Мартеновский способ производства стали

Содержание

Введение

Черная металлургия - это  одна из важнейших базовых отраслей тяжелой индустрии. Её продукция служит основой развития машиностроения и металлообработки, строительства, а также находит широкое применение во многих других отраслях народного хозяйства.

Система производств черных металлов охватывает весь процесс от добычи и подготовки сырья, топлива, вспомогательных материалов до выпуска проката с изделиями дальнейшего передела. Металлургический цикл (чугун - сталь - прокат) обеспечивается целым рядом смежных и вспомогательных производств, необходимых для нормального функционирования всего процесса получения черных металлов.

Черная металлургия России отличается массовостью и высокой  концентрацией производства, огромными  масштабами использования сырья, топлива  и вспомогательных материалов, тесным взаимодействием всех звеньев металлургического передела и его смежников, широкой утилизацией промышленных отходов. Черная металлургия — отрасль тяжелой промышленности, к которой относятся предприятия по добыче и обогащению рудного и нерудного сырья, по производству чугуна, стали, проката, ферросплавов и изделий дальнейшего передела.

Цель работы: изучить и  проанализировать мартеновский способ производства стали.

Задачи:

- рассмотреть характеристику отрасли в социально-экономической системе народного хозяйства;

- изучить технологический процесс мартеновского способа производства стали;

- разработать направления совершенствования отрасли черной металлургии.

1. Характеристика отрасли в социально-экономической системе народного хозяйства

Металлургический  комплекс в настоящий момент продолжает оставаться одной из базовых системообразующих  отраслей российской экономики. Являясь  одним из крупнейших потребителей продукции  и услуг естественных монополий, металлургический комплекс потребляет 35% перевозимых в стране железнодорожным транспортом грузов, 30% производимой электроэнергии, 25% добываемого природного газа, 10% добываемой нефти и нефтепродуктов. [5. с. 20]

Металлургическая  промышленность начинается с горнорудных предприятий, это и ферросплавная и коксовые предприятия, которые имеются в структурах вертикально-интегрированных компаний. Действительно эта отрасль является высококонцентрированной, включающей в себя много различных производств.

Основным видом  продукции черной металлургии является готовый прокат, включающий сортовой и листовой прокат. Спрос на металлопродукцию на внутреннем рынке России предопределяется двумя основными группами факторов: во-первых, — макроэкономическими  показателями развития экономики в целом, включая объемы промышленного производства и инвестиций в основной капитал, а также индексы роста цен; во-вторых — динамикой производства основных металлоемких отраслей.

Перспективы роста  внутреннего потребления черных металлов связаны, в основном, с расширением номенклатуры и созданием новых видов продукции в результате проведения металлургическими предприятиями мероприятий по повышению технического и технологического уровня производства, а также с динамичным развитием отраслей машиностроения, создания ими новых, современных, прогрессивных видов продукции. 
Черную металлургию России отличает высокая степень концентрации производства: около 90% продукции производится шестью крупными компаниями. [3. с. 72]

Глобализация  компаний, образование транснациональных промышленных гигантов с полным производственным циклом — важнейшая тенденция развития мировой экономики в последние годы. Эта тенденция характерна и для металлургии России.

Процесс полной консолидации отрасли сейчас уже  практически завершен. В черной металлургии России появилась шестерка национальных игроков, сопоставимых по размерам и вполне жизнеспособных. В 2011-2012 годы они активно скупали сырьевые активы — угольные и рудные, а также выстраивали собственную логистику. Приобретение металлургами портов — это в то же время и вопрос развития смежных направлений, и снижение определенных издержек для себя, тарифы перевозок руды и пр. Это также говорит о стабильности развития компании и создает условия и для экспорта своей продукции. Но в то же время это и бизнес, где можно получить прибыль. [5. с. 20]

Металлургический  комплекс, являясь базовой отраслью, вносит существенный вклад в экономику  России. Успехи в развитии комплекса  обусловлены, с одной стороны, общей  политической стабильностью, проведенными структурными и институциональными реформами, с другой – исключительно благоприятной внешнеэкономической конъюнктурой. Высокие цены на металлопродукцию и возможности наращивания ее экспорта обусловили в последние годы значительный вклад металлургии в прирост ВВП и других макроэкономических показателей.

