Научно-технический прогресс в черной металлургии Японии

Технический прогресс в черной металлургии Японии в последние несколько десятилетий выражался главным образом в использовании крупных доменных печей, кислородно-конвертерного процесса, непрерывной разливки стали, во внедрении автоматически регулируемых, непрерывных и скоростных процессов прокатки, непрерывной термообработки (закалки толстолистовой и непрерывного отжига тонколистовой стали) и систем автоматического регулирования работы всего металлургического предприятия.

В области производства чугуна для достижения минимальных затрат основной упор сделан на экономный расход кокса, подготовку сырых материалов к плавке, укрупнение доменных печей и улучшение технологии доменной плавки.

В производстве кокса (основанном на переработке коксующихся углей из США) осуществляется весьма широкий комплекс технологических мероприятий, направленных на экономное использование коксующегося угля: оптимизация состава угольной шихты для коксования, предварительная обработка коксующихся углей, производство кокса с брикетированием угольной шихты, предварительное обезвоживание и нагрев угля для коксования, производство формованного кокса (из некоксующихся углей).

В процессе подготовки железной руды к плавке производят гранулирование железорудных материалов и их сортировку на классы по крупности, усреднение железных руд с целью достижения их равномерного качества, офлюсованный агломерат на базе мелкокусковых руд и другие операции^*.

^* ("Transactions of Iron and Steel Institute of Japan". 1980, № 2, с. 124-134.)

В доменном производстве реализуется особенно широкий комплекс мер, обеспечивающий повышение его эффективности: использование комбинированного дутья (обогащение дутья кислородом, нагрев дутья до высоких температур, регулирование содержания влаги, вдувание топлива); работа на высоком и сверхвысоком давлении под колошником от 1-1,5 до 2,5-3,0 ати; регулирование уровня и профиля шихты; использование подвижного защитного сегмента на колошнике; увеличение доли агломерата и окатышей в шихте; повышение интенсивности доменной плавки (меры по предотвращению выхода из строя фурм); внедрение средств контроля и регулирования хода плавки, включая использование для этой цели ЭВМ; исследование хода доменного процесса (теоретические и экспериментальные исследования распределения газового потока в печи и математическое моделирование происходящих в ней физико-химических явлений)^*.

^* ("Transactions of Iron and Steer Institute of Japan". 1981, № 2, с. 75-91.)

В производстве кокса, в отличие от других промышленно развитых стран, Япония располагает самым молодым печным фондом - возраст 63% коксовых батарей не превышает 10 лет (в США эта доля составляет 29,4%, в ФРГ - 23,9%). При новом строительстве и реконструкции объектов коксохимического производства внимание японских специалистов направляется на повышение единичной мощности коксовых батарей и цехов улавливания химических продуктов коксования, на интенсификацию процесса коксования и расширение его сырьевой базы, автоматизацию процессов и механизацию ручного труда, на уменьшение вредных выбросов в окружающую среду. В стране освоен выпуск нового оборудования для бездымной загрузки коксовых печей, отсоса пыли и газа при выдаче кокса, очистки выбросов, образующихся при мокром тушении кокса, внедрены сухое тушение кокса, впервые разработанное в СССР, и загрузка коксовых печей термически подготовленной шихтой.

В Японии находятся в эксплуатации самые мощные в мире коксовые печи. Так, на металлургическом заводе фирмы "Ниппон кокан" в Огисима работают две коксовые батареи с печами высотой по 7,55 м и полезным объемом 52,5 куб. м. Производительность батареи из 124 таких печей достигает 1,5 млн. т кокса в год. Полезный объем крупнейших коксовых печей в США составляет 39 куб. м, в ФРГ - 46,3, во Франции - 48 куб. м^*. В условиях постоянно растущего дефицита коксующегося угля в Японии в последние годы внедрены и получают дальнейшее развитие новые способы подготовки угольной шихты к коксованию, обеспечивающие расширение сырьевой базы процесса. В частности, используется термическая подготовка угольной шихты к коксованию. Такая подготовка способствует улучшению спекаемости шихты, позволяет увеличить долю слабоспекающихся и неспекающихся углей в шихте без ухудшения качества получаемого кокса. Кроме того, в результате сокращения периода коксования и повышения плотности загружаемой шихты производительность коксовых печей повышается на 30-35%. Все больше внимания уделяют в Японии и различным процессам производства формованного кокса из некоксующихся углей и производству угольных брикетов с применением связок из вакуумных остатков нефти. В настоящее время мощность установок по производству угольных брикетов в Японии составляет 20,9 тыс. т/сут. При использовании этой технологии можно заменить 20-30% коксовой шихты некоксующимся углем.

^* ("Stahl und Eisen". 1980, № 17, с 982.)

В Японии разработаны два технологических процесса, производства формованного кокса (процессы КМР и ДКС). При использовании процесса КМР уголь формуется в горячем состоянии без связки. В процессе ДКС смесь, состоящая на 70% из некоксующихся углей, 20% коксующегося угля и 10% связки, формуется в холодном состоянии при температуре около 90°С.

По мнению японских специалистов, при сокращении расхода кокса на 10% и использовании в шихте для обычного коксования 20% некоксующихся углей в ближайшие 10 лет производство чугуна в стране могло бы возрасти почти на 30% при тех же ресурсах коксующегося угля^*.

^* ("Japan Steel Bulletin". 1982, № 3, с. 1-8.)

Помимо металлургического кокса в Японии производится около 5 млн. т газового кокса, в том числе: на металлургических заводах - 77%, на заводах газовой промышленности - 12, на самостоятельных коксохимических заводах - 11%.

