Современный уровень и будущее электросталеплавильного производства: передовые подходы в мировой практике
Куда движутся лидеры электрометаллургии
Владимир Сафонов, Алексей Смирнов, Донецкий национальный технический университет
Современный уровень и будущее электросталеплавильного производства: передовые подходы в мировой практике
Научный поиск и практическая реализация его результатов наиболее отчетливо проявляют себя в такой сфере черной металлургии, как электрасталеплавильное производство. Этот тезис наглядно продемонстрировала девятая Европейская конференция по металлургии, проходившая в польском Кракове в конце мая и принявшая металлургов из 29 стран Европы, Азии и Америки.
В рамках настоящего материала мы решили осветить наиболее передовые (из представленных на мероприятии) разработки в области электропечного способа выплавки стали. С учетом того количества «заявлений о намерениях» в области создания новых электрометаллургических производств, которые прозвучали в Украине в последние годы, некоторые из них вполне могут быть восприняты в качестве ориентира для развития.
HBI и DRI вместо лома?
Среди представленных на конференции идей немалое внимание вызвал совместный доклад компаний SMS Demag AG (Германия) и Midrex Technologies Inc (США) о новой концепции металлургических мини-заводов. Речь шла о создании интегрированных мини-заводов с технологией прямого восстановления железа MIDREX, производством стали в ДСП и разливкой на литейно-прокатном модуле. Для внедрения этой концепции в практику компании Midrex, SMS Demag и японская Kobe Steel Ltd организовали консорциум в июне 2007г. На краковской конференции его представители убеждали: «такая схема не только обеспечивает кратчайший технологический путь от руды до готовой металлопродукции, но также создает условия для минимизации затрат на производство при высоком качестве стали».
Если вкратце, то технико-экономическая суть концепции заключается в следующем. На этапе прямого восстановления железа в зависимости от типа железорудного сырья может быть выбран вариант производства горячебрикетированного железа (HBI) либо прямовосстановленного железа (DRI). Технология выплавки стали в дуговой сталеплавильной печи (ДСП) на заводе включает систему управления производственным процессом и представляет интегрированное решение с обратной связью для всех потоков материалов и энергии. Эксплуатационные расходы предприятия снижаются за счет максимизации производительности, сокращения продолжительности плавки, уменьшения потребления энергии и сокращения простоев.
При загрузке в дуговую сталеплавильную печь 100% прямовосстановленного железа DRI на каждые 100°C увеличения температуры шихты потребление электроэнергии уменьшается на 20 кВт•ч/т жидкой стали. Таким образом, по разработанным схемам горячее DRI, поступающее в электропечь при температуре 650°C, обеспечивает экономию энергии около 140 кВт•ч/т. Кроме того, технология разливки стали на литейно-прокатном модуле (CSP) в сравнении с традиционной разливкой толстых слябов и последующей их прокаткой позволяет экономить до 70% энергетических затрат, а также – снизить издержки производства и инвестиции на 25 и 50% соответственно.
Производительность 28 литейно-прокатных модулей, работающих сегодня в мире, составляет около 50 млн.т стали в год. По данной технологии в глобальном масштабе производят около 10% горячекатаной плоской продукции. При этом в настоящее время технология CSP обеспечивает производство горячекатаной полосы толщиной до 0,78 мм при существенном расширении сортамента: микролегированные, электротехнические, нержавеющие марки стали, а также сталь для автомобильной промышленности. Добавим также следующее. Анализ экологической безопасности в случае с технологическим построением «горячее DRI -ДСП» показывает: выбросы CO2 на подобных производствах осуществляются в значительно меньших объемах, чем на традиционном интегрированном предприятии, эксплуатирующим схему «жидкий чугун – конвертер».
