Модернизация ЕВРАЗ НТМК: от доменных печей до дуплекс-процесса

Нижний Тагил — город металлургов. Само его появление на карте России, а точнее, Российской империи, связано с горным делом и железоделательными заводами. Нижнетагильский металлургический комбинат (НТМК) и сегодня считается градообразующим предприятием. Здесь завершается история, начавшаяся в Качканаре — небольшом городке на Севере Урала. Добытая из недр руда превращается в сталь, а после — в металлопрокат: балки, колёса, бандажи, шпунт… Всех «выпускников» НТМК и не перечислить.

Точнее, в Тагил, конечно, приезжает не руда, а агломерат и окатыши, которые выпускает фабрика окускования Качканарского ГОКа. Для одного комбината это — конечная продукция, а для другого — ключевое сырьё. На НТМК оно прибывает в железнодорожных вагонах, а мы шаг за шагом следуем по пути руды: из карьера — на фабрику, оттуда — на окускование, и вот теперь мы встречаем уже знакомую продукцию в доменной печи.

Модернизация доменного цеха: курс на производительность

В прошлом году НТМК отпраздновал свой 85 день рождения. Комбинат отсчитывает свою историю с 1940 года и выплавки первого чугуна на домне № 1. Завод наращивал мощности постепенно, здесь запускали одну печь за другой, пока количество доменных агрегатов не дошло до шести. Но то было в советское время, сегодня же на комбинате их только две — № 6 и № 7. Но парадокс в том, что чугуна они выдают больше — около 5 млн тонн в год.

«Технический прогресс!» — с улыбкой говорит ведущий инженер-технолог доменного цеха ПАО «ЕВРАЗ НТМК» Георгий Шерер, отвечая на наш наивный вопрос о том, как это вообще возможно.
Ещё в начале 2000-х печей было шесть, и, на самом деле, остатки этих конструкций мы видим и сегодня: их продолжают демонтировать.

В начале нового века на комбинате стартовала большая программа реконструкции. В 2018 г. здесь запустили новую печь — № 7, а ещё через два года завершилось техперевооружение ДП № 6. А ДП № 7 до сих пор остаётся предметом большей гордости ЕВРАЗа: на предприятии нам рассказывают, что она является самой производительной и экономичной в России. И именно сюда мы идём, чтобы разобраться в тонкостях доменного производства.

Оборудование, как рассказывает наш провожатый, собирали буквально всем миром. Участие в этом процессе приняли сразу несколько российских производителей и проектировщиков, а также иностранные специалисты, в частности немецкие компании, ведь чёрная металлургия — одна из старейших отраслей индустрии страны, так что опыт имеется. Комплекс НТМК — это уникальная система, ведь нужно было разместить её на существующей промплощадке, учитывая возможности смежного оборудования, так что проект был очень сложным.

Печь представляет собой огромный агрегат высотой 84 метра. Шихта загружается на самый верх, а выпуск чугуна организован в нижней части. Впрочем, Георгий Шерер сразу же уточняет, что ДП — это весь комплекс оборудования, который мы видим на промплощадке: и системы загрузки, и воздухонагреватели, и аспирационные установки, и отделение подготовки пылеугольного топлива.

Системы аспирации позволили повысить степень очистки воздуха в 2,5 раза по сравнению со старым оборудованием: сейчас конечная запылённость составляет 20 мг на «куб», что значительно ниже нормативов. Мы действительно не видим над печью ни смога, ни выбросов, а наш провожатый добавляет, что всю эту систему построили в рамках федерального проекта «Чистый воздух». Комбинат, кстати, до сих пор принимает в нём участие.

Технология доменной плавки: от шихты до выпуска

Оказавшись внутри, мы первым делом заходит на пульт управления — это целое помещение, стены которого увешаны мониторами. Выглядит оно так, как будто это декорации к фильму о покорении космоса. Работа ДП № 7 полностью автоматизирована: умная система собирает и анализирует информацию о работе агрегата (более 12 тысяч параметров) и сама определяет оптимальный технологический режим. Однако это не безлюдное производство — именно специалисты регулируют подачу компонентов шихты в печь, кроме того, есть возможность перейти на ручной режим в случае нештатной ситуации.