В Японии вне доменного производства расходуется около 25% вырабатываемого в стране кокса (включая металлургический, газовый и коксовую мелочь). Однако если учитывать только металлургический кокс, то доля доменного производства в общем потреблении этого вида топлива достигает около 90%.

В дальнейшем прогресс в коксохимическом производстве Японии будет осуществляться, по нашему мнению, преимущественно путем совершенствования существующих процессов, включая увеличение размеров коксовых печей, повышение скорости коксования, развитие сухого тушения кокса, термической подготовки шихты, дифференцированного измельчения углей, гранулирования и брикетирования угольной части шихты.

Будут широко внедряться новые методы непрерывного слоевого коксования и получения формованного кокса, поддающиеся автоматизации и решающие задачи улучшения условий труда и защиты окружающей среды от загрязнения.

Большое значение для черной металлургии имеет подготовка шихты к плавке. В Японии уделяют большое внимание улучшению качества офлюсованного агломерата, доля которого в доменной шихте в настоящее время превышает 80%. С этой целью неуклонно увеличивают мощность агломерационных машин. Производительность этих машин доведена до 38 т/сут. кв. м при снижении расхода коксовой мелочи до 50 кг/т агломерата^*.

^* ("Nippon Steel Technical Report Overseas". 1977, № 10, с. 3-26.)

Как уже упоминалось, в Японии эксплуатируются самые мощные в мире доменные печи. Увеличение объема доменных печей в Японии осуществлялось постепенно. В 1964-1967 гг. преимущественно вводили в действие доменные печи объемом 2000-2500 куб. м, в 1967-1970 гг.- 2500-3000, в 1970-1971 гг.- 3000-4000, в 1972-1973 гг.- 4000-4600 и в 1975-1980 гг.- 4600-5070 куб. м.

В настоящее время из имеющихся в Японии 66 доменных пе-чей 39 печей имеют объем более 2000 куб. м (59%), в том числе 15 печей (22,7%) - свыше 4000 куб. м. Небезынтересно отменить, что во всем мире работает только 21 доменная печь объемом свыше 4000 куб. м^*. Причем ввод в эксплуатацию доменных печей большого объема в Японии продолжается. Так, на заводе фирмы "Ниппон кокан" в Огисима работает доменная печь внутренним объемом 4052 куб. м и проектной производительностью 8 тыс. т/сут.

^* ("Transactions of Iron and Steel Institute of Japan", 1980, № 5, с. 338-352.)

С вводом новых мощных доменных печей прекращается эксплуатация малых и устаревших доменных печей. Так, за последние несколько лет выведены из эксплуатации четыре доменные печи. В результате строительства крупных и вывода малых доменных печей постоянно увеличивается средний объем доменных печей: если в 1975 г. он составлял 2122 куб. м, в 1977 г.- 2318, в 1978 г.- 2416, то в настоящее время превышает 2500 куб. м. В Японии широко практикуется реконструкция печей с увеличением объема, усовершенствованием конструкции и оборудования. При этом капитальные затраты ниже, чем при строительстве новых печей. Так, на заводе в Нагоя при реконструкции объем печи возрос с 2518 до 3890 куб. м, а на заводе в Касима - с 3160 до 3680 куб. м.

В Японии большое число доменных печей работает с высокой температурой дутья, что приводит к повышению производительности этих печей и снижению расхода кокса. В частности, широкое распространение получили воздухонагреватели с выносной камерой горения (конструкции западногерманских фирм "Дидье", "Мартин - Пагенштехер" и "Копперс"), которые имеют высокие эксплуатационные характеристики. Они нагревают за 1 час более 0,5 млн. куб. м воздуха до температуры 1350°С. На доменной печи № 2 завода фирмы "Ниппон кокан" в Огисима намечено установить впервые в мире систему использования тепла отходящих от воздухонагревателей газов. Ожидается, что при этом эффективность воздухонагревателей повысится на 4-5% и можно будет сэкономить до 20-25 тыс. ккал/т чугуна тепла и сократить расход топлива на обогрев воздухонагревателей^*.

^* ("Тэккокай". 1979, № 11, с. 68-74.)

В Японии на ряде мощных доменных печей установлены бесконусные загрузочные устройства, позволяющие отказаться от применения таких крупных стальных отливок, как конусы, и обеспечить необходимое радиальное распределение шихтовых материалов. При этом появляется возможность изменения угла наклона вращающегося желоба, который установлен на колошнике доменной печи, а тем самым и внесения коррективов в распределение гранулометрического состава шихты в радиальном направлении. При надлежащем выборе числа оборотов желоба можно избежать неравномерности гранулометрического состава и по окружности. Это открывает дополнительные перспективы снижения расхода топлива и повышения производительности печи.

Результаты эксплуатации доменных печей с бесконусным загрузочным устройством показали, что они обеспечивают ровную работу доменной печи, устраняют осадки и зависание шихты. Из-за меньшей высоты падения шихты и сокращения количества мелочи уменьшаются сегрегация материалов и вынос колошниковой пыли, улучшается газопроницаемость шихты. Бесконусные загрузочные устройства позволяют реализовать практически любые варианты распределения шихтовых материалов на колошнике при соблюдении герметичности печи. Поэтому такие загрузочные устройства будут устанавливать на ряде новых и реконструируемых доменных печей.

Лицензии на проектирование, изготовление и продажу бесконусного загрузочного устройства приобретены различными японскими фирмами: "Кавасаки сэйтэцу", "Син ниппон сэйтэцу" и др. Усовершенствованные фирмой "Исикавадзима - Харима дзюкогё" бесконусные загрузочные устройства установлены более чем на 20 крупных доменных печах в различных странах^*.

