3.1. Основы развития технологий в черной металлургии

Развитие систем технологических процессов происходит путем выделения и специализации новых технологий и последующей их интеграции в более развитую и совершенную систему. Новая технология является итогом оригинальных научно-исследовательских разработок, но может быть и результатом использования известных (базовых) технологических процессов из смежных областей. Базовая технология тесно переплетена и сопряжена со смежными производствами, профессиональным опытом работников, с условиями потребления, человеческими интересами и т.п. Долгосрочное совершенствование базовой технологии во многих случаях оказывается значительно предпочтительнее коренной перестройки и замены старой технологии на качественно новую. Очевидно, что прогресс в области технологий позволяет получить тот же объем продукции с меньшими затратами труда и капитала. А достигнутое сегодня становится основой достижений и "технологических сдвигов" в будущем. Широкое внедрение технологических нововведений носит название "диффузии" технологий.

Длительная эволюция технологии — это неравномерный процесс. Один из важнейших путей эволюции состоит в со­вмещении двух или более известных технологий, которое по­зволяет упростить систему, интенсифицировать ее и, тем самым, усовершенствовать. В результате в дальнейшем долж­ны появиться принципиально новые технологии.

Эволюцию базовой технологии можно показать на приме­ре технологии крекинга метана:

Базовая технология (крекинг мета­на при 1000 °С)

Применение окислительной атмосферы и электроимпульсно­го воздействия на метан сделало возможным быструю адап­тацию технологической системы к воздействию плазмы — принципиально новой технологии, совмещающей как терми­ческие, так и электрические явления. Такой принцип совме­щения получил название "созидательного симбиоза" и доста­точно широко применяется в производстве.

Важнейшим фактором, способствующим ускорению смены технологий, является компьютеризация, позволяющая автома­тизировать не только производство, но и процесс переноса науч­ных знаний в производство, а также сам процесс получения новых знаний. Автоматизированные системы научных исследо­ваний, системы автоматизированного проектирования, гибкие автоматизированные производства выступают сегодня элемента­ми системы, позволяющей автоматически формировать новей­шие достижения науки. Прежде чем дать оценку новым прогрессивным технологиям, показать их особенности и преимущества перед традиционными, необходимо проанализировать техноло­гические системы базовых отраслей промышленности.

Металлургия — отрасль промышленности — система тех­нологических процессов, направленных на производство ме­таллов из их природных соединений (руд) и дальнейшую обработку этих металлов для придания им определенного вида и свойств. В связи с делением металлов на черные и цветные металлургия также делится на металлургию черных металлов и металлургию цветных металлов.

К металлургии черных металлов относятся предприятия, производящие чугун и сталь. Сталь и чугун — это сплавы на основе железа с углеродом, причем в сталях углерода может содержаться не более 2%, а в чугунах — от 2% и выше (до 6,67%). Кроме углерода и в сталях, и в чугунах присутству­ют так называемые неизбежные примеси (марганец, крем­ний, сера, фосфор), по-разному влияющие на их свойства. Сера и фосфор ухудшают свойства этих сплавов, а потому называются вредными; марганец и кремний являются полезными примесями. Традиционным процессом производства чу­гуна является доменный процесс, суть которого состоит в восстановлении железа из руд и его науглероживании.

Технологический процесс выплавки чугуна в доменной печи можно представить в виде системы, имеющей входы и выходы:

Исходные материалы: железные и марганце­вые

руды; топливо — кокс, флюс (известняк)

К технико-экономическим показателям данной технологической системы относятся:

коэффициент использования полезного объема доменной печи:

КИПО

где V_пол — полезный объем доменной печи,м³;

Q_Cyт— производительность печи, т.

Полезный объем доменной печи — объем занятый исходными материалами (шихтой) и продуктами плавки.

Коэффициент расхода кокса:

где А — количество кокса, расходуемое для выплавки Т (тонн) чугуна.

Чем ниже эти показатели, тем более эффективно протекает доменный процесс. Анализ технико-экономических показателей позволяет сделать вывод о том, что для повышения производительности технологического процесса и снижения себестоимости чугуна необходимо:

1) усовершенствовать процесс подготовки исходных мате­риалов к плавке (вместо руды применить агломерат и окаты­ши, содержащие повышенный процент железа, пониженное количество вредных примесей и обладающих хорошей восста­новительной способностью);

2) усовершенствовать технологический процесс плавки (произвести частичную замену кокса природным газом, повы­сить температуру и давление вдуваемого в печь воздуха);

3) увеличить полезный объем доменной печи.

