Развитие сталеплавильного производства в ближайшее время заключается в замене мартеновского способа получения стали более прогрессивными —кислородно-конвертерным и электросталеплавильным. Кислородно-конвертерному процессу присущи более высокая производительность, меньшие удельные капиталовложения и затраты по переделу, комплексная механизация производства.
Килородно-конвертерный процесс, благодаря высоким технико-экономическим показателям, занимает ведущее место в современном сталеплавильном производстве.
В настоящее время в кислородных конвертерах выплавляют больше 65% производимой в мире стали.
Конвертерный процесс возник в середине XIX века.
Поставленные XXVII съездом КПСС задачи по техническому перевооружению черной металлургии и повышению качества продукции будут решены, в частности, в результате дальнейшего расширения и совершения кислородно-конвертерного производства стали. Намечено существенное увеличение объема выплавки стали в кислородных конвертерах, строительство новых конвертерных цехов. Важной задачей является также внедрение прогрессивных вариантов технологии плавки и широкое использование в конвертерных цехах методов внепечной обработки, позволяющих значительно повысить качество металла и расширить сортамент выплавляемых в конвертерах сталей.
Конвертерный (бессемеровский) процесс был первым в истории металлургии способом массового производства стали. Существовавшие в то время способы производства стали (пудлинговый и тигельный) не могли в достаточной мере удовлетворить потребности в металле, вызванные увеличением масштабов железнодорожного строительства, судостроения, машиностроения, развитием военной техники и т.п. Пудлинговая печь имела садку (вместимость) 250-500кг (редко до 1т) и позволяла получать до 15т стали за сутки в тестообразном (полутвердом) состоянии, тигельным процессом получали жидкую сталь в огнеупорных тиглях вместимостью до 35кг.
12 февраля 1856 г. Г. Бессемер подал заявку на получение патента. В заявке говорилось о том, что, если в достаточных количествах вводить в металл атмосферный воздух или кислород, он вызывает интенсивное горение между частицами жидкого металла и поддерживает температуру последнего или повышает ее до такой степени, что металл остается в жидком состоянии во время перехода его из состояния чугуна до состояния стали или ковкого железа без затраты горючего. К 1860 г. Бессемер закончил разработку конструкции агрегата, предназначеного для продувки чугуна, предложив вращающийся вокруг горизонтальной оси аппарат (названный им конвертером (converter, анг. — преобразователь)).
Сущность процесса, предложенного и разработанного в 1856-1860 гг Г. Бессемером, заключалась в том, что залитый в плавильный агрегат с кислой футеровкой (конвертер) чугун продували снизу воздухом. Кислород воздуха окислял примеси чугуна, в результате этого чугун превращался в сталь. Тепло, выделявшееся при реакциях окисления, обеспечивало нагрев стали до температуры ~ 16000С. В 1878г. С. Томасом был предложен способ изготовления основной (доломитовой) футеровки конвертеров. Так возник томасовский процесс переработки высокофосфорных (1,6-2,0% Р) чугунов в конвертерах с основной футеровкой.
Бессмеровский и томасовский процессы получили широкое распространение. Продолжительность бессемеровской плавки составляла 20-30 минут при вместимости конвертера до 35т, продолжительность томассовской плавки — 20-40 минут при вместимости конвертера ≤ 70т. Оба процесса имели значительный недостаток – выплавляемая сталь содержала большое количество (0,01-0,025%) азота. Это объяснялось тем, что азот воздушного дутья растворялся в металле. Для получения стали с более низким содержанием азота в 1950-1965 гг были разработаны и в ряде стран применялись разновидности этих процессов предусматривавшие продувку снизу воздухом обогащенным кислородом, парокислородной смесью и смесью кислорода с углекислым газом СО2.
Метод продувки жидкого чугуна кислородом сверху был впервые предложен и опробован в ССР в 1933 г. Инженером Н.И. Модговым. В дальнейшем в ССР и в ряде других стран проводили исследования по разработке технологии нового процесса. В СССР эксперименты в 1936г проводили в АН УССР; в 1939г. Юыли продолжены на заводе «Станкоконструкция» (г.Моска) и в 1942г. На Косогорском металлургическом заводе; в 1945 – 1953 гг – ЦНИИ ЧМ, на заводах «Динамо», Мытищенском машиностроительном, Енакиевском и Ново-Тульском металлургических.