^* ("Transactions of Iron and Steel Institute of Japan". 1981, № 2, с. 75-91.)

Одним из основных направлений развития доменного производства в Японии является автоматизация производственных процессов. Наибольшие успехи достигнуты в разработке и внедрении систем автоматического управления транспортированием, дозированием и загрузкой шихтовых материалов. Ведутся работы по созданию и внедрению средств автоматического контроля влажности шихтовых материалов, автоматизированных систем управления тепловым состоянием доменного процесса, работой воздухонагревателей, автоматизированных замкнутых систем контроля и управления газораспределением и др.

Развитие технологии выплавки чугуна в Японии идет по пути интенсификации процесса плавки в результате применения высококачественного подготовленного сырья, вдувания различного дополнительного топлива, использования высокотемпературного дутья, осушенного и обогащенного кислородом, и применения повышенного давления газа на колошнике.

В настоящее время в Японии большое внимание уделяется стабилизации агломерата, и прежде всего использованию офлюсованных окатышей. Увеличение их доли в шихте на каждый 1% позволяет добиваться снижения расхода кокса на 0,25% и в то же время повышать производительность работы доменной печи на 0,18%. Преимущества окатышей заключаются также в хорошей транспортабельности на большие расстояния без разрушения и возможности хранения.

Высокие показатели доменной плавки на офлюсованных окатышах получены на заводах фирмы "Кобэ сэйко". Получение высококачественных офлюсованных окатышей при строгом контроле их металлургических свойств позволило провести опытные плавки на доменной печи № 1 в Какогава с содержанием окатышей до 85%^*. В целом же доля окатышей в шихте доменных печей в Японии колеблется от 10 до 40%, иногда от 50 до 80%.

^* ("Transactions of Iron and Steel Institute of Japan". 1980, № 2 с. 124-134; № 4, с. 254-273.)

В Японии проведены плавки на формованном коксе на доменной печи внутренним объемом 2797 куб. м завода фирмы "Син ниппон сэйтэцу" в Сакаи. При использовании в шихте формованного кокса удельная производительность печи увеличилась с 2,01 до 2,04 т/куб. м в сутки, а удельный расход кокса повысился с 483 до 486 кг/т чугуна при замене 50% обычного кокса формованным. Опыт промышленной эксплуатации под. твердил полную пригодность кокса из частично брикетированной шихты для современных доменных печей. Такой кокс успешно применяется в шихте доменных печей объемом 4140 куб. м в Тобата, 4080 и 5050 куб. м в Касима.

В последние годы в японских металлургических компаниях получило распространение использование осушенного дутья. Уменьшение влажности дутья на 10 г/куб. м соответствует снижению удельного расхода кокса на 5-8 кг/т. Хотя экономический эффект неодинаков ввиду сложного сочетания различных факторов, затраты на осушительные установки могут окупиться за три-четыре года.

Первая установка по осушению дутья была пущена на печи № 4 завода фирмы "Син ниппон сэйтэцу" в Хирохата. Стабильная влажность дутья поддерживается на 20 доменных печах Японии. Применение осушенного дутья обеспечивает повышение (примерно на 50°С) и стабилизацию температуры горения перед фурмами доменной печи, снижение температуры колошников газа, стабилизацию химического состава чугуна, снижение расхода кокса. Установка на заводе в Хирохата обеспечивает постоянную влажность дутья 5-6 г/куб. см, в Оита (зимой) - 1 г/куб. м^*.

^* ("Transactions of Iron and Steel Institute of Japan". 1982, № 4 с. 297-312.)

Наиболее передовая технология широко применяется и в сталеплавильном производстве Японии. Так, на долю кислородно-конвертерного процесса приходится около 80% всего объема выплавки стали. В настоящее время средняя продолжительность продувки в кислородных конвертерах составляет 12 мин., а плавки - 28 мин. Плавки осуществляются на шихте со средней долей чугуна 90% и максимальной более 93%, что, впрочем, нельзя признать рациональным с точки зрения теплового баланса, и связано с дефицитом охладителя конверторной плавки-железо-стального лома. Для обеспечения стабильности конверторной плавки используются системы регулирования на базе ЭВМ. Если ранее для управления конверторной плавкой использовались статические модели для контроля объема вдуваемого кислорода, то в настоящее время широкое применение получили динамические модели управления плавкой в зависимости от объема отходящих газов и их химического состава, температуры расплава и содержания в нем углерода.

Обычный кислородно-конвертерный процесс совершенствуется в таких направлениях, как уменьшение потерь железа со шлаком путем снижения содержания кислорода в ванне, особенно при выплавке низкоуглеродистых сталей; повышение степени дефосфорации и десульфурации металла; снижение потенциалов содержания газов (водорода и кислорода) в стали в конце рафинирования. Для этого наряду с подачей кислорода сверху через днище конвертера вдуваются различные газы, обеспечивающие улучшение перемешивания и улучшающие кинетику процесса^*.

^* ("Тэцу то хаганэ". 1980, № 4, с. 241.)

Примером технических новшеств в области конвертерного производства стали является оборудованный вращающейся верхней фурмой конвертер емкостью 250 т на заводе в Огисима ("Ниппон кокан"). Фурма движется по образующей конуса, при этом нижний конец ее (головка) описывает окружность (скорость вращения 0,1-5 об/мин). В сравнении с обычным процессом достигается увеличение выхода годного на 0,5%. Время продувки сокращается, ускоряются реакции десульфурации и дефосфорации. В шлаке меньше окислов железа, а содержание марганца в металле в послепродувочный период увеличивается на 0,05%.

