Анализ ресурсосберегающих технологий в современном кислородно-конвертерном процессе.

Введение. Глобальные вызовы и вектор развития современной металлургии

Кислородно-конвертерный процесс по праву занимает доминирующее положение в мировой металлургии, обеспечивая производство около 70% всей стали. В России его доля составляет примерно 60%. Однако сегодня отрасль сталкивается с беспрецедентными вызовами: постоянным ростом цен на энергоносители, ужесточением экологических стандартов и растущими требованиями к качеству конечной продукции. В этих условиях простое поддержание производственных мощностей становится недостаточным. Ключевым фактором конкурентоспособности и устойчивого развития становится глубокая модернизация, основанная на принципах ресурсосбережения.

Современная сталеплавильная стратегия заключается не в поиске одной «волшебной таблетки», а в построении единой интегрированной системы. Максимальная эффективность и экологичность достигаются не изолированным внедрением отдельных улучшений, а через комплексное применение взаимосвязанных и взаимодополняющих технологий. Именно синергия различных методов позволяет оптимизировать весь производственный цикл, от загрузки шихты до получения готовой стали высочайшего качества. В данной статье мы последовательно разберем три столпа такого подхода, чтобы в итоге собрать их в единую, работающую модель.

Основы кислородно-конвертерного процесса как объекта модернизации

Чтобы понять суть ресурсосберегающих технологий, необходимо сначала разобраться в основах самого кислородно-конвертерного процесса. Его физико-химическая суть заключается в продувке жидкого чугуна технически чистым кислородом. Кислород, подаваемый под высоким давлением, интенсивно окисляет избыточные примеси в чугуне — в первую очередь углерод, кремний и марганец. Эти реакции являются экзотермическими, то есть протекают с выделением огромного количества тепла, которого достаточно для расплавления стального лома и поддержания ванны в жидком состоянии без использования внешних источников энергии.

Процесс протекает в конвертерах — стальных сосудах грушевидной формы с основной футеровкой, вместимость которых варьируется от 100 до 350 тонн. Это высокоинтенсивный и скоростной процесс: время самой продувки составляет всего 20-25 минут, а интенсивность подачи кислорода достигает 5-8 м³/мин на тонну стали. Основной вектор развития и совершенствования этого метода сегодня направлен не на изменение фундаментальных принципов, а на улучшение технологии плавки и внедрение комплексных систем автоматизации, позволяющих точно контролировать и управлять всеми этапами процесса для достижения максимальной производительности и качества.

Улучшение гидродинамики расплава через технологию комбинированной продувки

Одним из ключевых усовершенствований классического процесса стала технология комбинированной продувки. Она предполагает сочетание традиционной верхней подачи кислорода через фурму с донной подачей инертных или нейтральных газов (аргона, азота) через специальные элементы в днище конвертера. Этот, на первый взгляд, простой шаг кардинально меняет гидродинамическую картину внутри агрегата.

При стандартной верхней продувке перемешивание расплава происходит неравномерно, что приводит к образованию застойных зон и замедлению реакций между металлом и шлаком. Донная подача газа создает мощные восходящие потоки, которые интенсивно перемешивают весь объем ванны. Это приводит к целому ряду металлургических преимуществ:

• Улучшение реакций «металл-шлак»: Активное перемешивание обеспечивает более полный контакт металла со шлаком, что значительно ускоряет удаление вредных примесей, таких как фосфор и сера.
• Глубокое обезуглероживание: Становится возможным достигать более низких концентраций углерода в стали без чрезмерного окисления самого металла.
• Интенсификация плавки: Ускорение химических реакций позволяет сократить общее время плавки, что напрямую влияет на производительность цеха.

Таким образом, комбинированная продувка решает фундаментальную задачу — создание оптимальных условий для протекания физико-химических процессов, что закладывает основу для получения более чистой стали с меньшими затратами времени и ресурсов.

