НОВЫЕ ТЕНДЕНЦИИ В РАЗВИТИИ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИА

Обобщены результаты, достигнутые в последние годы в производстве чугуна и стали, и описаны технологии, развивающиеся в настоящее время с целью уменьшения производственных расходов, повышения качества стали и предотвращения загрязнения окружающей среды. Оценено также ожидаемое влияние этих технологий на структуру металлургического производства в начале следующего столетия.

Международным институтом чугуна и стали проведено исследование мнений о том, какие требования к металлургическому производству должны быть предъявлены в XXI веке [1].

Выявлены два главных требования, которые должны быть удовлетворены.

1. Требования рынка к производителям металла о поставках стали высокого качества, при низкой стоимости, малыми партиями и в короткое время.

2. Требование к металлургическому производству о все большем соответствии предписаниям по защите окружающей среды, таким как сведение к минимуму всевозможных газо и жидкофазяых выделений, рециркуляция ресурсов, эффективное использование энергии, сопутствующих продуктов и отходов производства.

Различные акции были в последнее время предприняты во всем мире для того, чтобы удовлетворить эти требования.

Для уменьшения затрат: увеличение производительности существующих доменных печей, сталеплавильных агрегатов и прокатных станов; развитие новых процессов, предусматривающих снижение капитальных вложений; сокращение стадий производства.

Для улучшения качества: устранение остаточных элементов, таких как медь, олово, хром, жидкой стали; управление качеством поверхности и внутренней структуры непре рывнолитых заготовок, близких по форме к конечному сечению; сотрудничество с потребителями для оптимизации конструирования металлопродукции.

Для защиты окружающей среды: уменьшение •выделений из коксовых печей и в агломерационном производстве; уменьшение выделений диоксида углерода; возврат в производство различных его отходов и испаряющихся сопутствующих продуктов.

Производство чугуна

Наиболее значительное достижение в развитии современного доменного процесса — это вдувание больших количеств пылевидного угля (рис. 1). Главными стимулами для этого служат: экономия капитальных затрат путем исключения из цикла производства устаревших коксовых печей; защита окружающей среды; экономия текущих расходов путем замены дорогостоящего кокса на уголь.

В четырех больших европейских доменных печах ~ 200 кг угля на 1т чугуна вдувалось в последнее время в течение нескольких недель. Это позволило снизить удельный расход кокса до 300 кг на 1т чугуна [2].

В настоящее время исследования направлены на дальнейшее снижение удельного расхода кокса при одновременном увеличении производительности доменных печей. Процесс C.R.M. (Центра исследований по черной металлургии), созданный для этой цели, включает в себя комбинацию вдувания большого количества угля (250 кг на 1 т), использование холодного дутья с высоким содержанием кислорода (6098,%) и вдувание доменного колошникового газа после его очистки от диоксида углерода (С02) до содержания ниже 5% и подогрева до 900950 °С в распар доменной печи (рис. 2) [3].

Такая технология позволяет достичь очень низкого удельного расхода кокса и свести к минимуму выделения С02. Упрощается конструкция доменного комплекса и благодаря этому уменьшаются капитальные вложения и издержки производства. Производительность доменной печи может быть увеличена в 2 раза по сравнению с работой по обычной технологии с вдуванием угля и дутья, обогащенного кислородом. Устранение из цикла производства высокотемпературных кауперов окажет благоприятное воздействие на окружающую среду.

Качество чугуна будет улучшено, так как становится возможным получать в нем более низкие содержания азота и кремния, благодаря высокому парциальному давлению СО и низкому низкому содержанию азота на уровне фурм.

Получаемый колошниковый газ обладает высокой калорийностью и пригоден для многих способов применения, особенно в тех случаях, когда требуется низкое содержание азота при проведении операции сжигания (близкое к случаю использования в качестве окислителя чистого кислорода), если колошниковые газы используются вместо газов, получаемых при различных технологиях газификации углей, и близких к ним по составу.

Выживание доменного производства подразумевает, что имеется в наличии соответствующая технология подготовки руды. Поскольку производство окатышей невелико, то не будет возможности приобретать большие количества окатышей на мировом рынке и будет необходимо продолжать проводить предварительную подготовку руд к плавке перед загрузкой их в доменные печи.