В составе металлургического  комплекса (металлургической промышленности, металлургии) – предприятия по добыче и обогащению руд черных и цветных  металлов, нерудных материалов, по производству чугуна, стали, проката, труб стальных, метизов, ферросплавов, огнеупоров, кокса, алюминия, меди, никеля, кобальта, свинца, цинка, олова, сурьмы, ртути, вольфрама, молибдена, ниобия, тантала, редкоземельных металлов, обработке цветных металлов (алюминия, титана, магния, тяжелых цветных металлов), по производству твердосплавной, углеродной, полупроводниковой продукции, по переработке ломов и отходов, производству ряда видов химической продукции, большой комплекс предприятий вспомогательного назначения, а также научно-исследовательские и проектные организации. [3. с. 46]

Доля металлургии  в ВВП страны составляет около 5%, промышленном производстве - 17,3%, экспорте – 14,2%. Доля металлургии в налоговых  платежах во все уровни бюджетов составляет 9%. Как потребитель продукции и услуг субъектов естественных монополий металлургия использует от общепромышленного уровня 32% электроэнергии, 25% природного газа, 10% нефти и нефтепродуктов, ее доля в грузовых железнодорожных перевозках – 20%. Металлургическая промышленность является одной из отраслей специализации России в современном международном разделении труда. На сегодняшний день по производству стали Россия занимает 4-е место в мире (уступая Китаю, Японии и США), а по экспорту металлопродукции – 3 место в мире (экспорт стального проката в 2012 году составил около 28,3 млн. т; из Китая - 52,1 млн. т, из Японии – 35,6 млн. т). По производству и экспорту алюминия Россия занимает 2-е место в мире, уступая только США; по производству никеля – первое место в мире, по производству титана – второе место. [5. с. 23]

2. Технологический процесс мартеновского способа производства стали

Акционерное общество «ЧМК» - Челябинский металлургический комбинат является одним из крупнейших предприятий металлургической отрасли в Российской Федерации. Предприятие занимает в России шестое место по объемам производства, и одно из первых по производству специальных сталей и сплавов.

Рассмотрим  мартеновский процесс «ЧМК».

Мартеновский  процесс в «ЧМК» – получение жидкой стали путем окислительной плавки шихты из стального лома, чугуна, железной руды и флюсов в пламенной отражательной печи с регенеративным подогревом воздуха. Процесс был вызван к жизни потребностью общества в переплавке стальных отходов, накапливавшихся в металлургической и машиностроительной промышленности в эпоху промышленной революции.

Идеи организации  передела железного лома и чугуна в сталь на поду пламенной печи высказывались неоднократно. Наибольший вклад в создание мартеновского  производства принадлежит Ф. Сименсу (Германия), предложившему в 1856 году использовать принцип регенерации тепла отходящих газов для повышения температуры в рабочем пространстве плавильных печей, и Пьеру Мартену (Франция), которому в 1864 удалось построить и ввести в эксплуатацию первую регенеративную отражательную печь для плавки литой стали. В России первая мартеновская печь ёмкостью 2,5 т была пущена металлургами А.А. Износковым и Н.Н. Кузнецовым на Сормовском заводе в 1870 году.

В мартеновскую печь в «ЧМК» загружают шихту (чугун, скрап, металлический лом и др.), которая под действием тепла от факела сжигаемого топлива постепенно плавится. После расплавления в ванну вводят различные добавки для получения металла заданного состава и температуры; затем готовый металл выпускают в ковши и разливают. Благодаря преимуществам, которыми мартеновский процесс отличался от других способов массового получения стали (большая гибкость и возможность применять его при любых масштабах производства; менее строгие требования к исходным материалам; относительная простота контроля и управления ходом плавки; высокое качество и широкий ассортимент выплавляемой стали; сравнительно небольшая стоимость передела), в конце 19 века и 1-й половины 20 века он был основным сталеплавильным процессом (в 1940–55 этим способом изготовлялось около 80% производимой в мире стали).

