Ресурсосбережение и экология конвертерного производства стали

В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2004 р. Вип. №14

УДК 669.184

Сущенко А.В.*

РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ И ЭКОЛОГИЯ КОНВЕРТЕРНОГО ПРОИЗВОДСТВА СТАЛИ

Анализ состояния кислородно-конвертерного производства стали в Украине показывает наличие существенных неиспользованных резервов в области ресурсосбережения и снижения техногенной нагрузки на окружающую среду. Рассмотрены основные проблемы отечественного конвертерного производства стали, связанные с качеством используемого чугуна, оптимизацией доли металлолома в шихте плавок и состоянием материальной базы кислородно-конвертерных цехов.

Кислородно-конвертерный процесс в настоящее время является и по прогнозам экспертов в ближайшем будущем будет оставаться основным способом производства стали - главного конструкционного материала XXI века [1]. Из общего объема выплавляемой в мире стали (~ 800 млн.т./год) на его долю приходится около 70 %. В промышленно развитых странах доля кислородно-конвертерной стали составляет от 70 до 90 % и более, в России она находится на уровне 60 %, в Украине ~ 50 %. В соответствии с Национальной программой развития горнометаллургического комплекса Украины на период до 2010 г. эту долю планируется увеличить до 72% [2].

Учитывая, что черная металлургия является одним из основных потребителей сырья и энергии, а также загрязнителей окружающей среды (ОС), в особенности в Украине, представляется актуальным проведение анализа состояния и выявление резервов отечественного кисло-родно-конвертерного процесса с целью снижения его ресурсоемкости и техногенной нагрузки на ОС при производстве стали [3].

Экология и ресурсосбережение Международным институтом черной металлургии определены два основных требования к обеспечению жизне- и конкурентоспособности предприятий в XXI веке: 1) производство металла высокого качества с низкой себестоимостью необходимыми партиями в кратчайшие сроки и 2) удовлетворение всем нормам по охране окружающей среды [1]. При этом основой стратегии устойчивого развития любого предприятия (города, региона, государства) является переориентация производства на ресурсосберегающие технологии. Причем, как было показано на международной экологической конференции в Рио-де-Жанейро, корень решения экологической проблемы состоит не столько в создании «вспомогательной индустрии эффективных очистных сооружений», сколько в разработке и внедрении новых ресурсосберегающих процессов и технологий производства продукции [4]. При этом снижается себестоимость последней, обеспечивается экономия материальных и топливно-энергетических ресурсов с соответствующим уменьшением вредных выбросов в окружающую среду не только в самом производственном процессе, но и по всей технологической цепочке преобразования сырья и энергии, включая их добычу и транспортировку. В развитых странах материало- и энергоемкость национального продукта рассматривают и как комплексные показатели экономического развития государства и как интегральные экологические критерии [5].

В настоящее время черная металлургия Украины по ряду таких важнейших показателей, как полная сквозная материалоемкость и энергоемкость продукции, удельные (на тонну продукции) выбросы предприятий в ОС и др., значительно отстает не только от ведущих зарубежных стран, но и от России. Так, расход основных материальных и энергетических ресурсов на отечественных агрегатах в 1,2^-1,6 раза выше, чем на аналогичных зарубежных [6 и др.]. Это связано в первую очередь с использованием физически и морально устаревшего оборудования,

* ПГТУ, канд. техн. наук., доц., зав. отделом ПНИЛ.

слабым использованием современных ресурсосберегающих технологий, указывает на наличие значительных неиспользованных резервов в отечественном сталеплавильном производстве.

Учитывая, что основной расход энергии на производство конвертерной стали составляют скрытые энергозатраты (~ 96 % [4]), основной составляющей которых, в свою очередь, является энергоемкость чугуна (~ 91 %), главными направлениями совершенствования кислородно-конвертерного процесса, с точки зрения экономии материалов и энергии, следует считать повышение выхода готовой стали (снижение удельного расхода металлошихты) и уменьшение расхода чугуна.

