» » Особенности развития макси- и мини-заводов
06.02.2015

Сопоставление характеристик металлургических предприятий, организованных по принципу макси- и мини-заводов, на современном этапе развития металлургии не позволяет однозначно отдать приоритет одному из них.
Интегрированный металлургический завод отличается от мини-завода, главным образом, видом железонесущей составляющей шихты для сталеплавильного агрегата.
Ранее показаны преимущества мини-заводов перед интегрированными заводами, особенно при использовании валкового способа получения подката для горячей или холодной прокатки. К этому добавим данные по расходу энергии при различных схемах производства стали и проката, представленные на рис. 139. Из рисунка видно, что менее энергоемко производство проката при использовании в дуговой печи металлолома. Интересные результаты показало сравнение затрат энергии на производство проката на интегрированном заводе и мини-заводе, работающем на губчатом железе. Они практически одинаковы.
В работе рассмотрены 9 вариантов структуры металлургических предприятий, от классического интегрированного металлургического завода (без и с использованием ПУТ) с отливкой толстых и тонких слябов, до минизавода с дуговыми печами, работающими на металлоломе и жидком чугуне и с отливкой тонких слябов. При этом годовую производительность предприятий варьировали от 0,8 до 3,8 млн.т. Для вариантов использования лома в дуговых печах и конвертерах стоимость металлолома принята 130 долларов США/т.
Конкурентоспособность предприятий существенно зависит от применяемой схемы. При схеме «дуговая печь, работающая на металлоломе - МНЛЗ для отливки тонких слябов» уровень удельных капитальных затрат по сравнению с другими схемами минимален. В целом конкурентоспособность предприятий будет в значительной мере определяться местными условиями, а также стоимостью и качеством металлолома.
Особенности развития макси- и мини-заводов

Основными источниками металлолома являются отходы, образующиеся на металлургическом предприятии, отходы металлообработки в различных отраслях, амортизационный и бытовой лом.
На рис. 140 показана динамика потребности в металлоломе и его составляющих по годам.
Особенности развития макси- и мини-заводов

Внутренние отходы металлургических предприятий (технологическая обрезь) резко сократились при переходе на непрерывную разливку стали и оснащение прокатных станов системами автоматического регулирования размеров проката (этот период на рис. 140 не отражен). Показанное на рис. 140 постепенное увеличение металлолома связано с увеличением объемов выплавки стали.
Доля отходов металлообработки (нами она отнесена к амортизационному лому) также увеличивается с ростом объемов производства стали и проката. Объемы амортизационного лома определяются металлофондом страны, и он постоянно растет. Из рис. 140 видно, что несколько увеличивается доля прямого получения железа, и незначительно - объемы выплавки чугуна. К 2010 г., по данным работы, дефицит металлошихты составит 111 млн.т. Причем этот дефицит образуется не только за счет уменьшения объемов лома, но и за счет ухудшения его качества. С увеличением оборота амортизационного лома содержание загрязняющих его элементов в ломе, а следовательно, и в готовой стали (особенно при ее выплавке в дуговых печах) повышается и в ряде случаев уже достигает концентрации, исключающей использование его в сталеплавильном производстве.
На рис. 141 показана динамика по годам увеличения содержания наиболее вредных примесей цветных металлов. Прослеживается четкая тенденция к их увеличению.
Особенности развития макси- и мини-заводов

