CC BY
50
МЕТАЛЛУРГИЯ СТАЛИ
УДК 669.187.25
Андреас Флик Перевод Потаповой М.В.
КАК ИННОВАЦИИ ПОВЫШАЮТ КОНКУРЕНТОСПОСОБНОСТЬ ПРОДУКЦИИ В СТАЛЕПЛАВИЛЬНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ
Аннотация. Что мы можем сделать для повышения нашей потребительской ценности? Какие разработки и технологии попадут в тренд? Как будет выглядеть сталеплавильное производство в следующем десятилетии? Подобные вопросы постоянно ставятся компанией Приметалз для того, чтобы сохранять лидирующую позицию на мировом рынке. В рамках сценария глобализации современного бизнеса инновации не могут более фокусироваться только на достоинствах изобретений. Они также должны уделять внимание организации процессов и ситуации на рынке.
Ключевые слова: струйный процесс, ДСП «Quantum», «PRECON», биоферментация, Человеко-машинный интерфейс (ЧМИ), непрерывное производство полосы компании «Arvedi» (ESP arvedi).
1. Ключевые факторы в сталеплавильном производстве
Анализируя кривую мировых цен на горячий прокат, можно заметить, что существует значительная несоизмеримость стоимости стальной продукции, несмотря на схожесть процессов ее производства. Четыре основных ключевых фактора, определяющих стоимость стальной продукции, - сырье, энергия и окружающая среда, автоматизация, персонал и технологии производства являются главным приоритетом инновационной деятельности компании «Primetals». Цена одной тонны стали на 80 % зависит от ценовых колебаний и только 20 % от фиксированной стоимости, следовательно, становится очевидным, что вышеперечисленные факторы являются определяющими разницу мировых цен на стальную продукцию.
1.1. Первый ключевой фактор - гибкость соотношения шихтовых материалов
Цена на чугун и лом постоянно меняется. Периоды роста цен следуют за периодами падения. Рыночная цена обычно следует тренду, но бывают также периоды, когда цены на лом и железную руду ведут себя не синхронно. В такие периоды либо сталь, выплавленная в кислородном конвертере либо электросталь будет иметь ценовое преимущество.
Струйный процесс
В случае, когда наблюдается нехватка жидкого чугуна, или в случае, когда лом или горячебрикетиро-ванное железо дешевле по сравнению с чугуном, для кислородно-конвертерного процесса может быть целесообразно повышение доли твердого скрапа в ме-таллошихте. Компания «Primetals» развивает и оптимизирует использование донной продувки для таких целей. В этом процессе уголь вдувается через днище конвертера, в то время как кислород подается сверху.
На первом этапе процесса углерод, вдуваемый
© Андреас Флик, 2016
через днище, реагирует с кислородом в ванне жидкого металла, в результате чего образуется СО, на втором этапе происходит полное окисление СО до СО2 в верхней части рабочего пространства конвертера. Более чем 2/3 энергии выделяется на этом этапе, следовательно, высокая степень дожигания является существенной для эффективного использования химической энергии угля. Струя вносит дополнительную тепловую энергию и энергию перемешивания в конвертер. Подача угля, извести и кислорода через днище кислородного конвертера - эффективная ведущая технология компании «Primetals». Химическая энергия угля может быть использована для увеличения доли лома или ГБЖ в металлошихте кислородно-конвертерной плавки с 20 до 50%, если того требует ситуация на рынке.
1.2. Второй ключевой фактор - потребляемая энергия и окружающая среда
В настоящее время - время роста осведомленности о затратах энергии, время растущего экологического сознания и ужесточения контроля за выбросами - внедрение технологий регенерации энергии становится еще более важным. Эффективные решения по максимально полному использованию энергии играют важную роль при улучшении конкурентоспособности оборудования в целом.
Решения по утилизации и дополнительному использованию энергии - это, прежде всего, использование энергии отходящих газов различных процессов и агрегатов металлургического производства. Если это возможно, энергию напрямую возвращают в процесс, что предполагает наибольшую эффективность ее использования. В зависимости от имеющихся условий возможно производство пара или электричества. Типичный пример - использование отходящих газов кислородно-конвертерного и электросталеплавильного процессов, агломерационного производства, колошниковых газов доменной печи для производства энергии.
Снижение энергопотребления посредством автома-
тизации процессов и реконструкции существующих агрегатов является также ключевым фактором повышения эффективности металлургического предприятия.