Ресурсосбережение в конвертерном производстве стали

В настоящей статье было бы затруднительно привести все многочисленные ресурсосберегающие концепции совершенствования кислородно-конвертерного процесса, которые уже реализованы в мире или находятся в стадии разработки. Поэтому акцентируем внимание только на некоторых, на наш взгляд, наиболее актуальных для отечественного производства направлениях.

Качество используемого чугуна. В настоящее время в мире, преимущественно в Японии и Европе, за счет совершенствования технологии доменной плавки обеспечивают снижение содержания 81 в чугуне1 до 0,30-Ю,40 % [1]. Широко используется внедоменная обработка чугуна для удаления 81, Р и 8 в нем вплоть до < 0,20 %, < 0,010 %, < 0,003 % соответственно [7]. Применение низкокремнистого чугуна позволяет уменьшить энерго- и ресурсозатраты как в доменном, так и в конвертерном производстве. Обеспечивается повышение производительности доменных печей на 1,5 %, экономия кокса на 10 кг/т чугуна, возможность реализации малошлаковых технологий конвертерной плавки с увеличением выхода годного (на ~ 0,6 %)2, снижением удельных расходов чугуна (на ~ 5 кг/т стали), кислорода, извести, плавикового шпата, а также повышением стойкости футеровки конвертеров. Кроме того, появляется возможность работы на низкомарганцовистых чугунах (Мп < 0,2 %) при использовании Мп-руды не в доменных печах, а непосредственно в кислородных конвертерах (для прямого легирования металла). Это, в свою очередь, позволяет экономить кокс (на 3-^5 %), ~ 15 кг Мп-руды на 1 т чугуна, 1,5 кг Мп-ферросплавов, 5 кг извести и 2 м3 кислорода на 1 т стали при повышении производительности как доменных печей, так и кислородных конвертеров [8]. Снижение массы конвертерного шлака (в 4-5 раз) позволяет увеличить основность и содержание 1У^О в нем, повышает эффективность его рециклинга в процессе и облегчает утилизацию.

Доля металлолома в шихте плавок. По выражению авторов [9] переработка металлического лома в сталеплавильном производстве - это "синоним сохранения ресурсов". При увеличении доли лома в металлошихте gл уменьшается "неизбежный" угар (примесей чугуна) в конвертере, резко снижается общая энергоемкость процесса (для 1 т чугуна и 1 т лома она составляет соответственно ~ 24 ГДж и ~ 0,2 ГДж [4]). Однако, увеличение gл выше некоторой величины, обусловленной аутотермическим протеканием процесса, повышается угар Бе (роль "топлива" начинает выполнять непосредственно сам продукт плавки), переокисляется ванна, увеличиваются расходы кислорода, ферросплавов и раскислителей, снижается стойкость футеровки и качество выплавляемой стали. Поэтому доля лома в шихте плавки должна быть экономически и технологически оптимальной. Последняя определяется в основном температурой и составом чугуна, степенью использования теплоты в процессе (технологией плавки), температурой металла на выпуске из конвертера, а также качеством самого лома (или его заменителей) и шлакообразующих материалов (извести). На величину gл оказывают также существенное влияние рыночные условия (цены, объемы поставок шихтовых материалов), сортамент выплавляемой стали и структура сталеплавильного производства металлургических комбинатов. Для основных конвертерных цехов России средняя величина gл в 2000 г. составила 0,21 [4], в Германии (1998 г. при доле электростали 27 %) - 0,16 [9]. В соответствии с западноевропейским стандартом она равна 0,18.

Отечественные конвертерные цеха в последние годы зачастую работают в условиях не-

1 Среднее содержание 81 в передельном чугуне на предприятиях Украины в 2001 г. по данным [2] составило -0,9 %.

2 По данным [2] на 1-^2 %.

допоставок лома (особенно высококачественного, в связи с вывозом его за рубеж), что приводит к вынужденному перерасходу энергоемкого чугуна и значительно ухудшает экологическую обстановку в стране [2]. Использование загрязненного и зашлакованного лома дестабилизирует ход конвертерной плавки и ухудшает практически все технико-экономические показатели последней. В первую очередь - качество выплавляемой стали.