В Украине основным резервом увеличения качественного лома на ближайший период времени является устаревшее оборудование как на самих металлургических предприятиях, так и в машиностроении и транспорте.
Как показано на рис. 140, заменителем чугуна и металлолома может стать губчатое железо или металлизированное сырье.
Преимуществом способа получения железа непосредственно из руды является высокая чистота металла, поскольку исключается загрязнение его серой из кокса, другими примесями, переходящими в жидкий чугун при его образовании в доменной печи. Из такого чистого железа могут быть получены стали с высокими механическими, антикоррозионными свойствами, электротехническими характеристиками и другими свойствами. Основным продуктом прямого восстановления железа является твердый железорудный материал, в котором большая часть железа находится в металлическом виде. При большой степени металлизации продукт прямого восстановления называется губчатым железом, при более низкой (до 90-94% металлического железа) - металлизованным сырьем. Основным назначением металлизованного продукта является переплав в дуговых сталеплавильных печах. В качестве исходного железорудного сырья используют агломерат, окатыши, а в качестве восстановителя - твердое топливо или газ, содержащий H2 и CO,
Из разработанных способов наибольшее распространение получил процесс «Мидрекс» (Midrex). На его долю в начале 2000-х годов приходится около половины всех мощностей по производству металлизованных окатышей или брикетов. Первая промышленная установка для реализации процесса «Мидрекс» пущена в эксплуатацию в 1969 г. на заводе в Портленде (США). Процесс «Мидрекс» осуществляют в невысоких шахтных печах или ретортах с использованием конвертированного природного газа. Конверсия природного газа состоит в превращении углеводородов путем их разложения на водород и углерод с последующим дожиганием углерода до CO при помощи углекислого газа и водяных паров по следующим реакциям:
CH4 + CO2 = 2СО + 2Н2; CH4 + H2O = CO + 3Н2.

На рис. 142 показана схема процесса «Мидрекс».
Особенности развития макси- и мини-заводов

Технологический процесс происходит следующим образом. В конвертер подают смесь природного и колошникового газов. Конвертер представляет собой футерованный изнутри рекуператор прямоугольной формы, в котором установлены трубы из жаропрочной стали, заполненные кусковыми глиноземистыми огнеупорами, пропитанными никелевым катализатором. Снаружи трубы разогревают сжиганием колошникового газа. В этих трубах при температуре -1000°C природный газ при помощи СО2 колошникового газа конвертируется в восстановительный газ, содержащий 30% CO и -70% H2. Восстановительный газ подают в шахтную печь снизу, а сверху производят загрузку железорудного материала в виде окатышей или брикетов.
Печь по высоте разделена на две зоны с двумя самостоятельными оборотными циклами. Верхняя зона предназначена для восстановления железа восстановительным газом, который вырабатывается в конвертере, а нижняя - для охлаждения металлизованного продукта оборотным и изолирующим газом. Изолирующим газом служит часть продуктов сгорания, получаемых из конвертера после охлаждения. Оборотный газ отсасывается из верхней части зоны охлаждения, поступает в скруббер, а затем вентилятором вновь подается в нижнюю часть зоны охлаждения.
Отобранный восстановительный газ отсасывается из верхней части зоны восстановления, подвергается очистке и охлаждению в скруббере и далее 1/3 этого газа поступает в конвертер для конверсии природного газа. Температура окатышей в зоне восстановления 760°С, на выходе из печи 40°С. Продолжительность пребывания окатышей в зоне восстановления 4-6 ч. Суммарная длительность пребывания окатышей в печи 8-12 ч. Содержание углерода в железной губке регулируют изменением расхода и соотношения восстановительного и изолирующего газов в охлаждающем газе. Полученные металлизованные окатыши выгружают из печи снизу. Их хранят в бункере, заполненном инертным газом. Окатыши содержат -90% металлического железа. Суточная производительность одной печи достигает 1000 т железа при расходе природного газа до 550 м3/т. По такой схеме построен Оскольский электрометаллургический комбинат.
В настоящее время суточная производительность шахтных печей составляет 5-9 т/м3, то есть в 2-4 раза выше, чем в доменной печи. Эти печи относительно небольшие (до 200 м3, высотой 10-14 м и диаметром 3,5-3 м), суточная их производительность составляет 1000-1500 т.
Процесс «Соrех» (жидкофазного восстановления железа из руды) - важный этап, изменивший отношение металлургов к бескоксовым способам получения жидкого чугуна. Он разработан фирмами «Корф Инжиниринг» (Германия) и «Фест-Альпине» (Австрия), и в конце 1989 г. был введен в эксплуатацию первый промышленный комплекс Соrех-1000 с фактической производительностью 315 тыс.т чугуна в год на заводе фирмы «Искор» в Претории (ЮАР). Схема процесса приведена на рис. 143.
Особенности развития макси- и мини-заводов

