METAL 2007
22. – 24. 5 .2007 Hradec nad Moravicí
NÁBĚH INTEGROVANÉHO SYSTÉMU SEKUNDÁRNÍ METALURGIE V OCELÁRNĚ VÍTKOVICE STEEL, a.s. OSTRAVA COMMISSIONING OF THE INTEGRATED SYSTÉM OF SECONDARY METALLURGY IN STEEL WORKS VITKOVICE STEEL, INC. OSTRAVA Vladimír Bail a, Petr Tomis a, Tomáš Uher a, Václav Kafka b, Miroslav Peter c a
VÍTKOVICE STEEL, a.s., Štramberská 2871/47, 706 02 Ostrava, ČR b RACIO & RACIO, Vnitřní 732, 735 14 Orlová – Lutyně, ČR c VÍTKOVICE – VÝZKUM A VÝVOJ, spol. s r.o., Pohraniční 693/31, 706 02 Ostrava, ČR
Abstrakt Příspěvek se zaměřuje na teoretická východiska, která vedla k nutnosti výstavby nového integrovaného systému sekundární metalurgie v podmínkách ocelárny VÍTKOVICE STEEL, a.s. Popisuje výchozí stav v ocelárně a jeho metalurgické a jakostní problémy, které vedly k vývoji nového systému zpracování oceli. Ukazuje cílový stav, který budou představovat dva vakuové kesony, v nichž budou probíhat veškeré metalurgické operace, které byly původně zajišťovány na třech samostatných výrobních agregátech sekundární metalurgie. Seznamuje se stavem osvojení technologie a dosaženými kvalitativními výsledky. Uvádí jak bude nový způsob sekundárního zpracování oceli zabudován do stávajícího systému průběžného sledování nákladů na ocelárně. The paper focuses on the theoretical basis, which led to the decision to build a new Integrated System of Secondary Metallurgy under the conditions of steel works at VITKOVICE STEEL,Inc. The paper defines the starting position in steel works and his metallurgical and quality problems, which initiated development of the new steel treatment process. There is shown in detail the target status of technical equipment here, including two vacuum caissons, where all metallurgical processes will be running. These processes have been performed on three individual production devices of the secondary metallurgy so far. The paper introduces the status of mastering the technology and achieved quality parameters. The integration of the new way of steel secondary treatment in to a current system of the continuous monitoring the steel work costs is described here as well. 1.ÚVOD Technologické možnosti vybavení ocelárny do roku 2006 bylo na hranici zajišťování neustále rostoucích požadavků na vnitřní čistotu a homogenitu tlustých plechů. Tyto požadavky (při souběžném tlaku na snižování vlastních nákladů) lze zajistit pouze další modernizací. Proto jsme se rozhodli vybudovat zcela nové zařízení – integrovaný systém sekundární metalurgie - ISSM. 2. ZÁKLADNÍ INFORMACE O ZAŘÍZENÍ ISSM Modernizace tohoto úseku výrobního cyklu je tedy vynucena jednak nezbytností zajistit dosahování velmi nízkých obsahů požadovaných prvků a zejména plynů - vodíku, celkového kyslíku, příp. dusíku v ocelích pro plechy a jednak okolností, že rozmístění stávajících zařízení v ocelárně komplikují hladký průběh technologického cyklu. Projekt
1
METAL 2007
22. – 24. 5 .2007 Hradec nad Moravicí
ISSM představuje možnost komplexního mimopecního zpracování ocelové taveniny na jednom místě a v čase, vymezeném taktem zařízení plynulého odlévání (ZPO). Odpadne tím zároveň podstatná část manipulací, kterou byl a částečně ještě je zatížen současný materiálový tok v ocelárně. Porovnání požadavků na vysoko jakostní plechy a nedávné možnosti zajištění zachycuje následující obrázek, kde pole č. 3 je ohraničené vnější fialovou barvou a pole č.1 (charakterizující současné možností sekundární metalurgie v Ocelárně I) je ohraničené barvou červenou.
Obr. 1: Graf současných požadavků na obsahy nejdůležitějších prvků v plochých výrobcích pro náročné použití Fig.1: Realizace této modernizace zajistí kvalitativní posun z nedávného stavu, charakterizovaného polem č. 1 (tzn. např. obsahy S do 50 ppm, O do 30 ppm a H do 3 ppm) do oblasti pro běžnou produkci charakterizovanou v diagramu polem č. 2 a pro špičkovou produkci polem č. 3 (tzn. např. obsahy S pod 10 ppm, O pod 15 ppm a H pod 1 ppm).