Электросталеплавильный процесс «Квантум»
Почти во всех ДСП тепло отходящих газов остается неиспользованным. Около одной трети энергии, потребляемой при выплавке электростали, теряется с отходящими газами, имеющими температуру ~ 1400°С Однако потребление энергии и выбросы СО2 могут быть существенно уменьшены, если организовать предварительный нагрев лома этими отходящими газами. Такая технология применяется в настоящее время в новой ДСП «Квантум» компании «Primetals».
Первая высокомощная печь такого типа вместимостью 100 т была запущена в 2014 году в Мексике на предприятии Tyasa. ДСП «Квантум» потребляет энергии на 20 % меньше, чем традиционная электродуговая печь, и имеет ряд других преимуществ: более высокую производительность, увеличение времени службы электродов, более быструю амортизацию и общее уменьшение выбросов СО2.
«PRECON» - система энергетического управления для электрофильтров.
Электрофильтр является основным средством для удаления пыли в сталеплавильном производстве. Он поглощает около 99 % пыли из отходящих газов. Напряжение между коронирующим и осадительным электродами достигает 65 кВ. В зависимости от мощности металлургического предприятия потребление энергии колеблется от 1,4 до 2,1 кВт/т жидкой стали. Следовательно, количество энергии, потребляемое электрофильтрами, является одним из основных показателей, влияющих на ценовой фактор.
Уловители обычно работают таким образом, что предельные значения концентрации пыли в отходящих газах строго удерживаются в определенных рамках. Однако выбросы пыли из кислородного конвертера колеблются в широком диапазоне в разные периоды плавки, и эта производственная практика не соответствует требованиям энергосбережения и просто ведет к более высоким экономическим затратам. Система «PRECON» учитывает различные периоды работы конвертера в течение всего цикла плавки и регулирует подачу энергии на фильтр в соответствии с текущими условиями процесса. Это достигается точным отслеживанием потребления энергии каждым улавливающим полем и специальным программным обеспечением, обрабатывающим самые последние производственные показатели. Благодаря этому подача напряжения к фильтрам может контролироваться и оптимизироваться, что способствует снижению энергопотребления.
Валоризация конвертерных шлаков
Ш среднестатистическом металлургическом предприятии на тонну жидкой стали приходится более чем 400 кг шлака. В настоящее время практически весь доменный шлак подвергается мокрой грануляции и используется при производстве цемента. Для конвертерных шлаков таких технологий последующего
стабильного применения, повышающих стоимость этих самых шлаков, пока не существует.
Традиционные способы применения конвертерных шлаков в строительной области или в качестве удобрений становятся все менее привлекательными из-за ужесточения экологических ограничений и растущих требований к качеству продукции, что ведет к снижению рыночных объемов и стоимости шлаков. Кроме того, распространенный способ переработки шлака путем простого выпуска и охлаждения сопровождается выбросами пыли и потерями энергии. Инновационный способ переработки жидкого шлака, заключающийся в восстановлении содержащихся в нем оксидов железа и дальнейшего его использования в цементной промышленности, разработанный совместно Loesche и Primetals, называется шлаковой валоризацией. В цементной промышленности этот частично восстановленный шлак используется в качестве замены цементного клинкера, что также дает значительный экономический эффект. Кроме того, экономия энергии обеспечивается за счет использования технологии сухой грануляции шлака.
Преобразование СО в этанол путем
биоферментации
В доменной печи в процессе выплавки чугуна образуются огромные количества газа СО. Выходящий из доменной печи СО, как правило, дожигается с получением электроэнергии (КПД ~ 40%). Однако этот показатель эффективности может быть существенно увеличен. В технологии биоферментации микробы могут быть использованы для преобразования монооксида углерода в биоэтанол и другие ценные промышленные химические продукты. Принимая во внимание вышесказанное, Primetals подписали соглашение о сотрудничестве на десять лет с LanzaTech, американской компанией, занимающейся газоферментацией, о разработке, оптимизации и выводе на рынок этой технологии. Инновационный процесс ферментации, разработанный LanzaTech, будет использоваться для преобразования богатых углеродом отходящих газов в низкоуглеродистой биоэтанол и другие химические вещества. В 2012 году этот процесс был успешно продемонстрирован на опробаци-онных плавках в Китае на сталелитейных заводах Baosteel и Shougang.
1.3. Третий ключевой фактор - автоматизация и персонал
Иерархия автоматизации сегодня включает в себя несколько уровней (датчиков, контроллеров, процессных моделей, IT4Metals, ERP). В дальнейшем автоматизация будет выступать в качестве вертикальной интеграции сетевых производственных систем с автономными интеллектуальными единицами и встраиваемыми системами. Использование технологий глобальных сетей на СМАРТ предприятиях будет масштабным и гибким. Кроме того, автоматизация еще более будет опираться на моделирование и симуляцию возможностей для дальнейшего повышения эффективности процессов производства стали с точки
Раздел 3
зрения их стабильности, прогнозирования и оптимизации (время, затраты, качество).