В данной связи интерес представляет исследование, также озвученное на конференции, которое затрагивает проблемы ломообразования в мировом масштабе (Развитие ситуации в сфере глобальной ломозаготовки косвенно может сказаться на интенсивности процессов создания электросталеплавильных производств, ориентированных на потребление железа прямого восстановления в качестве сырья). Соответствующий доклад представил член рабочей группы по вопросам стального лома Международного института чугуна и стали (IISI) П.Тарди.
Среди прочего в его выступлении отмечалось, что примерно 85% всего стального лома используется при выплавке в ДСП. Для интегрированных заводов (выплавка стали в конвертерах) доля стального лома в металлической части шихты колеблется в пределах 15-30%. С учетом оценки, выполненной на основании учета жизненного цикла различных видов металлопродукции, автор доклада приходит к таким выводам относительно ситуации с металлоломом в ближайшем будущем:
1. Существенное ускорение производства стали в начале нового тысячелетия привело к диспропорции между спросом и предложением стального лома в мире.
2. Ежегодное количество собираемого стального лома постепенно сбалансируется с его потреблением. Однако к началу 2010г. спрос на этот шихтовой материал все еще будет несколько превышать предложение. Данное обстоятельство обусловит необходимость утилизации стального лома, который ранее не использовали в силу его труднодоступности и низкого качества.
3. Импорт стального лома Китаем постепенно уменьшится из-за чрезвычайно высокой доли кислородно-конвертерного производства в стране. Поэтому в недалеком будущем Китай может стать экспортером лома на мировой рынок.
4. Не существует никакой опасности в виде серьезной нехватки стального лома в мире. Вместе с тем доля лома низкого качества будет постоянно увеличиваться. Снижение качества стального лома (выражается, прежде всего, в низкой насыпной плотности и загрязненности вредными примесями, включая цветные металлы и сплавы) отрицательно сказывается на стабильности работы сталеплавильного технологического модуля. На практике возникают проблемы с согласованием работы технологических агрегатов и ограничением сортамента выплавляемой стали. Это весьма актуально для мини-заводов, ориентированных на выпуск плоской продукции с применением литейно-прокатных модулей.
Ультрасовременные ДСП
Практические результаты развития способа выплавки стали в электропечах презентовали сразу несколько ведущих машиностроительных компаний.
Австрийская фирма Siemens VAI МТ представила доклад об особенностях конструкции и вариантах адаптации ДСП SimetalCIS Ultimate для переплава холодного и горячего прямовосстановленного железа DRI, а также эксплуатации печи с применением до 40% жидкого чугуна в шихте. Последняя адаптация успешно была внедрена в электросталеплавильном цехе Mагнитогорского металлургического комбината (ММК). Установленная здесь 180-тонная электропечь оборудована печным трансформатором мощностью 150 MВA+20% с диапазоном вторичного напряжения от 740 до 1350 В, пятью стеновыми модулями, одной газокислородной горелкой, двумя кислородными фурмами и тремя углеродными инжекторами. Применение системы рассредоточенного ввода кислорода в жидкую ванну обеспечивает скорость обезуглероживания более 300 кг/ч•м поверхности ванны и дает возможность применять до 35% жидкого чугуна в составе шихты. Производительность электропечи с применением 22% жидкого чугуна и 78% скрапа обеспечивает выплавку 32 плавок в сутки.
В настоящее время, кроме двух электропечей ММК с применением жидкого чугуна, в мире успешно работают еще шесть шахтных ДСП компании Siemens-VAI:
1. две 120-тонные электропечи метком-бината «Северсталь» (до 35% жидкого чугуна);
2. четыре 80/100-тонные печи в Китае.
Адаптация SimetalCIS Ultimate к применению в шихте DRI была представлена на примере металлургического завода HADEED (Саудовская Аравия), где в марте 2007г. дала первую плавку 150-тонная электропечь с трансформатором 130 MВA. В рабочем пространстве печи установлены три стеновых модуля с инжекторами порошкообразного углерода и система ввода порошкообразной извести. Конструкция ДСП позволяет применять в качестве шихты 100% скрапа, но оптимальный процесс обеспечивается при завалке от 75% холодного прямовосстановленного железа DRI до 100% холодного или горячего DRI. Подача горячего DRI с температурой около 650°C происходит непрерывно через отверстие в своде печи.
