Конструкции и проектирование сталеплавильных агрегатов в России

Федеральное агентство по образованию

ФГА ОУ ВПО «Уральский федеральный университет

имени первого  Президента России Б.Н. Ельцина» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

РЕФЕРАТ

на  тему: «Конструкции и проектирование сталеплавильных  агрегатов в России» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Руководитель ___________________________________________Журавлев А.А. 
 

Студент группы МТИ – 56013 _____________________________Прохорова  Е.В. 
 
 
 
 
 
 
 

Екатеринбург 2011 

СОДЕРЖАНИЕ 

1. Ведение ……………………………………………………………….. 3

2. История развития …………………………………………………….. 4

3. Реконструкция сталеплавильного производства в России ………... 6

1. ОАО «Нижнетагильский металлургический комбинат» ………. 7

2. ОАО «Чусовской металлургический завод» ……………………. 8

3. ЗАО «Омутнинский металлургический завод» …………………. 9

4. Реконструкция ОАО «Металлургический завод им. А.К.Серова» …11

1. Исходное положение ……………………………………………… 11

2. Агрегат внепечной  обработки стали «Печь-ковш» …………….. 12

3. Электропечь ДСП – 80 …………………………………………… 13

4. Станция вакуумирования ………………………………………… 16

5. Заключение …………………………………………………………… 18

6. Список используемой литературы ………………………………….. 19

ВВЕДЕНИЕ 

   Сокращение  доли мартеновского производства стало  приводить к появлению избытка  металлического лома, т.к. возможности  его переплавки в кислородно-конвертерных процессах ограничены – в оптимальном режиме не более 20 – 25 % от общей массы металлошихты.

   Для переплавки избыточного количества лома в промышленно развитых странах  строятся электросталеплавильные цехи с печами емкостью от 50 до 150 т. В новых  условиях технология электроплавки претерпевала, по сравнению с традиционной, существенное изменение. Чтобы сделать электропечной процесс более конкурентоспособным, поставлена задача выплавлять низкоуглеродистый металл-продукт, а его раскисление, легирование и доводку до стали заданного состава осуществлять вне печи в АКП, как в конвертерных цехах. Производительность электоропечей приближена к кислородно-конвертерному процессу.

   В электропечах в основном переплавляют металлический лом. А в кислородных  конвертерах – жидкий чугун с  загрузкой в конвертер до 20 – 25 % металлического лома от общей массы металлошихты.

   По  мере закрытия мартеновских цехов их марочный сортамент передается строящимся электросталеплавильным цехам, и доля электропечной стали на региональном и мировом рынках постепенно увеличивалась. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ 

   История развития сталеплавильного производства, особенно в последние столетия,  наглядно отражает динамизм и конкурентные основы развития технологических процессов  получения стали.

   В течение многих столетий железо получали сыродутными процессами: сначала, еще со времен Древнего Египта, прямым способом из железной руды, а позднее, уже в нашу эру, из чугуна. Были разработаны и освоены кричный, а затем, начиная с 12 – 13 вв., пудлинговый способы получения железа в тестообразном состоянии. При кричном процессе рафинирование чугуна с получением крицы осуществляли в кричном горне. В разогретый горн на раскаленный древесный уголь загружали чугун и высокожелезистые шлаки. Постепенно плавясь и стекая вниз, чугун подвергался окислительному воздействию дутья и высокожелезистого шлака. При этом происходило окисление примесей чугуна (кремния, марганца, углерода). При пудлинговании передел чугуна осуществляли в отражательных печах, отапливаемых дровами или углем. Удаление примесей из чугуна происходило под воздействием окислительной атмосферы и высокожелезистого пода печи. Вследствие невысоких температур мягкое железо получалось в тестообразном состоянии.

   Пудлингование сохранялось в ряде стран (Англии, России, США, Швеции и др.) вплоть до первых десятилетий прошлого века. Во времена раннего средневековья в Азии (в Сирии) возник и затем получил распространение во всем мире тигельный способ производства стальных слитков. В России тигельную сталь получали в 19 веке на Златоустовском, Обуховском, Путиловском и других заводах. Несмотря на все усовершенствования, пудлинговый и тигельный процессы были дорогостоящими и малопроизводительными, требовали высокого искусства металлургов и не могли обеспечить получение стали в массовых масштабах.

   Во  второй половине 19 века под влиянием растущей потребности промышленности в стальных изделиях (рельсах, балках, стойках и т.д.) в металлургии  стали произошли революционные  изменения. В 1855 – 1856 гг. английский механик  Генри Бессемер изобрел относительно дешевый высокопроизводительный способ получения жидкой стали путем продувки расплавленного чугуна воздухом снизу в специальном агрегате – конвертере с кислой (на основе диоксида кремния) огнеупорной футеровкой. Способ получил название бессемеровского или конвертерного.

