Об актуальных тенденциях развития процессов производства и разливки стали

К началу XXI века сталь как конструкционный материал занимает господствующее положение в мире. При этом объем производства стали в масштабах планеты растет из года в год и существенно превосходит объем производства любого другого конструкционного материала. Так, если в 1974г. общемировой годовой выпуск стали достигал 700 млн.т, то в 2004г. этот показатель впервые превысил 1 млрд.т. Примечательным для мировой металлургии является также и тот факт, что сталь производится сегодня более чем в 100 странах.

Современные промышленные схемы производства и разливки стали обеспечивают металлургам сравнительно высокий уровень стабильности и гармонизации металлургических процессов и систем. Однако большинство из этих процессов (окончательно оформились в качестве базовых в конце XX века) в части своих функциональных возможностей и энергетических показателей находятся на границе известных физических законов и ограничений.

В данной связи необходимо особо подчеркнуть то обстоятельство, что в черной металлургии все более проявляется тенденция к повышению внутренней гибкости технологических процессов. Это непосредственно связано с изменчивостью спроса на мировом рынке металлопродукции, что, в свою очередь, обусловливает необходимость предприятий отрасли в технологиях и агрегатах, которые в максимальной степени адаптированы к удовлетворению таких меняющихся запросов. На первый план выходят возможности по выпуску разнообразной продукции с одновременным уменьшением объемов партий однородного металла. В то же время именно работа “на больших объемах однотипной продукции” является залогом выгоды для крупных металлургических предприятий с полным циклом. С учетом этого становится ясно, что технологические возможности повышения эффективности производства на таких заводах и комбинатах весьма и весьма ограничены.

В целом же научно-технический прогресс, наблюдаемый в производстве и разливке стали, можно представить в виде пяти основных направлений реструктуризации предприятий черной металлургии.

Век развития мини-миллов

Временные затраты на управление метпредприятием минимизируют, одновременно повышая оперативность в исполнении заказов потребителей металлопродукции

Минимизация затрат на стабильной основе становится возможной в случае создания максимально совмещенной и закрытой системы основных производственных процессов. В черной металлургии примером таких эффективных построений являются различного рода мини-заводы.

Прогресс в области создания оборудования для мини-заводов достиг очень высоких темпов. Только в последние полтора десятилетия

Можно с уверенностью утверждать, что в ближайшее десятилетие будет повышаться удельная производительности дуговых печей и машин непрерывной разливки стали.

Крайне важным фактором в развитии черной металлургии грядущего десятилетия станет также организация мини-заводов для производства листового проката. Уже сегодня таких заводов в мире около 50; увеличение их количества в последующем может существенно изменить ситуацию на рынке плоского проката.

В целом можно предположить, что при имеющемся технологическом и экономическом потенциале мини-заводов рациональным является сосуществование, если не симбиоз, в металлургической промышленности двух секторов: комбинатов с полным циклом производства и мини-миллов.

“Сжимая” передел

Данное направление прогрессивного развития в первую очередь характеризует сферу производства плоской металлопродукции. Здесь совершенно четко обозначилась тенденция к созданию высокотехнологичных литейно-прокатных модулей (ЛПМ) с разливкой на тонкие слябы и последующей прокаткой до тонкой полосы. Это фактически исключает из технологической системы этапы производства слябов (с их подогревом перед последующей прокаткой) и прокатки слябов на толстолистовых станах.

В целом такая схема может быть представлена следующим образом: выплавка стали в дуговой печи или конвертере → доводка стали на установке “ковш-печь” → разливка стали на тонкие слябы и их горячая прокатка в технологической цепи ЛПМ → прокатка на станах холодной прокатки. Скорость разливки на литейно-прокатных модулях составляет в настоящее время 6-8 м/мин. при толщине заготовки 70-85 мм, что обеспечивает годовую производительность одноручьевой слябовой МНЛЗ на уровне 1,0-1,5 млн.т в год.