Для этой цели агломерация — наиболее подходящий процесс, так как большое количество агломерата в шихте предпочтительно. Тем более, что агломерационные машины наиболее пригодны для утилизации железосодержащих. отходов и сопутствующих продуктов, возникающих в доменном и сталеплавильном производствах. Современные исследования направлены на уменьшение содержания S02 и NO* в выделениях при агломерационном производстве. Рециркуляция отходящих газов представляется многообещающей в этом отношении (рис. 3).

Классический процесс производства кокса достиг своей конечной стадии развития, т.е. созданы большие печи, обеспечена предварительная обработка загружаемого угля и т.д. Проблемы, перед которыми оказался этот процесс, это высокие капитальные вложения, необходимость использования дорогих коксующихся углей и трудности в достижении соответствия требованиям экологических предписаний.

Хотя исчезновение коксовых печей 'предсказывалось уже в течение ряда лет, можно было наблюдать, что даже в настоящее время новые коксовые {эатареи продолжают перестраиваться.

Также и в перспективе будет необходимо создавать новые коксовые батареи. Вопрос состоит в том, как конструкция новых батарей может быть совместима с экологическими требованиями.

Альтернативами в удовлетворении этих требований могут быть [4]: Jumbo коксующий реактор; неремонтируемые печи; процесс получения формованного кокса.

Приведенные рассуждения свидетельствуют о том, что подготовка руд и производство кокса очень капиталоемкие процессы и что они создают большинство из экологических проблем, с которыми столкнулось металлургическое производство.

Мечта всех производителей стали поэтому состоит в том, чтобы создать процесс, позволяющий руду и уголь непосредственно превращать в жидкий металл.

В 19701980 гг. было исследовано большое количество процессов восстановления в жид. кой ванне. В этих процессах были использованы различные реакторы для восстановительных и плавильных стадий. Кроме процесса COREX ни один из них не вышел за рамки опытных установок.

В процессе COREX в качестве сырых материалов используется кусковая руда, окатыши или агломерат и кусковой уголь. Установка, осуществляющая этот процесс, успешно функционирует уже в течение нескольких лет с производительностью 300000 т в год; сооружается вторая установка с производительностью 700000 т/ч. Тем не менее многие специалисты считают, что этот процесс, который изза наличия первой стадии высокого предварительного восстановления до сплавления будет иметь более высокий расход топлива и выход газа, что это имеет место в доменном процессе. Его экономическая эффективность в значительной мере зависит от возможности рационального использования большого количества относительно чистого колошникового газа шахтной печи.

Во многих процессах, находящихся в настоящее время в стадии развития, используются пылевидные руды и уголь для того, чтобы избежать коксования и агломерации. Как правило, они осуществляются в двух расположенных один под другим агрегатах: агрегате предварительного восстановления и агрегате сплавления (рис. 4). Большинство из них, а именно Dios, Hismelt, AisiDOE предусматривают высокую степень дсжигания (до С02 и Н20) газов, покидающих агрегат сплавления. Высокоокисленный газ от этой стадии процесса имеет несколько низкий восстановительный потенциал, что только умеренная или очень низкая степень восстановления может быть достигнута в агрегатепредварительного восстановления. Циклон конвертер (CCF), предложенный фирмами Hoogovens. B.S. и Ilva [5], мог бы оказаться особенно интересным. Предварительно восстановленная на 20—25 % руда поступает в плавильный реактор (рис. 5), где проводится дожигание газов до низкой степени: далее процесс может осуществляться как, например, в хорошо известном конвертере K(M)S. Его последние стадии состоят в том, что проходящие через циклон газы реагируют с тангенциально инжектированной рудой и углем и дожигаются с высокой эффективностью до 70—80 %. Процесс находится еще в экспериментальной стадии, но может быть очень экономичным.

Прямое восстановление — собирательный термин, используемый для обозначения бесчисленного количества процессов восстановления железа в твердом состоянии. Твердые или газообразные восстановители, непрерывная или прерывистая технология . процесса, статическое или подвижное состояние системы или псевдоожяженный слой, шахтная или вращающаяся печь— все это характерные особен ности, присущие отдельным процессам.

Процессы MIDREX, HYL и FIOR распространены в настоящее время наиболее широко. В качестве восстановителя в них используется природный газ, поэтому они могут быть использованы только в тех странах, где этот газ имеется в наличии.