2
METAL 2007
22. – 24. 5 .2007 Hradec nad Moravicí
Obr. 2: Schéma a popis technologického zařízení typu ISSM (jednoho ze dvou kesonů). Fig. 2:
• • • • • • •
Hlavní technologické postupy ISSM (viz obr.2) jsou následující: VD + tvorba strusky (především tavby s nízkým obsahem legovaných prvků) VD + chemický příhřev (přes Al případně C) Stažení strusky + VD (požadavek na minimální křemík) VOD* LF** + VD (oceli s vysokým obsahem přísad) LF** + VOD* VCD + chemický příhřev Pozn.: * Proces VOD (oduhličování) plynule navazuje na proces ohřevu s tím, že po oxidaci Al se plynule přejde k oxidaci uhlíku ** k vyrovnání teplotních ztrát nebo legování LF – Ladle Furnace VD – Vacuum Degassing VCD – Vakuum Carbon Deoxidation VOD – Vakuum Oxygen Decarburization
3
METAL 2007
22. – 24. 5 .2007 Hradec nad Moravicí
Zpracováním ocelové taveniny na tomto zařízení je možné dosáhnout níže uvedených metalurgických efektů (tyto jsou znázorněny graficky na obr. č. 3): • oduhličení na žádanou mez; při výrobě elektrotechnických ocelí (např. typ AREMA) lze spolehlivě oduhličit pod 100 ppm C; • ocelovou taveninu lze s výhodou dezoxidovat uhlíkem využitím uhlíkové reakce procedura VCD; při této proceduře nezůstávají v oceli nekovová rezidua; • odsíření na hodnotu pod 30 ppm při výchozím obsahu síry do 150 ppm dle požadavků na obsah síry (spolupůsobení vhodné strusky a dezoxidačních prostředků); • odsíření na hodnotu pod 50 ppm při výchozím obsahu síry od 150 do 250 ppm dle požadavků na obsah síry (spolupůsobení vhodné strusky a dezoxidačních prostředků); • odsíření na hodnotu pod 80 ppm při výchozím obsahu síry od 250 do 300 ppm dle požadavků na obsah síry (spolupůsobení vhodné strusky a dezoxidačních prostředků); • dosažení požadovaného stupně odplynění – snížení vodíku pod 1,5 ppm při výchozím obsahu až 12 ppm; snížení dusíku pod 50 ppm při výchozím obsahu dusíku do 120 ppm a pod 30 ppm po periodě hlubokého odsíření; dezoxidace na úroveň pod 30 ppm celkového obsahu kyslíku při výchozím obsahu až 1000 ppm, odplyňovat lze i silně uklidněné taveniny; • zároveň s ocelí se zpracovává struska, která pak není zdrojem druhotného znečištění oceli, podílí se významnou měrou na rafinačním účinku (odstranění vměstků, síry), chrání zpracovanou ocel před atmosférou po zpracování; • možnost chemického příhřevu ocelové taveniny; • možnost vysoké teplotní a chemické homogenizace ocelové taveniny; • možnost dostatečně přesného nalegování včetně mikrolegujících přísad s vysokým stupněm využití legovacích přísad. Proces ISSM - metalurgické hodnoty 12
kyslík dusík 10 síra 8 uhlík 6 vodík
800 600
60
56
52
48
44
40
36
32
28
24
0 20
0 16
2
12
200
8
4
4
400
0
O2, N 2, S, C [ppm]
1000
H2 [ppm]
1200
čas [min]
Obr. 3: Dosahované metalurgické hodnoty v průběhu zpracování tavby na ISSM. Fig. 3:
4
METAL 2007
22. – 24. 5 .2007 Hradec nad Moravicí
3. PŘEDPOKLÁDANÉ PŘÍNOSY INSTALOVANÉHO ZAŘÍZENÍ Na základě těchto parametrů ISSM bylo možno upravit obchodní plán společnosti na rok 2007 ve prospěch ocelí s vyšší přidanou hodnotou a samozřejmě z toho vyplývajícím zvýšením hospodářského výsledku (viz tabulka 1).