Достижение прецизионного качества стали с помощью рафинирования инертными газами

Если комбинированная продувка оптимизирует основной процесс в конвертере, то рафинирование инертными газами является инструментом «тонкой настройки» уже выпущенного из агрегата металла. Эта операция, также известная как внепечная обработка, проводится в сталеразливочном ковше и преследует несколько ключевых целей:

1. Гомогенизация: Усреднение химического состава и температуры по всему объему металла для обеспечения стабильности свойств.
2. Дегазация: Удаление растворенных газов, в первую очередь водорода, который может вызывать дефекты в готовой продукции.
3. Удаление неметаллических включений: Всплывающие пузырьки инертного газа захватывают и выносят из расплава оксидные и сульфидные включения, повышая чистоту и качество стали.

Для продувки используют аргон или, в некоторых случаях, более дешевый азот. Газ подается в ковш через донные пористые пробки или погружаемую сверху фурму. Процесс имеет четкие количественные параметры: расход газа обычно составляет 0,1-3,0 м³/т стали, при этом продувка приводит к охлаждению металла со скоростью 2,5-4,5 °C/мин. Например, для снижения содержания водорода до критически низких значений (менее 2 см³/100 г) требуется расход аргона порядка 1,5-2 нм³/т. Это позволяет точно управлять конечными свойствами стали, получая продукцию, соответствующую самым строгим требованиям.

Преобразование отходов в доходы через утилизацию конвертерного газа

Наряду с совершенствованием технологий обработки самого металла, современное ресурсосбережение уделяет огромное внимание побочным продуктам. Конвертерный газ, образующийся в ходе плавки, — это не отход, а ценнейший энергетический ресурс. Его состав на 60-80% состоит из оксида углерода (CO), что делает его горючим и калорийным топливом. Энергетическая ценность такого газа составляет около 3 кВт·ч/нм³, что сопоставимо с другими промышленными газами.

Вместо того чтобы просто сжигать его на свече, загрязняя атмосферу, современные предприятия внедряют системы утилизации. Собранный и очищенный газ используется в качестве топлива для замены дорогостоящего природного газа на других участках производства, например, для разогрева доменного дутья, работы обжиговых машин или паровых котлов. В условиях постоянного роста цен на энергоносители инвестиции в инфраструктуру для сбора, очистки и использования конвертерного газа становятся все более экономически привлекательными и быстро окупаются, превращая вчерашние экологические издержки в прямой источник прибыли и экономии.

Синергия технологий как основа прорывного ресурсосбережения

Рассмотренные технологии — комбинированная продувка, ковшевое рафинирование и утилизация газа — обладают значительной эффективностью по отдельности. Однако их истинная сила и прорывной потенциал раскрываются только в синергетическом взаимодействии, когда они образуют единый, взаимоусиливающий производственный комплекс.

Эта взаимосвязь выстраивается в четкую логическую цепочку. Улучшенная гидродинамика и более качественное первичное рафинирование, достигаемые за счет комбинированной продувки (Технология 1), создают идеальные стартовые условия для внепечной обработки. В ковш поступает уже более чистый и гомогенный металл, что повышает эффективность и скорость ковшевого рафинирования инертными газами (Технология 2), снижая расход аргона и время обработки.

Но самый яркий пример синергии — это интеграция утилизации конвертерного газа (Технология 3) обратно в технологический цикл. Энергия, полученная из этого газа, может быть использована не просто для общих заводских нужд, а для предварительного нагрева металлического лома непосредственно в конвертере перед заливкой чугуна. Более того, часть этого газа может применяться в качестве технологического, заменяя инертные газы для перемешивания расплава. Это позволяет решить одну из ключевых задач — увеличить долю лома в шихте, снижая при этом расход более дорогого и углеродоемкого чугуна.

Таким образом, технологии перестают быть изолированными этапами, а сплетаются в замкнутый цикл, где результат одного процесса становится ресурсом для другого, многократно повышая общую эффективность.