Процессная модель «Steel Expert»
Модели процессов Steel Expert Primetals оптимизируют и контролируют процессы производства стали в кислородном конвертере. Steel Expert непрерывно передает обслуживающему персоналу все показатели плавки (массу, температуру и химический состав). Система состоит из нескольких модулей.
Модель контроля «Dynacon» и «Steel Expert»
Во время процесса продувки модель в онлайн-режиме рассчитывает циклически реакции, протекающие в ванне жидкого металла и шлака. Это реакции окисления и восстановления, растворения кислорода и азота в металле, перераспределения серы и фосфора между сталью и шлаком и дожигания из СО и Н2. Таким образом, учитывается влияние различных продувочных и перемешивающих реагентов, а также растворение загрузочных материалов.
Модель Dynacon определяет содержание углерода в металле в конце продувки на основе фактических данных об отходящих газах (содержание СО, СО2, О2, Н2).
Модели прогнозирования «Steel Expert»
Модель предварительного расчета воссоздает весь процесс в конвертере до и после завалки лома и заливки чугуна. «Steel Expert» определяет оптимальный режим продувки и перемешивания ванны, а также точное время и расход подачи флюсов.
Модель «Set-point Steel Expert»
Программный пакет Primetals Expert включает расчет шихты первой и второй загрузки, корректировку расчета по ходу продувки и расчет подачи рас-кислителей и легирующих.
Последние обновления моделей
На основе накапливаемого опыта и с учетом последних разработок, таких как определение содержания углерода по ходу продувки и усвоения шлакооб-разующих добавок, модели постоянно актуализируются и дорабатываются.
Новый человеко-машинный интерфейс (HMI) -
pure.hmi
Классические решения HMI часто не дают четкого представления о текущей деятельности предприятия. Оптимизация эффективности процессов операторами на основе интуиции затруднительна. Философия разработки нового человеко-машинного интерфейса проста: чем меньше, тем лучше.
Опираясь на исследования в отношении вопроса идеального контроля на металлургическом предприятии, был разработан новый HMI-pure.hmi, который выполняет три основные функции в приложениях:
- интегрированный дизайн;
- индивидуальные предпочтения просмотра;
- контекстно-зависимое руководство для оператора.
Pure.hmi гарантирует, что операторы всегда получают самые актуальные данные, и система обеспе-
чивает мгновенный доступ в Интернет и последнюю «свежую» информацию. Четкий и легко понятный интерфейс управления сокращает время на обучение, позволяет уменьшить время простоя оборудования и снизить требования к техническому обслуживанию.
1.4. Четвертый ключевой фактор - продукция и процессы
Производство ходовых марок стали остается весьма конкурентной областью из-за присутствия большого числа производителей на рынке.
Повышение конкурентоспособности все еще может быть достигнуто за счет постоянной реконструкции и обновления оборудования, использования новейших технологий и систем автоматизации, а также за счет специализации на производстве исключительно нового продукта.
За последние несколько лет Primetals разработал энергоэффективную технологию по производству горячекатаных рулонов непосредственно из жидкой стали. Известный как Arvedi ESP (непрерывное производство полосы) процесс был разработан и внедрен на сталелитейном заводе итальянского производителя Acciaieria Arvedi SpA в Кремоне.
Литую сталь на этапе от разливки до прокатки и смотки получают непрерывным способом. Благодаря непрерывному режиму для обеспечения температуры процесса горячей прокатки (1200°С) требуется значительно меньший вторичный нагрев заготовки. Это позволяет снизить потребление энергии на 45 %, уменьшить производственные затраты и выбросы СО2, увеличить производительность. Кроме предприятия Arvedi ESP в Кремоне, работающего с июня 2009 г., в Китае было запущено оборудование Arvedi ESP в начале 2015 г. Еще один заказ был получен от постоянного потребителя на обслуживание трех предприятий с общим готовым объемом производства более 11 млн т высококачественной ультратонкой горячекатаной полосы.
Выводы:
1. На эксплуатационные расходы в основном влияют переменные затраты, на долю которых приходится 80 % от общей суммы затрат. Ключевые факторы - это гибкость использования шихтовых материалов, энергия и окружающая среда, автоматизация и персонал, продукты и процессы.
