Возможности традиционных процессов
Научно-техническая революция, начавшаяся в середине XX века, с каждым десятилетием шире и глубже охватывает все направления современной техники. Она оказывает глубокое влияние и на черную металлургию — одну из отраслей промышленности, производящую важнейшие конструкционные материалы. Металлургия является производством, обеспечивающим технический прогресс в материалопотребляющих отраслях. Одновременно металлургия в ходе НТР претерпевает значительные изменения, стремясь к повышению эффективности своего производства.
Потребность в черных металлах по-прежнему велика. Но обратите внимание на парадоксальный факт: в период научно-технической революции мы получаем сталь с помощью процессов, открытых более века назад: мартеновского (1864 год) и конверторного (1856–1878 годы). Развитие металлургии за этот период шло экстенсивно за счет непрерывного увеличения емкости и числа агрегатов, ускорения процессов в них.
Чем же все-таки объясняется “живучесть” старых процессов? Главная причина в современных условиях — их экономичность.
Издавна сохраняется двустадийная технологическая цепочка: чугун — железо (сталь), причем на первой стадии используется один из самых старых металлургических агрегатов — доменная печь.
Домна — печь шахтного типа для выплавки чугуна. Исходные материалы — шихта, железная руда, кокс, известняк — загружаются сверху. Снизу через фурмы подают нагретый воздух. В печи происходит восстановление железа из окислов и насыщение его углеродом до состава чугуна. Продукты плавки — чугун и шлак — периодически выпускаются через летки в нижней части печи.
В связи с появлением новых процессов прямого получения железа в середине XX века предсказывали, что доменный процесс не просуществует и 10 лет и уж никак не более 20. В 1960 году электрохимическое общество в Чикаго провело конференцию по вопросу восстановления железных руд. Общим в докладах на этой конференции было мнение, что восстановительные процессы, имеющие соответствующее химическое аппаратурное оформление, будут быстро вытеснять доменные печи. Однако этого не произошло. Доменный процесс не сдает своих позиций. Наоборот, особенно быстрый его прогресс имеет место начиная с середины нашего века, что совпадает, заметим, с началом НТР. Продолжается интенсификация процессов во всех основных металлургических агрегатах.
В доменных печах — это улучшение использования полезного объема' печи, представляющего собой внутреннее пространство печи, считая от оси чугунных леток до конуса засыпного аппарата в нижнем его положении. Этот объем является одной из главных характеристик домны. Чем больше полезный объем печи, тем больше должна быть ее производительность. Показателем интенсивности работы печи служит суточный выпуск чугуна в тоннах на 1 кубический метр полезного объема или величина, ей обратная: отношение полезного объема в кубических метрах к суточной производительности в тоннах, называемое коэффициентом использования полезного объема печи (к.и.п.о. — м3/т в сутки).
Синтезом передовых технических решений в конструкции печи и технологии доменной плавки является домна объемом 5 тысяч кубических метров, задутая в 1974 году на “Криворожстали”.
Домна-гигант в Череповце уникальна. Производительность ее составляет более 4 миллионов тонн чугуна в год. Габариты тоже до сих пор невиданные: высота свыше 100 метров, диаметр горна 15 метров. Шихта подается непрерывно с помощью мощного конвейера. В течение одних только суток в огненное горнило печи будет поступать свыше 20 тысяч тонн железорудного сырья и топлива. Управление доменной печью максимально автоматизировано. Производственные процессы, начиная от загрузки руды до выдачи чугуна механизированы и автоматизированы.
Выпуск чугуна будут вести почти непрерывно — печь оборудуется четырьмя летками. Ритмично отгружать почти 13 тысяч тонн жидкого металла в сутки позволят уникальные по своей грузоподъемности 600-тонные чугуновозные миксеры. Подобные “термосы” для чугуна уже созданы производственным объединением “Новокраматорский машиностроительный завод” и действуют на Запсибе. Череповецкий металлургический комбинат также начал получать эти “термосы”.
Производительность труда обслуживающего персонала на комбинате будет на 25% выше, чем на действующих до сих пор домнах. Значительно улучшатся условия труда металлургов.
Опыт пуска и эксплуатации печей-гигантов будет определять целесообразность применения печей объемом 6000–8000 кубических метров.
В настоящее время сталь получают тремя способами: кислородно-конверторным, мартеновским и электросталеплавильным.
