического управления процессом; отсечка шлака при выпуске металла в ковш и применение покровных покрытий; использование выделяющихся из конвертера газов, в частности рекуперация СО и возврат пыли в конвертер;
выплавка металла бесшлаковым и малошлаковым процессами; широкое использование высококачественных огнеупоров, торкретирования и других мероприятий, обеспечивающих стойкость футеровки до 10-15 тыс. плавок; транспортировка чугуна в миксеровозах миксерного типа и т.д.
Отечественные конвертерные цехи уступают зарубежным по составу оборудования для внепечной обработки стали, в первую очередь по наличию вакууматоров и агрегатов типа «печь-ковш» и масштабам внепечной обработки наиболее эффективными способами.
Объем конвертерной стали, разливаемой на МНЛЗ, на предприятиях Украины не превышает 25 % от объема ее производства. Технология разливки стали в изложницы не предусматривает применение многих широко использовавшихся за рубежом мероприятий, таких как дозировка металла при разливке его в изложницу, керамические покрытия изложниц с целью повышения их стойкости и снижения склонности слитков к дефектообразованию; средства для защиты изложниц от разбрызгивания струи с целью уменьшения пленообразования; способы предупреждения прохода металла между изложницей и поддоном и прибыльной надставкой , предупреждения приварка и т.п., которые способствуют увеличению выхода годной металлопродукции и повышению ее качества.
Модернизацию черной металлургии Украины, учитывая особенность ее условий, вряд ли целесообразно базировать на создании новых минизаводов [1]. На ближайшие 10-15 лет схема «доменная печь-конвертер» в промышленно развитых странах, в т.ч. и для Украины, остается наиболее применяемой и экономически оправданной [2-4]. Повышение технического уровня сталеплавильного производства с учетом нынешних экономических возможностей просматривается лишь как поэтапное. На первом этапе следует внедрять наиболее современные, но достаточно отработанные технологии, требующие относительно небольших затрат, но дающих наибольший результат, либо быструю отдачу. Это ввод МНЛЗ и средств внепечной обработки стали и чугуна во всех конвертерных цехах; замена мартеновских печей преимущественно конвертерами в комплексе с МНЛЗ на предприятиях, которые технически наиболее готовы к этому /ДМК, «Запорожсталь» и др./, в ряде случаев - дуговыми электропечами и ЕОФ - агрегатами; расширение масштабов использования комбинированной продувки; улавливание и утилизация СО, в т.ч. для повышения теплосодержания ванны; замкнутый цикл производства и потребления стали /100 %-ная рециркуляция/; реализация мероприятий по сокращению затрат
ъцргии (гф<\ 1 ПО.-^Ь \ \|<1Г ^ Ш V Г'(\ > 1 . 5 г г О I ,1
С. » II К | " * I И Ч! \ » ! ! 1 ('1 I М I С4 1 "
( > 1 1 • V 1 I. 1 „ I < I >- ! 1 1 С
ко;-ггр'"-:;;> н~о;!еи:ов прои^Еи-дстеа и обр^осчлй ,■.'■-!. 1 крсчи<::м->у ^ >:;-мг1чы1.
а'З^ч 14. 1 I 1 ч< гр > 1! ' г 1 ) и , ►
^ И [ ' I ч 1 \ 1 И
<>!М ' ), | ^ ¡1 4 V * ',0, ' 'Ч г 4 ь. ^ 1 Ь I j
ИЬ 1 г V 1 ! 1 1 К. 4 I II С ' ')' 1 Ч I ДЛ , гИ^. ГчИ ц,
ков на 10-20 % отн. при низком содержании |'С] в случае как верхнего, так и дойного дутья приводит к повышению стойкости футеровки минимум в 2 раза и выхода годного на 0.2-0.3 %. Вспенивание шлака в конце продувки за счет добавок сырого доломита снижает содержание азота в стали менее 0,015 %. Возрастание спроса на низкофосфористые /< 0,006 %/ стали вызвало к жизни двушлаковую /Европа/ и малошлаковую /Япония/ технологии. Последняя также повышает выход годного на 1-2 % и открыла возможность прямого легирования стали рудами. Не прекратились исследования по переработке повышенных количеств металлолома в конвертерах. Дорабатываются технологии, созданные в свое время в нашей стране, и предназначенные сегодня для использования при перебоях с поставками жидкого чугуна. Перерабатывается и «мартеновская» шихта /50-100 % лома/ процессом ЕОФ за счет подогрева лома отходящими газами в шахте над конвертерами /Бразилия/, а также путем плавления лома в одном агрегате с оставленной частично жидкой ванной и последующего обезуглероживания в другом /Япония/. Автоматизация сталеплавильного процесса и стандартизация технологии признаны главными условиями, обеспечивающими развитие технологии, идущее сегодня по пути повышения качества стали, снижения издержек производства, увеличения производительности. Измерительная техника представлена различными вариантами конструкций вспомогательных фурм с системами отбора проб, определения температуры и окисленности металла. С использованием вспомогательных фурм выплавляют 25 % всей стали в мире, во время измерений снижают расход дутья на » 20-25 % для предотвращения заметалливания фурмы и достижения высокой точности информации. Исключение ручного пробоотбора и додувок /«прямой выпуск» стали/ сохра-