В ходе тестов по определению производительности были достигнуты следующие показатели:
1. при применении шихты, состоящей из 75% холодного DRI (металлизация 94%, содержание углерода 2,4%) и 25% скрапа – 165,1 т/ч;
2. при применении шихты, состоящей из 100% горячего DRI - 176,5 т/ч.
Что касается «традиционной эксплуатации» электропечи, ориентированной на переплавку только стального лома, то и в этом отношении разработки австрийской компании можно отнести к передовым. Так, увеличенный объем рабочего пространства ДСП позволяет во время плавления оптимизировать процесс предварительного нагрева загруженного стального лома путем дожигания СО и подогрева его стационарными стеновыми горелками. Кроме того, высокая номинальная мощность печного трансформатора (более 1 MВA/т) и увеличенная поверхность зеркала ванны обеспечивают стабильно высокую скорость обезуглероживания. Опыт успешного ввода в эксплуатацию 300-тонной ДСП SimetalCIS Ultimate на одном из турецких метпредприятий подтверждает целесообразность принятых решений. Через шесть месяцев после пуска печь достигла номинальной производительности 185 тыс.т в месяц (2200 тыс.т/год).
Далее, в докладе компании Arcelor Mittal Belval & Differdange S.A. (Люксембург) была представлена разработка автоматизированной системы непрерывного контроля процесса загрузки завалочной бадьи металлическим ломом. Система включает четыре цифровых видеокамеры, объединенных с четырьмя лазерными сканерами, установленными на завалочные краны. Разработанный авторами алгоритм обработки полученной информации позволяет управлять качеством загрузки бадьи, массой завалки и ее объемом.
Однако наиболее значимые технологические достижения в части технологического развития ДСП, по нашему мнению, были представлены швейцарской фирмой Concast. Проект ультрасовременной дуговой печи UHCP (Ultra High Chemical Power) имеет в своей основе концепцию обеспечения минимальной длительности плавки (от выпуска до выпуска) при оптимальной ее эффективности. В докладе показано, что длительность плавки на уровне 36-40 минут вполне достижима для широкого спектра вместимости ДСП, в том числе и для печей, построенных ранее. Но при этом требуется осуществить ряд дополнительных подготовительных мероприятий и внедрить комплексную систему автоматизации.
Практическое воплощение эта концепция нашла на металлургическом заводе Nucor Steel – Jewett Texas (США) в случае с ДСП с массой плавки 82 т. Длительность плавки от выпуска до выпуска здесь составила 30-32 минуты (производительность 150 т стали в час). Максимально достигнутый результат – 28 минут, что обеспечило производительность на уровне 50 плавок в сутки (Объем бадьи для подачи металлолома в печь – 140 м3; средняя длительность завалки, включая перемещение электродов и открытие крышки, составляет всего 50-70 секунд). Печь оборудована трансформатором 110 MVA. Расход электроэнергии составляет 380 кВт•ч/т, вдуваемого природного газа -4,8 нм3/час, а кислорода – 30 нм3/час.
Оптимизация технологических процессов
Краковская конференция отличалась от других еще и тем, что в ходе ее проведения очень большое внимание уделялось вопросам повышения эффективности электросталеплавильного процесса, снижению удельных затрат энергии на тонну стали, а также оптимизации технологических построений в рамках конкретного сталеплавильного цеха.
