Как читать новости металлургии (2): кислородный конвертер
Дата первой публикации этой заметки: 3 ноября 2019
На этот раз поговорим о сталеплавильном производстве. Это область мне очень близка, так как именно этому меня и учили в институте. Хотя я и не занимаюсь в данный момент выплавкой стали, всякая новость о сталеплавильном производстве вызывает у меня живой интерес. Начнем, как и в прошлом посте, с чтения полного текста заметки:
Череповецкий меткомбинат обновил мощности конвертера № 3
18.06.2019, 18:31
В цехе выплавки конвертерной стали Череповецкого металлургического комбината, одного из крупнейших интегрированных заводов по производству стали в мире (входит в состав дивизиона «Северсталь Российская сталь»), завершили капитальный ремонт конвертера №3.Работы выполнили сотрудники сталеплавильного производства, ремонтных подразделений дивизиона «Северсталь Российская сталь» – Центра «Домнаремонт» и Машиностроительного центра «ССМ–Тяжмаш»,а также подрядных организаций из Череповца и Екатеринбурга. Специалисты заменили сегменты шлема конвертера, а также защиту его опорного кольца, состоящую из 11 карт. Габариты одной – 2,5 метра на 2 метра. Также привели в порядок приводы поворота агрегата, подконвертерную зону, шлаковозы, сталевозы и другие узлы конвертера.«Во время капремонта мы также провели полную ревизию оборудования, обеспечивающего донную продувку конвертера. Напомню, что в конце 2018 года конвертер №3 стал первым из существующих на ЧерМК, который перевели на технологию комбинированной продувки стали. Кампания донной продувки на данном агрегате составила 3200 плавок при гарантийном показателе 3 000. Анализ работы донной продувки на этом агрегате позволит увеличить ее стойкость на соседних конвертерах до 4 тысяч», — отметил генеральный директор дивизиона «Северсталь Российская сталь» Вадим Германов.Параллельно с конвертером №3 специалисты подразделения совместно с подрядными организациями восстановили проектные параметры установки непрерывной разливки стали №2. Среди основных операций – полная замена направляющих устройств и обновление сегментов роликового полотна. Капремонт агрегата позволит продлить срок службы агрегата и повысить качество разливки стали.Справочно:Технология комбинированной продувки стали позволяет эффективно устранять застойные зоны в ванне металла, а также минимизировать потери стали. В марте 2019 года на комбинированную продувку стали переведены все три конвертера ЧерМК. По материалам компании «ССМ–Тяжмаш»
Прежде чем разбирать текст по абзацам, я бы хотел сказать несколько слов о главном герое заметки — кислородном конвертере (в дальнейшем КК). На сегодняшний день это один из двух основных способов получить сталь (о втором способе – выплавке в дуговой электропечи – тоже как–нибудь поговорим). Кислородный конвертер не может работать сам по себе, он – часть огромного интегрированного производственного комплекса, где элементы (агрегаты, объединенные в цеха) работают в высокой степени синхронизации. Я имею в виду металлургические производства классического типа, где ориентированные на производство больших объемов стали (около 10 млн тонн в год). Темп производства в значительной степени задает производство чугуна в доменном цеху: доменная плавка – процесс непрерывного типа, остановить его нельзя, только чуть замедлить. Чугун печь выпускает несколько раз в день (каждый час, примерно). Основной продукт доменной плавки – жидкий чугун – нужно переработать в сталь, и для этого и нужен кислородный конвертер. Раньше альтернативным (а совсем давно – и главным) способом переработки жидкого чугуна была плавка стали в мартеновской печи, но теперь мартены почти повсеместно ушли в прошлое. Конкретно о структуре производства на Северстали можно почитать здесь (https://chermk.severstal.com/about/structure/).