   К конвертеру не требовалось подводить  тепло извне – оно выделялось в результате экзотермических реакций  окисления кислородом воздуха присутствующих в чугуне железа и элементов-примесей: углерода, марганца, кремния и др. Для заливки чугуна конвертер наклоняли почти до горизонтального положения, чтобы продувочные фурмы, расположенные в днище агрегата, были выше уровня жидкой ванны. После увеличения давления воздуха конвертер поднимали в вертикальное положение. При этом фурмы окзывались ниже уровня жидкой ванны, и начиналась ее окислительная продувка. Уже через 15-20 минут после начала продувки из металла выгорало основное количество C, Mn, и Si, а температура жидкой стали повышалась до 1550 – 1600 ^оС. После окончания плавки конвертер опускали, и сталь выливали в сталеразливочный ковш.

   Для получения конвертерной стали приходилось  использовать чугуны с низким содержанием  S и P, поскольку эти вредные элементы при бессемеровском процессе из металла не удалялись. В 1878 – 1879 гг. англичанин Сидней Томас предложил вариант конвертерной плавки с основной – доломитовой – футеровкой, что сделало возможным выплавку стали из фосфористых чугунов, содержащих до 2 % P. Новый процесс стали называть томасовским.

   Новый этап развития мировой металлургии  стали начался в середине 20 в. Во многих странах начал широко распространяться изобретенный еще до Второй мировой войны новый вариант конвертерного процесса – кислородно-конвертерный.

   По  мере развития в 1950-е гг. кислородно-конвертерного  производства  становились все более очевидными его преимущества и по отношению к доминировавшему в то время мартеновскому процессу.

   В 1960-е гг. в мире появились и  начали активно внедряться в промышленность процессы непрерывной разливки стали с получением непрерывнолитых заготовок.

   В 1970 – 1980-е гг. в кислородно-конвертерных цехах получают широкое развитие новые технологии внепечной обработки, при которых в конвертерах  выплавляют низкоуглеродистый полупродукт, а все операции по доводке его до стали заданного состава проводят в ковшах на агрегатах ковш-печь (АКП). В результате удалось существенно стабилизировать технологические процессы и улучшить качество конвертерной стали. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   РЕКОНСТРУКЦИЯ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА В РОССИИ 

   В совершенно другой ситуации оказались в начале 1990-х гг. металлургические заводы России. Многие десятилетия промышленность СССР развивалась в изоляции от внешнего – капиталистического – мира, и развитие металлургии шло не по законам рынка, а в рамках государственной «планово-административной экономики», при которой конкуренция в отношениях между заводами была практически устранена. Основная часть прибыли у предприятий изымалась в государственный и местный бюджеты. Ни у руководства, ни у рядовых сотрудников металлургических заводов не было материальной заинтересованности во внедрении современных достижений и новых технологий, уменьшающих себестоимость металлопродукции ниже плановой, т. к. через короткое время плановые показатели ужесточались, и зарплата производственников оставалась на прежнем уровне.

   Поэтому прогрессивные технологические  новшества внедрялись на многих металлургических завода со значительным опозданием. В  России вплоть до 1990 – 1993 гг. более половины от общего объема производства стали по прежнему выплавлялось устаревшим мартеновским способом, а доля разливки стали на МНЛЗ не превышала 25 – 30 %.

   Этапами реконструкции стали:

• Замена мартеновских печей на более производительные современные плавильные агрегаты: дуговые сталеплавильные печи или кислородные конвертеры;
• Организация внепечной обработки стали на агрегатах ковш-печь (АКП);
• Вакуумирование жидкого металла перед разливкой (для стали ответственного назначения);
• Разливка стали на машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ).

   По  данным специалистов фирмы «Фукс», замена мартеновского производства на электросталеплавильное позволило многократно уменьшить удельные выбросы в атмосферу вредных веществ, кг/т. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   ОАО «НИЖНЕТАГИЛЬСКИЙ МЕТАЛЛУРГИЧЕСККИЙ  КОМБИНАТ» 

   Уралгипромез  являлся генеральным проектировщиком  строительства кислородно-конвертерного цеха (ККЦ-1) НТМК, при этом проектно-сметная и рабочая документация выполнялась на основе типового проекта Гипромеза, разработанного для передела обычного чугуна.