Сталеплавильное производство

Рафинирование передельного чугуна в кислородном конвертере — технология, доведенная до совершенства: выход железа, так же как и расход сырых материалов, достигли оптимального уровня; проблемы загрязнения окружающей среды находятся под контролем; производительность поднята до уровня 500 т стали за 1ч на конвертер, находящийся в действии. В отдельных конвертерных цехах время от выпуска до выпуска 300т конвертера составляет <30 мин.

В сочетании с предварительной обработкой чугуна и последующей ковшевой металлургией содержание всех примесей в стали может быть уменьшено до ррт уровня. Предварительная дефосфорация чугуна до конвертера нигде, за исключением Японии, не используется, но это может быть выходом из положения, если производительность конвертеров должна будет и дальше увеличиваться и если появится большая потребность в экстранизко фосфористой стали или возрастет необходимость в уменьшении количества шлака в конвертере.

Требования экологии заставляют наиболее полно использовать выбросы и сопутствующие продукты, а именно отходящие газы, шлаки и пыли. Сбор отходящих газов в настоящее время— дело умения. Для конвертерных шлаков решение было найдено вне конвертерных цехов: для строительства дорог и в агротехнике. Конвертерная пыль может быть возвращена в производство, а именно в качестве добавки в агломерационную шихту, только в том случае, если вконвертер загружается чистый скрап и чугун. В тех цехах, где используется много привозного скрапа, делаются попытки возвратить в производство конвертерную 22 пыль или путем ее инжектирования, или после ее брикетирования.

При производстве высококачественной листовой продукции определилась тенденция использовать в шихте только передельный чугун, оборотный скрап и новый скрап.

Многочисленные попытки были сделаны для того, чтобы увеличить долю скрапа в конвертере с целью уменьшения расходов на металлическую составляющую шихты нри производстве рядовых сталей, однако представляется, что это гибридное решение имеет ограниченное будущее по следующим причинам: для сталей высокого качества чистота их в этом случае будет недостаточной; для рядовых сталей предпочтительно использовать 100 % скрапа.

В последнее время наблюдается тенденция к созданию непрерывных сталеплавилных процессов в рафинировании чугуна. Несмотря на их потенциальные преимущества, эти идеи не достигли промышленной реализации. Не ожидается, что они завоюют одобрение и в ближайшем будущем [6].

В течение последних лет в технологии плавления скрапа в дуговых сталеплавильных печах достигнут значительный прогресс.

Следует отметить сокращение времени плавки от выпуска до выпуска с рекордным временем менее 45 мин на плавку; число плавок в настоящее время превышает 30 плавок в сутки на одну печь. Негативное влияние на окружающую среду вследствие образования пыли: и выделения газов, уровня шумов уменьшено. Большинство устройств для внешнего подогрева скрапа было демонтировано в связи с новыми требованиями. Все большие и большие ограничения на выделение пыли при работе электродуговых печей и отложения ее в почве могут потребовать ее обработки с целью удаления тяжелых металлов и цинка.

Важнейшее внимание уделяется снижению расхода электроэнергии путем использования альтернативных ее источников (углерод,кислород, природный газ) и использования теплоты отходящих газов [7—9].

На рис. 6 приведена печь, потребляющая многие виды энергии (Multienergyfurnace), в которой расход электроэнергии в среднем в настоящее время уменьшен до 323кВтч/т и ставится цель уменьшить его до 200кВтч/т при увеличенной производительности [9].

В том случае, если электроэнергия производится из природного топлива, то выход первичной энергии низкий. Поэтому постоянно ищутся новые пути, предполагающие использование ископаемого топлива для плавления скрапа.

Вспомним, что вагранка — хорошо известный агрегат для плавления скрапа. Недостатком ее является необходимость использования кокса, который загружается совместно с подготовленным скрапом. KS и KVAпроцессы являются другими примерами плавления скрапа без использования электроэнергии, однако затраты на их осуществление или несоответствие экологическим ограничениям вынуждают пока что отказаться от промышленного осуществления этих процессов.

Завод Hirohata фирмы Nippon Steel недавно ввел в эксплуатацию конвертер, где 100% скрапа будет плавиться с использованием угля и кислорода.

EOFпроцесс в настоящее время применяется на фирме PAINS (Бразилия), а также в Италии и Индии. В этом процессе углерод и кислород вдуваются в ванну металла ниже ее уровня и выделяющийся СО сжигается над ванной; отходящие газы проходят через многоподовый нагреватель скрапа по принципу противотока, нагревая скрап до температуры 800 °С [10].