Конвертер перерабатывает не только чугун, но и стальной лом. Для простоты можно принять, что соотношение между ними примерно 50:50, но на деле, все, конечно, сложнее. Также, во время плавки необходимо добавлять шлакообразующие материалы, главным образом – известь. Ее производят в отдельном цеху, на Северстали он называется известково–доломитовый. Ну и конечно нужен кислород! В конвертерном цеху используется газообразный технический кислород чистотой 99.5%, который производят из воздуха путем его охлаждения и разделения этой смеси на отдельные газы (азот, кислород, аргон и другие). Кислорода для конвертерного процесса нужно много, поэтому он подается в цех по трубопроводам под высоким давлением.
Суть конвертерного процесса такова: в смесь жидкого чугуна и твердого стального лома подают (вдувают) с огромной скоростью газообразный кислород, который инициирует очень энергичную реакцию окисления различных химических элементов в составе чугуна – кремния, углерода, фосфора, марганца и других – с выделением большого количества тепла, которое помогает расплавить лом и, тем самым, продолжить окисление тех же элементов уже из состава лома. Это и есть конвертирование чугуна и лома в сталь (рис 1а).
Тракт подачи кислорода, который представляет собой конструкцию из нескольких труб расположенных одна внутри другой, называется кислородной фурмой. Кислород движется вниз в сторону металла по самой внутренней трубе, а остальные нужны для циркуляции воды, которая охлаждает всю эту конструкцию. Фурма заканчивается заканчивается наконечником (Рис 1б) с несколькими соплами, которые меняют параметры движения газа: резко увеличивают скорость (до сверхзвука) и резко снижают давление и температуру.
Процесс очень быстрый: в современных агрегатах продувка идет около 30–40 минут. На выходе – несколько сот тонн жидкой стали. Емкость современных агрегатов в России от 160 до 370 тонн, а вообще емкость конверторов может колебаться от 10 до 400 тонн. Я сознательно не пишу здесь об истории процесса и разных нюансах дабы не загромождать вступление.
1. «В цехе выплавки конвертерной стали Череповецкого металлургического комбината … завершили капитальный ремонт конвертера №3» — за вычетом корпоративных заклинаний, можно понять, что на ЧерМК (как его называли раньше) более одного цеха, где плавят сталь: для этого и сделано уточнение «конвертерной стали»; второй цех сталеплавильного производства выплавляет сталь в дуговых электропечах. Нумерация агрегатов дает понять, что конвертеров как минимум три. Нумерации стоит верить не всегда, иногда номера присваивают исторически, в порядке ввода в эксплуатацию, и перенумерацию при выводе уже не делают, чтобы не путать людей: например, могут быть агрегаты 3, 4, 5, а 1 и 2 уже разобраны. Но в данном случае, с цифрами все верно: конвертеров в том цехе действительно три [https://chermk.severstal.com/about/structure/staleplavilnoe–proizvodstvo/]. По данным Черметинформации, емкость конвертеров Северстали – 350 т (http://chermetinfo.com/editions/center2/Tab3.pdf), второй показатель в России, и одни из самых крупных в мире.
2. «… заменили сегменты шлема конвертера, а также защиту его опорного кольца, состоящую из 11 карт. Габариты одной – 2,5 метра на 2 метра. Также привели в порядок приводы поворота агрегата, подконвертерную зону, шлаковозы, сталевозы и другие узлы конвертера.»
Я, с вашего позволения, пропущу ту часть, где перечисляются организации, делавшие ремонт (они все входят в Северсталь), и перейду сути того, что они сделали. Итак, капитальный ремонт – это, прежде всего, остановка и охлаждение КК до температуры окружающей среды. Вместе с охлаждение разрушается, сжимаясь и трескаясь, огнеупорная кладка (футеровка). Хотя о ней и не сказано прямо, ее замена во время ремонта – подразумевается; косвенно на это намекнули в следующем абзаце. Мы вернемся к футеровке позже.
Капитальный ремонт конвертера бывает разным, и в данном случае, насколько можно судить из заметки, он затрагивал «нижнюю» часть: саму реторту, теплозащиту, механизмы поворота и подпечное хозяйство. Чтобы понять, что к чему давайте посмотрим, как это все выглядит.