   В основу технологии передела ванадиевого  чугуна от доменной плавки качканарских титаномагнетитов были заложены результаты исследований и разработок УИМ. Из-за специфики передела ванадиевых чугунов и по другим причинам проектировщикам при выполнении рабочего плана пришлось вносить в типовой проект ККЦ целый ряд изменений конструктивного и технологического характера.

   Часть недостатков выполненного проекта  выявилась после ввода цеха в  эксплуатацию. Так, в соответствии с  типовым проектом, пульты управления размещались рядом с конвертерами со стороны неприводной цапфы  на рабочей площадке, что не отвечало требованиям промышленной безопасности и создавало неудобство в обслуживании агрегата. Первый конвертер для очистки дымовых газов оснастили электрофильтром, который оказался неработоспособным, поэтому цех был в дальнейшем полностью переведен на «мокрую» газоочистку с трубами Вентури. Пропускная способность газоотводящего тракта оказалась заниженной.

   Все недочеты после их выявления устранялись  совместно проектировщиками и производственниками  уже в процессе эксплуатации цеха, а в типовой проект вносились корректировки.

Своевременное окончание строительства и успешный ввод в строй ККЦ НТМК имели  первостепенное значение как для  укрепления промышленного потенциала Свердловской области, так для развития, в целом, металлургии нашей страны. Необходимо также отметить, что освоенная в ККЦ новая, революционная по тем временам, технология передела ванадиевого чугуна дуплекс-процессом в кислородным конвертерах убедительно показала за прошедшие десятилетия технологическую промышленность, экономическую рентабельность и экологическую безопасность и считается сейчас классической. В дальнейшем по рабочим проектом Уралгипромеза на НТМК также построены пять МНЛЗ, три АКП и вакууматор, введение которых в производственный цикл комбината позволило улучшить качество стали и значительно увеличить выход годного металлопроката.

   Сначала в мартеновском цехе №2 построили  и запустили в 1968 г. опытно-промышленную криволинейную МНЛЗ конструкции  УЗТМ для отливки заготовки размером 250 х 1500 мм. Эта машина послужила прообразом для разработки последующих слябовых МНЛЗ в нашей стране и за рубежом, и была выведена из эксплуатации в 1993 г. – в связи с закрытием мартеновского цеха №2.

В 1993 – 2004 гг. в конвертерном цехе НТМК по рабочим  проектам было выполнено (в отдельном здании) отделение непрерывной разливки стали (ОНРС), в котором построены:

• Радиальная МНЛЗ № 1 (оборудование ФАИ, Австрия и УЗТМ) мощностью по годной стали 700 тыс. т/год для отливки заготовок диаметром 430 мм для колесобандажного стана и сечением 300х360 мм для рельсобалочного стана (пуск в эксплуатацию 1995 г.);
• Одновременно с МНЛЗ №1 были построены АКП №1 и циркуляционный вакууматор (оборудование ФАИ);
• Комбинированная МНЛЗ №2 (оборудование УЗТМ) мощностью 1100 тыс. т/год для отливки слябов сечением 240х1500 мм и прямоугольных заготовок 240х500 мм (1996);
• МНЛЗ №3 (оборудование ФАИ) мощностью 900 тыс. т/год для отливки фасонных (подбалочных) заготовок для универсально-балочного стана, а также АКП-2;
• Слябовая МНЛЗ №4 мощностью 1500 тыс. т/год для отливки заготовок сечением 300х2700 мм (оборудование ФАИ) (2004), а также АКП-3.

   В сентябре 2003 г. в конвертерном отделении  ККЦ НТМК смонтирована и пущена в  эксплуатацию установка десульфурации  углеродистого полупродукта. Базисный инжиниринг и поставку технологического оборудования осуществляли фирмы «ФАИ», Австрия и «Полисиус», Германия. Углеродистый полупродукт подвергают десульфурации в случае необходимости производства сталей со сверхнизким содержанием серы – до 0,001 – 0, 002 %.

   Таким образом, можно уверенно говорить о том, что Уралгипромез внес достойный вклад в развитие производства и реконструкцию сталеплавильного комплекса на комбинате и причастен к научно-техническим и производственным достижениям НТМК последних лет. 

ОАО «ЧУСОВСКОЙ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ЗАВОД» 

   В ОАО «Чусовской металлургический завод» (ЧМЗ) в течение более 60 лет осуществляли переработку ванадиевого чугуна дуплекс-процессом: бессемеровский конвертер  – мартеновская печь. Дуплекс-цех  ЧМЗ был построен в 1940-е гг., и  принятая для него технология считалась тогда передовой. Бессемеровские конвертеры и мартеновские печи – это устаревшие к настоящему времени технологические агрегаты, не обеспечивающие при переделе ванадиевого чугуна нормативных содержаний вредных веществ в атмосферном воздухе под факелом завода.