Особенностью  основного мартеновского процесса в «ЧМК» является то что он позволяет получать сталь с низким содержанием вредных примесей (фосфора, серы) из рядовых шихтовых материалов.

Плавку начинают с загрузки твердой составляющей шихты (железная руда, известняк, лом) с помощью завалочной машины. После загрузки твердой части шихты и прогрева ее, заливают жидкий чугун, который взаимодействует с железной рудой и скрапом. С этого момента начинается период плавления шихты, в результате которого за счет оксидов руды и скрапа интенсивно окисляются примеси чугуна (кремний, фосфор, марганец и частично углерод).

Кремний окисляется и переходит в шлак почти полностью в период плавления под действием окислительной атмосферы, а также кислорода вводимого с железной рудой. Фосфор окисляется одновременно с кремнием и марганцем, когда температура металла еще не высока. Оксиды кремния (SiO₂), фосфора (P₂O₅), марганца (MnO), кальция (CaO) образуют железисто-углеродистый шлак, способствующий удалению фосфора. При переработке обычного чугуна для понижения содержания фосфора в металле проводят однократное скачивание шлака. Если же перерабатывают фосфористый чугун, то скачивание проводят многократно.

После расплавления шихты, окисления значительной части примесей и разогрева металла начинается период кипения ванны. В печь загружают железную руду или продувают ванну кислородом. Углерод в металле интенсивно окисляется, образуя оксид углерода (CO), выделяющегося в виде газовых пузырей, и вызывая кипение мартеновской ванны. Этот процесс играет очень важную роль, так как выравнивание состава и температуры металла в мартеновской печи осуществляется за счет кипения ванны. При кипении происходит удаление газов из металла, всплывание и поглощение шлаком неметаллических включений, увеличивается поверхность раздела между шлаком и металлом, что способствует ускорению процессов удаления вредных примесей (фосфора, серы).

Ввиду высокой  окисленности шлака, удаление серы из металла менее эффективно, чем  фосфора. Для удаления серы наводят  новый шлак, загружая известь с  добавлением боксита или плавикового  шпата для уменьшения вязкости шлака. Содержание CaO в шлаке возрастает, а FeO уменьшается, создаются условия для удаления из металла серы. Для получения стали с низким содержанием серы, проводят обработку металла внепечными методами в ковше.

В период кипения  ванны интенсивно окисляется углерод. Поэтому при составлении шихты для плавки необходимо предусмотреть, чтобы в ванне к моменту расплавления содержание углерода было на 0,5 – 0,6% выше, чем требуется в готовой стали. Процесс кипения считают закончившимся, когда содержание углерода в металле соответствует заданному, а содержание фосфора минимально. После этого сталь раскисляют и после отбора контрольных проб выпускают в сталеразливочный ковш через отверстие в задней стенке печи.

Для развития мартеновского  процесса в «ЧМК» характерны 3 периода: в первом (до начала 20 века) плавку вели в печах небольшой ёмкости (до 70 т), которые отапливались генераторным газом, тяга была естественной (дымовая труба); второй период (1-я половина 20 века) характеризуется переходом на коксодоменный газ, принудительной подачей воздуха (вентиляторы), автоматизацией теплового режима печи, установкой котлов-утилизаторов, строительством печей ёмкостью 185–250 т, затем 370–500 т; для начавшегося в 50-х годах 20 века третьего периода характерны интенсификация процесса кислородом, переход на топливо с высокой теплотой сгорания, строительство новых цехов.

Схема мартеновской печи «ЧМК» представлена на рис. 1. Мартеновская печь состоит из верхнего и нижнего строений: границей раздела служит рабочая площадка цеха. В верхней части располагаются рабочее (плавильное) пространство печи, головки и часть вертикальных каналов. Рабочее пространство образовано снизу подиной, сверху сводом, с боков передней и задней стенками. В передней стенке размещены завалочные окна (3,5 или 7 окон в зависимости от вместимости печи), через которые загружают шихтовые металлические и неметаллические материалы. Нижнее строение печи расположено под рабочей площадкой цеха и состоит из шлаковиков, регенеративных камер и боровов с перекидными клапанами.

