» » Эффективность и перспективы применения металлизованных материалов
04.02.2015

Оценка эффективности применения железа прямого восстановления при выплавке стали имеет ряд особенностей, обусловленных несоответствием между его производством и использованием: получаемое за счет тех же ресурсов, что и чугун, металлизованное сырье заменяет в шихте сталеплавильных агрегатов не чугун, а стальной лом, с использованием которого выплавляется сегодня примерно 50 % стали, (рис. 2). Потребляемый черной металлургией стальной лом по источникам поступления распределяется, %:
Эффективность и перспективы применения металлизованных материалов

С точки зрения использования при выплавке стали наиболее доступным является оборотный лом, быстро и практически полностью поступающий на переплав, менее доступны отходы металлообработки и амортизационный лом. Наличие и цена последних в наибольшей степени сказываются на структуре сталеплавильного производства.
Металлизованные окатыши или руда могут использоваться в количестве до 25-30 % в конверторе и до 100 % в шихте дуговых электропечей, хотя, как правило, при. плавке в электропечах применяют не более 70 % металлизованных материалов, а в конверторной плавке их используют только в случае особой необходимости.
Применительно к производству стали массового потребления можно принять, что требуемое качество металла в большинстве случаев обеспечивается как при выплавке в конверторе, так и при выплавке в электропечи.
Эффективность и перспективы применения металлизованных материалов

Вопрос об экономической эффективности применения железа прямого восстановления может рассматриваться в двух плоскостях.
Во-первых, замена лома металлизованными материалами в действующих или сооружаемых цехах при наличии рынка лома. Целесообразность такой замены определяется в основном соотношением цен на лом и железо прямого восстановления.
Во-вторых, можно рассматривать эффективность сооружения новых заводов, производящих сталь по схеме доменная печь — конвертор или прямое восстановление - электроплавка, при ограниченных ресурсах лома. Цена железа прямого восстановления или приведенная стоимость выплавленной на нем стали здесь будут зависеть от аналогичных показателей для чугуна.
Оба подхода являются достаточно условными. Первый более подходит к промышленно развитым странам с рыночной экономикой, второй - к странам с плановой экономикой и развивающимся странам.
Существует еще один подход к оценке эффективности применения железа прямого восстановления, относящийся к сфере выплавки качественной стали со специальными свойствами, при котором учитываются дополнительные затраты по обеспечению качества стали или эффект от улучшения свойств металлопродукции.
Закономерности образования ресурсов лома и его цены в капиталистических и социалистических странах различны.
Цены на лом на мировом рынке устанавливаются в основном по ценам США, располагавшими в 1978 г. запасами амортизационного лома 672 млн.т и являющимися его главным экспортером. В зависимости от периодов застоя или подъема в экономике капиталистических стран и соответствующих изменений спроса на сталь цены на лом подвержены значительным колебаниям, особенно это относится к сортам высококачественного лома. Так, например, цены на тяжеловесный лом в промышленных районах США изменялись по годам следующим образом, долл/т: 1972 г.
Эффективность и перспективы применения металлизованных материалов

В первой половине 70-х годов в период высокого спроса на сталь и значительных колебаний цен на лом зарубежные оценки эффективности прямого восстановления железа в развитых капиталистических странах были весьма оптимистичны. К этому периоду относится сооружение мини-заводов с установками прямого восстановления в Гамбурге (ФРГ), Контрекере (Канада), Джорджтауне (США).
Во второй половине 70-х годов в связи с энергетическим кризисом и застоем в черной металлургии оценки перспектив применения металлизованных материалов в сталеплавильном производстве носят более сдержанный характер.
В работе на основании анализа затрат на производство стали на ломе, цена которого в этот период не превышала 100 долл/т, и на металлизованных окатышах по цене 90-95 долл/т делается вывод, что конкурентоспособность прямого восстановления железа в Канаде сомнительна, за исключением отдельных районов и местных обстоятельств, связанных с ресурсами лома, а также при использовании его для выплавки стали со специальными свойствами. Аналогичный вывод делается и в работе. Характерно, что из-за нерентабельности работы на металлизованном сырье при низких ценах на лом построенные в 1978 г. установки Мидрекс мощностью 800 тыс.т/год в Англии в 1980 г. еще не были введены в эксплуатацию.