В цехе № 3 завода фирмы "Кавасаки сэйтэцу" (Тиба) на двух 240-тонных конвертерах с донной продувкой внедрена технология выпуска металла сразу по окончании продувки, без отбора проб и ожидания анализа. В основе этой технологии лежит использование измерительного зонда для контроля за содержанием углерода и температурой металла, регулирование параметров плавки с помощью ЭВМ по детально разработанным программам. Строгая регламентация технологического режима позволила довести количество плавок, на которых без повалки конвертеров получаются заданные содержание углерода и температура металла, до 97,7%, а в отдельные периоды - до 98,8%. Существенно улучшилась служба огнеупоров; максимальная стойкость днищ составила 1750 плавок, футеровки стен - 3692 плавки^*.

^* ("Iron and Steel Engineer". 1979, № 11, с. 43-47.)

Специальные и другие высококачественные стали производились ранее в электропечах, но в настоящее время эти же стали в Японии выплавляются и в кислородных конвертерах, причем достигнуты очень хорошие результаты при выплавке высокоуглеродистых и низколегированных сталей, а также нержавеющих сталей, особенно при комбинировании кислородно-конвертерной плавки с внепечной десульфурацией чугуна и применением вакуумирования стали^*.

^* ("Transactions of Iron and Steel Institute of Japan". 1982, № 4 с. 297-312.)

Доля электростали в общей выплавке стали в Японии составляет около 20%. Основными особенностями развития электросталеплавильного производства в Японии являются: увеличение емкости плавильных агрегатов, повышение удельной мощности печных трансформаторов и использование в связи с этим отдельных водоохлаждаемых элементов печей, специализация печей и цехов, расширение способов внепечного рафинирования стали, использование для разливки металла машин непрерывного литья заготовок.

Успешно эксплуатируются крупные электрические печи с высокой удельной мощностью печных трансформаторов, использующие высококачественные электроды. Продолжительность плавки в таких печах не превышает 2,5-3 часов, а плавка стали широкого марочного сортамента осуществляется под одним шлаком, с сокращенным восстановительным периодом. При этом требуемое качество по сере и фосфору достигается за счет вдувания пылевидной извести в ванну, а по газам, неметаллическим включениям и химическому составу - за счет внепечного вакуумирования стали.

Японские фирмы намечают изменить технологию электро-плавки в крупных дуговых печах. Эти агрегаты будут использоваться преимущественно для расплавления шихты и проведения некоторых окислительных процессов, в том числе дефосфорации. Операции восстановительного характера - десульфурации, раскисления, рафинирования и частичного легирования металла - будут осуществляться вне сталеплавильных аппаратов в ковше, В перспективе внепечная обработка стали явится основным направлением в развитии теории и практики производства высококачественного металла в большегрузных дуговых печах^*.

^* ("Steel Times International". 1982, № 3, c. 23; "Transactions of Iron and Steel Institute of Japan". 1982, № 4, с. 297-312.)

В настоящее время в Японии проводятся исследования по применению метода электрошлакового переплава, вакуумно-индукционного и дугового переплава, а также плазменно-дугового переплава для получения сталей с особыми свойствами.

Широкое распространение в Японии получили процессы ковшовой металлургии, к которым относятся процессы внедоменной десульфурации чугуна и внепечной обработки стали.

Методы внедоменной десульфурации, используемые в японской черной металлургии, включают в себя: встряхивание в ковше, перемешивание, вдувание реагентов, продувку газом и перемешивание, десульфурацию окисью магния, метод рециркуляции с подачей пузырьков и перемешиванием.

Во внепечной обработке стали используются методы вакуумной разливки, ковшового вакуумирования, вакуумирования струи при выпуске металла в ковш, циркуляционного вакуумирования, продувки нейтральными газами в ковше, аргоно-кислородное перемешивание в конвертере (процесс АОД) и т. д. В Японии в настоящее время уже работает 10 конвертеров АОД. Черная металлургия Японии играет лидирующую роль в мире по применению непрерывного литья стали. Внедрение непрерывного литья в практику сталеплавильного производства явилось одним из важнейших направлений в развитии черной металлургии этой страны. Указанный способ получения заготовок радикально изменил технологию и организацию разливки металла. Он позволил значительно сократить производственный цикл, создал широкие возможности для полной механизации и автоматизации одной из трудоемких операций металлургического производства. Это повлекло за собой сокращение объема капиталовложений и эксплуатационных затрат, более рациональное использование заводской территории, упрощение потока материалов, значительное сокращение отходов металла и экономию на затратах труда. Качество заготовок из большинства марок стали, разливаемой этим методом, превосходит по качеству заготовки, получаемые при разливке в слитки.

Другим преимуществом непрерывного литья стали является уменьшение расхода жидкого металла на тонну литой заготовки за счет уменьшения головной и донной обрезки при разливке и прокатке, а также за счет сокращения отходов при зачистке поверхностных дефектов. При использовании непрерывного литья выход годной заготовки, по различным данным, составляет 96-98% для блюмов и 94-97% для слябов, причем в случае работы в действительно непрерывном режиме, т. е. методом "плавка на плавку", выход годного может достичь 98,5%. В среднем по сравнению с обычным процессом разливки стали на слитки выход годного металла при непрерывной разливке увеличивается на 10-12%. Немаловажным достоинством технологии непрерывной разливки является экономия энергии.

В 1980 г. доля стали, разливаемой непрерывным способом в Японии, составила 63,2%, а после завершения строительства сооружаемых в настоящее время установок достигнет 70% (для сравнения: в США эта доля не превышает 20%). В Японии работает свыше 160 машин непрерывного литья. Это позволило сократить расход стали на прокат до 1080 кг/т, что приблизительно на 120 кг/т меньше, чем в США, ФРГ и Франции.