Рисунок 1. Схема устройства и работа мартеновской печи «ЧМК» ёмкостью 500 т

Газ и  воздух по каналам 1 и 2 подводят к газовому клапану 10, а затем смесь по каналу 5 поступает в регенератор 6. Вентилятором 3 по каналу 4 воздух подводится к воздушному клапану 9, от которого по каналу 8 поступает в регенератор 7. Насадка регенераторов с температурой 1500–1550 ºС отдаёт тепло проходящим через них газу и воздуху. Нагреваясь в регенераторах до 1200 ºС, газ и воздух по вертикальным каналам поступают в головки печи для образования газовоздушной смеси, которая и сгорает в рабочем пространстве. Продукты горения из рабочего пространства печи через правые головки направляются в регенераторы 16 и по каналам 15 и 11 поступают в дымовую трубу 12.

Когда огнеупорная насадка в регенераторах 6 и 7 начнёт остывать, направление движения газа и воздуха изменится. Клапаны 9 и 10 закрываются, а левые клапаны 14 и 13 открываются. При этом насадка регенераторов 16 будет нагрета до 1200–1300 ºС теплом отходящих продуктов горения. После перекидки клапанов продукты горения пойдут через насадку регенераторов 6 и 7.

Воздух  для сжигания топлива подают вентилятором через борова. Топливо в горелке  распыляют сжатым компрессорным  воздухом под давлением 0,5–0,6 МПа. В корень факела часто подают под давлением 0,5–1,0 МПа газообразный кислород для интенсификации окислительных процессов.

Шихтовые  материалы (скрап, чугун, флюсы) загружают  в печь через завалочные окна 17. Разогрев шихты, сплавление и нагрев металла и шлака происходит при контакте плавящихся материалов с факелом горящих газов.

Эффективность работы мартеновских печей определяют, сравнивая их производительности и  себестоимости выплавляемой стали.

В мартеновских печах в «ЧМК» можно переплавлять в сталь чугун и скрап любого состава и в любой пропорции.

В настоящее  время в «ЧМК» используют две технологии выплавки стали в мартеновских печах. Их отличие заключается в типе используемого чугуна – жидкого или твердого:

1) скрап-процесс – при котором шихта состоит из стального лома и твердого чушкового чугуна (доля чугуна составляет 25 – 45%). По этой технологии сталь выплавляют на заводах неполного металлургического цикла при отсутствии доменного производства. Вместимость мартеновских печей, выплавляющих сталь скрап-процессом, составляет 50–250 т.

2) скрап-кислородный процесс – при котором шихта состоит из скрапа и жидкого чугуна (доля чугуна составляет 55 – 75%). По этой технологии сталь выплавляют на металлургических заводах полного цикла, на которых имеется собственное доменное производство. Вместимость мартеновских печей, работающим скрап-кислородным процессом, равна 200–600 т. Когда металлическая шихта на 100% состоит из жидкого чугуна (скрапа нет), а в печь в твердом виде заливают только железную руду, процесс называют рудным. В зависимости от состава шлака и материала пода мартеновский процесс может быть «основным» (в составе огнеупоров подины преобладают основные окислы – CaO, MgO) и «кислым» (подина состоит из SiO₂).

Рассмотрим технологию выплавки стали в «ЧМК».

В мартеновской плавке различаются обычно следующие периоды: заправка печи, завалка и прогрев шихты, заливка жидкого или завалка твёрдого чугуна, плавление, доводка, раскисление и легирование, выпуск. Загрузку, прогрев и плавление шихты ведут при максимальной тепловой нагрузке печи.

Заправка печи. Это операции по осмотру и ремонту подины и откосов рабочего пространства печи. Продолжительность заправки 10–30 мин.