В состав шихты, объясняет Георгий Шерер, входит не только железорудное сырьё, которого доменная печь потребляет 2,5 тыс. тонн в сутки, но и кокс — всё это зона ответственности машиниста. Пропорция примерно такая: чтобы выплавить одну тонну чугуна, нужно 638 кг агломерата, 840 кг окатышей, 330 кг кокса и 100 кг ПУТ — пылеугольного топлива.

«Печь загружается двумя скипами по 17 «кубов», они постоянно в движении, и не бывает такого, чтобы ДП стояла пустая. И руду, и кокс мы получаем в вагонах-хопперах и перемещаем в дозировочные бункеры. Уже из них компоненты подаются в нужном количестве, чтобы получить необходимый химсостав: сначала работает конвейер, а потом уже подключаются скипы. А в печь сырьё укладывается, как на слоёный пирог: кокс — руда — кокс — руда», — объясняет Георгий Шерер и ещё раз уточняет, что сочетание разных видов железорудной продукции обеспечивает необходимую газопроницаемость доменной печи.

Чтобы запустить процесс, нужно подать в ДП горячее дутьё. Это задача газовщика. В нижней части печи предусмотрены 22 фурмы, через которые поступает разогретый до 1200 градусов воздух. Чтобы достичь такой температуры, работают воздухонагреватели. Тепловая энергия передаётся коксу, и таким образом удаётся существенно сократить её расход.

Если горячий воздух подаётся снизу, то загрузка шихты идёт сверху, и последняя, находясь в печи, постоянно пребывает в подвешенном состоянии. Постепенно исходные материалы опускаются, попадая в самую горячую зону, где температура достигает 1400 градусов. Одновременно нагретые газы, наоборот, поднимаются навстречу шихте.

При реакции кокса с горячим воздухом образуется углекислый газ, который и выступает основным восстановителем. Примерно в середине печи появляются первые капли чугуна и шлака, но скапливаются они уже в нижней части. Процессом выпуска чугуна управляет отдельный специалист — горновой.

Работающую печь нужно постоянно охлаждать, иначе и кожух, и огнеупоры просто не выдержат высоких температур. Тепло от нагретых элементов отводится водой, и Георгий Шерер поэтично замечает, что в технологический процесс организован при участии всех четырёх стихий — не забываем, что железорудное сырьё мы добыли из недр, то есть из земли.

Расплавленный металл вытекает из печи в главный жёлоб — этот процесс здесь называют выпуском. Происходит разделение на два потока: чугун и шлак, то есть пустую породу. Последний легче металла, поэтому оказывается наверху. Георгий Шерер говорит, что процесс схож с образованием пены на супе — интересно, что в доменном цехе в ходу кулинарные сравнения. Шлак отправляется в отвал, где его дробят, превращая в щебень. Каждые сутки образуется 2700 тонн этого материала. Чугун едет в конверторный цех, где происходит выплавка стали.

Фактически весь процесс работы доменной печи скрыт от глаз. Сам выпуск мы видеть не можем, так как жёлоб закрыт из соображений безопасности. Но можно любоваться мелкими искорками, в которые превращаются капли металла, взаимодействуя с атмосферным воздухом. Со стороны они выглядят как огромный бенгальский огонь.

Каждые сутки на ДП № 7 происходит около 20 выпусков. Суммарно она даёт около 7 тыс. тонн металла. Чтобы мы могли представить этот объём, Георгий Шерер напоминает, что легковой автомобиль весит примерно 1 тонну, то есть можно изготовить 7000 чугунных машин.