Постоянно повышаются в Японии и технический уровень производства проката, и производительность прокатных станов путем внедрения непрерывных процессов, повышения качества оборудования, применения измерительно-регулирующих систем, вычислительной техники, а также улучшения организации труда. Создается возможность увеличения точности размеров, выхода годного, поддержания равномерных условий деформации. Эти тенденции в прокатном производстве обусловливают высокую степень оснащенности прокатных цехов современным оборудованием для прокатки и отделки.

Развитие линий контроля и зачистки происходит в основном в двух направлениях. С одной стороны, внедряются системы, сочетающие визуальный контроль поверхности с механизированной зачисткой плоских заготовок. С другой стороны, создаются механизированные и автоматизированные линии зачистки с управлением от ЭВМ по принципу объективного контроля поверхности, точного определения глубины залегания дефектов и передачи необходимой информации ЭВМ.

В связи с потребностью машиностроения и строительства в Японии непрерывно расширяется производство толстого листа, его прирост превышает общий прирост производства проката, постоянно увеличивается и доля толстого листа в общем объеме производства проката.

Значительно возросли требования потребителей к качеству толстолистового проката в отношении улучшения свариваемости и повышения предела текучести судостроительного листа и листа для металлоконструкций и трубопроводов. Ужесточены так же требования к точности размеров и формы листа, к качеству поверхности. Все это служит дополнительным стимулом к развитию производства толстолистового проката. Так, для выполнения требований к качеству металла были разработаны стали новых марок и внедрен процесс контролируемой прокатки. Последний позволяет повысить прочность и ударную вязкость толстолистового проката путем создания мелкозернистой структуры металла и использования надлежащих графиков горячей прокатки. Для достижения точности формы, размеров листа и его планшетности были разработаны системы автоматического регулирования толщины и ширины листа, а также противоизгиба валков. Кроме того, созданы новые конструкции правильных машин и ножниц поперечной резки.

В производстве горячекатаного тонкого листа в Японии широко используются станы "тандем" с увеличенной скоростью прокатки, автоматический контроль планшетности и толщины листа, регулирование температуры смотки рулонов с использованием водяного струйного охлаждения.

В производстве горячекатаной полосы в настоящее время применяются в основном станы трех типов: полунепрерывные и полностью непрерывные, а также непрерывные на три четверти. В Японии предпочтение отдается последнему типу станов, которые сочетают в себе преимущества полунепрерывных и непрерывных станов и имеют равную с непрерывными станами производительность.

Значительную долю (25-30%) в производстве листового проката занимает холоднокатаная листовая и полосовая сталь. Высокую долю в потреблении этого вида проката составляет листовая и полосовая сталь с отделкой поверхности (27%).

Снижение стоимости холоднокатаной полосы, повышение производительности при ее изготовлении достигаются при объединении отдельных агрегатов (для электролитической очистки, отжига, охлаждения, дрессировки и контроля) в единую непрерывную технологическую линию. В настоящее время такие линии используются японскими фирмами "Син ниппон сэйтэцу" и "Ниппон кокан".

Другим примером единой непрерывной линии является совмещение травильного агрегата со станами бесконечной прокатки. В Японии работает один стан бесконечной прокатки. Этот стан по сравнению с непрерывным является более производительным, обеспечивает более высокую точность прокатываемой полосы, а также характеризуется значительным сокращением (на 50%) числа обслуживающего персонала.

В связи с тем что строительство новых станов холодной прокатки сопровождается постоянно возрастающими затратами, в Японии стремятся реконструировать имеющиеся станы. При затратах относительно малых средств на реконструкцию можно достичь таких же параметров, как и на новейших станах. Расчеты показали, что капитальные затраты на реконструкцию стана холодной прокатки почти в 2 раза меньше, чем на строительство нового прокатного стана^*.

^* ("Iron and Steel Engineer". 1975, № 8, с. 35-39.)

В Японии продолжается внедрение прогрессивных процессов прокатки. Так, в 1981 г. был разработан процесс черновой прокатки в некалиброванных валках квадратных и круглых заготовок, получил широкое распространение процесс прокатки с применением переменных выпуклых профилей валка, было налажено производство нержавеющих труб, освоено одностороннее нанесение покрытия расплавленным цинком и т. д^*.

^* ("Transactions of Iron and Steel Institute of Japan". 1980, № 5, c. 338-352.)

В области производства сортового проката намечается расширение сортамента экономичных фасонных профилей, в том числе профилей высокой точности, периодических, специальных профилей, организация производства сортового проката в тяжелых бунтах, высококачественной катанки, гнутых профилей с антикоррозионными покрытиями. Должна быть значительно увеличена доля термообработанного проката, как листового, так и сортового.

В связи с расширением выпуска листового проката особое внимание в Японии уделяется установке высокопроизводительных широкополосных листовых станов, а также станов холодной прокатки с более высокими технологическими параметрами по сравнению с действующими и комплексной автоматизацией, обеспечивающей контроль и управление процессом от подачи исходного металла в агрегаты до выдачи готовой продукции.

Для черной металлургии Японии характерна высокая эффективность топливо- и энергосберегающих мероприятий. Это обусловливает необходимость рассмотреть данный вопрос несколько более подробно.

Большое внимание уделяется снижению расхода кокса в доменном производстве, на долю которого приходится более 53% потребляемого черной металлургией топлива. Мероприятия, направленные на сокращение расхода топлива в доменном производстве, могут быть объединены в следующие три группы: 1) снижение теплопотребности процесса (уменьшение количества шлака в печи и известняка в шихте); 2) повышение эффективности протекания реакций в доменной печи (улучшение использования восстановительных газов и восстановимости шихтовых материалов); 3) увеличение расхода дополнительного тепла.