Подобный процесс был создан фирмой Daido Steel Company, но несмотря на очень хорошие результаты, полученные на опытной установке, он пока еще не применяется для производства стали.

В течение последних лет задачи в развитии сталеплавильного производства, выдвигавшиеся для решения вне конвертера или электропечи, возрастали потрясающими темпами. В добавление к точному легированию в ковше осуществляются следующие операции: перемешивание для гомогенизации стали и обеспечения реакций на границе металл — шлак; вдувание порошков для десульфурации и контроля неметаллических включений; вакуумная обработка для уменьшения содержания углерода и водорода; подогрев для компенсации потерь температуры при выпуске и в сталеразливочном ковше.

Путем комбинирования этих возможностей чистота стали устойчиво повышалась как в конвертерных, так и в электросталеплавильных цехах. Примеры. Максимальное содержание (ррт) элементов в высокочистых сталях, произведенных в конвертерном цехе фирмы BS Teeside [11], иллюстрируют следующие данные: сталь для морских платформ S < 10; сталь для магистральных газопроводов Р < 80; сталь для кордной проволоки О < 12; сталь для автомобильного листа N<40; рельсовая сталь Н<35.

На рис. 7 показано, как содержание элементов С, Р, S, N изменялось в последние 10 лет на фирме Thyssen Stahl [12].

По сравнению с технологией использования в качестве металлошихты преимущественно чугуна технология производства стали из скрапа в электродуговых печах имеет два недостатка: повышенное содержание азота; более высокий уровень содержания сопутствующих элементов.

До настоящего времени не существует технологии экономичного удаления сопутствующих элементов из жидкой стали. В различных регионах мира снова выдвигаются новые идеи относительно того, как решить эту критическую проблему.

Добавка первородного железа (DRI, IRON Carbide, жидкий чугун) в шихту дуговых электропечей позволяет существенно уменьшить содержание в стали азота и сопутствующих элементов [14]. .В последние годы разработаны новые технологии для отливки стали в заготовки, близкие к их конечным размерам. Наиболее эффективное достижение— это отливка тонких слябов; пять установок уже работают и большое количество других установок заказано [15].

Тонкослябовая отливка, интегрированная с прокаткой, позволила минизаводам войти в рынок листовой продукции благодаря конку

рентоспособности этого решения по сравнению с классическими установками и крупными станами горячей прокатки [16].

Тонкослябовая технология основывается на отработанной ковшевой металлургии и мерах предосторожности, принимаемых при непрерывной разливке, она требует в том числе защиты от вторичного окисления, качественного порошка для кристаллизатора, соблюдения геометрии кристаллизатора, контроля уровня металла в кристаллизаторе. Все остальное должно соблюдаться также строго, как и при классической отливке слябов.

Уменьшенная сегрегация, обусловленная быстрой кристаллизацией, оказывает благотворный эффект на свойства стали. Однако чвсли основным составляющим металлической шихты является скрап, то эносимые им остаточные элементы могут оказать разупорядо чивающее воздействие на конечный продукт,* и уровень их содержания должен тщательно контролироваться. Особенно остаются неопределенности, когда это касается качества поверхности полосы в рулонах, полученных при тонкослябовой отливке.

Представляет интерес тонкослябовая отливка из нержавеющих сталей, и некоторые производители, кажется, уже готовы поставлять этот продукт на рынок. Испытания были проведены также и с углеродистыми сталями, но в этом случае промышленная реализация технологии представляется пока что еще весьма далекой.

Аналогичная ситуация и с заготовками для балок, создана новая технология отливки с сечением заготовок, близким к конечному (рис. 8) [17]. Преимуществами такой отливки балок являются меньший расход энергии и роликов, более высокий выход годного и т.д. [18].

Как повлияет дальнейший прогресс в развитии технологии черной металлургии на структуру этой отрасли в будущем? Как металлургическая промышленность может в наибольшей степени соответствовать ограничительным требованиям в части стоимости, качества и защиты окружающей среды?