Мартеновскую сталь получают в пламенной регенеративной печи окислительной плавкой железосодержащих материалов. Металлическая завалка состоит из чугуна и стального лома. В процессе расплавляется шихта (стальной лом, чугун, руда, известняк), снижается в ней содержание углерода, кремния, марганца, удаляются нежелательные примеси (фосфор, сера) и вводятся необходимые элементы (легирование). Температура в печи должна обеспечивать жидкое состояние металла: к концу плавки она составляет не менее 1600° С. В связи с этим мартеновская печь имеет сложное устройство. Топливо используется в основном газообразное (смесь коксового и доменного газов, природный газ). Для интенсификации сжигания топлива воздух обогащают кислородом. Недостающий для окисления примесей чугуна кислород вносят в печь присадкой железной руды, окалины или его подают через фурмы.
Господствующее положение мартеновский процесс занимал с конца XIX и в первой половине XX века. С 60-х годов относительная доля мартеновской стали уменьшается, в середине 70-х годов она составляла около одной трети мирового производства; постепенно этот процесс уступает место кислородно-конверторному.
Кислородно-конверторный процесс получения стали является ровесником научно-технической революции. Суть его состоит в том, что продувку жидкого чугуна производят технически чистым кислородом сверху, при этом не требуется подвода тепла, ибо под воздействием дутья примеси чугуна (кремний, марганец, углерод и другие) окисляются с выделением тепла в значительном количестве, достаточном для проведения плавки. Применение кислородного дутья вместо воздушного (как это было в конверторах раньше) позволяет получать сталь с низким содержанием газов. При одном и том же качестве стали кислородно-конверторный процесс по сравнению с мартеновским более производителен и экономичен. Доля кислородно-конверторной стали в мировой выплавке постоянно растет.
При электросталеплавильном процессе происходит расплавление металлической шихты (чугун и стальной лом) и лишь небольшое рафинирование металла, в ходе которого из жидкой стали удаляются газы и другие нежелательные примеси. Удельный вес электростали в мировом производстве растет и составляет около 15%, однако при этом увеличиваются расход электроэнергии и стоимость продукта. Поэтому почти весь прирост выплавки стали во всех странах за последние десятилетия идет за счет кислородно-конверторного процесса. Популярность его объясняется более низкими капитальными затратами на строительство цехов по сравнению с сооружением мартеновских, высокой производительностью процесса и более низкими эксплуатационными расходами.
По мнению академика А.И. Целикова[5], по крайней мере на ближайшее десятилетие, для крупных объемов производства стали оптимальным вариантом будет являться конверторный цех с тремя агрегатами емкостью по 300–450 тонн. Такой цех может производить 12–14 миллионов тонн стали в год.
Основываясь на положительном опыте эксплуатации конверторов-великанов, спроектировали и построили два конвертора емкостью 400 тонн, пущенные в 1977 году на “Азовстали”. Такие конверторы устанавливают на Череповецком и Магнитогорском комбинатах.
Обратимся теперь к прокатному производству. В прокатном производстве происходит обработка металлов давлением путем обжатия между вращающимися валками прокатного стана для уменьшения сечения прокатываемого слитка или заготовки и придания им заданной формы — профиля. Из всех способов обработки давлением прокатка наиболее распространена благодаря непрерывности процесса, высокой его производительности и возможности получения самой разнообразной формы и улучшенного качества. Поэтому в развитых странах теперь большинство производимой стали перерабатывается в различные виды проката. Прокатанная продукция в виде сортовых гнутых и фасонных профилей, листов, рулонов, ленты, проволоки является основным исходным материалом в машиностроении, строительстве и других отраслях народного хозяйства.
Резюмируя в целом состояние традиционных процессов, отметим общую особенность их развития в наши дни. На современном этапе развития машинного производства характерно преобладание по удельному весу традиционной техники и технологии. Сейчас научный и технический прогресс проявляется в значительной степени в эволюции техники, основанной на старых, традиционных принципах. Производительность традиционной техники за последние 15 лет возросла в полтора раза и потенциал дальнейшего роста ее производительности близок к исчерпанию. В то же время, по оценкам экспертов, использование достижений НТР делает возможным повысить к концу XX века эффективность производства в 20–30 раз.
Здесь надо дать пояснение читателю об эволюционной и революционной стадиях развития технических средств, чтобы у него не создалось пренебрежительного отношения к эволюционной стадии как способу постепенного и медленного совершенствования техники. Обе стадии взаимосвязаны и необходимы. После появления всякого нового способа или агрегата революционного характера идет его дальнейшее совершенствование путем эволюционного развития, то есть постоянного улучшения. В металлургии это выражается в интенсификации и совершенствовании традиционных процессов, увеличении пропускной способности агрегатов и оборудования (отсюда увеличение их производительности, рост производительности труда), сокращении расходных коэффициентов сырья, материалов, топлива, энергии, улучшении качества продукции.