С точки зрения экономии энергии в Японии серьезное значение придают получению и подготовке шихтовых материалов, однородных по гранулометрическому составу и стабильных по химическому составу. Диапазоны колебаний по содержанию железа редко превышают 0,2%, а содержание мелочи до 5 мм составляет менее 5%.

Активно проводятся топливо- и энергосберегающие мероприятия и на следующем (после доменного) этапе металлургического производства - в сталеплавлении.

Среди технологических факторов, которые способствуют снижению удельных расходов топлива и кокса на 1 т чугуна, следует отметить сравнительно высокую среднюю температуру дутья (1114°С в 1978 г.), низкие влажность дутья (17,4 г/куб. м) и выход шлака (300 кг/т), высокое давление газа на колошнике (1,34 ати), обогащение дутья кислородом (содержание кислорода в дутье 23,51%), высокий коэффициент использования оборудования за вычетом простоев (95,4%).

Значительная экономия энергии в Японии достигается, как уже говорилось, в результате широкого применения непрерывного литья стали. В первую очередь применение непрерывной разливки позволяет устранить расход топлива в нагревательных колодцах. Так, на заводе в Кимицу внедрение непрерывной разливки позволило по сравнению с производством катаных слябов снизить расход мазута с 24,4 до 4,5 кг/т. Благодаря устранению операций нагрева слитков в нагревательных колодцах и их последующего обжатия на обжимных станах, блюминге или слябинге энергетические затраты на производство литой заготовки снижаются на 15%.

Энергетические затраты на производство заготовки снижаются при непрерывной разливке по сравнению с использованием блюмингов или слябингов почти в 3 раза. Если учесть более высокий выход годного при непрерывной разливке, то достигаемая экономия энергии значительно больше, что связано с повышением качества и расширением сортамента металлопроката.

Для снижения расхода топлива и улучшения нагрева регенеративные нагревательные колодцы заменяют в Японии колодцами с верхним двусторонним обогревом, снабженными воздушными рекуператорами, и колодцами с односторонним верхним обогревом.

Наряду с модернизацией нагревательных колодцев принимаются и другие меры по рационализации нагрева слитков, включая использование систем автоматического контроля с применением ЭВМ, оптимизацию режима нагрева, сокращение продолжительности пребывания слитков на разливочных тележках и т. д.

К числу мероприятий, которые осуществляются в Японии для снижения затрат электроэнергии в электропечах, относятся повышение качества электродов в результате совершенствования технологии их изготовления, увеличение емкости и мощности печей, вдувание кислорода в ванну электропечей.

Расход электроэнергии в Японии за последние 15 лет увеличился с 26 до 28 кВт х ч/т обжатой заготовки в связи с заменой реверсивных станов (с двигателями мощностью по 5 тыс. кВт). Для снижения расхода электроэнергии начато широкое применение тиристорных преобразователей. Но из-за увеличения веса слитков и расширения марочного сортамента сталей расход электроэнергии все же повышается.

На расход топлива на обжимных станах оказывает влияние то обстоятельство, что на более 80% обжимных станов в Японии применяется огневая зачистка. Для экономии на обжимных станах топлива и энергии в Японии намечается увеличить степень использования тепла слитков путем снижения продолжительности пребывания слитков на разливочных тележках; повысить эффективность сжигания топлива, оптимизировав с применением ЭВМ контроль подачи тепла, а также теплоту сгорания газовой смеси и контроль ее состава с применением расходомеров специальной конструкции; сократить продолжительность нагрева слябов при огневой зачистке и использовать тепло слябов, используя горячие всады и совмещенную прокатку.

В сортопрокатном производстве намечается снизить расход топлива также путем применения горячих всадов и совмещенной прокатки, а также предотвращения присосов холодного воздуха через заслонки и синхронизации работы печей и станов.

При изготовлении толстого листа увеличение расхода топлива связано с применением крупных нагревательных печей и печей с шагающим подом. Для экономии топлива в нагревательных печах осуществляют модернизацию оборудования, в том числе: применяют футерованные глиссажные трубы, двойную теплоизоляцию глиссажных труб, совершенствуют технологию нагрева и улучшают контроль сжигания топлива с использованием для этой цели системы автоматизации с ЭВМ.

В Японии большое внимание уделяют утилизации вторичных тепловых энергетических ресурсов. Подсчитано, что теплопотери в черной металлургии в настоящее время составляют около 40%, из этого количества потери с охлаждающей водой составляют 33,8%, с отходящими газами - 18,9, с побочными газами - 7, с основной продукцией - 31,8, со шлаком - 7,3, прочие потери - 1,2%^*.

^* ("Technocrat". 1978, № 3, с. 11-17.)

Для утилизации вторичных ресурсов в настоящее время используются рекуператоры на воздухонагревателях, нагревательных колодцах и печах, термических печах; котлы-утилизаторы на нагревательных печах; системы утилизации доменного, коксового и конвертерного газов; системы утилизации физического тепла отходящих газов; установки сухого тушения кокса и т. д.

Кроме того, начато использование на базе опыта СССР газовых утилизационных бескомпрессорных турбин (ГУБТ) для выработки электрической энергии за счет кинетической энергии Доменного газа. В Японии в настоящее время работает 23 ГУБТ, из которых 8 были сооружены в 1979 г. Производительность одной из этих турбин составила около 15 млн. кВт-ч/месяц.