Кусковую руду, агломерат или окатыши загружают в восстановительную шахту, в которой они восстанавливаются газами до 90% степени металлизации. Образовавшееся губчатое железо транспортером подают в плавильную камеру, в которой происходит окончательное восстановление, плавление и нагрев расплава. Через определенные промежутки времени выпускают чугун и шлак. В чугуне содержится 0,3% S и 0,16% Р. Для получения чугуна расходуется 1500 кг/т руды, 1200 кг/т угля, 420 кг/т флюсов и около 600 м3/т кислорода.
Восстановительный газ образуется в плавильной камере 20, в которой газифицируется уголь. В этой камере развиваются высокие температуры (выше 1000°C), поэтому углеводороды, выделяющиеся из угля в присутствии кислорода, превращаются в оксиды углерода и водорода. В газовом потоке выносится большое количество пыли, частиц железа. Мелкая пыль задерживается в циклоне 16 и возвращается обратно в плавильную камеру. Восстановительный газ подается в восстановительную шихту. Температура восстановительного газа регулируется добавкой к нему охлажденного газа 18, который получают охлаждением части восстановительного газа в скруббере 17 до 800-850°С. Газ, выходящий из восстановительной шахты после очистки и охлаждения, может использоваться как топливо в паровых котлах или в установках твердофазного восстановления.
Процесс «Ромелт». Этот процесс был разработан в России. Схема процесса представлена на рис. 144.
Особенности развития макси- и мини-заводов

