МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ СИСТЕМ И ПРОЦЕССОВ

Рецензент: зав. кафедрой теории металлургического произ­ водства Московского государственного вечернего металлургического института, ректор института проф., докт. техн. наук Г.Н.Еланский

УДК 541.1:669.1/.8

Теория и расчеты металлургических систем и процессов.

Учебное пособие для вузов. П а д е р и н С.Н., Ф и л и п п о в В.В.- М.: •МИСИО, 2002. - 334 с.

Рекомендовано учебно-методическим объединением по образова­ нию в области металлургии в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям 550500 и 651300 - «Металлургия».

Рассмотрены состояние и ближайшие перспективы развития миро­ вой черной металлургии. Изложены основы термодинамики, модели и расчеты металлических растворов и металлургических шлаков. Дан но­ вый метод контроля состояния металлической ванны и технологических процессов посредством электрохимических измерений и расчетов. Опи­ саны закономерности и кинетические модели окислительных процессов и обезуглероживания стали, показаны расчеты кинетических констант и их использование для прогнозирования оптимальной продолжительно­ сти процесса обезуглероживания в сталеплавильном агрегате. Представ­ лены фундаментальные разработки, вошедшие в научное издание «Твердые электролиты в металлургии» и учебные пособия по расчетам металлургических процессов и экспериментальным работам по теории металлургических процессов. Использованы результаты исследований процессов окислительного рафинирования металлической ванны в 100-т дуговой сталеплавильной печи, полученные на Белорусском металлур­ гическом заводе. Ил. 54. Табл. 32. Библиогр. список: 59 назв.

©Падерин С.Н., Филиппов В.В. •МИСИО, 2001

8.5.Исследование технологического процесса обезуглероживания стали в 100-т дуговой печи.

П РЕ Д И С Л О В И Е

Современное мировое производство чугуна находится на уровне 520...540 млн.т в год. Увеличиваются мощности установок прямо­ го получения железа. Появились альтернативные чугуну новые вы­ сококачественные шихтовые материалы для сталеплавильного производства: металлизованные окатыши, брикеты, карбид железа.

Современное производство стали достигло уровня 800 млн. т в год и продолжает расти в основном за счет развития электростале­ плавильного производства. В конвертерном производстве стали комбинированная продувка жидкого чугуна составляет основу всех вариантов технологических процессов. Продолжаются разработки новых и совершенствование существующих вариантов комбини­ рованных процессов. В связи с повышением требований к качеству металла расширяется производство «чистой» стали с ультранизкими концентрациями углерода, серы, фосфора, газов и неметалличе­ ских включений, что приводит к необходимости внепечной обра­ ботки жидкого металла на установках ковш-печь и в камерах цир­ куляционного вакуумирования.

В связи с большими объемами производства чугуна и стали становится актуальной проблема значительного снижения энерго­ емкости, которая в настоящее время составляет 10... 15 % потреб­ ления энергии промышленным сектором.

Черная металлургия на рубеже XXI столетия характеризуется совершенствованием существующих и появлением новых техноло­ гических схем производства, новых агрегатов и технологий вы­ плавки и рафинирования металла. Внедрение одностадийной тех­ нологической схемы производства, появление мини-заводов с ду-

новками внепечного рафинирования и других способов производ­ ства металла ставит перед специалистами задачи теоретического прогнозирования технологических процессов, разработок новых технологий. Совершенствование и оптимизация существующих технологических процессов остаются актуальными задачами заво­ дских инженеров-иссяедователей и технологов.

Решать подобные задачи могут специалисты, хорошо владею­ щие теорией металлургических систем и процессов, умеющие мо­ делировать и производить расчеты металлургических процессов с использованием персонального компьютера.

Авторы надеются, что изучение теории, анализ и самостоятель­ ное решение предложенных в учебном пособии задач поможет глубже понять физико-химические аспекты современных метал­ лургических процессов.

Авторы выражают глубокую благодарность ректору МГВМИ, заведующему кафедрой теории металлургического производства, профессору, доктору технических наук Г.Н. Еланскому за внима­ тельное рассмотрение рукописи, ценные советы и замечания.

Падерин Сергей Никитович, доктор технических наук, профессор Московского государственного института стали и сплавов (технологического университета). С.Н.Падерин яв­ ляется крупным специалистом в области теории металлур­ гических процессов, теории и технологии выплавки стали и сплавов в электропечах и внепечной обработки стали.

Филиппов Вадим Владимирович, кандидат технических наук. Генеральный директор республиканского унитарного предприятия «Белорусский металлургический завод». В.В.Филиппов является крупным специалистом в области ресурсосберегающих теплотехнологических процессов при производстве стали.

Г л а в а 1. С О С ТО Я Н И Е И БЛ И Ж А Й Ш И Е П Е Р ­

СП ЕК ТИ В Ы РАЗВИТИЯ М И РО ВО Й

ЧЁ РН О Й М ЕТА Л Л У РГИ И 1

Время, когда каждая страна стремилась иметь свою черную метал­ лургию, так как этим определялась экономическая мощь государ­ ства, миновало. Объем производства стали больше не рассматрива­ ется как основной, а иногда и единственный критерий индустриа­ лизации страны. Больший объем выплавки стали характеризует в настоящее время страны, начинающие индустриализацию, а высо­ кое потребление стали указывает на развитие металлопотребляю­ щих отраслей, ориентирующихся на экспорт, таких, как судострое­ ние и тяжелое машиностроение.