В Японии, где широко используется тушение кокса водой, все большее распространение получает новый процесс сухого тушения кокса, разработанный в СССР. При осуществлении этого процесса горячий кокс тушится и охлаждается в закрытой камере с использованием циркулирующего инертного газа. За счет выработки пара в результате утилизации тепла нагрева кокса обеспечивается экономия тепловой энергии в объеме 329 тыс. ккал/т кокса. В настоящее время в Японии разработан новый вариант сухого тушения в установке с кольцевой решеткой. В этой установке кокс распределяется равномерно по решетке, благодаря отсутствию перемещений его кусков относительно друг друга обеспечивается равномерное и быстрое тушение кокса при относительно незначительном образовании коксовой мелочи^*.

^* ("Technocrat". 1978, № 3, с. 11-38.)

В Японии интенсивно проводятся исследования возможности утилизации различных, ранее не использовавшихся тепловых вторичных энергетических ресурсов на металлургических заводах. В частности, исследуется возможность утилизации тепла нагрева металлургической продукции, расплавленного шлака и вторичных газов (доменного, коксового, агломерационного и конвертерного). Несмотря на то что основной технологической проблемой считается создание надлежащих теплообменников, имеется много других сложных проблем, включая учет особенностей различных видов утилизируемой энергии (электрическая энергия, пар и тепловые источники), а также учет экономических факторов. Вместе с тем вследствие быстрого роста цен на энергию за последние годы технический прогресс в улучшении использования энергии ускоряется и ожидается, что в недалеком будущем в Японии будут достигнуты в этом отношении существенные сдвиги.

Среди новых решений следует отметить процесс НКГ, разработанный фирмой "Ниппон кокан". При осуществлении этого процесса окись углерода, содержащаяся в доменном газе, используется для конверсии метана, имеющегося в коксовом газе, с целью производства восстановительного газа, который затем вдувают в шахту доменной печи для интенсификации косвенного восстановления железа. Это позволяет снизить удельный расход кокса на производство чугуна. Указанный процесс эффективен с точки зрения экономии энергии, так как он позволяет снизить потребность в коксующемся угле и уменьшить выход шлака. Но для его осуществления расходуется необходимое для металлургического завода топливо. Поэтому возникает необходимость в замене для нагревательных печей этого вида топлива другим, что требует дальнейших экономических исследований. В результате процесс еще не получил промышленного внедрения^*.

^* ("Transactions of Iron and Steel Institute of Japan". 1982, № 4, с. 297-313.)

На многих печах непрерывного действия для нагрева слябов используются рекуператоры для нагрева воздуха теплом отходящих газов. В нагревательных печах толстолистового стана завода Оита применяется скоростное нагревательное устройство - эжектор, разработанный фирмой "Кавасаки дзюкогё". Это устройство, установленное впервые в Японии, позволяет утилизировать тепло отходящих после рекуператора газов (с температурой 400-450°С) для нагрева слябов до 170-180°С путем непосредственной обдувки слябов отходящими газами.

В Японии проявляли еще в 70-е годы большой интерес к возможности использования энергии ядерных реакторов на металлургических заводах. В Японском институте черной металлургии в 1968 г. был создан специальный комитет по атомной энергии. Одной из задач этого комитета было изучение проектов обеспечения черной металлургии электроэнергией и теплом для производства и подогрева восстановительного газа, вдуваемого непосредственно в доменную печь или используемого для прямого восстановления железа.

Возможности использования атомной энергии в металлургии исследовались также крупнейшими металлургическими фирмами Японии. В частности, фирма "Кобэ сэйко" еще в 1968-1969 гг. разработала принципиальную схему газоохлаждаемого ядерного реактора, состоящего из двух секций: высокотемпературной (1100-1200°С) и низкотемпературной (600-650°С). Основное назначение реактора - получение высокотемпературного восстановительного газа для промышленного использования, в первую очередь в черной металлургии и химическом производстве. В качестве вспомогательной задачи рассматривалась задача получения низкотемпературного газа для производства пара и электроэнергии. Все эти предложения пока не осуществлены. В черной металлургии, по мнению японских специалистов, в настоящее время имеется возможность использования тепла ядерных реакторов только для прямого восстановления железа. Но это не' позволяет иметь достаточно крупный ядерный реактор.

В связи с возможным применением ядерных реакторов в черной металлургии в настоящее время проводятся работы по высокотемпературным теплообменникам, жаропрочным сплавам, высокотемпературным теплоизоляционным материалам, установкам по производству восстановительных газов, установкам по прямому восстановлению железа, общим схемам ядерно-промышленного комплекса.

Исследованиями по указанным проблемам занимается объединение, включающее 15 промышленных предприятий и Научно-исследовательский институт материалов. В исследованиях занято более 500 инженеров и ученых. Вместе с тем возможность использования тепла ядерных реакторов для черной металлургии пока остается весьма проблематичной.

Большое внимание в черной металлургии Японии уделяется проблемам охраны окружающей среды. На долю предприятий черной металлургии приходится 20-25% выбросов пыли, 25- 35% окиси углерода, свыше половины окислов серы, 6-8% окислов азота и т. д. В связи с этим при строительстве новых Металлургических цехов затраты на защиту окружающей среды, Как правило, составляют в Японии около 20% всех капиталовложений. С участием Японской федерации черной металлургии в настоящее время принят ряд стандартов, лимитирующих предельно допустимые выбросы загрязняющих веществ предприятиями черной металлургии.

Особое внимание уделяется предотвращению выбросов окислов азота. С этой целью разработана специальная программа и созданы специальный Фонд научных исследований и Научно-исследовательская ассоциация.