На Рис 2 хорошо видны те самые шлем и опорное кольцо, которые ремонтировали. Шлем, как можно догадаться, это верхняя часть конвертера. Опорное кольцо названо так потому, что на него опирается сам стальной корпус с огнеупорной кладкой, а точнее – корпус с кладкой подвешен внутри этого кольца. Корпус имеет форму реторты, но без характерного загнутого горла.
Как именно эта огромная и тяжеленная конструкция держится внутри кольца можно увидеть на следующем фото (с ЗСМК; https://sdelanounas.ru/blogs/97084/): три толстые шпильки одной стороной прикручены к корпусу реторты, а другие концы – к опорному кольцу. Таких креплений три (на фото видно два, Рис. 3), расположены через 120°.
С двух противоположных сторон опорного кольца расположены короткие валы–цапфы, которые, через систему электродвигателей и редукторов, и приводят во вращательное движение и опорное кольцо, и корпус. Да–да, конвертер может вращаться на 360°! С металлом внутри, разумеется, углы вращения ограничены. Вращение необходимо для операций загрузки жидкого чугуна и стального лома (завалка шихты), отбора проб и замеров температуры (повалка) и слива (выпуска) металла. В таком наклоненном вперед положении конвертер показан на следующем фото (Рис. 4а), это, судя по всему, подготовка к завалке. Кстати, размеры конвертера на этом фото близки к таковым на ЧерМК – этот тоже имеет вместимость по жидкой стали 350 тонн.
Картами, судя по всему, называют отдельные элементы–листы защиты. Размер их можно оценить по фото выше, где рядом стоит человек (Рис 4а). Я не уверен, имеют ли они водяное охлаждение (скорее — нет), но со временем они зарастают металлом и шлаком, и требуют замены (рис. 4б).
Не очень понятно, что имели в виду под «привели в порядок приводы поворота агрегата», но рискну предположить, что был проведен ремонт или замена электромоторов и редукторов, а также зубчатых колес привода. Конечно, после кампании в несколько тысяч плавок, износ этих узлов будет весьма значительны.
Двигаемся далее, и видим, что привели в порядок еще и «подконвертерную зону, шлаковозы, сталевозы и другие узлы конвертера». Подконвертерную зону хорошо видно на Рис 5, также виден и сталевоз с ковшом номер 21 (написан известкой на боку). Сталевоз это специальная железнодорожная тележка, как правило — самоходная, которая возит ковши с жидкой сталью от конвертера до установки доводки или другого агрегата; работает по челночному признаку, только вперед–назад. Стрелок на путях нет из–за огромной колеи (более 4 м) и колоссальной нагрузки на рельсы. Разумеется, в ходе эксплуатации тележка загрязняется застывшим металлом (брызги, капли, и т.д.). Фото 5 еще демонстрирует «заднюю» часть конвертера: на других фото выше (2, 4 и 5) показана «лицевая» сторона с рабочей площадкой. Собственно, рабочая площадка есть и сзади, просто работы там идут другие.
Вопрос: почему не убирают понемногу во время работы? Нет времени, ведь плавки идут одна за другой круглосуточно. Кончено, по мелочи убраться можно, но более серьёзные клининг–проекты ждут длительных перерывов.
3) Дольше идет абзац с прямой речью: «Во время капремонта мы также провели полную ревизию оборудования, обеспечивающего донную продувку конвертера. Напомню, что в конце 2018 года конвертер №3 стал первым из существующих на ЧерМК, который перевели на технологию комбинированной продувки стали. Кампания донной продувки на данном агрегате составила 3200 плавок при гарантийном показателе 3 000. Анализ работы донной продувки на этом агрегате позволит увеличить ее стойкость на соседних конвертерах до 4 тысяч», — отметил генеральный директор дивизиона «Северсталь Российская сталь» Вадим Германов».
