Мартеновское производство стали

Мартеновская плавка. Основные технологические решения

На протяжении эпохи промышленного производства стали сосуществовали и сосуществуют до сих пор три принципиальных подхода к организации металлургического завода:

  • выбор и освоение территории с максимально подходящими для строительства завода природными ресурсами, возможно полное их использование с ориентацией на развитие производственных мощностей;
  • ориентированное на емкость внутреннего рынка компактное производство металлопродукции в удаленных от металлургических центров регионах для удовлетворения потребностей машиностроения, судостроения, строительства и пр. Вне зависимости от расположения, такой подход часто реализуют крупные машиностроительные компании в виде сталелитейного цеха или завода;
  • металлургические комплексы, ориентированные как на внутренний, так и на внешний рынок металлопродукции массового сортамента, строительство которых продиктовано целесообразностью переработки относительно дешевого стального лома, образующегося в данном регионе, или владельцем которого является строящая завод компания.

Не вызывает сомнения, что реализация концепции мега-завода носит глобальный характер и предполагает добычу и переработку железнорудного сырья и угля, получение агломерата и кокса, производство жидкого передельного чугуна и стали, ее внепечную обработку и разливку, а также систему технологий обработки металлов давлением для получения определенных видов металлопродукции. Следует отметить, что технологическая схема мега-завода предполагает организацию эффективного сочетания ряда разноплановых непрерывных и дискретных производственных процессов, отличающихся пределами допустимой производительности, продолжительностью технологического цикла, стойкостью и стоимостью основных агрегатов. В принципе задача полной остановки такого предприятия не разрешима, а нормальная работа возможна только при организации в технологической цепочке ряда накопительных элементов, коими являются: рудный двор, миксер, склады заготовок и готовой продукции.

«Длинная» схема производства стали на мега-заводах вызвана, прежде всего, низким энергетическим потенциалом сырья, применяемого для производства стали. Так, известно, на заводе полного цикла, в сравнении с электросталеплавильным, удельные затраты труда на производство готовой продукции, например катанки, обычно в три-шесть, а энергии в два раза выше. Последнее обстоятельство вызывает необходимость организации в условиях мега-завода собственных генерирующих энергию мощностей, а с целью снижения затрат на топливо использовать собственные вторичные энергоносители: доменный и коксовальный газ. Таким образом, система энергообеспечения завода в свою очередь становится более или менее зависима от технологического процесса производства металлопродукции.

Вследствие вышеизложенного для мега-завода характерна явная зависимость затрат по переделу от степени загруженности основных технологических агрегатов. По ряду оценок, снижение производительности металлургического завода на 20% приводит к увеличению удельных расходов на $10-15. Кроме того, следует отметить, что в процессе жизненного цикла металлургического завода и под влиянием эволюции металлургической техники и технологии стратегия развития завода может существенно меняться. Например, в годы первых пятилеток в условиях дефицита металлопродукции для бурно развивающейся промышленности СССР построили Магнитогорский металлургический комбинат, но из-за переоценки потенциала природных ресурсов через сорок лет запасы железной руды в регионе иссякли, что, несомненно, изменило стратегию модернизации существующих агрегатов на стадии выплавки чугуна и производства стали. Вместе с тем, следует отметить, что доля грузов металлургического назначения промышленного железнодорожного транспорта составляет в Российской Федерации более 23%, а для грузового автотранспорта – более 11%. При объеме производства на уровне 60 млн. т в год общий объем перевозок металлургических грузов только железнодорожным транспортом превышает 180 млн. т при среднем расстоянии около 2 тыс. км. Поэтому модернизация должна выполняться в строгом соответствии с индивидуальными особенностями конкретного металлургичес¬кого производства и обеспечить значитель¬ное снижение (например за счет увеличения в шихте доли стального лома) расходов компенсацию затрат на расходах по переделу в следствие неизбежного увеличения транспортных расходов при удалении источника сырья.

Идея двух последних подходов к организации металлургического производства, по сути, является воплощением концепции металлургического мини завода.

На первом этапе развития концепция мини завода выражалась в строительстве завода, в состав которого, как правило, входило мартеновское (скрап-процесс) или электросталеплавильное производство. Несмотря на то, что к началу 40-х годов дуговая сталеплавильная печь сформировалась как эффективный промышленный сталеплавильный агрегат и потребность в электропечах стремительно возрастала, например, в период с 1934 по 1937 годы производство электропечей в мире практически утроилось, процесс выплавки металла в дуговых печах не мог конкурировать с мартеновским в части производства стали массового сортамента, поэтому существовало «разделение труда» - в дуговых электропечах выплавляли только легированные и высоколегированные марки стали.

Действительно, максимальная удельная тепловая мощность дуговых сталеплавильных печей вместимостью 5-30 тонн не на много превышала мартеновские и составляла 190-300 против 150-230 кВт/т, хотя тепловой КПД электропечей был существенно выше, а удельный расход тепла на выплавку стали равнялся 500-1000 против 930-2900 кВт*ч/т соответственно. При этом из-за малой вместимости производительность ДСП в сравнении с 30-200-тонными лучшими мартеновскими печами США составляла, как правило, 1-3 против 4-19 т/ч соответственно.

Вторая мировая война (1939-1945г.г.) практически остановила развитие печестроения Европы, но новый толчок развития и совершенствования электрометаллургии получили США. В конце войны в США годовая выплавка электростали достигла 5 млн. т. Действительно, уже в 1941 г. в США было введено в эксплуатацию 17 и находились в стадии завершения строительства 11 дуговых печей. Доля электростали в общем производстве стали в США, составлявшая накануне войны 1,7 – 1,8%, достигла в 1943 г. 5,2%, а в 1951 г. 6,5%. Средняя вместимость электродуговых печей США значительно увеличилась. Так, в 1951 г. доля печей вместимостью 60т более составляла около 30%.