Идею тотальной минимизации капитальных затрат и производственных издержек на этапе проектирования мини-завода активно выдвигали представители итальянской компании Danieli. Эта машиностроительная фирма будет поставлять оборудование для СП MKK-Atakas (Магнитогорский металлургический комбинат и турецкая компания Atakas) в г. Искендерун (Турция). Здесь планируют создать новый мини-завод, в пределах которого будет построен морской порт, ориентированный на обслуживание судов водоизмещением до 80 тыс.т. Одним из основных достоинств проекта является выбор удачного географического положения завода, что позволяет оптимизировать логистику. По мнению специалистов, проект будет весьма успешным, т.к. средний ежегодный рост потребления стали в Турции за прошлые семь лет достиг 15%, в то время как рост ее производства не превышал 8%. Пуск завода намечен на вторую половину 2010г.
Технологическое же решение проекта направлено на достижение высокой конкурентной способности мини-завода, в т.ч. за счет современной крупнотоннажной ДСП. При массе плавки 250 т и мощности печного трансформатора 300 МВА (1200 кВА/т) производительность печи составит 320 т/ч. Планируется, что строительство одной такой ДСП в рамках литейно-прокатного модуля – вместо, по крайней мере, двух электропечей – обеспечит существенное снижение численности персонала, капитальных затрат и потребления энергии. Конструкция ДСП обеспечивает гибкость в применении шихтовых материалов. На первоначальной стадии предполагается применять 80% стального лома и 20% чугуна в чушках, а в перспективе – DRI и HBI. В ходе разработки техники и технологии электроплавки в данной печи особое внимание уделено: выбору вторичного напряжения (диаметр электрода 810 мм), обеспечению жесткости колонн и рукавов электрододержателей, распределению вводимых в ванну кислорода и углерода, а также системе гомогенизации температуры ванны.
Для обеспечения заданной производительности участок внепечной обработки будет оборудован:
1. двухпозиционным агрегатом «ковш-печь» с печным трансформатором мощностью 48 + 20% MВA;
2. машиной для быстрого скачивания шлака перед вакуумированием;
3. двухпозиционным камерным ваку-уматором с пятью ступенями паро-эжекторного насоса и одной крышкой, оснащенной автоматическим манипулятором для ввода добавок, замера температуры стали, отбора проб и анализа содержания кислорода и водорода.
Завод сможет выплавлять низко-, среднеуглеродистые и HSLA марки стали. По мнению разработчика, строительство этого комплекса, оснащенного крупнотоннажными высокопроизводительными технологическими агрегатами, является отражением современных тенденций развития электрометаллургии.
При всем том данный проект представляет собой хоть и комплексное решение в области оптимизации электросталеплавильного производства, но еще не реализованное. Другие корпоративные участники конференции сделали акцент на уже внедренных разработках, направленных на снижение затрат при выплавке электростали. Скажем, фирма Siemens VAI презентовала комплексную систему управления процессом плавки SteelExpert. Эта разработка учитывает свойства различных шихтовых материалов (твердых и жидких), поведение стали, свойства шлака и отходящих газов, что предоставляет возможности для мониторинга всех технологических этапов в ДСП. Фактически данная система позволяет прогнозировать процесс ведения плавки в зависимости от конкретных условий и заданий, а также оптимизировать отдельные его этапы. SteelExpert прошла широкую апробацию на ряде металлургических заводов.
Впрочем, в случае с комплексной автоматизацией ДСП чаще всего обсуждались вопросы применения систем EFSOP. Их использование уже получило немалое распространение в металлургическом мире, что вполне объясняется достигаемыми эффектами. В частности, на сегодняшний день свыше 40 электропечей, оснащенных системой EFSOP, суммарно снизили выбросы парникового газа больше чем на 200 тыс.т, потребление электроэнергии – на 300 тыс. МВт•ч, эксплуатационные расходы – на $90 млн.
В основу EFSOP положена разработка техники, обеспечивающей непрерывный динамический контроль в реальном времени состава печного газа, включая O2, H2, CO и CO2. Конструкция водоохлаждаемого зонда, который размещают за воздушным зазором в патрубке газохода, имеет высокую стойкость (более одного года), а его обслуживание занимает 15 мин. в неделю. Система EFSOP непрерывно регистрирует химический анализ печного газа и еще более чем 300 параметров, необходимых для организации автоматизированного управления технологическим процессом плавки.