Имеется ряд зарубежных публикаций по сравнительной технико-экономической оценке производства стали по схемам доменная печь - конвертор и прямое восстановление - электроплавка применительно к сооружению заводов с объемом производства 1-2 млн.т в развитых капиталистических странах. Результаты оценок свидетельствуют о преимуществах схемы с прямым восстановлением. Лучшие технико-экономические показатели этой схемы объясняются меньшими капитальными затратами, короткими сроками строительства и выхода на заданную мощность, меньшими эксплуатационными затратами, в частности снижением затрат на восстановление железа из руды ввиду более низких расходов на природный газ или твердое топливо по сравнению с расходами на кокс.
Однако, несмотря на преимущества прямого восстановления, из заводов, производящих более 1 млн.т стали, в развитых капиталистических странах пока можно отметить лишь завод в Контрекере (Канада). Такое положение в значительной мере объясняется тем, что в промышленных районах имеется большой резерв мощностей на действующих заводах, а в районах, где отсутствуют большие металлургические предприятия, сталь экономичнее производить на мини-заводах с дуговыми электропечами, используя в качестве шихты лом.
Развитие экономики нашей страны основано на собственных сырьевых и энергетических ресурсах. Запасы разведанных железных руд в России составляют около 30 % мировых и 45 % запасов промышленных категорий. Россия располагает достаточными запасами железных руд для прямого восстановления. Богатые железорудные концентраты с содержанием железа 68 % и более можно получить по различным схемам обогащения из руд месторождений: Лебединского, Южно-Лебединского и Коробковского (KMA), Петровского, Мариупольского и Куксунгурского (Украина), Дашкесанского (Азербайджан).
В России сосредоточено более половины мировых запасов угля, свыше трети природного газа. Балансовые запасы коксующихся углей составляют 97,8 млрд.т, в том числе промышленных категорий 65,5 млрд.т. При современном уровне добычи (примерно 180 млн.т/год) запасы обеспечивают выплавку чугуна на много лет вперед.
В условиях высоких темпов увеличения выплавки стали, характерных для нашей страны, развитие черной металлургии базировалось главным образом на расширении добычи железных руд. По мере увеличения объема производства черных металлов и наращивания металлофонда все большее значение приобретает в качестве сырья металлолом.
В противоположность капиталистическим странам, где возможность применения лома ограничивается спадами производства стали и сокращением спроса на него, приводящим к накапливанию значительного количества лома, в социалистическом хозяйстве все стадии кругооборота металла осуществляются непрерывно и планомерно. Существующие в России условия производства стали, потребления металлоотходов и амортизационного лома предполагают отсутствие их накопления, чему, в частности, должны способствовать и относительно низкие цены на них.
Формирование цен на вторичные черные металлы относится к числу наиболее сложных проблем в методологии ценообразования. Сложность ее состоит в теоретическом определении и количественном выражении затрат труда. Существующая система цен на вторичные черные металлы была сформирована, исходя из следующей концепции. В отличие от других видов сырья стоимость металлолома не может быть определена лишь на основе учета затрат по сбору, подготовке и транспортировке, так как он несет в себе прошлый труд и обладает потребительной стоимостью. Поскольку стальной лом и отходы являются нецелевым продуктом труда, то их стоимость может определяться лишь относительно общественно необходимых затрат на целевой продукт, эквивалентный им по потребительским свойствам. Для вторичных черных металлов в качестве такого продукта был принят жидкий передельный чугун. Цены на отдельные сорта лома определены, исходя из среднеотраслевой себестоимости чугуна с поправками, учитывающими различие потребительских свойств чугуна и лома. Например, коэффициент технологической ценности лома и отходов для мартеновских печей принят 0,9 по сравнению с жидким чугуном. При технико-экономической оценке эффективности капитальных затрат принято лом оценивать по чугуну.