2. Новые процессы, такие как струйный, позволяют производить сталь с использованием более широкого диапазона загрузочных материалов.
3. Экономия энергии зависит не только от вторичного использования тепла отходящих газов, но и за счет повышения эффективности управляющей системы.
4. Новый процесс Quantum для ДСП имеет большой потенциал благодаря экономии за счет предварительного подогрева шихты отходящими газами.
5. Валоризация конвертерного шлака и переработка СО с использованием технологии биоферментации также способствуют получению дополнительной прибыли.
6. Персонал получит возможность пользоваться
новыми процессными моделями и новым человеко-машинным интерфейсом для повышения эффективности производства.
7. Arvedi предлагает технологию непрерывного производства полосы.
Список литературы
1. P.Marcus, K.Kirsis; Steel Success Strategies XXIX, 2014, World Steel Dynamics.
2. G. Wimmer et al; Jet Process for highest converter input flexibility; AISTech 2014, USA.
Сведения об авторах
Андреас Флик - Primetals Technologies, Австрия, Линц.
3. D. Bettinger, G. Enickl; Innovative Waste Heat Recovery Solutions; ESTAD'14, Paris.
4. EAF Quantum; The future of efficient steelmaking; Siemens VAI Brochure, 2014.
5. PRECON; Press release Siemens News Center, 11.Dec. 2014.
6. G. Wimmer, H.Wulfer et al.; BOF Converter Slag Valorization; AISTech 2014, USA.
7. The new pure.hmi for the metal industry; Siemens VAI Brochure, 2014.
8. A. Jungbauer et al; Next Arvedl ESP installations in China: High-Quality, ultra-thin strip to enter new markets; AIS Tech 2014.
9. S. Bragin, J. Watzinger, et al; Influence of thin slab thickness on final strip properties in Arvedi ESP Plant; ECCC 2014.
INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH
HOW INNOVATION INCRESES COMPETITIVNESS IN STEELMAKING
Andreas FLICK - Primetals Technologies, Austria GmbH, A-4031, Linz, Austria.
Abstract. What can we do to increase our customer's value? Which developments and technologies will seta trend? How will Steelmaking look like in the next decades? At Primetals questions like these are constantly asked during the technology & innovation process to maintain our position as a leading lifecycle partner. Within today's global business scenario, innovations can no longer focus only on the technological merits of an invention, but must consider the aspects of organization/process as well as the mar-ketsituation.
Keywords: jet process quantum EAF, PRECON, bio Fermentation, steel expert, HMI, arvedi ESP.
♦ ♦ ♦
УДК 669
Метелкин А.А., Шешуков О.Ю., Некрасов И.В., Шевченко О.И., Корогодский А.Ю.
К ВОПРОСУ УДАЛЕНИЯ ВОДОРОДА ИЗ МЕТАЛЛА В ВАКУУМАТОРЕ ЦИРКУЛЯЦИОННОГО ТИПА
Аннотация. Рассмотрен вопрос удаления водорода с поверхности жидкого металла в циркуляционном вакууматоре. Процесс удаления водорода с поверхности металла в вакуум-камере циркуляционного вакууматора длителен и происходит медленно. Расчеты показывают, что удаление водорода с поверхности металла в вакуум-камере циркуляционного вакууматора недостаточно для получения низкого остаточного содержания водорода.
Ключевые слова: удаление водорода, циркуляционный вакууматор, дегазация металла.
В настоящее время требования к качеству вакуу-мированного металла возрастает. Возможно, это связано с повышением требований к качеству выплавляемой стали.
На металлургических заводах в основном используют вакууматоры циркуляционного и ковшевого типа, отличающиеся как конструкцией, так и способом вакуумирования. В зависимости от технологической цепочки выплавки стали и поставленных задач используют тот или иной тип вакууматора.
Несмотря на распространенность данных агрега-
© Метелкин А.А, Шешуков О.Ю., Некрасов И.В., Шевченко О.И., Корогодский А.Ю., 2016
тов, теоретические вопросы изучены недостаточно глубоко [1-4]. В особенности это касается циркуляционного вакуумирования.
Известно, что удаление газов возможно по следующим путям (рис. 1 [2]):
1. Первый путь - это непосредственный переход водорода из металла в окружающее пространство.
2. Второй путь - это образование пузырей газа в металле и их непосредственное всплытие.
3. Третий путь - это зарождение пузырей водорода на границе огнеупорной кладки с металлом.
4. Четвертый путь - удаление водорода при продувке металла нейтральным газом, например аргоном.