Учитывая относительно низкую долю электростали в стране (2,5 %), дороговизну электроплавки по сравнению с кислородно-конвертерной, а также неизбежность постепенного вывода из эксплуатации мартеновских печей, в которых в настоящее время производится около 50 % стали [2], проблема увеличения доли лома в шихте конвертерной плавки для Украины имеет актуальное значение.

Анализ различных направлений увеличения gл показал следующее. Повышение температуры жидкого чугуна ведет к перерасходу кокса, увеличению содержания 81 и 8 в чугуне, увеличивает его энергоемкость и является экономически нецелесообразным [4]. Применение дополнительных энергоносителей (уголь, кокс, природный газ и др.) при вводе их в шихту или непосредственно в расплав по ходу продувки плавки при достаточно высоком коэффициенте использования топлива может оказаться экономически оправданным, однако приводит к загрязнению стали серой, водородом, азотом и др. вредными примесями. Наиболее эффективные направления - снижение температуры металла на выпуске из конвертера и использование теплоты отходящих газов и шлака.

Снижение уровня конечной температуры металла в конвертере может быть достигнуто за счет применения агрегатов типа "ковш-печь", современных АСУ с использованием фурм-зондов1 и непрерывного газового анализа, обеспечивающих "прямой выпуск" стали, использования высокотемпературного нагрева сталеразливочных ковшей, более точного прогнозирования и снижения теплопотерь металла на участке "конвертер - МНЛЗ" (в т.ч. - за счет совершенствования организации производства). При этом обеспечивается экономия чугуна, кислорода, ферросплавов и раскислителей, повышается выход годного, стойкость футеровки и качество выплавляемой стали.

Анализ теплового баланса типовой конвертерной плавки [10] показывает, что потери физической теплоты со шлаком составляют 14-^15 %, с конвертерными газами 8-^9 %, а химическая энергия последних (при содержании СО в них ~ 90 %) эквивалентна ~ 35 % приходной части теплового баланса. Использование физической теплоты шлака для увеличения gл может реализовываться в технологиях плавки с предварительным подогревом лома (или других шихтовых материалов) в конвертере или вне его и с оставлением всего или части конечного шлака от предыдущей плавки, а физической и химической теплоты отходящих газов - в предварительном подогреве лома в шахтных подогревателях (типа Бикэ и т.п.) и частичном дожигании газов в полости конвертера.

Следует отметить, что повышение gл в шихте конвертерной плавки имеет ряд существенных ограничений, связанных с загрязнением лома (в т.ч. цветными металлами, прежде всего -Си и №), угаром Бе при взаимодействии лома (особенно легковесного) с кислородными струями, а также дестабилизацией хода плавки и ухудшением управляемости процессом (особенно при использовании амортизационного лома). С точки зрения оптимизации величины gл очевидно рациональным является развитие двух направлений совершенствования отечественного конвертерного процесса: 1) для получения качественных сталей (при gл < 30 %) с использованием технологически и экологически чистого энергоносителя - химической энергии (частичного дожигания) отходящих газов и 2) для целенаправленной переработки лома (при выплавке неответственных марок сталей или полупродукта) с использованием дополнительного топлива (прежде всего угля), дожигания газов в полости агрегата, предварительного подогрева лома отходящими газами и шлаком в специальных агрегатах конвертерного типа или их комплексах (процессы типа 8МР и т.п.).

1 В последнее время за рубежом вследствие широко использования агрегатов типа "ковш-печь", совершенствования АСУ плавкой на базе непрерывного анализа отходящих газов, а также стабилизации параметров шихты, применение фурм-зондов считается менее перспективным.