В этой главе рассмотрены не все резервы ускорения традиционных процессов. В частности, ничего не говорилось об автоматизации. Что же она может дать современной металлургии в ее нынешних процессах? Какими возможностями вообще она обладает в данной отрасли?
Автоматизацию называют одним из важнейших направлений повышения эффективности производства. В период НТР она должна привести к многократному увеличению производительности установок. Например, обновление оборудования в области машиностроения в условиях НТР, выразившееся в появлении станков с числовым программным управлением, приводит к повышению производительности новых станков[6].
Автоматизация в металлургии сейчас практически проникает во все переделы. Доменное производство имеет автоматизированную систему загрузки материалов, выполняющую заданную программу работы всех загрузочных механизмов. На печи автоматически регулируются температура и влажность дутья, давление газа на колошнике и др. На Череповецком металлургическом комбинате внедрен автоматический контроль газораспределения в шахте доменной печи. На Западно-Сибирском комбинате работает цифровая система автоматического управления набором шихты при конвейерной загрузке печи.
В СССР и за рубежом все вновь строящиеся и большая часть действующих высокопроизводительных сталеплавильных цехов оснащаются автоматизированными системами управления. На передовых предприятиях, таких как “Азовсталь”, Новолипецкий и Череповецкий металлургические комбинаты, создаются многофункциональные иерархические системы, охватывающие весь объем задач управления производством и технологией. Широкое распространение АСУ объясняется их большими возможностями повышения производительности труда и увеличения выхода годного вследствие роста качества труда.
В прокатных цехах на нагревательных колодцах обжимных станов установлены местные системы автоматизации нагрева, транспортировки и управления резкой слитков. Программные автоматические устройства обеспечивают требуемую последовательность работы рольгангов и других транспортных механизмов, подающих металл к валкам клетей, ножницам, пилам, холодильникам. Широко внедряются системы автоматического рационального раскроя проката с применением специализированных ЭВМ.
Автоматизация также позволяет решить ряд социальных задач — улучшает условия труда, изменяет социальный состав трудящихся в отрасли, труд малоквалифицированных работников уступает место труду высококвалифицированных специалистов, уменьшается число рабочих мест с тяжелыми условиями труда, работа металлургов становится более привлекательной. К примеру, при уровне механизации доменных цехов, характерном для 20–30-х годов, обслуживание печи объемом 3200 кубических метров потребовало бы 2500 человек только на подаче и загрузке шихтовых материалов и уборке продуктов плавки.
Несмотря на рост количества ЭВМ в металлургическом производстве у нас и за рубежом, в последние годы металлурги стали смотреть более трезво на возможности автоматизации агрегатов. Когда-то, в эпоху кибернетического бума, казалось сравнительно легким, а главное возможным автоматизировать любые агрегаты. Стоит лишь оснастить их достаточным количеством быстродействующих машин — и все проблемы решены. На практике дело оказалось сложнее. Приходится более углубленно изучать особенности использования вычислительной техники на заводах, памятуя о том, что… “каждый раз, когда автоматизация в том или ином случае достигает уровня применения управляющих машин… данная отрасль промышленности, транспорта, сельского хозяйства или другой какой-либо сферы человеческой деятельности захвачена научно-технической революцией”[7].
Главное в том, что автоматизация в традиционной металлургии затрудняется смешанным характером производства — здесь мы сталкиваемся с непрерывными, цикличными и дискретными (прерывистыми) процессами. Исходя из интересов технологии, включающей непрерывные процессы, металлургия развивается в направлении максимального увеличения единичной мощности рабочих машин (станов) и агрегатов (печей), а с точки зрения технологии, имеющей дискретные процессы, — в направлении роста номенклатуры, повышения гибкости процессов и оборудования при относительно малом увеличении его мощности.
Недостаточное изучение металлургических процессов, представляющих собой сложный комплекс химических и физических явлений, снижает эффективность от использования ЭВМ. Выход из положения лежит на пути лучшего изучения процессов, углубления теории автоматизации, в создании так называемого эвристического программирования, когда учитываются индивидуальные особенности каждой решаемой задачи, ранее приобретенный опыт. Достижения на этом пути приведут к более эффективному использованию традиционных процессов. И все-таки их дискретность и цикличность едва ли позволит достичь результатов, соизмеримых с достижениями автоматизации в машиностроении (многократное увеличение производительности агрегатов). Традиционные процессы имеют свой предел. Путь к его преодолению — переход на новые технологические основы, позволяющие вести прямое и непрерывное получение металла.