Завалка шихты. Завалка шихты осуществляется завалочной машиной. Все твёрдые шихтовые материалы подаются к печи в специальных коробах – мульдах (ёмкостью до 3,3 м³). Продолжительность завалки в зависимости от ёмкости печи колеблется от 1 до 3 часов. Порядок загрузки зависит от типа технологии. При скрап-процессе на подину загружают мелкий стальной лом, затем отдельными участками известняк и боксит, затем средний и крупный лом, сверху чушковый чугун. При скрап-кислородном процессе на подину загружают слой железной руды, затем известняк и стальной скрап.

Прогрев шихты. При скрап-кислородном процессе эту операцию ведут как подготовительный этап перед заливкой чугуна. Длительность периода 20–30 мин.

Заливку чугуна в печь ведут на хорошо прогретый  скрап из чугуновозных ковшей по желобам, установленным в крайние окна печи. Длительность периода 15–30 мин.

Период плавления начинается сразу после окончания заливки чугуна и продолжается 1–5 ч. В печь в этот период подаётся максимальное количество топлива, ванна продувается кислородом. В процессе заливки чугуна и в первый момент плавления происходит интенсивное образование шлака. Толстый слой образовавшегося шлака затрудняет передачу тепла от факела к металлу. В связи с этим в первой половине плавления удаляют из печи (путём спуска в шлаковые чаши) некоторое количество шлака.

Доводка (кипение). Задача данной операции заключается в достижении к концу периода необходимой концентрации углерода и температуры, а также концентраций в металле фосфора и серы. В связи с этим период кипения – наиболее ответственный период мартеновской плавки. Главной реакцией этого периода является реакция окисления растворённого в жидком металле углерода.

Раскисление и легирование – завершающий период плавки, основное назначение которого состоит в снижении содержания кислорода в металле и доведении состава металла до заданного по содержанию всех элементов, включая легирующие. Раскисляющие и легирующие добавки в зависимости от выплавляемой марки стали вводят или в печь, или в сталеплавильный ковш во время выпуска металла.

Выпуск. При достижении требуемого состава и температуры проводят выпуск стали из печи в сталеразливочный ковш. В мартеновской печи выпускное отверстие (лётка) расположено в нижней части задней стенки по центру печи.

3. Направления совершенствования  отрасли черной металлургии

Акценты инновационной политики совершенствования отрасли черной металлургии должны постепенно переходить от задач закрепления предприятий на мировом рынке металлопродукции  к задачам мобилизации потенциала развития и в дальнейшем к обеспечению условий для повышения технического уровня отечественной металлообрабатывающей промышленности. Тем самым, процесс ресурсосбережения в самой металлургии будет постепенно распространяться на металлообрабатывающие отрасли. Экономия тонны металла в потреблении примерно на порядок эффективнее экономии при производстве.

В долгосрочной перспективе предполагается, что развитие черной металлургии будет характеризоваться:

- вовлечением в освоение месторождений, прежде всего Сибири и Дальнего Востока;

- ускорением темпов технического перевооружения производств;

- увеличением к 2020 году доли кислородно-конвертерной стали до 38% и электростали – до 62% в общем объеме производства, а также выводом производства стали мартеновским способом;

- совершенствованием сортаментной структуры производства и увеличением доли продукции с высокой добавленной стоимостью;

- повышением качества и конкурентоспособности металлопродукции;

- импортозамещением;

- расширением внутреннего спроса на металлопродукцию;

- повышением уровня участия государства в формировании спроса (госзаказы, стимулирование развития важнейших металлопотребляющих отраслей: промышленная сборка автомобилей, трубопроводный транспорт, судо- и авиастроение, реализация инвестиционных программ отраслей – естественных монополий).

Таблица 1

Факторы, определяющие развитие производства черных металлов

В инерционном  варианте предполагается умеренная  динамика развития отраслей – основных потребителей металлургической продукции  и сохранение экспортных поставок. При этом основной экспортной составляющей будет оставаться продукция с  низкой добавленной стоимостью (чугун и полуфабрикаты из железа), предполагается прирост полуфабрикатов в 2020 году на 14,3% по отношению к 2012 году. Сохранение экспорта на уровне 2011 года может быть связано с развитием собственного производства в странах-импортерах российских металлов и изменением позиций игроков мирового рынка.