В 1954-1955 гг. на Ново-Тульском металлургическом заводе в 10-т конвертере проведена окончательная доработка технологии выплавки стали с продувкой кислородом сверху.
Первая в мире крупная установка с конвертером емкостью 15 тонн была пущена в 1949 году на металлургическом заводе в городе Линц (Австрия) . На ней были достигнуты весьма высокие технологические показатели, что и определило дальнейшую судьбу кислородно-конвертерного процесса. Первые в мире промышленные сталеплавильные цеха, оснащенные конвертерами с кислородным дутьем через погружаемую сверху фурму, были введены в эксплуатацию в 1952-1953 годах в австрийских городах Линц и Донавиц. Собственно успешное функционирование этих цехов и дало окончательное практическое подтверждение тому факту, что использование кислорода для переработки сталеплавильного процесса и исключает применение дорогостоящих энергоносителей для нагрева металла.
В период 1955-1975 гг бессемеровский и томассовкий процессы и их разновидности были вытеснены разработанными к этому времени процессами с продувкой чистым кислородом сверху и через дно.
В СССР в 1956 году на верхнее кислородное дутье был переведен бессемеровский цех переоборудованных на 20-т конвертерах на Днепропетровском металлургическом заводе имени Петровского, а в 1957 – пущен в эксплуатацию кислородно-конвертерный цех с 35-т бессемеровскими конвертерами на меткомбинате «Криворожсталь» . В период 1963-1969 гг. были построены кислородно-конвертерные цеха с 100-130т конвертерами на Нижне-Тагильском комбинате (1963г.), на заводе им. Ильича (1964г.), Криворожском (1965г.), Новолипецком (1966г.), Челябинском (1969г.), Западно-Сибирском (1968г.) и Енакиевском (1968г.) металлургических заводах.
С 1970г. В ССР сооружают кислородно-конвертерные цеха с большегрузными конвертерами. В 1970г. Был построен цех с 250-т конвертерами на Карагандинском, в 1974 г. – с 300 – т конвертерами на Новолипецком, 1974 г. – с 300-т конвертерами на Западно-Сибирском металлургических комбинатах, в 1977г. – с 350-т конвертерами на металлургическом комбинате «Азовсталь», в 1980 г. – с 350-т конвертерами на Череповецком металлургическом заводе и в 1983 г. – с 250-т конвертерами на металлургическом комбинате им. Ф.Э. Дзержинского.
За время существования кислородно-конвертерного процесса было разработано значительное число его разновидностей. Начиная с 1958г., применяют разработанный металлургами Франции, Бельгии и Люксембурга процесс переработки фосфористых чугунов с вдуванием порошкообразной извести в струю кислорода (процесс ЛДЖ-АЦ или ОЛП). Непродолжительное время существовал разработанный в 1952 г. В ФРГ роторный процесс: плавка во вращающееся цилиндрической печи с вдуванием кислорода через две фурмы, одну из них погружали в металл, через вторую подавали кислород для дожигания оксида СО, выделяющегося из ванны. Опытная роторная печь эксплуатировалась на Нижне-Тагильском металлургическом комбинате. Около двух десятилетий в ряде стран применяли разработанный в 1954г. В Швеции процесс Калдо – плавку в наклоненном под углом 17-200 к горизонту вращающемся конвертере с подачей кислорода через фурму, расположенную над ванной под углом 18-260 к ее поверхности. Вследствие сложности эксплуатации оборудования и низкой стойкости футеровки конвертера и других показателей плавки процессы Калдо и роторный в настоящее время не используются.
Длительное время в ССР и за рубежом вели разработку метода вдувания чистого кислорода через дно конвертера, что привело к созданию применяемого в настоящее время процесса с донной продувкой кислородом. В промышленном масштабе этот процесс был впервые осуществлен в ФРГ в 1967.
С 1975 – 1978 ГГ. широкое распространение получают процессы комбинированной продувки в кислородных конвертерах, то есть процессы, предусматривающие продувку кислородом через фурму сверху в сочетании с вдуванием через дно различными способами тех или иных газов (нейтральных, кислорода и др.) Многочисленные разновидности этих процессов разработаны во многих странах Западной Европы, США, Японии и в СССР. Технология комбинированной продувки, позволяя сочетать преимущества способов продувки сверху и через дно, обеспечивает повышение многих показателей конвертерной плавки и поэтому получает все более широкое распространение.