Материальная база отечественных кислородно-конвертерных цехов характеризуется значительным износом основных производственных фондов (в среднем по отрасли -более 50 %) и существенно уступает соответствующим аналогам передовых зарубежных стран по своему техническому уровню. Это является одной из главных причин технологического отставания, повышенных расходов материальных и энергетических ресурсов, вредных выбросов в ОС и делает практически невозможным решение основной задачи отрасли - массовое производство качественных сталей, конкурентоспособных на мировом рынке. Сортамент отечественной экспортноориентированной металлопродукции характеризуется высокой долей (~ 50 %) сырьевых материалов и полуфабрикатов (слябы, заготовка) из сталей преимущественно рядовых углеродистых марок, а конкурентоспособность ее достигается за счет низкого уровня оплаты труда и амортизационных отчислений [2], что, в конечном итоге, еще больше усугубляет сложившееся положение.

В тоже время, еще в начале 90-х годов практически завершились процессы структурной перестройки и технического перевооружения в черной металлургии наиболее развитых стран. Это принципиально изменило технологию конвертерной плавки, почти на 40 % уменьшило расход энергии на тонну выплавляемой стали и обеспечило производство высококачественных, в т.ч. особо чистых, сталей с новым уровнем эксплуатационных свойств (по материалоемкости и долговечности металлопродукции).

При этом, несмотря на определенную специфику развития материальной базы кислород-но-конвертерного производства в различных странах, можно выделить следующие наиболее общие направления внедрения разработок [1-10]:

- использование комбинированной продувки в конвертерах (преимущественно кислородом сверху и инертным газом снизу); организация эффективного дожигания отходящих газов в агрегате; применение послепродувочной "промывки" ванны аргоном и т.п.;

- предварительная обработка чугуна, в т.ч. в чугуновозных ковшах типа "торпедо"; использование двух -, мало- и так называемых бесшлаковых технологий конвертерной плавки; "прямое" легирование металла в конвертере или ковше-печи;

- комплексная внепечная обработка (глубокое рафинирование, микролегирование, модифицирование) металла с применением агрегатов типа "ковш-печь", АКОС, вакууматоров и др. оборудования; обработка в промежуточном ковше и на УНРС; применение подогрева металла после выпуска из конвертера в ковше-печи или в промежуточном ковше с использованием различных источников энергии; перенос рафинировочных процессов (кроме обезуглероживания и, в некоторых случаях, дефосфорации), а также "доводки" стали по температуре и химсоставу в агрегаты внепечной обработки;

- автоматизация технологического процесса; внедрение АСУ плавкой с использованием широкой гаммы измерительных устройств для контроля процесса, в первую очередь - непрерывного анализа отходящих газов, обеспечивающих заданные параметры металла без додувок и "прямой выпуск" стали из конвертера; применение экспертных систем для оптимизации процесса и минимизации затрат при комплексной выплавке стали, включая внедоменную обработку чугуна, конвертерную плавку и внепечную обработку стали;

- использование дополнительных систем прогнозирования и предотвращения выбросов шлакометаллической эмульсии из конвертера, газодинамической отсечки шлака при выпуске металла и др.;

- применение систем отвода конвертерных газов (с установкой газгольдеров) для утилизации их химической энергии;

- использование высококачественных огнеупоров, технологии пневматического ошлако-вания футеровки конвертеров и систем контроля износа последней; работа на магнезиальных шлаках и т.п.;

- увеличение доли стали МНЛЗ (до 100 %), с развитием тонкослябовой технологии; создание литейно-прокатных модулей с использованием совмещенной прокатки и др.