До 2020 года предполагается ввести в эксплуатацию значительные мощности по производству сортового  и листового проката, большинство  новых производств будет введено в период с 2013 по 2015 год. Трубные компании для обеспечения своих заводов сырьем предусматривают ввести в эксплуатацию комплексы по производству листа и заготовки. Так, за счет ввода в эксплуатацию стана 5000 на ОАО «ЧМК» и модернизации действующих станов будут отсутствовать экономические предпосылки для закупок штрипса для производства труб большого диаметра.

Таблица 2

Факторы, определяющие развитие производства цветных металлов

В производстве тяжелых цветных металлов предполагается расширение внедрения автогенных процессов с использованием нового плавильного оборудования (прежде всего, барботажного типа) при переработке сульфидного сырья. Доля меди, произведенной с использованием автогенных процессов, в 2013 г. составит 80-85%, никеля – 65-70%, в 2015 г. – соответственно 85-90% и 70-75%.

В целом по цветной  металлургии расширятся масштабы использования  более экологически чистых гидрометаллургических  процессов, обеспечивающих, помимо снижения выбросов вредных веществ, вовлечение в производство низкокачественных промпродуктов и повышение комплексности использования сырья.

Основные направления  развития и совершенствования металлургии  условно можно разделить по приоритетам  повышения эффективности технологической  модернизации.

1. Наращивание эффективности производства на основе увеличения мощности отдельных агрегатов, повышение качества металлопродукции и оптимизации производительности агрегатов на основе встраивания дополнительных подсистем в действующее производство (микролегирование, вакуумирование, прецизионное литье, непрерывная разливка стали, контролируемая прокатка). Система взаимосвязи производства и потребления металла выделяется в сектор сервисной металлургии, оснащенный специальными технологиями (раскрой, резка, отделка).

Технологическая модернизация должна быть ориентирована на реструктуризацию производства, на мобилизацию ресурсов повышения эффективности металлургии. Металлургические агрегаты специализируются по видам продукции и на использование определенных видов сырья. Это позволит вывести из эксплуатации значительные мощности без потери выпуска металлопродукции (в США и ФРГ на этой основе было ликвидировано 30 процентов мощностей по выплавке стали, в Японии – 20 процентов, в цветной металлургии Японии, ЕС прошли значительные замещения производства первичных металлов на вторичные).

2. Постепенный  переход к общемировым процессам,  усиливает специализацию производств  в металлургии, повышая разнообразие  направлений технологической модернизации. В металлургическом комплексе  могут быть сформированы достаточно обособленные сектора, выполняющие специфические функции и имеющие собственные задачи в сфере технологической модернизации. Принципы разделения секторов многообразны, что в большей степени отражают «институциональный» характер процессов, а не только технологических аспектов.

На выполнение экологических функций ориентированы  технологии утилизации вторичной металлургии, функции формообразования и обработки  металла определяют развитие порошковой металлургии, производства изделий  дальнейшего передела, в создании базовых материалов активную роль играют «виртуальная» металлургия, организация выпуска биметаллов и композитов, на модернизацию базовых процессов и работу с традиционными потребителями ориентирована инжиниринговая металлургия.

Ключевое значение для экономики в 2015-2025 годах имеют следующие направления технологического развития:

- формирование технологических кластеров, реализующих производственный потенциал металлургии. Предполагается повышение технологической однородности производств, занятых в производстве и потреблении металлопродукции, включая соответствующую информационную среду, сопряженное качество продукции.

- организация утилизации и переработки вторичного сырья на базе электросталеплавильных технологий в рамках развития мини заводов. В условиях ограниченных возможностей для добычи руды в России, развитие вторичной металлургии практически не имеет конструктивных альтернатив. Только в данном направлении развития металлургического производства у России имеются реальные резервы. В настоящее время приняты к реализации или находятся в стадии рассмотрения проекты по производству стали на основе вторичных ресурсов общей мощностью около 15 млн.тонн (20 процентов выплавки стали в России).