Tabulka 1: Vybrané ukazatele obchodního plánu společnosti vyplývající z postavení zařízení ISSM Table 1: Výhled rok Skutečnost 2007/2006 2007 roku 2006 CELKEM PRODEJ množství t množství t % 720 000 693 135 3,9 80 500 163 011 -50,6 201 100 293 588 -31,5 67 300 47 153 42,7 8 300 4 521 83,6 29 000 26 619 8,9 71 000 68 296 4,0 200 000 30 982 545,5 3 800 5 910 -35,7 27 600 4 737 482,6 9 100 5 896 54,3 22 300 42 422 -47,4
Produkt Válcovna KVARTO Celkem prodej Konstrukční oceli pod 500 Mpa Konstrukční oceli nad 500 Mpa Kotlové oceli - nelegované Kotlové oceli - legované Lodní oceli nižších jakostí Lodní oceli vyšších jakostí Oceli dle API - produktovody Uhlíkové oceli Kalené a popouštěné oceli Ostatní legované oceli Ostatní
4. SOUČASNÝ STAV PROVOZU ZAŘÍZENÍ ISSM V současné době je zařízení ISSM provozováno v režimu VD a VD s chemickým ohřevem. U taveb zpracovávaných na tomto zařízení je již dnes dosahováno obsahů vodíku okolo 1,5 ppm a průměrného obsahu S cca 60 ppm. Na zařízení ISSM je v současné době zpracováváno cca 80 % veškerých vyrobených taveb. Proces chemického ohřevu je stále ještě dolaďován. Za dobu od prvních zkoušek na tomto zařízení bylo nutno provést několik dílčích změn týkajících se jak samotného zařízení (např. nahrazení původní jedno otvorové kyslíkové trysky tryskou tří otvorovou), tak vyzdívek licích pánví (hledání materiálů zajišťujících nejen požadovanou trvanlivost, ale i příznivé izolační účinky). Také se pro tuto technologii hledaly co nejvhodnější suroviny. 5. ZAHRNUTÍ ZAŘÍZENÍ DO SYSTÉMU PRŮBĚŽNÉHO SLEDOVÁNÍ A ŘÍZENÍ NÁKLADŮ V OCELÁRNĚ Náběh nového komplexního zařízení sekundárního metalurgie bude také zařazen do stávajícího systému průběžného sledování nákladů. Ten byl v této ocelárně úspěšně vyvinut a provozně zaveden /1/. Pro jednotlivé agregáty byly vyvinuty dílčí rozborové sestavy, které bezprostředně po ukončení operace (tavby na kyslíkovém konvertoru, LF nebo skandinávské trysce a sekvence na ZPO) stanoví tak zvané neúplné vlastní náklady (kupříkladu pro kyslíkový konvertor
5
METAL 2007
22. – 24. 5 .2007 Hradec nad Moravicí
9500 Kč/t). Skutečnost je porovnána s plánovanou standardní hodnotu. Kupříkladu 9300 Kč/t. Zjišťujeme tedy, že u dané tavby došlo k nákladovému překročení o 200 Kč/t. Údaje matematického modelu však nekončí pouze touto informací. Z provozní praxe víme, že za některých okolností je ztráta ve výši 200 Kč/t ve skutečnosti úspěchem. Proto model provádí analýzu této nákladové odchylky. Dozvídáme se kupříkladu, že na uvedeném zvýšení nákladů se z 220 Kč/t podílela jiná (nepříznivá) skladba vsázky. Za skladbu vsázky, jak je známo, je zodpovědné středisko přípravy vsázky. Dále odlišná skladba kovových a nekovových přísad znamenala naopak úsporu ve výši 15 Kč/t. To jde již na vrub pecní osádce. Nižší tavící předváha o 12 kg/t znamenala další úsporu 17 Kč/t. Jiné aplikované pracovní režimy znamenaly úsporu 22 Kč/t. Nižší teplota surového železa o 8°C znamenala naopak zvýšení nákladů o 14 Kč/t. Tato skutečnost jde na vrub dodavatele tekuté fáze. Podobně vyhodnotíme i obsah Si v surovém železe atd. Z uvedeného je zřejmé, že opravdu pohled pouze kladnou nebo zápornou odchylkou zdaleka na hodnocení výsledků tavícího procesu nestačí. V současné době jsou v ocelárně VÍTKOVICE