Достижения и перспективы развития аглодоменного подразделения ПАО «Северсталь»

Введение

Крупная вертикально интегрированная горнометаллургическая компания под давлением конкуренции и внешних вызовов, связанных с климатической повесткой, обязана обеспечить поиск путей реализации экономически обоснованного способа сокращения удельных выбросов парниковых газов при производстве стали, сохраняя и увеличивая отрыв по себестоимости продукции от ближайших конкурентов.

Дивизион «Северсталь Российская Сталь» ПАО «Северсталь» является одним из крупнейших производителей в России и представляет собой предприятие мирового уровня, которое производит более 11 млн т стали в год. Первый передел представлен коксоаглодоменным производством, имеющим в своем составе восемь действующих коксовых батарей (семь с гравитационной загрузкой и одна с трамбованием угольной шихты), пять агломерационных машин и пять доменных печей (от 1007 до 5500 м³ полезного объема). Выплавка стали из передельного чугуна осуществляется в металлургическом производстве тремя кислородными конвертерами (объемом 420 т), а также дуговой и шахтной электропечами (объемом 150 т каждая). Состав оборудования позволяет осуществлять выплавку как рядовых, так и ответственных марок стали для отраслей строительства, энергетики и машиностроения.

Производство жидкого чугуна в доменных печах в мире до сих пор занимает преобладающее положение в качестве способа снабжения металлом агрегатов для кислородного производства стали [1]. Задача повышения эффективности первого передела сводится к разработке способа обеспечения сталеплавильных мощностей необходимым количеством первичного металлического расплава с заданным уровнем качественных характеристик, низкой себестоимостью и минимально возможным уровнем эмиссии парниковых газов.

Теоретический предел удельного расхода кокса в доменной плавке, определяемый с точки зрения обеспечения противотока восстановительных газов и жидких продуктов плавки, оценивается в достаточно широком диапазоне от 150 до 250 кг/т чугуна в зависимости от подготовки железорудного сырья, выхода шлака и горячей прочности кокса [2; 3]. На стыке XX и XXI веков фактический расход сухого скипового кокса на выплавку чугуна в диапазоне 415 – 450 кг/т чугуна считался для отечественных металлургов приемлемым уровнем, и уровень 250 кг/т чугуна для практикующих доменщиков выглядел именно теоретической, недостижимой абстракцией. Развитие науки и технологии в части повышения качественных характеристик кокса, применения его заменителей, подготовки железорудной шихты, совершенствования систем контроля и управления доменной плавкой позволили за десятилетие (2014 – 2024 гг.) для доменных печей (ДП) ПАО «Северсталь» в среднем по цеху сократить данный показатель с 415 до 350 кг/т чугуна, т. е. примерно на 15,7 абс. %. Такое существенное сокращение достигнуто без каких-либо значимых изменений в конструкциях доменных печей, а в основном за счет подбора эффективной технологии ведения доменной плавки. Изменение удельных расходов твердого (сумма скипового кокса и его твердых заменителей) и газообразного (природный газ (ПГ)) топлива при выплавке чугуна в ПАО «Северсталь» в указанном периоде представлено на рис. 1. Наилучшие из достигнутых среднемесячных показателей составляют 301,1 кг кокса + 206,8 м³ ПГ на 1 т чугуна для ДП № 1 (полезный объем 1007 м³) и 307,4 кг кокса + 214,2 м³ ПГ на 1 т чугуна для ДП № 3 (полезный объем 3200 м³).

На сегодняшний день сохраняется нереализованный потенциал снижения расхода кокса при выплавке чугуна в доменных печах на уровне от 100 до 200 кг/т чугуна (т. е. диапазон 28,6 – 57,1 абс. %) от уровня теоретического минимума. Для реализации экономически обоснованного сокращения удельного расхода твердого углеродного топлива (в том числе за счет замены кокса и его твердых углеродных заменителей на вдуваемый природный газ) необходимо улучшение металлургических свойств доменной шихты и твердого топлива, применение оптимального, технологически и экономически обоснованного уровня использования вторичных ресурсов в шихте.