Для углеродистых сталей можно ожидать следующие тенденции^

1. Производительность больших интегрированных предприятий сильно возросла в течение последних 10 лет. На рис. 9 показано, что почти неизменное общее производство стали в Западной Европе было достигнуто при уменьшенном количестве доменных печей и кислородных конвертеров. Можно ожидать, что эта тенденция будет продолжаться. В настоящее время возможно производить 6 млн.т высококачественной листовой продукции, используя две доменные печи с высоким давлением газа под колошником и находящиеся в экологически благоприятном отношении коксовые батареи и аглофабрику; три кислородных конвертера с предварительной обработкой чугуна и соответствующей ковшевой металлургией, две классические слябовые машины непрерывной разливки и один стан горячей прокатки. штабный фактор большой массы продукции в части, касающейся ее стоимости, проявляется с полной эффективностью, что позволяет выдерживать дополнительные расходы, обусловленные экологическими требованиями. Качество (регулярность колебаний геометрических размеров, высокий уровень механических свойств, отличное качество поверхности) находится на более высоком уровне по сравнению с достижимым при использовании других общепринятых технологий. Такие большие интегрированные заводы должны получать большие заказы, которые представляют только ограниченную часть в общем потреблении металлопродукции. Число таких больших заводов будет ограничено в будущем. Только лучшие из них смогут выживать и сооружение новых интегрированных заводов будет исключением.

Наряду с этими крупными заводами большое число более мелких металлургических предприятий потребуется для производства огромного разнообразия видов стальной продукции для очень разветвленного рынка.

2. Затраты на производство на небольших интегрированных заводах (1—2 млн.т в год) относительно высоки и за исключением случаев благоприятной конъюнктурной и географической ситуаций следует ожидать, что прибыль этих заводов не позволит провести в будущем модернизацию их производственных мощностей, включающую последние технологические усовершенствования и учитывающую возрастающие экологические требования к коксовому и агломерационному производствам. В прошлом небольшие интегрированные заводы пытались уменьшить производственные затраты путем увеличения доли скрапа в конвертерной шихте (KMS, ALCI, TULA и др.). Но кажется, что уменьшение затрат, достигаемое за счет увеличения доли скрапа в шихте, более чем перекрывается увеличением стоимости остающегося в шихте передельного чугуна.

Восстановление в жидкой ванне может быть решением при замене доменных печей на небольших интегрированных заводах. Но поскольку эти технологии находятся пока в стадии развития, на определенном количестве существующих заводов замену проводят на дуговые электропечи.

Исследования, ведущиеся в области отливки и прокатки тонких слябов и балок, близких по форме к конечному сечению, способствуют снижению капитальных затрат и текущих расходов в прокатном производстве.

3. В том случае, если сталь производится непосредственно из скрапа, будь то электро дуговые сталеплавильные печи, печи с экономичнооптимальным использованием энергии (EOF) или печи с возможностью использования многих видов энергии (multienergyfurnace) возникают вопросы, касающиеся качества стали. Для рядовых сортов стали соответствующая подготовка скрапа достаточна. Для высококачественной стали остаточное содержание в ней хрома, никеля, меди, олова и т.д. может вызвать проблемы. Поскольку способы удаления этих элементов из жидкой стали все еще находятся в стадии поиска, добавка первородной шихты (Midrex, ШВ, Fe3C, гранулированный чугун и т.д.) в металлическую шихту будет необходимой для разбавления содержания остаточных элементов и повышения качества стали.

4. Можно утверждать, что более чем половина сортов стали, требуемых потребителями, может быть произведена как из оборотного скрапа, так и из руды.

В случае, если существует возможность выбора, производитель стали, конечно, изберет наиболее экономичный способ, и чаще всего это будет переплав скрапа.

Производство стали с использованием жидкого чугуна будет рассматриваться как резервная технология для получения продукции высшего качества, и можно ожидать, что в том случае, если заказы на этот вид продукции будут уменьшаться, то потребитель будет принимать на себя более высокую оплату за нее, рассчитывая покрыть издержки при конечном использовании продукции.

На рис. 10 показано, как эти тенденции могут воздействовать на распределение производства металлопродукции между интегрированными и минизаводами в Западной Европе в ближайшие годы.

Таким образом, можно сделать вывод, что выживание черной металлургии зависит от ее способности воспринимать технические решения, позволяющие и в дальнейшем уменьшать производственные затраты, соответствовать глобальной экологической концепции и удовлетворять требованиям потребителей на конкурирующем рынке.

СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке. Т о м I, Москва 1994