Принцип полного использования образующихся металлоотходов и амортизационного металлолома исключает постановку вопроса о целесообразности замены лома металлизованными материалами, если рассматривать его в широком смысле применительно к выплавке стали массового потребления. Однако такая замена не исключается при выплавке в электропечах и конверторах качественной стали, где она продиктована требованиями обеспечения качества металла.
В условиях планового хозяйства стальной лом и железо прямого восстановления не являются конкурирующими материалами. В шихте сталеплавильных агрегатов они могут дополнять друг друга, обеспечивая необходимый для производства стали той или иной марки комплекс свойств шихты - химический состав, технологичность, возможность механизации и автоматизации процесса плавки и др. Рост потребления стали, расширение числа и степени сложности производимых из нее изделий сопровождаются ухудшением качества амортизационного лома - снижением его насыпного веса, загрязнением цветными металлами и посторонними примесями.
Одно из противоречий современной металлургии состоит в том, что относительно много высококачественной стали выплавляется в электропечах с применением лома, загрязненность которого велика, а значительная часть рядовой стали - в кислородных конверторах и мартеновских печах на чугуне и ломе, лишь примерно наполовину представленном товарным ломом. Один из путей разрешения этого противоречия состоит в сооружении в составе крупных заводов с кислородно-конверторным производством электросталеплавильных цехов, выплавляющих качественную сталь на оборотных отходах. Другим путем повышения качества шихты электропечей является увеличение в ней доли чугуна, а в отдельных случаях применение специально выплавленной в конверторе шихтовой заготовки. Данный путь, помимо удорожания, ведет к недоиспользованию мощностей конверторного производства
Достижения в области десульфурации чугуна, кислородно-конверторного процесса и внепечной обработки металла позволяют выплавлять традиционным способом качественную углеродистую и низколегированную сталь с очень низким содержанием примесей, не уступающую электростали, а по содержанию азота и водорода превосходящую ее. Количество выплавленной в конверторах качественной стали увеличивается, однако массовая выплавка широкого сортамента малолегированных сталей в современных мощных конверторных цехах приводит к снижению показателей их работы. Поэтому в таких цехах выплавляют ограниченный сортамент качественных сталей при больших размерах заказов на них, например сталь для труб большого диаметра.
Значительное количество качественной стали в настоящее время и в перспективе будет выплавляться в электропечах. Замена в шихте электропечей части лома железом прямого восстановления с известным и низким содержанием примесей позволяет получать сталь требуемого состава, даже если оставшаяся часть лома сильно загрязнена. Комбинация же металлизованных материалов и качественного оборотного лома в сочетании с внепечной обработкой открывает путь к получению металла с весьма низким содержанием серы, фосфора, примесей цветных металлов, азота и водорода. Мегаллизованные окатыши или брикеты могут применяться взамен лома при выплавке в конверторах сталей с жесткими требованиями по содержанию примесей цветных металлов, серы и азота. В указанных случаях эффект от применения железа прямого восстановления получается за счет разницы цен на лом хорошего качества и мегаллизованные материалы. Замена лома на железо прямого восстановления здесь обусловлена требованиями к качеству стали и может рассматриваться только в рамках качественной металлургии.
В работе сопоставляются расчетная себестоимость и капиталоемкость типичных высококачественных марок стали, отличающихся уровнями допустимого содержания примесей, выплавленных в электропечи на губчатом железе и ломе, оцениваемом по себестоимости чугуна. Наибольший экономический эффект достигается при выплавке стали с жесткими требованиями по неудаляемым примесям, сере, азоту - высокопрочной конструкционной, стали для метизов ответственного назначения. Снижение требований к допустимому уровню примесей ведет к уменьшению эффекта.
Технико-экономическая оценка применения металлизованных окатышей в конверторах и электропечах сделана в работе. Расчеты выполнены применительно к окатышам из концентрата Лебединского ГОКа, восстанавливаемых в печах типа Мидрекс, используемых в 100-т (качественная сталь) и 400-т (рядовая сталь) электропечах, а также в 400-т конверторах на заводе в Центре европейской части России. Оценка материальных затрат (сырье, топливо, электроэнергия) производилась по перспективной себестоимости и действующим ценам. Экономические показатели рассчитаны на средневзвешенную по отрасли 1 т стали с учетом изменения структуры сталеплавильных переделов, происходящего за счет вытеснения металлизованным сырьем чугуна (при полном использовании ресурсов лома).