В качестве основных перспективных направлений дальнейшего развития технического и технологического уровней современного кислородно-конвертерного производства стали в мире можно выделить следующие [1-10]:

- снижение материалоемкости выплавляемой стали путем минимизации потерь шихтовых материалов, рециклинга отходов собственного и смежных металлургических производств;

совершенствование дутьевых режимов и устройств с целью снижения потерь металла в конвертере, в т.ч. - с испарительной пылью;

- снижение энергоемкости производства, прежде всего - путем уменьшения расхода чугуна, замены его (энергии) на альтернативные органические энергоносители и повышения теплового КПД процесса; минимизация тепловых потерь, в т.ч. - с отходящими газами, шлаком и самой сталью;

- использование жидко-фазного восстановления Бе-, Мп-, Сг- содержащих и др. материалов с целью повышения качества стали и выхода годного, экономии ферросплавов; разработка новых агрегатов и процессов бескоксовой металлургии с элементами кислородно-конвертерного процесса;

- повышение качества стали - механических и служебных ее свойств за счет сужения пределов изменения химсостава, снижения содержаний 8, Р, газов, неметаллических включений, разработки оптимальных режимов прокатки и термообработки; получение сверхчистых сталей с использованием первородной шихты и др.

В настоящее время во всем мире ведутся интенсивные работы по совершенствованию технологии и модернизации оборудования сталеплавильных цехов, включая такие страны, как Зимбабве, Тобаго, Уганда и др. [1]. Это ставит задачу проведения коренной реструктуризации, технического и технологического переоснащения металлургических комбинатов для Украины в число первостепенных и жизненно важных. При её решении необходимо определить оптимальные схемы и варианты реструктуризации и модернизации имеющихся мощностей отечественных комбинатов (с учетом специфики национальной и тенденций развития мировой металлургии, а также растущих требований рынка металла), обеспечив тем самым наиболее эффективное вложение капитала [2].

Учитывая острую нехватку инвестиционных ресурсов, сдерживающих внедрение указанных выше (преимущественно капиталоемких) проектов, в настоящее время для конвертерного производства Украины приоритетным является также разработка и внедрение быстрореализуемых малозатратных ресурсосберегающих технологий, не связанных с масштабным переоснащением цехов. В качестве некоторых из направлений развития и примеров таких разработок, внедренных в конвертерном цехе ОАО «МК «Азовсталь» (при непосредственном участии автора), можно отметить:

- совершенствование и оптимизация дутьевых режимов и продувочных устройств кислородных конвертеров с целью повышения выхода жидкой стали, улучшения теплового баланса и шлакового режима плавки, экономии материальных и энергетических ресурсов, повышения качества выплавляемой стали и стойкости футеровки конвертеров [11-13];

- оптимизация режимов работы агрегатов (конвертеры, ковши и т.п.), в т.ч. в нестабильных условиях производства, с целью уменьшения тепловых потерь, повышения стойкости футеровки, снижения энергозатрат на вспомогательное оборудование и улучшения теплового баланса плавок [14];

- разработка элементов безотходной технологии; рециклинг конвертерного шлака и б/у огнеупоров в процессе, экономия шлакообразующих материалов, снижение выбросов в ОС [15];

- повышение стойкости футеровки конвертеров; замена дорогих ]У^О-содержащих шлакообразующих материалов более дешевыми, использование отходов других производств [16];

- совершенствование режимов работы металлургических агрегатов с факельным отоплением (в т.ч. установок для сушки и разогрева футеровки ковшей), повышение теплового КПД процесса и качества нагрева [17] и др.

Не претендуя на полноту изложения всех вопросов по рассматриваемой проблеме, автор надеется, что настоящая статья будет полезна специалистам с позицией общего подхода к решению задач ресурсосбережения и экологии при совершенствовании кислородно-конвертерного производства стали.

Выводы

1. На основе анализа основных проблем ресурсосбережения и экологии в отечественном конвертерном производстве стали показаны наиболее эффективные пути его совершенствования и дальнейшего развития.

2. При последующих исследованиях представляется актуальным проведение детального технико-экономического анализа вариантов реструктуризации конвертерного производства стали в Украине с учетом состояния и возможностей сырьевой базы, перспектив развития и потребностей внутреннего и внешнего рынков металлопродукции.

Перечень ссылок

1. Поляков В.В. Черная металлургия. Состояние и перспективы / В.В. Поляков., А.З. Шевцов. -М.: АО "Черметинформация", 2001. - 395с.