Высокая конкурентоспособность ЛПМ достигается благодаря следующим прогрессивным техническим решениям:

Дальнейшим развитием указанной тенденции является технологическое построение, базирующееся на прямом получении полосы путем ее отливки на двухвалковых МНЛЗ. Промышленное освоение литья тонкой полосы фактически открывает двери для создания многочисленных микро-металлургических заводов с годовым объемом производства 20-150 тыс.т плоского проката.

Обобщая известные материалы, можно предположить, что основные разработчики оборудования и технологии для разливки стали на двухвалковых МНЛЗ в основном решили все технические проблемы, препятствующие непосредственно литью полосы и тонкого листа. Это позволяет говорить о том, что прямая отливка тонкого листа уже освоена на опытно-промышленном уровне. Наиболее глубокие исследования в этой области выполнены фирмой Castrip LLC (США) на металлургическом заводе Nucor Steel (США), где в 2004г. отлито 150 тыс.т продукции на двухвалковой МНЛЗ. В целом можно констатировать, что получаемый с помощью двухвалковой МНЛЗ лист соответствует стандарту ASTM A1011 (для горячекатаного листа).

Рассмотренные схемы получения плоской продукции обладают существенным энергосберегающим потенциалом, что обеспечит им решающее конкурентное преимущество уже в ближайшие годы.

К быстрым плавкам

Правильный выбор сталеплавильного процесса в основном определяется ограничениями по содержанию сопутствующих (вредных) примесей и составом шихты исходной завалки. Не менее важным фактором при этом является степень совмещения дискретного процесса выплавки стали с квазинепрерывным процессом ее разливки. Используемые в практике сталеплавильного производства кислородные конвертеры (КК) и дуговые сталеплавильные печи (ДСП) имеют весьма жесткие ограничения по интенсивности подвода тепла и составу шихты.

Можно предположить, что в силу дальнейшей дифференциации требований к качеству металлопродукции в условиях оптимизации экономических показателей за счет рационального выбора сырьевых материалов и энергетических ресурсов в недалеком будущем сталеплавильные цеха будут оснащаться универсальными агрегатами. Примером такого агрегата является процесс Conarc, предложенный фирмой SMS-Demag и совмещающий технологические операции дуговой сталеплавильной печи и кислородного конвертера.

Означенный процесс позволяет работать с различными сырьевыми материалами (жидкий чугун, скрап, чугун и заготовка прямого восстановления). Двухкорпусной агрегат включает комбинацию верхней кислородной фурмы с электродами дуговой печи, которые могут альтернативно применяться в двух одинаковых корпусах печи. Процесс начинается с фазы кислородного конвертера, которая затем переходит в фазу электродуговой печи. Полный цикл включает последовательную загрузку шихты в оба корпуса печи, которая начинается с заливки жидкого чугуна, после чего вводится кислородная фурма и начинаются операции продувки. В конце продувки кислородом в печь загружают твердые шихтовые материалы (скрап и/или металлизованное сырье), затем электроды устанавливают в рабочее положение и включают дугу. В конце фазы дуговой плавки удаляется шлак, а готовая сталь сливается в ковш, который передается для обработки на установке “ковш-печь”.

На агрегате системы Conarc (две 170-тонные печи) металлургического завода Saldanha Steel (ЮАР), который был запущен в эксплуатацию в 1998г., соотношение в завалке жидкого чугуна и твердой металлизированной шихты варьируется в широком диапазоне от 30:70 до 75:25. На печи достигнут расход энергии менее чем 200 кВт•ч/т при годовом производстве 1,35 млн.т.

Особое значение экологии

В последние 40 лет потребление энергии и выбросы СО2 в европейской сталеплавильной промышленности уменьшились на 50% и 60% соответственно. Однако сталелитейная промышленность все еще составляет значительную часть европейского антропогенного СО2 (6%) и поэтому привлекает большое внимание с экологической точки зрения.

По мнению экспертов, в этой связи не следует ожидать принципиальных улучшений в доменном, а также сталеплавильном (конвертерном и электросталеплавильном) производствах. Сегодняшний уровень выбросов близок к теоретическому минимуму для названных процессов, поэтому для удовлетворения экологических требований общества необходим поиск и развитие новых технологических решений.