Результаты расчетов указывают на эффективность выплавки качественной стали в электропечах на металлизованных окатышах. Наименьшие приведенные затраты на производство рядовой стали получены при выплавке ее в конверторе, далее следуют выплавка в электропечи при 80 % металлизованных окатышей в шихте, выплавка на ломе. Различие показателей плавки в электропечи обусловлено в основном разницей стоимости металлизованных окатышей и лома, оцениваемого по стоимости чугуна. Авторы указывают, что низкие показатели варианта выплавки рядовой стали в электропечах на металлизованных окатышах еще не свидетельствуют о бесперспективности этого способа, поскольку в расчетах не учитывался ряд факторов. Сюда относятся возможное снижение капитальных затрат в общезаводское хозяйство, сокращение сроков строительства и более ранний выпуск продукции. Важность учета фактора времени на примере расчета показателей сооружения двух крупных заводов (одного - работающего по традиционной технологической схеме, другого - по схеме с прямым восстановлением) показана в работе.
Аргументом в пользу процесса прямого восстановления является меньшее, чем при схеме доменная печь - конвертор, загрязнение окружающей среды. При прямом восстановлении с использованием природного газа по сравнению с традиционной схемой выбросы сернистых соединений могут быть уменьшены более чем в десять раз, в несколько раз снижены выбросы углерода и пыли. В комплексном исчислении на производство кислородно-конверторной стали расходуется 13 м3/т воды. Для случая выплавки электростали с применением металлизованных материалов можно ожидать снижения указанной величины на 20-25 %. Сброс сточных вод для цикла с доменным производством и выплавкой стали в конверторах составляет 8,6 м3/т, из которых более половины приходится на доменнное производство и предшествующие ему стадии подготовки сырья.
Положительным моментом при плавке в дуговых электропечах с применением металлизованного сырья является и снижение уровня шума по сравнению с плавкой на ломе в среднем на 3-4 дБ, а в отдельные периоды и более ввиду стабилизации горения дуги.
Меньшее воздействие на окружающую среду может стать в недалеком будущем веским аргументом в пользу схемы прямое восстановление - электроплавка, особенно применительно к реконструкции старых металлургических заводов, расположенных в непосредственной близости к жилым районам.
Рассматривая перспективы прямого восстановления, следует отметить еще одну тенденцию в его развитии - ориентацию на использование в будущем преимущественно недефицитных видов топлива (бурого угля, отходов нефтепереработки), а в далекой перспективе - применения органического топлива только в качестве восстановителя с покрытием энергетических потребностей за счет энергии атомных реакторов. Поскольку процессы прямого восстановления твердым углеродом в трубчатых печах имеют до сих пор ограниченное применение в силу присущих им недостатков, считается, что в дальнейшем основная масса железа прямого восстановления будет производиться с использованием газообразных восстановителей.
В последние годы за рубежом в связи с дефицитом или отсутствием в ряде стран природного газа разрабатываются видоизмененные схемы известных процессов прямого восстановления с газообразным восстановителем, получаемым газификацией жидкого или твердого топлива. Такие разработки ведут в ФРГ, США, Японии. Несмотря на большие ресурсы природного газа в России, они не безграничны, кроме того, газ является сырьем для химической промышленности и расходовать его без меры для получения тепла и восстановления железа было бы расточительством. Поэтому и применительно к нашей стране вопросы использования твердого топлива и атомной энергии для восстановления железа представляют интерес.