STEEL, a.s. využívány rozborové sestavy na obou kyslíkových konvertorech /2/, skandinávské trysce /3/, pánvové peci /4/ a ZPO /5/. Jedná se vždy o rozborové sestavy detailní, sestavované pro každou tavbu daného agregátu (u ZPO pro každou odlitou sekvenci taveb). Z těchto detailních sestav vycházející sestavy denní a sestavy dlouhodobé. Vytvořením těchto sestav řešitelský tým dovedl systém průběžného sledování nákladů do stavu, kdy bylo možné samostatně hodnotit jednotlivé výrobní agregáty a každou jejich osádku. Jelikož je nutné posuzovat a analyzovat ekonomickou efektivitu nákladového střediska jako celku, byla za tímto účelem vytvořena komplexní rozborová sestava zahrnující všechny klíčové výrobní agregáty /3/. Komplexní sestava tak porovnává náklady mezi standardním a skutečným procesem výroby nejen u jednotlivých výrobních agregátů, ale komplexně v průběhu celého výrobního toku i v postupných hodnotách. Ke zrychlení a zjednodušení využívání všech dostupných sestav pro operativní řízení procesu výroby oceli byl vyvinut - s aplikací expertních systémů - nadřazený řídicí systém. Ten umožňuje - dle on-line principu - u konkrétní tavby dle konkrétních podmínek skladby vsázky a aktuálních cenových poměrů u energetických médií řídit podíl surového železa tak, aby náklady byly minimální /6/. Nově instalovaný technologický proces ISSM bude následně do stávajícího systém průběžného sledování nákladů zařazen. V prvé řadě to bude znamenat vyvinutí nové rozborové sestavy pro tento proces. Následně bude třeba vzniklé technologické změny zabudovat do komplexní rozborové sestavy. Po-té bude nutné hledat nová nákladová optima všech agregátů, které jsou do procesu zařazeny tak, aby náklady odlité bramy byly minimální. LITERATURA /1/ BAIL, V., KAFKA, V. O ekonomické účinnosti českého ocelářství ve XXI. století. In sborník České ocelářství ve XXI.století, perspektivy a rozvoj v rámci EU. Ostrava: Vítkovice-Výzkum a vývoj spol. s r.o., 2003, s.81-88. ISBN 80-239-1831-1 /2/ ČAMEK L., KAFKA V. a kol. Aktuální stav využívání nákladových modelů při řízení nákladovosti v podmínkách ocelárny VÍTKOVICE STEEL, a.s. In sborník 13. mezinárodní konference METAL. Ostrava: Tanger, 2004, s. 30, [CD-ROM]. ISBN 80-85988-95-X 3/ ČAMEK, L., KAFKA, V., MASARIK, M. a kol. Další vývoj metody průběžného sledování nákladů v ocelárně VÍTKOVICE STEEL, a.s. - nákladový model na zařízení plynulého odlévání oceli. In sborník 12. mezinárodní konference METAL. Ostrava: Tanger, 2003, s. 36, [CD-ROM]. ISBN 80-85988-82-8
6
METAL 2007
22. – 24. 5 .2007 Hradec nad Moravicí
/4/ ČAMEK, L., UHER, T., MASARIK, M. a kol. Využití nákladových modelů u zařízení plynulého odlévání v ocelárně VÍTKOVICE STEEL, a.s. In 20. konference Teorie a praxe výroby a zpracování oceli. Ostrava: Tanger, 2004, s. 184-190. ISBN 80-85988-94-1 /5/ ČAMEK, L., PETER, M., MASARIK, M., a kol. Nákladový model pro zařízení plynulého odlévání oceli ve VÍTKOVICE STEEL a.s. Ostrava. In sborník 19. konference Teorie a praxe výroby a zpracování oceli. Ostrava: Tanger, 2003, s. 240-247, s. 212-218. ISBN 80-85988-81-X /6/ KAFKA, V., POKORNÝ, M. Racionalizace řízení tavby v ocelárnách s využitím expertních systémů. Závěrečná zpráva grantového projektu GA ČR reg. č. 106/02/1128. Ostrava, leden 2005, 26 s., 49 příloh.
7