И тут мы видим много интересного! Во–первых, мы узнаем, что конвертер №3 был оборудован системой донной продувки. Что это такое? Донная продувка жидкого металла осуществляется с помощью инертного газа (аргона), который подает через специальные продувочные устройства, вмонтированные в огнеупорную кладку днища агрегата. Такие системы ставят и на сталевозные ковши (см ковш 21 выше), и на конвертеры, и на дуговые электропечи (из первого выпуска). Идея простая: вдувая химически инертный газ в жидкую сталь, мы добиваемся перемешивания металла без какого–либо нарушения его химического состава. Перемешивание преследует цель сделать жидкий металл однородным по температуре и химическому составу во всем объеме. В ковшах и электропечах эти системы прижились прочно, а вот конвертеры, несмотря на огромное количество экспериментов, до сих пор не все оборудованы такими системами. Причина такого отставания (особенно для России), на мой взгляд, заключается в своеобразной культуре производства. Устоявшиеся производственные привычки и методы ведения процесса приводят к быстрому выходу систем продувки из строя, а потом их забрасывают до следующего капремонта. Использование и обслуживание системы донной продувки – это еще и дополнительные расходы. Если цех начинает «проседать» экономически, продувку бросят первой. Стоимость газа тут, кстати, — не главная: аргон производят прямо на меткомбинатах и он широко используется во внепечной обработке стали (о ней поговорим в другой раз, там и вернемся к продувке инертным газом). Тот факт, что продувкой КК на Северстали оснастили только в 2019 году может говорить и о том, что на производстве только–только появились люди, которые смогли обосновать перед руководством необходимость и пользу этой системы. В любом случае, донная продувка – это хорошо, я рад за Северсталь.
Второй интересный момент – цифры, длительность производственной кампании в плавках. В новостях редко приводят подробности технологических процессов, так что здесь – люди явно гордятся результатом. Сначала разберемся, что такое 3200 плавок: в среднем одна плавка в КК занимает около 1 часа (активная фаза – около 30 минут), т.е. в сутки это может быть 22–24 плавки, если все идет гладко. Нетрудно подсчитать, что для выполнения 3200 таких плавок надо 133 дня, или 4,5 месяца. Также несложно прикинуть, что за это время агрегат произведет 350 т х 3200 плавок = 1,120,000 тонн жидкой стали. Последнее упражнение: берем среднюю цену стали в 500 долларов и умножаем на 1,120,000, и получаем 560 млн. долларов. Это, конечно, не совсем верный расчёт, но он дает представление о финансовых масштабах производства. Так что же с цифрами? Конечно, 3200, и даже 4000 плавок – само по себе не рекорд. На обычных конвертерах достигали и 5000, и 7000, и 15000 при регулярном обслуживании огнеупорной футеровки. Однако, с системой донной продувки ситуации усложняется, так как огнеупоры начинают изнашиваться еще сильнее из–за дополнительного движения металла внутри агрегата: он сильнее «трется» о стенки вызывая дополнительную эрозию. Так что, 3200 плавок при гарантии в 3000 – это хорошо. Но зачем было превышать гарантийный срок? Это ведь риск. Идея простая: дотянуть длительность кампании до показателя, который был до продувки. Ведь через определенное количество плавок проводить ремонт необходимо для устранения других проблем (корпус, приводы, и т.д.), не связанных с огнеупорами.
4) Последний абзац: «Параллельно с конвертером №3 специалисты подразделения совместно с подрядными организациями восстановили проектные параметры установки непрерывной разливки стали №2. Среди основных операций – полная замена направляющих устройств и обновление сегментов роликового полотна. Капремонт агрегата позволит продлить срок службы агрегата и повысить качество разливки стали.»
Ого–го! Тут, на самом деле, рассказов еще на целый пост, но я приберегу непрерывную разливку стали на потом. Пока же ограничусь короткой справкой.