Один из примеров эффективной работы данной системы автоматизации -практика ее внедрения на итальянском заводе RIVA. На данном предприятии из-за ограничений в системе газохода печи всякий раз, когда в ходе плавки температура печных газов достигала пиковых значений, приходилось отключать печной трансформатор. В среднем продолжительность такого вида простоев составляла по 14-18 минут в сутки для каждой ДСП. Оснащение электропечей системой EFSOP позволило минимизировать температуру отходящих газов. Общий результат внедрения этой системы на предприятии выразился в сокращении простоев электропечи во время плавки с выключенным трансформатором на 60-70%.
Краковская конференция проявила несколько тенденций, важных как с точки зрения электросталеплавильного производства, так и с позиции развития черной металлургии в целом.
1. Достигнутые на некоторых заводах уровни и объемы выплавки стали в ДСП в целом уже полностью адекватны показателям конвертерных цехов (как по часовой производительности, так и по длительности плавки). При этом высокопроизводительные крупнотоннажные ДСП позволяют обеспечить достижение высокой конкурентоспособности завода за счет снижения капитальных и эксплуатационных затрат. Как правило, предприятия отдают предпочтение высокомощным трехфазным дуговым сталеплавильным печам традиционного дизайна (с увеличенным объемом рабочего пространства) и мощной системой ввода альтернативных видов энергии.
2. Продолжает совершенствоваться система производства плоского проката с выплавкой стали в ДСП, предполагающая применение высокоэффективных литейно-прокатных модулей. А проблема согласования работы плавильного агрегата с высокопроизводительной слябовой МНЛЗ в этом случае решается путем увеличения единичной массы плавки с параллельным сокращением ее продолжительности. Это становится возможным за счет разработки и ввода в эксплуатацию новых электропечей, вместимостью до 300 т, с удельной мощностью печного трансформатора более 1 МВА/т.
3. Повышение цены на стальной лом и расширение выплавки электропечной стали с низким содержанием примесей цветных металлов для листового сортамента инициируют исследования по совершенствованию технологии электроплавки разных видов шихтовых материалов и их сочетаний. Новые ДСП адаптируют к применению первородных шихтовых материалов, в основном путем компоновки универсальными технологическими модулями и разработки околопечного оборудования для загрузки шихты.
4. В сфере развития систем автоматизации ДСП одним из основных направлений становится разработка инновационного приборного обеспечения для контроля параметров и визуализации технологического процесса плавки с последующей комплексной обработкой полученной информации в режиме реального времени. Указанные тенденции, по нашему мнению, и будут определять прогресс в электросталеплавильном способе производства стали на ближайшую и среднесрочную перспективу.
|
Некоторые показатели существующих и проектируемых интегрированных мини-заводов по
концепции компаний Midrex и SMS Demag
|
|||
|
Ввод в эксплуатацию
|
Завод
|
Страна
|
Вместимость
ДСП, т
|
|
2010
|
Peiner Trдger GmbH
|
Германия
|
125
|
|
2010
|
ОАО «Калужский электрометаллургический завод (Макси Групп)»
|
Россия
|
120
|
|
2009
|
ОАО «Таганрогский металлургический завод»
|
Россия
|
135
|
|
2009
|
Forpost Energu
|
Россия
|
120
|
|
2009
|
Первоуральский новый трубный завод (ПНТЗ)
|
Россия
|
120
|
|
2008
|
ОАО «Северский трубный завод»
|
Россия
|
135
|
|
2006
|
Celsa Manufacturing UK
|
Великобритания, Уэльс
|
140
|
|
2005
|
Nucor Texas
|
США
|
80
|
|
2001
|
Kaptan Demir Celik
|
Турция
|
100
|
|
ИСТОЧНИК: Из материалов девятой Европейской конференции по электрометаллургии (Краков, май 2008г.)
|
|||