Главным продуктом доменной плавки является чугун. До­менные чугуны подразделяются на:

- передельные чугуны, идущие на переработку в сталь;

- литейные чугуны — полуфабрикат для производства ма­шиностроительных чугунов;

- ферросплавы — двойные сплавы железа с кремнием и марганцем, используемые для раскисления стали и других нужд металлургии.

Машиностроительные чугуны — чугуны, содержащие уг­лерод в виде графита. В зависимости от формы графитовых включений меняются и прочностные свойства чугуна. Поэто­му чугуны классифицируются и маркируются не по химичес­кому составу, а по механическим свойствам на следующие группы:

1) Ковкий чугун, получаемый путем длительного сту­пенчатого отжига белого чугуна и содержащий углерод в виде графита хлопьевидной формы. Эти чугуны обладают более высокой пластичностью, чем серые, однако "ковкий" — название условное, обрабатывать чугун давлением нельзя. Маркируется ковкий чугун буквами КЧ (ковкий чугун). Пер­вое число в марке показывает предел прочности чугуна на растяжения, второе — относительное удлинение, например, КЧ40-10;

2) Серый чугун — широко распространенный деше­вый конструкционный материал, обладающий оптимальными свойствами, содержит графит в форме игл или пластин, на­пример СУ21-40. Первое число означает предел прочности чугуна на растяжение, второе — предел прочности чугуна на изгиб;

3) Высокопрочный чугун обладает повышенной проч­ностью и имеет графит округлой (глобулярной) формы. Мар­кировка: ВЧ 60-2. Первое число — предел прочности чугуна на растяжение, второе — относительное удлинение.

Чугуны применяются в различных областях промышленности: для изготовления деталей машин, приборов, агрегатов, труб, в строительстве промышленных и гражданских зданий, мостов, в машиностроении, приборостроении применяют конструкции, изготовленные из стали. При работе под большими нагрузками (подкрановые балки, каркасы нижних этажей, многоэтажных зданий) стальные конструкции прочнее желе­зобетонных.

По химическому составу сталь делится на углеродистую и легированную.

В зависимости от содержания углерода углеродистые стали подразделяются на низкоуглеродистые (до 0,3% угле­рода), среднеуглеродистые (0,3 — 0,6%С) и высокоуглеродистые (свыше 0,6%С). Низкоуглеродистые применяются в качестве конструкционных сталей, высокоуглеродистые — инструментальных.

Легированные стали, помимо углерода и неизбежных при­месей, содержат еще такие элементы, как хром, никель, титан, молибден, вольфрам, ванадий и др. для придания им особых свойств (жаропрочности, кислотоупорности и т.д.).

Качество стали определяется содержанием в ней вредных примесей серы (S) и фосфора (Р), снижающих ее механические свойства.

Классифицируются стали по качеству, составу и назначению.

Углеродистые конструкционные стали маркируются буква­ми "Ст", затем следует цифра, показывающая содержание углерода С в сотых долях процента, например, Ст 45 (0,45% С). Инструментальные стали маркируются буквой "У". Цифра в марке показывает содержание углерода в десятых долях процента, например, У13 (1,3% С). В легированных сталях легирующий элемент обозначают буквой русского ал­фавита; его процентное содержание в стали — цифрой, например XI8H9T (18% Сг; 9% Ni; 1 — 1,5% Ti).

В современной металлургии сталь выплавляют в кисло­родных конвертерах, мартеновских печах и электрических печах (электродуговых и индукционных).

Для повышения качества стали применяют дополнительную внепечную ее обработку — рафинирование, вакуумирование, обработку синтетическим флюсом, электрошлаковый переплав и т.п.

Технологический процесс производства стали можно пред­ставить в виде системы, имеющей входы и выходы:

Передельный стальной скрап, металлолом; Топливо (или кислород) Флюс

Анализируя вышеуказанные методы выплавки стали, необходимо отметить преимущественный рост количества стали, выплавляемой в кислородных конвертерах. Этот метод имеет существенные достоинства перед другими: он более экономичен, так как топлива для передела чугуна в сталь не требуется, а все тепло берется от собственных, протекающих в шихте, реакций; так как шихта продувается кислородом и плавка идет под слоем флюса, сталь получается хорошего качества; метод обладает вы­сокой производительностью. Один конвертер емкостью 250 т дает 1200 тыс. т стали в год, тогда как мартеновская печь вместимос­тью 500 т — около 400 тыс. т стали в год. В кислородном конвер­тере можно выплавлять низколегированные стали для листового и сортового проката труб, химического оборудования, для электротехнических целей и т.д. Однако более совершенным ме­тодом производства стали является ее выплавка в электропечах, позволяющих повышать температуру до 6000 °С. Это дает воз­можность получать стали с максимальным удалением вредных примесей (серы и фосфора) и с большим содержанием тугоплав­ких легирующих элементов. Недостаток метода — большая энер­гоемкость процесса, что повышает себестоимость стали.