В настоящее время в мире эксплуатируется свыше 160 конвертерных цехов, располагающих приблизительно 660 крупными конвертерами (с учетом мелких агрегатов, работающих преимущественно в Китае, их количество достигает 740. (рисунок 1).
В конвертерах выплавляют 65,4% от всего мирового объема стали (примерно 736 миллионов тонн в 2005 году), рисунок 2.
Рисунок 2 – Динамика производства конвертерной стали в мире
В мире 19 цехов имеют в своем составе мощнейшие конвертеры емкостью 290-300 и более тонн. Четыре из них находится в России (Череповецкий, Магнитогорский, Новолипецкий и Западно- Сибирский металлургические комбинаты), четыре — в Японии («Kawasaki Steel” на заводе «Mizushima Works”; «Nippon Steel Corp” на предприятии «Yawata Works”; «Nippon Steel Corp» на «Kimitsu Works”; «NKK Corp» на «Keihin Works”), два — в Германии («Thyssen Krupp Stahl» и «Stahlwerke Bremen»), по одному — в Украине (металлургический комбинат «Азовсталь”, в 2007 г. намечен пуск 300-тонного конвертера на Алчевском металлургическом комбинате), Казахстане («Ispat Karmet”), США («Weirton Steel Corp”), Южной Корее («Pohang Iron & Steel Corp»), Польше («Huta Katowice”), Великобритании («Scunthorpe Works»), Франции («Arcelor” на предприятии «Fos-sur-Mer»), Индии (Bokaro, «S.A.I.L.”) и Нидерландах («Hoogovens Ijmuiden BV»). Как показывает практика, конвертерный цех в составе трех 370-400-тонных конвертеров может обеспечить годовой объем производства на уровне 10 миллионов тонн стали. Основными производителями стали в кислородных конвертерах являются Китай, Япония, США, Россия, Южная Корея, Бразилия, Индия, Украина.
Для конвертерного способа производства характерна его высокая концентрация в небольшом количестве промышленно развитых стран. Пять ведущих производителей конвертерной стали обеспечивают более двух третей, а десять ведущих производителей — свыше четырех пятых ее мирового производства. При этом доля конвертерной стали в общем объеме производства в этих странах колеблется весьма существенно: от 45 % в США и 49,9 % в Украине до 87,1 % в Китае и 70-75 % в Бразилии, Южной Корее, Японии. В Австрии, Австралии, Бельгии, Люксембурге доля конвертерной стали составляет более 90 %.
Конвертерное производство России включает 8 конвертерных цехов с 22 кислородными конвертерами (9 — 300-375 тонн и 13 — 130-160 тонн общей мощности 350 млн. тонн).
На российских предприятиях в настоящее время (по данным за 2005г.) 59,3% всей выплавляемой стали производится конвертерным способом (ОАО «ММК», ОАО «Северсталь», ОАО «НЛМК», ОАО «ЧМК», ОАО «НТМК», ОАО «ЗСМК»). Общий объем выплавки конвертерной стали на этих предприятиях в 2005 г. составил 39,3 млн. тонн. При этом за последние 10 лет выплавка кислородно-конвертерной стали увеличилась в 1,7 раза (рисунок 3).
Рисунок 3. — Динамика выплавки кислородно-конвертерной стали в России
Современные российские конвертерные цеха являются крупными сталеплавильными комплексами с конвертерами с комбинированной продувкой, оборудованные газоочистками с системой отвода газов без дожигания. В цехах имеются установки десульфурации чугуна и внепечной обработки стали, высокопроизводительные машины непрерывного литья заготовок, а также автоматические системы управления технологическими процессами.
Наблюдаемый в последнее десятилетие прирост производства конвертерной стали достигнут главным образом за счет Китая. Определенный прирост производства конвертерной стали в России и Украине может наблюдаться в случае реструктуризации цехов с мартеновскими печами (доля мартеновского производства в Украине составляет около 45%, в России — около 25% (рисунок 4).
Рисунок 4 — Изменение доли мартеновского производства стали с 1960 по 2005г
И все же в дальнейшем наиболее вероятен прирост производства конвертерной стали за счет Китая и Индии, где внутреннее потребление металлопродукции постоянно растет (в Китае доля внутреннего потребления стали составляет около 90%, в промышленно развитых странах объем внутреннего рынка потребления металлов достигает 80%, а в Украине не превышает 21%).