Конвертер и установка непрерывной разливки стали работают в паре, поэтому остановка на ремонт конвертера – это удобное время для ремонта и установки разливки. В установке непрерывной разливки стали есть несколько основных компонентов. Для простоты выделим два из них (самые главные): кристаллизатор и механизм вытягивания слитка из кристаллизатора. Идея всего метода элегантна: в кристаллизатор (водоохлаждаемый медный корпус без дна) заливают жидкую сталь, которая тут же начинает застывать; одновременно с помощью некоторых технических приспособлений застывшую сталь начинают вытягивать из кристаллизатора; с одной стороны – медленно льют, с другой – медленно тянут. На Рис. 6 вы можете видеть пример такой установки (судя по тому, какая она чистая – только запустили). Кристаллизатор здесь не видно (он небольшой и надежно спрятан), а вот большую часть тянущей системы можно видеть: три раскалённых, но уже твердых снаружи слитка ползут из правого верхнего угла в левый нижний по тем самым роликам. Конечно, металл дополнительно охлаждают водой, так что он довольно быстро застывает не только снаружи, но и по всему сечению. К только это происходит (измеряют пройденное от кристаллизатора расстояние – т.н., металлургическую длину), твердый металл отрезают и откладывают в сторонку (охлаждаться до комнатной температуры). Механизм вытяжки (помимо прочего) включает множество стальных роликов (с приводом и без), которые принимают на себя колоссальные тепловые и механические нагрузки, и нуждаются в ремонтах и заменах.
Что понимать под «восстановлением проектных параметров» неясно, но рискну предположить, что за предшествующую кампанию что–то вышло из строя, и было заменено на нечто неподходящее полностью. При капремонте, времени и средств было больше, и проблемные детали/узлы заменили на новые штатные. Но это лишь догадка.
В качестве заключения поделюсь интересной заметкой на ту же тему — капремонт КК №3 Северстали, но там добавлен ряд деталей, которых нет в "нашей" статье. Например, говорится, что время плавки с донной продувкой сокращается на 30–90 секунд (общее время плавки около 30 минут). Вроде и мало, но утверждают, что будет заметный экономический эффект – 132 млн. руб. в год. Он достигается не только за счет сокращения времени плавки, но и за счет уменьшения потерь металла в шлак за счет перемешивания и снижения окисленности шлака и металла, т.е. с каждой плавки будет получаться больше стали и меньше шлака. Так приводится и сумма затрат на весь капремонт агрегата – 350 млн. руб. Опять же, должно окупится через год. Вот ссылка на эту заметку: https://metallobazy.ru/news/475
Отдельно вынесу ссылку на учебный фильм «Технология выплавки стали в кислородных конвертерах», снятый еще в советские годы, но не утративший своей актуальности. Посмотрите, не пожалеете: https://youtu.be/URDIpHQaogM
Извиняюсь, что не удалось выпустить этот пост раньше, но надеюсь, что материал покажется интересным. Если кто–нибудь меня научит вставлять картинки в текст поста – буду очень признателен. Пробовал обычный тэг img — не работает, картинка не показывается.
Библиография
1. https://www.severstal.com/rus/media/news/document10826.phtml
2. https://metallurgy.zp.ua/razvitie–kislorodno–konverternogo–proizvodstva–stali/
3. http://steelcast.ru/ld_process
4. https://omk.ru/press/media/17088/
5. https://metallurgy.zp.ua/obshhie–svedeniya–o–konverternyh–tsehah/
6. https://www.severstal.com/rus/about/businesses/russian_steel/services/domnaremont
7. http://kuzpress.ru/old/economy/07–07–2014/33505.html
8. http://www.dstu.dp.ua/Portal/Data/73/119/2_metall_3–32.pdf
9. https://vmasshtabe.ru/promzona/plan–kislorodno–konverternogo–tseha–oao–mmk.html
10. https://www.cta.ru/cms/f/364260.pdf
11. http://rus.evraz.com/press/news/99731/?print=Y
12. http://i24.com.ua/news/ekonomika/na–azovstali–zavershili–kapremont–pervogo–konvertera
13. http://www.biznes–portal.com/GoodInfo.aspx?goodid=967093
14. https://uas.su/conferences/2011/donntutrud/8/razdel8.php
15. https://news4smart.ru/kislorodnyi–konverter–ystroistvo–i–tehnologiia–vyplavki–stali/
16. http://masters.donntu.org/2014/fimm/lyalin/library/article1.htm
17. http://metal–archive.ru/konverternye–processy/547–faktory–vliyayuschie–na–stoykost–futerovki.html