Восстановительная плавка происходит в жидкошлаковой ванне. Ванну продувают кислородом. Восстановителем и топливом является уголь. Шихта загружается в печь сверху. Она состоит из руды, окатышей, флюсов. Восстановление оксидов железа происходит прямым и косвенным восстановлением в слое шлака. Восстановленный металл имеет состав: 4,2-4,5% С; 0,2-0,3% Si; 0,2% Mn; 0,01-0,05% Р; 0,04-0,05% S. Он накапливается в отстойнике и выпускается непрерывно или порциями из печи. Так же происходит и выпуск шлака. Через верхние фурмы 9 в печь подают воздушно-кислородное дутье для дожигания восстановительных газов. Тепло от сжигания газа большей частью возвращается в шлаковую ванну. Отходящие газы 7 направляют в котел-утилизатор.
В этом процессе происходит эффективная десульфурация. До 90% всей серы уносится с отходящими газами. Фосфор в основном переходит в шлак, основность которого не менее 1.
Преимущество этого процесса состоит в использовании необогащенных железных руд и обычных энергетических углей. Попутно с производством железных сплавов в печи могут перерабатываться шлаки цинкового и ванадиевого производства с улавливанием содержащихся в них цинка и ванадия. Установки «Ромелт» могут быть использованы и для переработки бытовых отходов с улавливанием вредных газов.
Основными достоинствами технологии прямого восстановления железа являются
- устранение агломерационных и коксохимических производств;
- возможность получения чистого железа без таких нежелательных добавок, как сера и фосфор;
- резкое сокращение выбросов СО2, так как восстановителем является водород;
- использование многих видов железорудного сырья - руды, концентратов, пыли, шламов, окалины, стальной стружки - без предварительной обработки;
- сокращение материала и энергоемкости.
При разработке и начале применения этих процессов считалось, что они станут альтернативой доменному процессу.
К настоящему времени можно отметить, что эффективно установки прямого восстановления железа могут работать только в регионах с недорогими источниками энергии. Этим и объясняется тот факт, что доля производства металлизованного сырья без применения кокса на регион Латинской Америки составляет 36% от общего его производства, на Ближний Восток и Северную Америку - более 25% и Азию - около 20%.
Странами с наибольшими объемами производства металлизованного сырья являются: Венесуэла, Мексика, Индия, Иран, Саудовская Аравия,
Учитывая то, что свыше 90% металлизованного сырья получают при использовании газообразного топлива (в подавляющем большинстве случаев -природного газа), становится ясно, что чем выше цена природного газа, тем менее эффективны эти процессы.
Так, в Венесуэле, где цена на газ в 10 раз ниже европейских цен и имеется железная руда, стоимость тонны губчатого и горячебрикетированного железа на 30% ниже, чем полученного на новой установке в Европе.
С другой стороны, существенное повышение цен на газ обусловило прекращение работы нескольких установок по производству губчатого железа в США, Мексике, Канаде и некоторых других странах. Во многих случаях выведенные из эксплуатации установки демонтируют и передислоцируют в страны с дешевыми энергоресурсами.
В литературе имеются сведения, что с 1995 по 2005 г.г. производство прямого восстановления железа выросло с 30,7 до 56 млн.т. Прогнозируется дальнейший рост производства такого материала до 80 млн.т в 2010 г. Это обусловлено повышением цен на металлолом.
И тем не менее, большие объемы металлопродукции еще достаточно долгое время будут производить в традиционных комплексах «доменная печь-конвертер». Одним из подтверждений этому служат данные работы. Показано, что в период 1993-1999 г.г. годовые объемы выплавки чугуна в мире колебались в пределах 500-550 млн.т, а в 2000-2005 г.г. начался период интенсивного роста производства чугуна (ежегодные темпы роста составляли 6-10%) и на конец 2006 г. оно достигло 871,6 млн.т. Главную роль в общемировом выпуске чугуна сыграли Китай, Индия, Япония, Южная Корея. На их долю приходилось 65% мирового производства чугуна. По мнению автора работы, в пятилетней перспективе регион Юго-Восточной Азии останется мировым лидером в производстве чугуна.
Доля стран Европейского Союза (ЕС) составляет 25% мирового производства чугуна. Ежегодный рост его производства составляет примерно 3%. Он происходит, главным образом, за счет стран - новых членов ЕС.
Крупнейшими производителями чугуна в ЕС являются Германия (27%), Франция (12%), страны Бенилюкса (11%), Италия (10%), Великобритания (9%). Учитывая ужесточение экологических норм ЕС, можно ожидать сокращения производства чугуна. Тенденция снижения объемов выпуска чугуна наблюдается и в странах Северной Америки. В 2005 г. выплавку чугуна на 5 млн.т сократили США.
Однако сокращение объемов выплавки чугуна в этих регионах не свидетельствует о снижении его потребления. Дисбаланс компенсируется его импортом из Бразилии, Китая, ЮАР, Индии, России и Украины. На долю США приходится 35% общемирового импорта, стран ЕС - 30%, Италии 10%, Испании -5%.
Учитывая сложившееся в черной металлургии Украины положение, когда в последние годы на металлургических предприятиях модернизировали доменное производство, товарный чугун может стать одним из основных видов экспортных поставок, наряду с заготовкой.
Еще одним доводом в пользу доменного производства, а значит, и интегрированных металлургических заводов, является четко выраженная тенденция применения чугуна в электросталеплавильном производстве (вплоть до 40% от общего количества металлонесущей шихты).
В мире не только модернизируют интегрированные предприятия, но и строят новые.
Так, фирма «Фест-Альпине» модернизировала расположенный в Донавице (Австрия) металлургический завод. После реконструкции на заводе действуют две доменные печи, установка десульфурации чугуна, два конвертера, две установки ковш-печь и три вакууматора, пятиручьевая блюмовая МНЛЗ, на которой отливают заготовки квадратного и круглого сечения, шестиклетевой не-прерывно-заготовочный стан, рельсобалочный и проволочный станы. Часть блюмов и заготовок отгружают на сторону. Создан классический вариант интегрированного завода. Есть и другие примеры.
Рассматривая принципиальный вопрос - могут ли заменить мини-заводы полностью предприятия с полным металлургическим циклом - следует констатировать: на ближайшие 30-50 лет - такой возможности нет. Ho при условии, что на каждом из металлургических переделов интегрированных предприятий будут постоянно внедряться инновационные технологии, в которых предусматривается максимальное использование совмещения процессов, следующих друг за другом.