При этом следует отметить, что если в странах Евросоюза наблюдается тенденция к повышению эффективности функционирования всей технологической системы производства конвертерной стали в совокупности с расширением мероприятий по защите окружающей среды без существенного наращивания объемов производства, а в КНР в течение нескольких лет происходит скачкообразное наращивание производства конвертерной стали за счет введения в эксплуатацию новых цехов и заводов, базирующихся на последних достижениях европейских и японских технологов и машиностроителей.
В 2005 году в странах ЕС-25 выплавлено 114,2 миллионов тонн конвертерной стали, что составляет 61,0 % от всего сталеплавильного производства. В настоящее время в странах ЕС функционирует 91 конвертер, большинство из которых имеет массу плавки более 100 тонн (таблица 1).
Таблица 1. — Количество конвертеров в странах ЕС-25
При развитии конвертерного производства в ЕС предпочтение отдается технологическим решениям, направленным на уменьшение потерь энергии, железа, огнеупоров и других расходуемых материалов при снижении вредного влияния на окружающую среду. Не обходят вниманием и технологии эффективной переработки металлолома, утилизации технической воды, развитие транспортной системы. Важным направлением инновационного развития в металлургии ЕС является создание новых марок сталей, имеющих максимально высокие технологические и эксплуатационные свойства применительно к конкретным изделиям. Следует ожидать, что в ближайшее время будут интенсивно развиваться направления производства высокопрочных сталей, а также сталей высокой чистоты по вредным примесям.
В 2005 году производство конвертерной стали в Китае превысило 300 миллионов тонн. Сегодня в стране выплавляется более 40 % всего мирового производства конвертерной стали. Характерной особенностью развития конвертерного производства в Китае является быстрое увеличение количества конвертеров при их сравнительно небольшой единичной емкости (таблица 2). Между тем в Китае в последние десятилетия построен ряд конвертерных цехов с агрегатами 200-300 тонн.
Таблица 2. — Количество конвертеров и средняя масса плавки в Китае
Основными тенденциями развития конвертерного производства в Китае являются повышение эффективности работы конвертеров за счет применения комбинированной продувки (реконструкция действующих конвертерных цехов), широкое внедрение автоматических систем контроля производства, снижение удельных расходов энергии, огнеупоров (за счет технологии набрызгивания шлака на стены конвертера), радикальное повышение чистоты стали, расширение объемов природоохранных мероприятий и рециклинга промышленных отходов.
На 01.01.2010г. производственные мощности металлургических предприятий объединения«Металлургпром» по выплавке стали составляют ~ 50 млн. т в год(без учета мощностей сталелитейных цехов предприятий).
В составе сталеплавильного производства имеем на балансе 21 кислородный конвертер с суммарной производственной мощностью 28,4 млн.т в год.
В 2004 г. соотношение между объемами производства конвертерной, мартеновской и электропечной сталью составляло, %: 51,3, 45,3 и3,4, то в 2009г. это соотношение составляет69,2, 26,3 и4,5 соответственно.
Объем стали, разливаемой на МНЛЗ от общего объема производимой стали за эти годы (2004-2009гг.) вырос с 24,2 до 48,4 %. Конечно, в улучшении этих показателей есть и доля влияния кризиса, так как это позитивное перераспределение в пользу уменьшения объёмов мартеновской стали и увеличение объёмов разливки на МНЛЗ зависит от уменьшения общих объемов производства стали. Но перспектива техпереоснащения сталеплавильного производства, которая реально реализуется сегодня на предприятиях, показывает, что начатый процесс улучшения структуры по видам стали и по объемам, разливаемым на МНЛЗ, – необратим.
Рисунок 5. — Производство стали по видам а) – 2009год б) 2008 год
В таблице 3 приведены данные о наличии плавильных агрегатов в сталеплавильном производстве (конвертерном), использовании производственных мощностей, наличии установок МНЛЗ, «печь-ковшей», вакууматоров и перспектив ввода новых агрегатов и т.д. Дальнейшие процессы техпереоснащения и модернизации сталеплавильного производства напрямую связаны с выходом отрасли, из кризиса.
Таблица 3. — Кислородные конвертеры на металлургических предприятиях объединения «Металлургпром» на01.01.2010 г.
Начиная с 2002г., освоение капитальных инвестиций на техпереоснащение на металлургических предприятиях, шло каждый год по нарастающей (рисунок 6).
Рисунок 6. Показатели освоения капитальных инвестиций, в т.ч. на охрану окружающей среды предприятий, входящих в объединение»МЕТАЛЛУРГПРОМ»