2. Конвертерное производство стали на Украине /Б.М. Бойченко, А.Г. Величко, B.C. Харахулах,

B.В. Лесовой II Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2002. - № 7 . - С. 2-9.

3. Сущенко A.B. Ресурсосбережение и снижение вредных выбросов при кислородно-конвертерном производстве стали / A.B. Сущенко II Материалы международного научн,-практич. семинара «Пути решения экологических проблем горно-металлургической отрасли стран СНГ» . - Мариуполь: Стратегия, 2002. - С. 123-128.

4. Сталь на рубеже столетий / Коллектив авторов под научной редакцией Ю.С. Карабасова. -М.: МИСИС, 2001.-664 с.

5. Энергобаланс и проблема энергосбережения в металлургии / А.Б. Анохин, A.B. Бородулин, И.И. Кобеза и др. // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 1995. - № 3. -

C. 55-58.

6. Юзов О. В. Тенденции изменения экономических показателей черной металлургии России / О.В. Юзов II Труды V-oro конгресса сталеплавильщиков. - М.: АО "Черметинформация", 1999. - С. 11-20.

7. Научно-техническая стратегия в черной металлургии (Японии) // Новости черной металлургии за рубежом. Часть II. - 2000. - № 1. Приложение.

8. Югов П.И. Технологическая концепция модернизации и развития конвертерного производства России / П.И. Югов, А.З. Шевцов, Б.Ф. Зинько II Труды V-oro конгресса сталеплавильщиков. - М.: АО "Черметинформация", 1999. - С. 46-52.

9. Амелинг Д. Сталь - устойчивое развитие в Германии: производство ресурсов, ресурсосбережение и защита окружающей среды / Д. Амелинг II Труды VI конгресса сталеплавильщиков.

- М.: АО "Черметинформация", 2001. - С. 12-17.

10 Баптизманский Я Я. Тепловая работа кислородных конвертеров / В.И. Баптизманский, Б.М.

Бойченко, В.П. Черевко. - М.: Металлургия, - 1988. - 174 с. 11.Оптимизация параметров соплового блока кислородной фурмы в ККЦ АП МК "Азовсталь" / A.B. Сущенко, A.A. Курдюков, ИД. Буга и др. // Труды IV-oro конгресса сталеплавильщиков.

- М.: АО "Черметинформация", 1997. - С. 113-114.

12.Разработка и промышленное опробование кислородных фурм для одновременной продувки расплава струями двух типов / A.B. Сущенко, A.A. Курдюков, ИД. Буга и др.// Бюл. НТИиЭИ. Черная металлургия. - 1998. - № 11-12. - С. 44-45.

13.Разработка и внедрение парка кислородных фурм и дифференцированной технологии ведения конвертерной плавки в ОАО «МК «Азовсталь» / A.B. Сущенко, ИД. Буга, В.И. Ганошен-ко и др. // Металл и литье Украины. - 2003. - № 7-8. - С. 13-15.

14.Разработка и внедрение энергоресурсосберегающей технологии эксплуатации футеровки конвертеров /A.B. Сущенко, ИД. Буга, A.A. Курдюков и др. // Труды IX международной научи.-технич. конф. "Теория и практика кислородно-конвертерных процессов". - Днепропетровск: ГметАУ. - 1998. - С. 64.

15.Регенерация дробленого шлака в кислородно-конвертерном процессе / A.B. Сущенко, В.И. Ганошенко, А.Б. Ковура и др. // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2002. -№ 7.-С. 114-117.

16. Опыт использования периклазосодержащих материалов в процессе кислородно-конвертерной плавки / A.B. Сущенко, В.И. Ганошенко, A.B. Воробьев и др. // Труды VI-ого конгресса сталеплавильщиков. - М.: АО "Черметинформация", 2001. - С.104-107.

17.Совершенствование режимов работы металлургических агрегатов с факельным отоплением / A.B. Сущенко, А.И. Травинчев, A.B. Воробьев и др. // Сталь. - 2002. - № 5. - С. 21-24.

Статья поступила 17.12.2003.