Между тем, украинский горно-металлургический комплекс располагает колоссальным энергосберегающим и экологическим потенциалом в силу наличия в нем морально устаревших технологических процессов, включая мартеновское производство и разливку стали в слитки. Фактически Украина выплавляет половину всего мирового объема мартеновской стали, и такая тенденция сохраняется в тот период развития металлургии, когда ведущие производители стали в мире отказались от использования мартеновских печей.

Примечательным является, например, тот факт, что КНР полностью остановило мартеновские печи (годовой объем производства более 13 млн.т стали) в период с 1996-2002гг. Даже в России, располагающей неисчерпаемыми источниками природного газа, объемы производства стали в мартеновских печах сокращены более чем в 2 раза только на протяжении последних 14-15 лет. При этом все крупные металлургические комбинаты России полностью вывели из эксплуатации мартеновские цеха (за исключением Орско-Халиловского МК).

Существенное технологическое отставание наблюдается и в организации процесса разливки стали: в Украине только 24-25% стали разливается непрерывным способом, причем большая доля МНЛЗ эксплуатируется 10-15 лет и более. Невзирая на тот факт, что объемы стали, разливаемой непрерывным способом, в последние годы заметно растут (в 2001г. на МНЛЗ было отлито 6,4 млн. т стали, а в 2005г. эта цифра превысила 11 млн.т), этот показатель в нашей стране является угрожающе низким. Ведь в развитых металлургических странах мира он составляет 90-92% и более.

В целом для большинства существующих сталеплавильных цехов Украины наиболее целесообразным представляется комплексная реструктуризация действующих производств с целью создания энерго- и ресурсосберегающих циклов, базирующихся на современных технологиях выплавки, внепечной обработки и разливки стали.

“Умное” производство стали

Металлургическую промышленность ориентируют на интеллектуальную модель развития конкурентных преимуществ

Технологические процессы и операции на металлургическом предприятии будут максимально интеллектуализированы. Это предполагает широкое применение компьютерного мониторинга и внедрение в производство управляющих моделей, динамично реагирующих на любую производственную ситуацию, начиная с получения и разгрузки сырья и заканчивая отгрузкой металлопродукции за ворота завода.

В подобном ракурсе эффективные конкурентные преимущества будут приобретать технологические проекты, направленные не просто на решение производственных задач и обеспечивающие максимальное энерго- и ресурсосбережение, но и максимально адаптированные к современным системам автоматического управления производством. Легко заметить, что при таком подходе вряд ли возможно сохранение консервативных схем производства и разливки стали (мартеновские печи, разливка в слитки и пр.).

Ориентация металлургической промышленности ведущих стран мира на инновационную модель развития конкурентных преимуществ предполагает постоянное обновление знаний и навыков обслуживающего персонала. При этом следует иметь в виду, что молодых людей как в Европе и США, так в развивающихся странах гораздо больше привлекают финансово-экономическое и юридическое образование, а также деловая карьера менеджера. В этом плане и украинская металлургическая промышленность будет все больше сталкиваться с дефицитом молодых дипломированных специалистов инженерного профиля. Более того, с развитием процессов евроинтеграции следует ожидать серьезного оттока молодых квалифицированных кадров из Украины, которые будут стремиться переехать на профильную работу в страны Европы, где обеспечен более высокий уровень заработной платы и комфортности проживания.

Единственным выходом из этой ситуации является расширение связей между предприятиями отрасли, с одной стороны, и университетами и научно-исследовательскими институтами, с другой, целью изменения представления молодежи о металлургии (демонстрация использования в отрасли высоких технологий, а также наличие необходимых уровней безопасности и экологичности). При этом развитие университетского образования для черной металлургии должно определяться долгосрочными приоритетами, а также учитывать стратегию поддержки нововведений в отрасли с выделением наиболее актуальных направлений исследований.