Исследования влияния повышения содержания железа в доменной шихте на технико-экономические показатели доменного процесса, проведённые в 60 – 70-х годах ХХ века, показали, что каждый процент повышения содержания железа (Fe_общ) приводит к сокращению расхода кокса на 1,0 – 1,5 % и увеличению производительности на 1,7 – 2,2 % [4]. В то время удельный расход сырья в доменной шихте отечественных предприятий составлял ~ 1700 – 1920 кг/т чугуна, а содержание диоксида кремния (SiO₂) в агломератах отечественных и зарубежных предприятий находилось в пределах 6,5 – 11,0 %, в окатышах на 1,5 – 2,0 % ниже [5; 6]. Развитие технологий обогащения и использование богатых железом концентратов и аглоруд существенно повлияло на процессы, протекающие в доменной печи, и обусловило необходимость проведения исследований комплекса металлургических свойств доменной шихты с пониженным содержанием SiO₂. В работах специалистов по доменному производству было показано, что процессы формирования расплавов из агломератов и окатышей имеют принципиальные отличия [7; 8]. Изучение влияния увеличения содержания железа в доменной шихте при различных способах окускования на процессы восстановления, плавления и капельного течения расплава агломерата и окатышей через слой кокса различной реакционной способности необходимо для выявления устойчивых закономерностей процессов формирования шлаковых и металлоуглеродистых расплавов при оптимизации состава шихты. Выполненная сравнительная оценка качества рядовых (4,9 – 7,2 % SiO₂) и низкокремнистых (2,8 – 3,0 % SiO₂) окатышей в ходе лабораторных исследований процессов формирования жидких фаз при проплавке шихты показала, что температурный уровень зоны размягчения, полной потери газопроницаемости железорудного слоя и капельного течения первичных шлаковых расплавов у низкокремнистых окатышей по сравнению с рядовыми повышается на 45 – 50 °С. Это приводит к увеличению объема сухой зоны доменной печи и повышению восстановимости железорудного сырья. Дополнительно в ходе промышленных испытаний было установлено, что содержание железа общего в низкокремнистых окатышах при равной основности повысилось на 2,6 %, а содержание щелочных элементов снизилось на 0,05 %, что при содержании окатышей в составе доменной шихты 32 – 34 % привело к уменьшению щелочной нагрузки примерно на 0,28 – 0,30 кг/т чугуна и, соответственно, сокращению расхода кокса на 3,0 – 3,4 кг/т чугуна.

Необходимо отметить, что положительным фактором при росте доли окатышей является существенное увеличение порозности доменной шихты [9]. Расчеты показывают, что повышение доли окатышей с 35 до 100 % дает рост порозности слоя железорудных материалов в сухой зоне доменной печи на 17,2 отн. %. Данный факт позволяет прогнозировать улучшение степени использования восстановительных газов в процессе плавки и, следовательно, дает возможность нарастить уровень применения газообразных заменителей кокса.

Отсев железорудных материалов, образующийся в результате грохочения агломерата и окатышей в доменном производстве, на современных металлургических предприятиях повторно вовлекается в технологический процесс получения чугуна двумя способами – в составе возврата в агломерационном производстве и в составе шихты для доменных печей. Влияние возврата на производительность и качество агломерата неоднозначно [10; 11]. По возможности, его количество в процессе спекания агломерата должно быть снижено. Рациональным направлением является использование отсева железорудных материалов непосредственно в доменном процессе. Разработан способ загрузки в доменную печь отсеянных фракций агломерата и окатышей, регламентирующий количество и периодичность загрузки этого компонента [12]. Практическое применение данного способа позволило в 2017 г. использовать в доменной плавке более 200 тыс. т железорудного отсева фракции 3 – 5 мм, что составило 22,3 кг/т чугуна.