Мартеновский способ выплавки стали отличается низкой производительностью, большими капитальными затратами, высокой себестоимостью стали. По этой причине мартенов­ские печи частично заменены на конвертеры, остальные — реконструированы в двухванные для улучшения технико-эко­номических показателей. В большинстве развитых стран этот метод выплавки стали вообще не применяется.

К новым технологическим процессам в черной металлур­гии относятся: технологический процесс получения синтети­ческого чугуна в индукционных печах и бескоксовый, бездо­менный процесс прямого восстановления железа.

Новый технологический процесс получения синтетическо­го чугуна в индукционных печах основан на использовании отходов, образующихся на машиностроительных заводах. Ка­чество чугуна, выплавляемого таким способом, высокое, что обеспечивается изотермической выдержкой расплава при до­статочно высоких температурах. Выплавка чугуна в индукци­онных печах расширяет возможности производства высоко­прочного чугуна различных марок и назначения, а также по­лучения чугуна с шаровидным графитом. Механические свой­ства такого чугуна почти на 100% выше, чем серого. Достоинствами данного метода являются высокая производи­тельность, снижение себестоимости (по сравнению с тради­ционными способами) на 15 — 25%, уменьшение безвозврат­ных потерь от угара в 6 - 7 раз.

Рассмотрим бескоксовый, бездоменный, метод прямого восстановления железа из железорудных концентратов с помощью водорода или природного газа. Суть этой технологии со­стоит в том, что мелкораздробленный железный концентрат, смешанный с водой, в виде пульпы подают с помощью насосов по трубе с месторождения на металлургический комбинат. Вода отделяется в специальных отстойниках и вновь поступает в водооборот. Из руды благодаря специальным добавкам и обработке во вращающихся барабанах получают окатыши — комки сферической формы размером 2 - 30 мм. Эти окатыши| направляются в шахтную печь. Там в процессе взаимодействия с водородом (или природным газом) оксиды железа вос­станавливаются до металла. В результате образуется губча­тое железо — полуфабрикат, содержащий до 85% основного компонента, который отправляется на переплавку в электропечах. Так получают высококачественную сталь. В результате сокращается технологический цикл (отсутствует доменное и коксохимическое производство), экономятся ресурсы, уменьшается потребность в воде, практически отсутствую вредные выбросы.

Среди принципиально новых методов, позволяющих получать конструкционные материалы, в частности сталь несравненно более высокого качества, с большой надежностью и долговечностью, являются специальные методы рафинирования расплава. Это — электрошлаковый переплав (ЭШП), вакуумно-дуговой переплав (ВДП), плазменно-дуговой (ПДП) и электронно-лучевой переплав (ЭЛП), вакуумная индукционная плавка и плазменная плавка. Общая особенность процессов специальной электрометаллургии состоит в том, что создаются благоприятные условия для рафинирования жид­кой стали с использованием расплавленного токопроизводящего шлака (при ЭШП), вакуума (при ВДП, ВИП и ЭЛП), инертной атмосферы (при ПДП) и перегрева жидкой стали в любом процессе.

Электрошлаковый переплав позволяет значительно повысить пластичность стали, в результате чего упрощается процесс и сокращается трудоемкость горячей обработки дав­лением, в том числе прокатки труб, штамповки и прессовки давлением, в том числе прокатка труб, штамповка и прессова­ние изделий из жаростойких и жаропрочных сталей. С помо­щью ЭШП снижается металлоемкость, экономятся затраты живого труда.

Рассмотрим технико-экономические показатели сталеплавильного производства. Экономическая эффективность работы конвертера:

,

где П — годовая производительность конвертера, т в год;

Т— масса металлической шихты, т;

1440 — число минут в сутках

a — выход годных слитков, т;

n — длительность плавки, мин.;

t — число рабочих суток в году;

Основным показателем, характеризующим производительность мартеновской печи, является съем стали с одного квад­ратного метра площади пода печи в сутки С (т/м²):

где P — суточная производительность, т;

S — площадь пода печи, м².

Производительность электропечей определяется по формуле:

,

где П — годовая производительность печи, т;

n — число рабо­чих суток в году;

Т — продолжительность плавки, ч;

b — масса металлической шихты на одну плавку, т;

а — выход год­ных слитков из металла шихты, %.

Себестоимость электростали определяется расходом ме­таллической шихты на одну тонну годных слитков и стоимос­тью передела. Она включает также расход электроэнергии, электродов, огнеупоров, изложниц и зарплату персонала.