Системы аспирации и газоочистки в рамках проекта «Чистый воздух»

Как мы уже говорили, этим статусом производство во многом обязано работающим здесь системам газоочистки. В них поступает находящийся под давлением газ, внутри печи поддерживается показатель в две атмосферы. Сначала работает грубая очистка: пылеуловитель циклонного типа забирает крупные частицы. По словам нашего собеседника, его эффективность — порядка 99%. Дальше работает мокрый скруббер: под воздействием капель воды газ охлаждается, и здесь удаляются самые мелкие пылинки. Наш провожатый говорит, что в системе аспирации цеха задействованы 5888 фильтров, которые собирают и очищают запылённый воздух.

Такие технологии позволяют не только улучшить экологическую ситуацию в Нижнем Тагиле, но и получать дополнительные продукты. Так, одним из элементов комплекса является каплеотделитель. Он убирает воду из доменного газа. Последний идёт на вторичное использование в качестве топлива на местной ТЭЦ или воздухонагревателей, о которых мы рассказывали выше.

Пыль, которую удается собрать, содержит железо. Поэтому такой продукт отправляется на агломерацию. Здесь НТМК помогает другое тагильское предприятие — Высокогорский ГОК, промплощадка которого уже также побывала в объективе нашей камеры. Таким образом идёт производство железофлюса — ещё одного компонента шихты доменного производства. По сути, говорит Георгий Шерер, это тот же агломерат.

Что же касается воды, которая используется для охлаждения печи, то её тоже собирают, очищают, доводят до необходимой температуры, а после снова пускают в дело: водооборот на комбинате замкнутый.

История строительства кислородно-конвертерного цеха

Чугун — это промежуточный продукт НТМК, ключевая задача которого — выплавить сталь. Поэтому из доменного цеха металл в чугуновозах едет в конверторный, куда направляемся и мы. По дороге заместитель директора Центра подготовки персонала «ЕВРАЗ Урал» Алексей Макаров рассказывает необычную, почти приключенческую историю появления этого технологического участка.

«В 1959 году Никита Сергеевич Хрущёв, который тогда был главой нашего государства, побывал в Австрии, где увидел работу конверторного цеха — на тот момент первого в Европе. В СССР сталь тогда варили 8-10 часов, а в Европе уже научились за 40 минут — сами понимаете, разница по производительности колоссальная. Почему? Да потому, что в Совестном Союзе использовали мартеновские печи, те самые, про которые в песне поётся. Помните фильм «Весна на Заречной улице»?

Так вот, Хрущёв вернулся домой, собрал всех заинтересованных лиц и устроил разнос. Почему это советские инженеры до сих пор пытаются модернизировать мартеновский процесс, а не внедряют более современные технологии? И тогда было принято решение построить на НТМК конверторный цех — первый в СССР. А потом такой способ начали внедрять и другие комбинаты в стране», — рассказал Алексей Макаров.

ККЦ стал Всесоюзной ударной комсомольской стройкой. По словам нашего провожатого, в ней приняли участие 5 тысяч специалистов, которые съехались со всей страны.

Почему передовое производство решили поставить в Нижнем Тагиле? Всё дело в сырье, объясняет эксперт. В этих местах ещё в XVIII веке открыли группу Тагило-Кушвинских месторождений, и запасы гор Высокая и Благодать обеспечивали рудой уральские заводы. К середине прошлого века лёгкое сырьё уже походило к концу. Нужно было переходить от открытого способа к подземному. Правда, те рудники работают до сих пор — они по-прежнему выдают богатую руду.

Однако именно в тот момент НТМК решили обеспечить иным сырьём, качканарским, и строительство ККЦ стало одним из этапов реализации новой технологической схемы. Кислородно-конверторный комплекс строили одновременно с Качканарским ГОКом. И запустили эти производства в один год с разницей всего в день: КГОК — 30 сентября, а ККЦ — 1 октября 1963 года.

Теперь напомним, что качканарская руда — это продукт уникальный. Помимо железа, она содержит ещё и ванадий. Ценность этого элемента видна именно здесь, на сталелитейном производстве. Металлурги объясняют, что эта «добавка» придаёт готовому сплаву улучшенные характеристики: прочность, эластичность и стойкость к коррозии.