   В 2003 г. руководство ЗАО «Объединенная  металлургическая компания» (ОМК), в  состав которой входит ЧЗМ, приняло  решение о подготовке к коренной реконструкции сталеплавильного производства ЧМЗ. Во исполнение этого решения  Уралгипромез разработал в 2003 – 2004 гг. Комплексное технологическое задание (КЛТЗ) и Обоснование инвестиций (ОИ) на реконструкцию сталеплавильного производства ЧМЗ. Были рассмотрены возможные варианты реконструкции, предусматривающие строительство на заводе для передела ванадиевого чугуна современного кислородно-конвертерного цеха. Предполагалось, что новый цех будет включать:

• Конвертерное отделение в составе двух, а в перспективе трех, 70-тонных конвертеров с верхней подачей кислорода;
• ОНРС в составе АКП, вакууматора и сортовой МНЛЗ. В технологическом плане переход на деванадацию чугуна кислородом дает возможность существенно улучшить качество ванадиевого шлака. Примерно в два раза (с 25 – 30 до 9 – 15 %) снижается среднее содержание в ванадиевом шлаке металловключений, поэтому несколько возрастает выход годного полупродукта (не менее, чем на 0,5 %) и уменьшаются затраты на дробление и магнитную сепарацию ванадиевого шлака и на утилизацию металловключений.

   Переход на кислородную продувку ванадиевого  чугуна позволяет оптимизировать микроструктуру конвертерного ванадиевого шлака и увеличить не менее чем в 2 – 3 раза крупность шпинелидных кристаллов, что повышает вскрываемость и технологическое извлечение ванадия при химической переработке шлака. В результате улучшается качество и уменьшается себестоимость феррованадия, что поднимает конкурентоспособность продукции ЧМЗ на мировом ванадиевом рынке.

   Использование кислородных конвертеров значительно  улучшит тепловой баланс конвертерной плавки и даст возможность решить проблему оптимизации технологии доменной плавки качканарских титаномагнетитов с получением на ЧМЗ ванадиевого чугуна с оптимально низким содержанием кремния – вплоть до 0,10 – 0,15 % по сравнению с 0,25 – 0,30 % в настоящее время. В итоге снизится удельный расход кокса на выплавку чугуна и возрастает производительность доменных печей.

   Строительство ККЦ предполагалось осуществлять в  два этапа. На первом этапе реконструкции  строят конвертерное отделение ККЦ  в составе одного 70-тонного кислородного конвертера (на сталь), ОНРС в составе АКП, вакууматора и МНЛЗ. Мартеновские печи и разливку стали в изложницы ликвидируют, всю конвертерную сталь разливают на МНЛЗ.

Переход на непрерывнолитые заготовки даст возможность заметно улучшить технико-экономические показатели работы прокатных станов ЧМЗ и, в частности, повысить, не менее чем на 10 %, выход годного металлопроката. 

ЗАО «ОМУТНИНСКИЙ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ЗАВОД» 

   В 2004 г. Уралгипромез разработал основные технические решения по реконструкции сталеплавильного производства ЗАО «Омутнинский металлургический завод» (ОМЗ) с поэтапной установкой в мартеновском цехе сначала АКП и двухручьевой МНЛЗ, а затем – ДСГТ-50 (взамен двух мартеновских печей) и вакууматора, а также увеличением количества ручьев на МНЛЗ до трех. В 2004 – 2005 гг. Уралгипромез выполнил рабочий проект (утверждаемую часть и рабочую документацию) на первый этап реконструкции сталеплавильного производства.

   Разработанные объемно-планировочные решения предусматривали  максимальное использование существующих пролетов мартеновского цеха при возможно минимальных объемах нового строительства и позволили осуществить строительство и монтажные работы по организации нового производства в условиях действующего цеха.

   В конце 2006 г. сначала АКП-65, а затем  и сортовая МНЛЗ, успешно введены  в эксплуатацию. В 2007 г. прошел период освоения новых агрегатов, а к середине 2008 г. достигнут объем разливки стали на МНЛЗ на уровне 95-97 % от общего количества всей выплавляемой стали. С учетом выплавки жидкого металло-продукта в двух мартеновских печах серийность разливки на МНЛЗ составляет по 4-8 ковшей и может быть увеличена только после перехода к выплавке жидкого полупродукта на ДСП.