Из способов получения восстановительных газов газификацией жидкого топлива за рубежом получили распространение процессы Шелл и Тексако. Последний используется с 1976 г. на небольшой установке прямого восстановления в Хирохате (Япония) и на заводе фирмы "КОСИГУА" в Бразилии, сооруженной при участии фирмы "Тиссен-Пурофер". Работы по изучению возможностей замены природного газа жидким и твердым топливом проводятся фирмами "Мидрекс" и "Армко". Перспективным считается процесс высокотемпературной газификации бурых углей, разрабатываемый фирмой "Рейнишен Браунколенверке" (ФРГ). Расчетами для этого процесса показано, что стоимость производства губчатого железа на комбинированной установке газогенератор - шахтная печь, например, в Дуйсбурге (ФРГ) будет одинаковой с установками Мидрекс и Пурофер, работающими на природном газе.
Повышению экономичности работы установок прямого восстановления с газификацией твердого топлива может способствовать объединение их с установками для производства аммиака. Считается, что в этом случае в США они уже в настоящее время могут конкурировать с установками, использующими природный газ.
В нашей стране вопросы газификации могут рассматриваться, в частности, в рамках проблемы использования больших запасов бурых углей типа канско-ачинских в крупных электротехнологических комплексах, продуктами которых могут быть электроэнергия, полукокс или восстановительный газ.
Из возможных схем использования атомных реакторов перспективным представляется прямое использование их тепла для производства и нагрева восстановительных газов. В качестве исходных продуктов для такого процесса могут применяться отходы переработки нефти, некоксующиеся угли, коксовый и доменный газы. Работы по использованию атомной энергии для прямого восстановления ведутся в ФРГ, Японии, Россия. Создание ядерно-металлургических комплексов требует решения сложных инженерных задач и, по-видимому, промышленные установки такого типа будут построены только в конце 90-х годов.
В последнее время более широко рассматривается возможность производства в больших количествах водорода и применения его для прямого восстановления. Ведутся работы по термохимическому и термоэлектрохимическому получению водорода из воды. Данное направление исключает применение органического топлива и загрязнение окружающей среды отходящими газами, поскольку продуктом окисления водорода является вода, используемая вновь для производства водорода. Развитие данного способа в значительной степени зависит от стоимости электрической и тепловой энергии, а также от успехов в разработке, экономичных процессов получения водорода.
Резюмируя сказанное, можно заключить, что производство стали по схеме, включающей доменное производство, останется преобладающим в металлургии, по крайней мере, до конца текущего века, несмотря на возрастающие трудности обеспечения его топливом.
В последние десятилетия разработан и получил промышленное применение способ производства стали с использованием продуктов прямого восстановления железа, дальнейшее развитие которого будет определяться прогрессом в области совершенствования процессов прямого восстановления и действием факторов, осложняющих производство стали по схеме доменная печь - конвертор.
Производство стали по схеме прямое восстановление — электроплавка получило распространение в развивающихся странах Латинской Америки и Ближнего Востока, где она имеет лучшие технико-экономические показатели, чем традиционная схема с доменным производством или плавка в электропечах на импортном ломе, и требует меньших капиталовложений.
В развитых капиталистических странах, являющихся разработчиками новой схемы получения стали и имеющих собственные установки прямого восстановления, дальнейшее расширение производства стали этим способом затормозилось ввиду кризисных явлений, обусловивших снижение спроса на сталь, увеличения запасов лома и снижения цены на него, а также повышения цен на природный газ, используемый в наиболее распространенных сегодня установках прямого восстановления.
В промышленно развитых странах интенсивно ведутся работы по совершенствованию существующих процессов прямого восстановления и разработке новых с целью повышения их экономичности и использования недефицитных видов топлива.
Схема прямое восстановление - электроплавка пригодна в первую очередь для организации маломасштабного производства стали на базе железных руд и топлива, однако в зависимости от местных условий использование ее не исключается и для заводов большой мощности.
В России рассматриваемая схема эффективна применительно к производству качественной электростали, где требования по содержанию примесей при использовании товарного лома обеспечить все труднее. Ужесточение требований по охране окружающей среды, рост напряженности железнодорожных перевозок, увеличение стоимости кокса и условия развития новых территориально-промышленных комплексов создают предпосылки для производства рядовых сталей по схеме прямое восстановление - электроплавка.