Повышение средней вместимости агрегата в послевоенное время достигается как за счет строительства 51 ДСП средней вместимостью около 30 т, так и путем ликвидации или консервации 58 электропечей средней вместимостью 6,1 т.

Для улучшения технико-экономических показателей работы электропечей США:

  • была организована система тщательного хранения и подготовки скрапа к плавке;
  • проведена работа по повышению качества огнеупоров;
  • изменена конструкция электрододержателей, которая обеспечивала наклон электродов на 7—8° к вертикальной оси печи с целью экранирования и удаления дуги от футеровки стен;
  • в стенах электропечей были установлены и прошли промышленное опробование стационарные топливо-кислородные горелки, что наряду с вводом дополнительного количества тепла исключало малоэффективное использование дуг в конце плавления;
  • значительно повысили стойкость свода печи за счет увеличения высоты стен. Так, на 45-тонной печи (завод Коппервелд Стил) с 1937 по 1948 г.г. высота кожуха была увеличена в 1,5 раза, а объем рабочего пространства – в 1,4 раза и достиг 32 м2;
  • для увеличения надежности работы механизмов, заслонка рабочего окна, ее рама, электрододержатели, сводовое кольцо и ряд других элементов начали выполнять водоохлаждаемыми;
  • электропечи начали комплектовать более совершенными и надежными автоматическими регуляторами мощности и аппаратурой высокого напряжения.

В этот период в США наметилась устойчивая тенденция сокращения разрыва между удельными расходами на топливо для мартеновских печей и электроэнергию. Уже не только оценка специалистов, но и опыт работы ряда заводов показывал возможность выплавки стали массового сортамента в крупных электропечах с одинаковыми или даже несколько меньшими затратами, чем в работающих скрап-процессом мартенах. Действительно, в 1951 – 1953 г.г. в США доля углеродистой стали, выплавленной в ДСП, составила около 54,2% всего объема произведенной электростали.

Наращивание производства углеродистой стали в электропечах происходило и за счет реконструкции мартеновских цехов. В 1951 г. на заводе «Tirnken Roller Bering» демонтировали три 120-т мартеновских печи и вместо них установили три ДСП вместимостью по 70 т с мощностью печного трансформатора 20 МВА. Каждая из этих электропечей обеспечивала производительность 14 – 16 т/ч и выплавляла 85 тыс. т стали в год. Естественно, что такой подход создавал условия для разработки крупных электропечей, вместимость которых была бы соизмерима с вместимостью мартеновских.

Начиная с 50-х годов после восстановления промышленности подобное развитие в области электропечестроения происходило в странах Западной Европы и Японии.

Печестроительные компании Великобритании, Бельгии, Италии, Франции и Японии заимствуют и развивают конструктивные принципы американской печи «Lectromelt» и производят электропечи большой вместимости. Так, например из 117 дуговых печей, построенных компанией «Mannesman Demag» шесть имели вместимость 150 т и мощность трансформатора 40 МВА.

Таким образом, второй этап развития мини заводов характеризуется заменой мартеновских печей дуговыми электропечами, которые имели вместимость более 50 – 150 т.

Кроме того, в этот период в США начинают строить крупные электрометаллургические заводы, ориентированные на выпуск стали массового сортамента. Одной из первых была компания «Florida Steel», образовавшаяся в 1956 г. путем слияния предприятий, занимавшихся металлообработкой. В 1958 г. она ввела свой первый мини завод в г. Тампа с двумя 30-35 т. дуговыми печами и мощностью прокатных станов 280 тыс. т арматурной стали.

Третий этап развития мини заводов сопровождался бурным развитием кислородно-конвертерного производства и резким сокращением выплавки стали в мартеновских печах. Уже начиная с 70-х нарушается сложившийся баланс лома и создаются объективные предпосылки для параллельного развития технологического процесса плавки стали, отличающегося высоким удельным расходом лома.

Не вызывает сомнения, что в сложившихся условиях мощность источника нагрева выходит на первый план и становится определяющим, так как именно она определяет технологический потенциал и технико-экономическую эффективность сталеплавильного агрегата для переплава лома.

Возможность концентрированного ввода огромного количества тепловой энергии в сочетании с простотой регулирования подводимой мощности, являлось неоспоримым преимуществом дуговой сталеплавильной печи в сравнении с другими агрегатами для производства стали. Более того, нагрев ванны металла и технологический процесс плавки стали в ДСП практически не связаны друг с другом в отличие от кислородного конвертера и мартеновской печи, где процесс нагрева определяется состоянием ванны.

Дальнейшее совершенствование концепции развития мини завода заключается в сочетании цикла выплавки стали в дуговой электропечи с возможностями непрерывная разливки.

Одновременно со строительством новых электрометаллургических заводов проводили модернизацию старых. Например, в 1965 г. компания «Florida Steel» реконструировала мини завод в г. Тампа путем оснащения его двумя двухручьевыми МНЛЗ, а в 1974 г. завод в г. Шарлотт аналогичным образом. После 1974 г. все пять мини заводов компании «Florida Steel» разливали сталь на МНЛЗ и выпускали около 1,5 млн. т проката.

Строительство первого мини завода в Великобритании было начато в 1970 г. Первая очередь, в состав которой входили 80-т дуговая электропечь с трансформатором мощностью 27 МВА, четырехручьевая МНЛЗ и 19-клетевой стан 455 была завершена в 1972 г. Мощность завода составляла 180 тыс. т жидкой стали в год , а по прокату – 160 тыс. т.

РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