Железо (сталь) продолжает сохранять ведущее положение сре­ ди всех других конструкционных материалов. Об этом свидетель­ ствует тот факт, что во всем мире ежегодно уплачивается более 200 млрд. долл, за металлопродукцию из стали, 50 млрд. долл, за цвет­ ные металлы и 100 млрд. долл, за пластмассы и резину.

Оценка специалистами возможностей замены стали как конст­ рукционного материала другими материалами, например сплавами алюминия, титана, керамикой, композитами, выявила, что с учетом экономики и экологии любые возможные заменители стали значи­ тельно уступают ей и вероятность сколько-нибудь серьезной кон­ куренции возможных заменителей, по крайней мере, в первой по­ ловине XXI века весьма мала.

Основным фактором, определяющим развитие черной метал­ лургии, как и любой другой отрасли, является рынок. Открытое государственное субсидирование многосторонним соглашением западных стран по стали ограничено. Существующее соглашение разрешает предоставление крупных государственных субсидий только на разработку проектов охраны окружающей среды, прове­ дение исследований и на развитие и социальную поддержку закры­ ваемых предприятий. Хотя посредничество государства может проявляться и в том, что правительства многих стран вводят анти­

1 Глава написана зав. отделом научной информации по металлургии ВИНИТИ, канд. техн. наук Г.А.Лопуховым

демпинговые процедуры против импортируемой металлопродук­ ции. Так, Департамент торговли США принял за последние не­ сколько лет множество постановлений, ограничивающих импорт стали из нескольких стран и в первую очередь из России и Украи­ ны, считая, что импорт, особенно горячекатаной рулонной стали, создает «критические обстоятельства» на внутреннем рынке. При­ меру США следуют Бразилия, Турция, страны Европейского Сою­ за, Индия и другие.

Потребитель металла определяет, сколько и какого качества стали необходимо производить, что и определяет развитие техно­ логий. Требование повышения свойств стали и изменение цен на энергоносители заставило металлургов создавать новые металлур­ гические агрегаты и разрабатывать технологии рафинирования. Требования «зеленых» и новые нормы по охране окружающей сре­ ды заставляют проводить реструктуризацию отрасли и, например, приостанавливать коксовое и доменное производства.

Крупнейшие фирмы активно ищут выход из кризиса путем кооперации, организационной перестройки, расширения неметал­ лургических направлений деятельности (автомобилестроение, про­ мышленное и гражданское строительство и т. д.) и сокращения, и даже ликвидации в связи с низкой экономической эффективностью металлургического сектора.

Стратегия технической политики как японских, так и западно­ европейских и североамериканских фирм базируется на сохране­ нии металлургических предприятий в качестве основы становления и дальнейшего их существования.

Одним из факторов успеха в новом тысячелетии является инве­ стирование в образование, подготовку кадров и научноисследовательские работы, направленные на разработку техноло­ гий и создание оборудования, рассчитанных на следующие десяти­ летия. Опережает всех в этом направлении Япония, где на каждого исследователя-металлурга приходится более 45 млн. иен/год, что намного больше, чем на исследования в области промышленного производства в среднем (около 25 млн. иен/год).

Металлургические фирмы США, имеющие заводы с полным циклом, расходуют на научные исследования и проектно­ конструкторские разработки новых технологий около 0,5 % от

суммы продаж. Некоторые крупнейшие международные металлур­ гические фирмы, у которых большие планы по расширению произ­ водства, расходуют на научные исследования и проектно­ конструкторские разработки новых технологий около 1 % от сум­ мы продаж и имеют 25-30 исследователей на 1 млн. т. годового производства стальной продукции. Денежные средства, выделяе­ мые в черной металлургии для фундаментальных научных иссле­ дований за последние 25 лет, заметно сократились, и большая часть фирм, особенно мини-заводы, не выделяет средств на проведение научных исследований, например в черной металлургии США при годовом производстве 1 млн. т. стальной продукции работают только пять исследователей.

Черная металлургия в мире продолжает находиться в кризисной ситуации. Прибыли крупнейших металлургических фирм Японии, Европы и Америки уменьшились, но несмотря на это, спрос на ак­ ции этих фирм продолжается. В течение последнего десятилетия динамика мирового производства стали развивалась скачкообраз­ но: сначала наблюдалось постепенное повышение от 719,68 млн. т в 1992 г. до 752,36 млн. т в 1995 г., затем в 1996 г. небольшой спад до 750,5 млн. т, рост до 798,97 млн. т в 1997 г. и падение более чем на 20 млн. т в 1998 г.