Подбор углей, расширение сырьевой базы и технологических возможностей коксования, получение продуктов с заданными свойствами, сочетающих оптимальные экономические и технологические показатели, являются основными направлениями для развития коксохимического производства. В целом поведение кокса в доменной печи может характеризоваться рядом этапов трансформации его состава и свойств, которые по мере опускания кокса в печи изменяются под воздействием тепловых, физико-химических и механических условий плавки. В условиях реальной плавки наиболее точную и достоверную оценку качественного потенциала используемого кокса дает его состояние в пробе, извлеченной из действующей доменной печи. Для исследования характеристик фурменного кокса на доменных печах ПАО «Северсталь» при замене фурменных приборов на остановках были отобраны пробы кокса на уровне фурм. Так же, с целью изучения влияния щелочей на характеристики кокса, в условиях суммарной щелочной нагрузки (K₂О + Na₂O) в диапазоне 2,8 – 3,0 кг/т чугуна были выполнены отборы проб кокса из шахты ДП № 4 на глубине 10 – 12 м от уровня засыпи шихты. Результаты исследований позволили сделать заключение о том, что в условиях выплавки чугуна с низкой щелочной нагрузкой (уменьшенной с 3,2 до 2,8 кг/т чугуна, т. е. на 0,4 кг/т чугуна), открывается перспектива применения твердого топлива с увеличенной реакционной способностью. Развитием данного направления стала разработка и реализация в условиях ПАО «Северсталь» нового способа получения инновационного продукта углеродсодержащего с заданными характеристиками из углей, условно пригодных для коксования (60 – 100 % в составе угольной шихты) в процессе слоевого коксования в коксовых батареях с гравитационной загрузкой [13].

Разработка необходимых технологических мероприятий по замене части кокса на природный газ предполагает определение и учет содержащихся в последнем восстановительных компонентов и величину теплового эффекта его превращения в фурменной зоне доменной печи. Многочисленные исследования [14; 15], проведенные по разработке технологии ведения доменной плавки на комбинированном дутье, позволили установить технические показатели, необходимые для определения рационального количества природного газа. В качестве таких показателей наиболее часто используются такие параметры, как теоретическая температура газа у фурм [16 – 18], учитывающая совместный процесс горения углерода, кокса, природного газа и коэффициент замены кокса природным газом [19]. Повышенный расход природного газа приводит к увеличению доли водорода в газах доменных печей, что требует существенных изменений в технологии доменной плавки. Так, на основе лабораторных исследований установлено влияние различных составов восстановительных газов с переменным содержанием водорода на процесс восстановления агломерата и окатышей. Показано, что показатель восстановимости увеличивается на 2,5 – 3,0 % при увеличении содержания водорода на каждые 5 % в составе газовой смеси, что подтверждает целесообразность увеличения расхода природного газа при выплавке чугуна. На практике данные результаты были применены при освоении технологии выплавки чугуна с увеличенным расходом природного газа в диапазоне 140 – 250 м³/т и повышением доли окатышей в составе железорудной части шихты с уровня 32 до 60 %. Разработан и внедрен в производство способ ведения доменной плавки с увеличенным расходом природного газа в диапазоне 140 – 250 м³/т чугуна по сравнению с исходным уровнем 110 – 140 м³/т чугуна [20]. За период 2021 – 2023 гг. удельный расход природного газа в целом по цеху производства чугуна ПАО «Северсталь» составил более 190 м³/т чугуна при расходе твёрдого топлива менее 350 кг/т чугуна с коэффициентом замены кокса природным газом 0,704 кг/м³.

В настоящее время в практику управления технологическими процессами ПАО «Северсталь» введен показатель «расход углерода при выплавке чугуна в доменных печах», который позволяет оценить реальную эффективность доменной плавки с точки зрения климатической повестки. Данный показатель рассчитывается как сумма масс углерода, вносимого в доменную плавку с компонентами твердого топлива, вдуваемого природного газа и железорудной части шихты, отнесенная к массе выплавленного чугуна. Расход углерода при выплавке чугуна в доменных печах за период 2014 – 2023 гг. снижен на 12,4 кг/т чугуна (3,0 отн. %), что в пересчете на углекислый газ дает величину 45,5 кг СО₂/т чугуна (рис. 2).