Ключевые аспекты внедрения и управления интегрированным производственным циклом

Переход к такой комплексной модели производства невозможен без кардинального изменения подходов к управлению технологическим процессом. Управление отдельными операциями уступает место управлению интегрированным циклом, что требует внедрения современных средств контроля и комплексной автоматизации. Автоматизированные системы управления (АСУ ТП) становятся «нервной системой» производства, которая в режиме реального времени отслеживает десятки параметров и корректирует ход плавки для достижения оптимального результата.

Основой для работы таких систем служат точные математические модели, описывающие материальные и тепловые балансы для различных вариантов технологии. Именно на основе таких расчетов принимаются решения о соотношении шихтовых материалов, интенсивности продувки и расходе газов. Для получения же сталей особо высокого качества, предназначенных для ответственных применений, этот комплекс может быть дополнен сопутствующими технологиями, например, установками вакуумной дегазации, которые позволяют достичь предельно низкого содержания растворенных газов.

Заключение. Перспективы развития ресурсосберегающего конвертерного производства

В заключение можно с уверенностью утверждать, что будущее кислородно-конвертерного производства лежит в плоскости комплексной интеграции технологий. Мы рассмотрели, как комбинированная продувка улучшает гидродинамику, рафинирование инертными газами обеспечивает прецизионное качество, а утилизация конвертерного газа превращает отходы в ценный энергоресурс. Но главный вывод заключается в том, что их синергетический эффект значительно превосходит простую сумму их индивидуальных преимуществ.

Подтвержденный основной тезис работы — необходимость комплексного подхода — открывает дорогу к созданию высокоэффективного и экологичного сталеплавильного производства будущего. Дальнейшее развитие будет идти по пути еще большей интеллектуализации управления, внедрения элементов искусственного интеллекта для прогнозирования и оптимизации плавок, а также поиска новых способов рекуперации энергии и материалов. Предложенная модель является не финальной точкой, а надежной и проверенной платформой для дальнейшего совершенствования ключевого сталеплавильного процесса XXI века.