   Ввод  АКП в эксплуатацию позволил значительно  сократить продолжительность мартеновских плавок, улучшить качество стали и стабилизировать ее химический состав. Кроме того, разливка стали на МНЛЗ с получением заготовок заданного сечения дала возможность снизить расходные коэффициенты в прокатном производстве завода. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   РЕКОНСТРУКЦИЯ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА СО СТРОИТЕЛЬСТВОМ ЭСПЦ В ОАО «МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ  ЗАВОД ИМ. А.К.СЕРОВА» 

   ИСХОДНОЕ  ПОЛОЖЕНИЕ 

   Одной из основных проблем реконструкции  старых предприятий является изношенность металлоконструкций зданий мартеновских цехов, а также застроенность  и стесненность заводской территории, как правило, ограниченной прилегающими жилыми кварталами и рекой с городским прудом. Поэтому для размещения новых агрегатов выполняют непосредственно рядом с каркасом мартеновских цехов новые высотные пролеты, пристрой или отдельные здания.

   В ОАО «Металлургический завод  им. А.К.Серова» в 2001-2008 гг. осуществили по рабочим проектам ОАО «Уралгипромез» реконструкцию сталеплавильного производства со строительством современного электросталеплавильного цеха в составе агрегата АКП-80, электропечи ДСП-80 и вакууматора. Оборудование поставки фирмы «Даниэли» Италия.

   Металлургический  завод им. А.К.Серова, основанный в 1894 г., является одним из ведущих отечественных  производителей металлопроката из высококачественных специальных сталей. В течение  многих лет сталь для проката  выплавляли в мартеновском цехе в  пяти мартеновских печах (№№2, 3, 4, 5, 8) с основной футеровкой, работающих скрап-рудным процессом.

   Здание  мартеновского цеха до реконструкции  включало четыре пролета. Средний состав металлошихты следующий: 40-50 % лом, 55-45 % жидкий чугун, 5 % твердый чугун. Жидкий чугун заливали в мартеновские печи через футерованный желоб из чугуновозного ковша емкостью 50 т с помощью мостового крана разливочного пролета цеха. Средняя масса плавки на выпуске из печи – по 160 т, с разливкой стали в два сталеразливочных ковша по 80 т.

   Сталь разливают сифонным способом в изложницы, установленные в разливочном  пролете на тележках на железнодорожных  путях. Затем составы с изложницами  вытягивают для остывания из цеха и подают в соседний консольный пролет, где снимают прибыльные надставки и разделывают слитки. Далее слитки передают в нагревательные колодцы крупносортного цеха, примыкающего к северному торцу мартеновского цеха.

   В начале 21 века на заводе начали осуществлять по рабочим проектам Уралгипромеза  поэтапную реконструкцию сталеплавильного производства со строительством ЭСПЦ.

   Решением  руководства завода был предусмотрен следующий порядок строительства  электросталеплавильного цеха. На первом этапе в мартеновском цехе устанавливают агрегат АКП-80, на котором весь металлопродукт подвергают ковшовой обработке и легированию. Затем строят остальные отделения нового ЭСПЦ:

   - электропечное отделение в составе  комплекса электропечи ДСП-80;

   - отделение перегрузки лома;

   - установка вакуумирования стали;

   - отделение непрерывной разливки  стали в составе комплекса МНЛЗ. 

   АГРЕГАТ ВНЕПЕЧНОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ «ПЕЧЬ-КОВШ» 

   Установка  агрегата внепечной обработки стали  служит для рафинирования стали  вне сталеплавильной печи. В печи-ковше  могут выполняться операции:

    - достижение требуемой температуры;

     - достижение требуемого химанализа и однородности стального расплава;

    - внесение добавок и ферросплавов;

    - десульфурация;

    - раскисление при помощи алюминия;

    - коагуляция и снижение количества  неметаллических включений.

   Перемешивание жидкого металла инертным газом при проведении рафинирования позволяет получить сталь с очень низким содержанием неметаллических включений.

   Технические характеристики

   Ход подъема свода                                                                        400 мм

   Ход колонны электродов                                                            2400 мм

   Скорость  движения электродов  (max)                                 150 мм/сек

   Диаметр электрода                                                                        400 мм

   Емкость загрузочного бункера                                                      1,5 м3

   Система смазки густая централизованная

   Цикл  работы: 

              время  прокачки системы                                               5 мин

              время между прокачками                                             24 час

   Пневмосистема:

               рабочее давление                                            5 кг/см2 

   Состав  и описание оборудования

   Для обеспечения доступа к печи-ковшу  и ее своду, для облегчения проведения рабочих операций предусматривается наличие рабочей площадки, выполненной из металлических конструкций, устанавливаемых вокруг печи, исключая колонны для опоры свода и электродов.