В настоящее время удельный расход твёрдого топлива на выплавку чугуна 250 кг/т чугуна из разряда теоретической абстракции переходит в категорию целевого ориентира и результата, требующего достижения. Основанием для такого оптимизма служат успешное освоение технологий производства высококачественного кокса из трамбованной угольной шихты, применения сверхвысокого (более 200 м³/т чугуна) расхода природного газа и использования высокой доли окатышей в доменной шихте.

Необходимо отметить, что в ПАО «Северсталь» значительное внимание уделяется задаче продления межремонтного периода эксплуатации металлургических агрегатов [21; 22]. На основании анализа общего состояния огнеупоров доменных печей, исследованного в период остановок на капитальные ремонты первого разряда, были определены наиболее подверженные износу участки футеровки, а также разработаны и внедрены технологические мероприятия, позволяющие:

– защитить поверхность огнеупора слоем гарнисажа, который воспринимает размывающее действие расплава, изолирует огнеупор и элементы системы охлаждения от контакта с жидкостью и горячим газом;

– управлять свойствами жидких продуктов плавки, как химическими (агрессивностью по отношению к гарнисажу и футеровке), так и физическими (температурой и скоростью движения по отношению к конструктиву печи);

– формировать столб шихты в доменных печах, который позволяет решать одновременно проблемы гарнисажеобразования в шахте и формирования коксовой насадки в горне с максимальной проницаемостью для жидкости.

Состояние огнеупорной футеровки и элементов систем охлаждения ДП № 4, 5 после выдувки на капитальные ремонты первого разряда представлено на рис. 3.

Реализация вышеуказанных мероприятий позволила в условиях изменения технологии ведения доменной плавки, изменения состава доменной шихты и практически полуторакратного наращивания замены кокса природным газом продлить срок эксплуатации ДП № 5 (крупнейшей в Европе, полезный объем 5500 м³) до 17,5 лет и выплавить на ней 75,2 млн т чугуна [11]. На ДП № 4 (полезный объем 2700 м³) завершившаяся в 2025 г. кампания продолжительностью 19,5 лет позволила произвести более 46 млн т чугуна. Достигнутые результаты позволяют с уверенностью рассчитывать в будущем на длительный (20 – 30 лет) срок эксплуатации доменных печей, как высокоэффективных агрегатов по производству первичного металлического расплава для сталеплавильного передела.

Определение направлений дальнейшего развития технологической цепочки производства чугуна на примере ПАО «Северсталь»

В настоящее время около 72 % стали в мире производится в технологической цепочке «доменная печь – конвертер»¹. Одномоментный отказ от сложившихся столетиями способов производства стали во всем мире представить сложно в силу прогнозируемых гигантских капитальных затрат и недостаточного развития в настоящее время неуглеродных способов получения первичного железа из добываемых руд.

Для крупного металлургического комплекса, производящего более 11 млн т стали в год, наиболее вероятным выглядит путь максимального повышения эффективности технологии действующих агрегатов с постепенным смещением фокуса развития на низко- или безуглеродное восстановление оксидов железа и электроплавку по мере удешевления «зеленого» водорода и «возобновляемой» электроэнергии. Именно такой путь выбирает ПАО «Северсталь», стремясь максимально повысить эффективность первого передела в переходном периоде (рис. 4).

Выводы

На основании анализа теоретических оценок и текущих производственных результатов выплавки чугуна в условиях ПАО «Северсталь» определен потенциал сокращения расхода твердого топлива в доменной плавке.

Предложены направления корректировки состава и качественных характеристик сырья и топлива, технологических параметров и способов ведения процесса выплавки чугуна в условиях переходного периода от классической к низкоуглеродистой металлургии.

На основании выполненных исследований и установленных закономерностей разработана и принята к реализации стратегия развития первого передела ПАО «Северсталь», предусматривающая поэтапный отказ от агломерационного передела с увеличением доли окатышей в доменной шихте до 90 %, сокращением расхода кокса в доменной плавке до уровня 270 кг/т чугуна и увеличением расхода газообразного заменителя кокса (природного газа) до 300 м³/т чугуна.