В 1980 г. указанный фонд был реорганизован в Фонд разработок металлургической технологии, не загрязняющей окружающую среду. Только за 1981 г. им было выделено 295 млн. иен на проведение исследований по 19 темам. Вышеупомянутая Научно-исследовательская ассоциация завершила к 1980 г. исследования по очистке отходящих агломерационных газов от окислов азота. Кроме того, металлургические фирмы вкладывают значительные средства в исследования по защите окружающей среды от сернистого ангидрида путем очистки коксового таза и особенно по предотвращению выбросов окислов азота.

Основные работы в области предотвращения загрязнения воздуха предприятиями черной металлургии связаны в Японии С уменьшением так называемых неорганизованных выбросов, поскольку схемы отвода и очистки технологических газов от пыли достаточно хорошо освоены.

Накоплен большой опыт по предотвращению неорганизованных выбросов запыленных газов на литейных дворах доменных цехов, где все действующие доменные печи в той или иной степени оснащены устройствами для локализации источников пылеобразования, для отвода и очистки газов. Такие устройства над сливными носками для чугуна эксплуатируются на 100% доменных печей, над летками - на 80, над желобами - на 66% печей. Из оборудования, используемого для очистки отводимых газов. 83% составляют тканевые фильтры, 8% - электрофильтры. 6% - скрубберы и 3% - сочетания этих аппаратов.

С целью уменьшения затрат на предупреждение неорганизованных выбросов в сталеплавильном производстве проявляется тенденция устанавливать пылеулавливающие аппараты компактных и облегченных конструкций непосредственно на крышах производственных помещений. При этом, в отличие от имеющихся систем очистки, в которых большая часть оборудования вследствие недостатка производственных площадей размещается вне цеха, нет необходимости в длинном коллекторе, соединяющем отсасывающие устройства с пылеулавливающим аппаратом, и мощных дымососах. Достоинствами такой компоновки являются также отсутствие необходимости в производственных площадях и фундаментах под оборудование, упрощение планировки цеха, завода, сокращение потребления энергии тягодутьевыми машинами. Такие системы с электрофильтрами разработаны в Японии фирмой "Хитати пуранто кэнсэцу"^*.

^* ( "Transactions of Iron and Steel Institute of Japan". 1981, № 2, с. 75-91.)

С целью предотвращения загрязнения водных бассейнов в черной металлургии применяются разнообразные методы очистки, осветления, охлаждения и повторного использования воды, все шире внедряются системы оборотного водоснабжения, совершенствуются методы очистки. На отдельных предприятиях доля оборотного водоснабжения превышает 90%. Через системы оборотного водоснабжения и повторного использования проходит 97% всей потребляемой воды на заводах в Кобэ и Какогава фирмы "Кобэ сэйко". В результате оснащения металлургических предприятий высокоэффективным оборудованием для очистки отходящих газов и сточных вод образуется большое количество железо-, масло- и теплосодержащих, а также других видов отходов, утилизация которых целесообразна с точки зрения как экономии, так и предупреждения загрязнения окружающей среды. В связи с этим повсеместно проводятся работы по изысканию путей использования уловленной пыли и шламов, прокатной окалины, масел, химического и физического тепла отходящих газов, доведению технологических процессов до уровня безотходных. Заслуживает внимания технология удаления цинка, свинца и щелочей из агломерата и доменной пыли, внедренная на ряде заводов фирм Син ниппон сэйтэцу" и "Кобэ сэйко". Технология извлечения ценных металлов из пыли, окалины и шламов, образующихся в процессах производства листовой коррозиестойкой стали, с целью повторного использования разработана и внедрена фирмами "Ниссин сэйко" и "Ниппон дзюкагаку когё". Технологический процесс включает брикетирование шламов с добавкой связующих и плавление с добавкой кокса и флюсов в электропечи с погруженной дугой. Степень извлечения никеля, хрома и железа составляет соответственно 98,5, 95 и 97%, а содержание серы в металле не превышает 0,05%, благодаря чему он вновь используется в производстве стали. Цинк испаряется в печи и улавливается в тканевом фильтре в виде окислов.

В Японии достигнуты значительные успехи в утилизации шлаковых отходов. Доменный шлак используется в качестве материала для строительства автомобильных дорог. С этой целью утилизируется приблизительно 50% всего шлака. Применяется шлак и в качестве наполнителя для бетона, и в качестве составляющей цемента. Степень утилизации доменного шлака составляет около 95% всего его количества.

Широко используется и конвертерный шлак, который отличается повышенной стойкостью к истиранию и частично применяется для производства асфальтобетонных изделий.

Одной из наиболее важных проблем для черной металлургии Японии в 80-е годы будет обеспечение энергией и другими ресурсами. Сохранение на существующем уровне объемов поставок железной руды по контрактам будет достаточно для производства стали в 1985 г. на уровне 120 млн. т, в 1990 г.- 130-140 млн. т при ее внутреннем потреблении соответственно 86 млн. и 98 млн. т.

В связи с ростом цен на нефть черная металлургия будет широко внедрять процессы, не использующие мазут, и осуществлять программы энергоснабжения. Намечается экономия мазута в прокатном производстве. Более широкое применение получит вдувание угольной пыли в доменные печи, производство кокса из некоксующихся углей (производство формованного кокса), утилизация горючих вторичных газов.

Большое значение с точки зрения энергосбережения для Японии будет иметь использование лома черных металлов. Несмотря на сокращение ресурсов оборотного лома вследствие роста объемов производства непрерывно-литой заготовки, будут значительно расти ресурсы амортизационного лома.

В связи с ожидаемым дефицитом электроэнергии предусматривается ее выработка непосредственно на металлургических предприятиях, совместное с энергетическими компаниями сооружение электростанций на территории металлургического завода и более широкое применение газовых утилизационных бескомпрессорных турбин.

H. И. Перлов