няет 15-20 0 С, что эквивалентно снижению расхода чугуна на 17 кг/т, снижает затраты на огнеупоры на 20 %, расходы кислорода и флюсов. Мировая практика возвращается к использованию информации об измерении уровня шума конвертера для контроля шлакообразования и момента окончания продувки. Используемые на конвертерах системы автоматического управления заметно различаются: от полностью автоматизированных, включенных как составная часть в общую систему контроля производства, до управления отдельными операциями: шихтовкой, расходом кислорода, добавками флюсов, загрузкой лома с управлением его плотностью и разбавлением его чистыми материалами /железом прямого восстановления, оборотным и высококачественным ломом/ для снижения содержания в стали вредных неокисляющихся примесей. Получила развитие, в основном, периклазоуглеродистая футеровка конвертеров, имеющая значительные преимущества по стойкости по сравнению со смолосвязанной. При этом еще большая в 2 раза стойкость обеспечивается при увеличении чистоты сырья для огнеупоров /содержание примесей в магнезите снизили в 2 раза, в графите - в 6 раз/ и работе с насыщением шлака в ходе продувки магнезией за счет добавок доломита. Широкое развитие получает ошлакование поверхности футеровки шлаком с присадками доломита и доломитизиро-ванной извести. Разработана /Люксембург/ полностью автоматизированная установка для футеровки конвертера, исключающая ручной труд. Для стабилизации температуры футеровки и корпуса конвертера при переходе на периклазоуглеродистые огнеупоры, коэффициент теплопроводности которых в 3-4 раза выше смолосвязанных, стали применять водяное орошение или воздушное охлаждение с подачей охладителя через осевой канал в цапфе. На горловине устанавливают обычно трубчатые водяные холодильники для очистки ее от настылей применяют кислородные фурмы, используемые для дожигания отходящих газов.
На втором этапе развития черной металлургии, когда экономика страны окрепнет и станет |ф«дска1уе.\;ым поток иностранных иинссчиций, ка первое место должны выйти задачи ос-■.х.<ну.х и ьир<!Кок: <1рим"чоьия негра/.!;-•;иоч!;,.'Х и экологически наиболее чистых технологий. Зт,> - использование вместо доменного vi коксохимического производства агрегатов бескоксо-рого нелпермшк ; о полутени?: чугуна /типа ч Коррекс» или «ПЖВ»/ в комплексе с непрерывным процессом конвертерного типа и емвмешегнмм литейно-прокатным процессом, что приведет к освоению комплексной непрерывной технологии « руда-прокат» в масштабе металлургических предприятий. Ожидается принципиальное расширение сырьевой базы сталеплавильного в т.ч. конвертерного производства, рециркуляции материалов и энергии, усиление экологической направленности технологических процессов, точного контроля состава производимой стали по большому числу элементов с получением их ультранизких концентраций, резкое снижение расхода ферросплавов за счет сверхвысокой чистоты стали и термомеханической обработки проката, создание новых процессов кристаллизации /реотермическая разливка/ и обжатий.
Соответственно, все это требует строгого теоретического подкрепления, широкого фронта экспериментальных исследований, аппроксимации их результатов, сквозного математического моделирования вариантов новых технологических линий. В то же время реальные возможности научно-технического потенциала отрасли, НИИ и учебных институтов в решении второй части задачи, т.е. создании опережающих мировой уровень технических решений, в настоящее время существенно сузились. По существу достаточно развитой и гибкой инфраструктуры для выполнения масштабных научных исследований, в т.ч. фундаментального характера, сейчас практически, нет. По мнению руководства отраслью, имеющийся ранее достаточно сильный научно-технический потенциал, способный комплексно обслуживать как ее текущие и перспективные задачи, так и непосредственно потребности предприятий, сейчас резко ослаблен, и процесс этот продолжает углубляться. Невостребованность технологической науки в том объеме, который вытекает из стоящих перед отраслью и предприятиями задач, определяется тяжелым экономическим положением предприятий и отсутствием соответствующей централи-
зованной, в т.ч. бюджетной, поддержки. Поэтому сохранение хотя бы наиболее опытного костяка высококвалифицированных кадров и основного исследовательского оборудования научно-исследовательских учреждений, естественно при упорядочении количества и численного состава последних, должно явиться неотъемлемой частью государственной технической политики модернизации металлургического производства. Широко тиражируемый тезис о снижении во всем мире расходов на металлургическую науку следует оценивать применительно к нашим условиям, имея в виду то, что даже значительно сокращенный по зарубежным меркам уровень вложений в развитие металлургической техники и технологии многократно превосходит расходы на отечественную науку даже в наиболее благоприятные годы.