Это свойства особенно важны на Крайнем Севере — в числе прочего и сюда отправляется продукция НТМК. Присутствие ванадия даёт металлоконструкциям возможность переносить экстремально низкие температуры ниже -50 градусов.

Конверторный цех позволил сформировать и ещё одно звено в технологической цепочке. На четвёртом агрегате в шлак извлекают излишки ванадия. Этот полупродукт едет на «ЕВРАЗ Ванадий Тула», где выпускают пентаоксид ванадия и феррованадий разных марок. Это легирующие добавки, которые применяются для получения износоустойчивых, жаропрочных, коррозионно-стойких сплавов. Тульский завод является их крупнейшим производителем в родной стране, а также одним из самых значимых предприятий этого профиля в мире.

По этой причине переработка чугуна в ККЦ НТМК идёт в два этапа — так называемый дуплекс-процесс. Об этом нам рассказывают уже сами металлурги, когда мы приезжаем на место действия. Первая стадия — это деванадизация с получением того самого шлака-полупродукта, куда переходит порядка 85% ценного металла.

Уже на второй стадии, в другом конверторе, происходит привычная продувка углеродистого материала и выплавка стали. Металл заливают в конвертор, опускают фурму и подают кислород, за счёт чего содержание углерода в составе уменьшается. Процесс плавки занимает порядка 35 минут, после чего мы наблюдаем, пожалуй, самое эффектное действие: конвертор наклоняют, и начинается выпуск металла и шлака. Сталь здесь разогрета до 1670 градусов.

Три года назад ККЦ, как и КГОК, отпраздновал своё 60-летие. Конечно же, за эти годы цех пережил несколько этапов модернизации. Последняя масштабная пришлась на 2000-е годы, когда на комбинате поэтапно заменили все четыре конвертора ёмкостью 160 тонн каждый, систему газоочистки и котлы-утилизаторы, а здание цеха пережило капремонт. Сегодня это одно из самых эффективных сталеплавильных производств страны, а за свою историю комбинат освоил выпуск более 1200 марок стали.

Дуплекс-процесс и непрерывная разливка стали

Конечно, очень непривычно видеть металл в жидком виде. Однако до знакомой картины остаётся всего один шаг, и мы направляемся на участок разливки. Расплав тем временем перемещают из сталеплавильного агрегата в сталеразливочный ковш, а литейный кран перемещает его на поворотный стенд машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ).

Дальше через открытый шибер металл поступает в промежуточный ковш — своеобразную буферную зону. Когда этот ковш заполняется, металл распределяют по ручьям и направляют в кристаллизатор, который охлаждается водой. Постепенно заготовка обрастает корочкой, хотя внутри металл всё ещё жидкий. Поэтому предусмотрена ещё и зона вторичного охлаждения.

Сформировавшийся в кристаллизаторе слиток с затвердевшей оболочкой вытягивают из кристаллизатора, и, когда заготовка выходит на горизонтальный участок роликового ручья, кислородный резак разделяет её на мерные длины. То есть режут металл прямо в потоке — вытяжка не останавливается.

И всю эту конструкцию постоянно поливают охлаждающей водой: хотя металл уже имеет форму, его температура всё равно не многим ниже 1000 градусов. Дальше его ждут постепенно охлаждение, аттестация и отгрузка.

Готовые заготовки идут в четыре чеха комбината: крупносортный (КСЦ), рельсобалочный (РБЦ), колёсобандажный (КБЦ) и широкополочных балок (ЦПШБ). То есть можно составить представление о видах продукции НТМК, ведь перечисление их всех займёт у нас отдельную статью.

А пока мы наблюдаем, как, остывая, стальные заготовки в стопках складываются в логотип ЕВРАЗ, который мелькает на каждой спецовке. Хотя Алексей Макаров уточняет, что в это изображение вложено нечто большее. Три цветные полосы отражают всё этапы производства: красная — это раскалённый уголь, оранжевая — расплавленный чугун, а жёлтая — жидкая сталь.

На комбинате побывали: Анна Кучумова (текст), Евгений Ошкин (фото)