Основными причинами снижения мирового объема производ­ ства стали в 1998 г. явились: экономический кризис в России, со­ кращение внутреннего национального продукта в Японии (умень­ шение производства стали на 10,5 %) и Южной Корее на 5,5 % (снижение производства стали на 7,0 %). В 1999 г. производство стали в мире стабилизировалось (табл. 1.1).

За период 1990-1999 гг. объем производства стали в мире уве­ личился на 0,7 %. Резкое снижение объема производства стали в странах Восточной Европы компенсировалось повышением объема ее производства в странах Азии, Латинской и Северной Америке. Наиболее высокими темпами за этот период повышался объем вы­ плавки стали в Южной Корее и КНР и соответственно их доля в мировом производстве стали; в то же время доля стран Восточной Европы в целом, бывшего СССР (и в том числе России) в мировом производстве стали снизилась в 1,9-2 раза.

За период 1992-1999 гг. только Индия смогла войти в десятку крупнейших производителей стали. Резко увеличив объем произ­ водства стали, подняли свой рейтинг КНР, Южная Корея, а также Бразилия. Значительно снизили рейтинг Россия и Украина. В круп­ нейших странах ЕС объем производства стали остается стабиль­ ным.

Изменение видимого потребления готовой стальной продукции в мировом масштабе является основным результатом совместного влияния величины производственных мощностей по выплавке ста­ ли, степени их использования и масштабов внедрения непрерывной разливки стали. В отдельных регионах и странах изменение види­ мого потребления металлопродукции связано также с объемом экс­ порта и импорта металлопродукции.

Видимое потребление готовой стальной продукции в мире за период 1990-1998 гг. увеличилось примерно на 6% , несмотря на то, что рост мирового производства стали за этот же период соста­ вил всего 0,7 %. Очевидно, это было обусловлено дальнейшим уве­ личением доли непрерывной разливки стали в общем объеме ее производства (см. табл. 1.1.) и снижением расходного коэффициен­ та стали на производство готовой продукции.

Таблица 1.1. Производство чугуна и стали в ряде стран мира и доля стали, разлитой на МНРС в 1999 г.

Если в 1974 г. из 100 т выплавленной стали получали 78 т ме­ талла на продажу, то к 1999 г. в результате распространения непре­ рывной разливки и компьютеризации производства выход превы­ сил 90 т более легких, прочных профилей проката. Так, за период 1992-1998 гг. выплавка стали в мире увеличилась на 55,6 млн. т, тогда как потребление металлопродукции, поставляемой предпри­ ятиями черной металлургии, возросло на 84,6 млн. т. В последние годы эта разность в выплавке стали и производстве стальной про­ дукции изменяется мало, так как доля непрерывной разливки стали в большей части стран превысила 90 %.

Общий объем потребления стальной продукции на душу насе­ ления в мире в течение 1992-1997 гг. постепенно возрастал, а в 1998 г. уменьшился (табл. 1.2). Сравнение показателей потребле­ ния стали на душу населения в 1992-1998 гг. в различных странах показывает обвал и в производстве и в потреблении металлопро­ дукции в странах СНГ - с 265,8 до 101,4 кг/чел, т.е. в 2,6 раза. Даже в странах Азии, пострадавших от финансового кризиса, падение потребления стали составило 6,7 %.

Таблица 1.2. Динамика потребления стальной продукции (кг) в мире надушу населения в 1992-1998 гг.

Рис. 1.1. Измене­ млн.т ние мирового объ­ ема производства стали и производ­ ственных мощно­ стей за период 1970-1995 гг. и прогноз на 2000-

2010 гг.:

1 - производст­ венные мощности; 2 - производство стали

По прогнозу производственные мощности и объем производст­

ва стали в мире в 2000-2010 гг. будут расти (рис. 1.1).

Производство и потребление стали в промышленно развитых

странах не увеличится, а в развивающихся странах возрастет в ос­

новном в связи с ростом этих показателей в странах Азии и Латин­

ской Америки (рис. 1.2, табл. 1.3).

Наибольшее увеличение объема производства стали предпола­

гается в Индии, Тайване и Республике Корее.

млн т

Рис. 1.2. Изме­ нение мирового объема производ­ ства и видимого потребления ста­ ли за период 1995-1999 гг. и прогноз на 20012010 гг.:

1 - производство стали; 2 - види­ мое потребление

Весьма показателен и анализ структуры сталеплавильного про­ изводства. Так, в 1998 г. 59,4 % всей произведенной стали в мире было выплавлено в конвертерах, 33,9 % - электропечах, 4,6 % - в мартеновских печах (табл. 1.4). Соотношение способов производ­ ства стали характеризует использование высоких технологий в черной металлургии. При этом отмечается отставание стран, где существует мартеновское производство стали.

Таблица 1.4. Структура производства стали (%) в мире в 1998 г. (по данным Международного института чугуна и стали)

Прогнозируемые рост объема производства стали и видимого потребления металлопродукции и уменьшение численности рабо­ тающих в отрасли при значительном снижении издержек произ­ водства и улучшении экологических показателей работы будут обеспечены в результате:

-эффективной организации производства и менеджмента; - правильного выбора технологий и объемов производства;