Выводы
Из числа достижений научного и производственного плана следует отметить:
-широкую сертификацию систем качества и более 80 наименований строительного, судового, конструкционного проката известными сертификационными обществами Британии, Германии, США, Норвегии, увеличение экспортных поставок металла с выполнением многих дополнительных требований по стандартам стран-заказчиков;
-широкое внедрение экономно-легированных сталей в сочетании с термомеханической обработкой металла с прокатного нагрева:
-освоена непрерывная разливка стали на комбинатах им. Дзержинского и им. Ильича; -начаты работы но сооружению конвертеров N3 на «Азоветали» и ДМ К* им. Дзержинского и МНЛЗ на «Криворожстали».
-активизировалась разработка технологий производства металлопродукции, получаемой ранее по импорту;
-продолжались исследования с/талогшавильиы;' процессов (конвертер, внепечиая обработка. непрерывная разливка) на горячих моделях:
-создана сквозная технико-экономическая модель производства конвертерной стали, включая технологии доменной и конвертерных плавок, внепечкой обработки чугуна и стали, позволяющая определить наиболее приемлемые варианты технологий производства стали с заданными свойствами в конкретных условиях;
-проведены исследования технологии сталеплавильных процессов с наложением электрических полей;
-проведены широкие исследования по использованию для контроля и управления конвертерным процессом сверхвысокочастотной техники, ставшей доступной для металлургии в результате конверсии оборонной промышленности;
-с позиций волновой механики рассмотрены основные процессы, протекающие в жидкой
ванне;
-начаты работы по рециркуляции материалов, снижающей потребности в сырье и решающей экологические задачи.
Основными задачами на ближайшие 10-15 лет следует считать:
в условиях ослабления внутреннего рынка металлопродукции основное внимание производственников и научных работников должно быть направлено на расширение экспортных возможностей; ключевой вопрос для решения проблемы - всемерное расширение средств внепечной обработки в конвертерных цехах;
приоритетными также являются работы по разработке технологии производства металлопродукции, получаемой до настоящего времени по импорту; при реконструкции сталеплавильных цехов главным является достижение передового
технического уровня;
в области развития теории металлургических процессов приоритетными задачами являются: дальнейшее изучение строения и структуры жидких сталей и шлака, исследование их теплофизических свойств, определение констант равновесия для реакций окисления (удаления) марганца, кремния и в особенности, серы и фосфора, описание кинетики сталеплавильных процессов.
На втором этапе развития черной металлургии, когда экономика страны получит полную возможность развиваться, на первое место должны выйти задачи освоения и широкого применения нетрадиционных и экологически наиболее чистых технологий.
Перечень ссылок
1. Коновалов Ю.В., Минаев A.A. Пути стабилизации и дальнейшего развития черной металлургии Украины // Металл и литье Украины -1997. - N 10.- С. 16-18 2.Sources of Iron beyond 2000 // Steel Times. - 1995.-223, 5. -P. E-25-E-27, E-30.
3. Дорофеев Г. А. Состояние и перспективы развития производства новых видов металлошихты для сталеплавильного производства за рубежом и в России // Труды 1Y Конгресса сталеплавильщиков. - М.- ОАО Черметинформация. - 1997,- С.27-31.
4. Nilles Р. Е. Steeimakiog of the future // International Steelmaking conference. -1998. - Desiqn centre Linz ' Austria /. P. 1-5.
Бэйченко Борьс Михайлович. Зав. кафедрой металлургии стали, профессор, д-р техн. наук /Государственная металлургическая академия Украины. Выпускник Днепропетровского металлургического института (ныне - ГМетАУ). Основные направления проводимых исследований энергосберег ающие конвертерные технологии с уменьшенными затратами жидкого чугуна; производство особо чистых сталей, в том числе с применением сверхвысокочастотной техники контроля и измерений.
Поляков Владимир Федорович. Зав. отделом физико-технических проблем производства стали, профессор, д-р техн. наук (Институт черной металлургии НАН Украины). Выпускник Московского института стали и сплавов. Основные направления исследований - совершенствование технологии разливки стали; повышение качества сталей.
Харахулах Василий Сергеевич. Генеральный директор объединения металлургических предприятий «Укрметаллургпром». Выпускник Сибирского металлургического института. Основные направления исследований: развитие внепечной обработки сталей на метпредприятиях Украины.