Список использованной литературы

1. Теплотехника металлургического производства / В.А. Кривандин, В.В. Белоусов, Г.С. Сборщиков и др.-М.: МИСиС, 2001.
2. Бережинский А.И., Хомутинников П.С. Утилизация, охлаждение и очистка конвертерных газов.- М.: Металлургия, 1967.
3. Влияние способа конвертирования на количество и характер вредных выбросов конвертерного производства / Горобец В.Г., Хайрутдинков Р.М., Теверовская А.Б. и др. // Ин-т Черметинформация. Защита воздущного и водного бассейнов от выбросов металургических заводов.- М.: 1991.- Вып.2..
4. Бережинский А.И., Циммерман А.Ф. Охлаждение и очистка газов кислородных конвертеров.- М.: Металлургия, 1975.
5. Общая металлургия: Учебник для вузов / В.Г. Воскобойников, В.А. Кудрин, А.М. Якушев М. и др.-М.: Металлургия, 1985.
6. Корченко В.П., Поляков В.Ф., Белан А.Т. Исследование особенностей дожигания отходящих газов в кислородном конвертере при различных вариантах продувки // Труды пятого конгресса сталеплавильщиков.-1999.
7. Haworth D., Hemming G. // Iron and Steel Engineer.-1995.-V.5.-P.25-30.
8. Конструкции и проектирование агрегатов сталеплавильного производства: Учебник для вузов / В.П. Григорьев, Ю.М. Нечкин, А.В. Егоров и др.-М.: МИСиС.-1995.
9. Сеничкин Б.К. Утилизация конвертерного газа // Теория и технология металлургического производства: Межрегион. сб. науч. тр. / под ред. Колокольцева В.М. Вып. 1.- Магнитогорск: МГТУ.- 2001.-С.167-169.
10. Рудницкий Я.Н., Сикуляр И.Я. Проблемы и направления использования конвертерного газа при отводе его без дожигания // Труды первого конгресса сталеплавильщиков.-1993.
11. Портнова И.В. Разработка энергосберегающей тепловой схемы использования конвертерных газов // Сталь.-1993.-№ 7.
12. Розенгарт Ю.И., Якобсон Б.И., Мурадова З.А. Вторичные энергетические ресурсы черной металлургии и их использование.-К.: Выща школа, 1988.
13. Охотский В.Б., Борисов Ю.Н., Зражевский А.Д. Дожигание монооксида углерода в конвертере. Газовая динамика // Изв. вузов. Черная металлургия.-1992.-№ 6.
14. Охотский В.Б., Борисов Ю.Н., Зражевский А.Д. Дожигание монооксида углерода в конвертере. Термодинамика процесса // Изв. вузов. Черная металлургия.-1992.- № 4.
15. Жульковский О.А. Процессы дожигания конвертерных газов в полости конвертера // Пром. теплотехника.-1998.-№ 2.
16. Колпаков С.В., Старов Р.В., Смоктий В.В. Технология производства стали в современных конвертерных цехах.-М.: Машиностроение, 1991.
17. Меркер Э.Э. Проблемы дожигания оксида углерода и утилизация пыли в конвертере.-М.: Металлургия, 1996.
18. Меркер Э.Э., Карпенко Г.А. Дожигание монооксида углерода в конвертере с учетом влияния шлака // Изв. вузов. Черная металлургия.-2001.- № 5.
19. Арсентьев П.П., Яковлев В.В., Комаров С.В. Конвертерный процесс с комбинированным дутьем.-М.: Металлургия, 1991.
20. Протопопов Е.В., Лаврик Д.А., Чернятевич А.Г. Повышение эффективности дожигания отходящих газов в конвертерах с жидкофазным восстановлением // Изв. вузов. Черная металлургия.-2001.-№ 6.
21. Баптизманский В.И., Бойченко Б.М., Третьяков Е.В. Металлолом в шихте кислородных конвертеров.-М.: Металлургия, 1982.
22. Квитко М.П., Марцинковский Д.Б. Возможности увеличения расхода лома в шихте кислородных конвертеров // Бюллетень научно-технич. информации. Черная металлургия.-1979.-№ 20.
23. Нагрев металлолома для конвертерной плавки в завалочных совках на опытно-промышленной установке / Л.А. Смирнов, К.Н. Демидов, С.М. Челпан и др. // Труды первого конгресса сталеплавильщиков.-1993.
24. Обоснование основных направлений научно-технического прогресса в черной металлургии. Увеличение расхода лома в конвертерных цехах.-М.: Гипромез.-1978.-Т 110785.
25. Маструков Б.С. Теория, конструкции и расчеты металлургических печей.- М.: Металлургия, 1986.-Т. 2.
26. ТИ 05757665-СТКК1-01-2001. Производство непрерывнолитых слябов из конвертерной стали.-Липецк, 2001.
27. Лузгин В.П., Вишкарев А.Ф. Производство стали и ферросплавов: Учебное пособие.- М.: МИСиС, 1990.
28. СанПиН 2.2.1/2.1.1.567-96. Санитарные правила и нормы проектирования промышленных предприятий.-M.: Стройиздат, 1996.
29. ГОСТ 12.1.005-88. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны.-M.: Издательство стандартов, 1988.
30. Охрана труда и окружающей среды. Учебное пособие под редакцией В.H. Бринзы.-M.: Ротапринт МИСиС, 1985.
31. СНиП 11-92-76. Вспомогательные здания и помещения промышленных предприятий. Нормы проектирования.-M.: Госстрой СССР, 1977.
32. ГОСТ 12.0.003-74. Опасные и вредные производственные факторы. Классификация.-М.: Издательство стандартов, 1975.
33. СниП 2.01.02-85. Противопожарнве нормы.-М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1986.
34. Стрижко М.П., Адамов Э.В. Учебное пособие по экономическим и организационным вопросам в дипломном проектировании.-M.: Ротапринт МИСиС, 1986.
35. Симанян Л.М., Косырев К.Л. Экологически чистая металлургия. Ресурсосбережение и экология в металлургии: Практикум.-М.:МИСиС, 2002.
36. Инструкция. Методические указания по взиманию платы за загрязнения окружающей природной среды.-М.:МИСиС, 1983