Выбор и обоснование технологии плавки в ЭСПЦ

Тенденция изменения структуры  сталеплавильного производства в мире приведена на рис.1.

Показатели производства основных видов продукции черной металлургии Украины за последние 10 лет приведены в табл.2, из сравнения которых следует, что одним из основных видов производства стали в Украине остается мартеновский процесс (~50%), в то время как доля электростали составляет всего лишь 3,2% против 25-42%, имеющих место в США, Японии, ФРГ. В сталеплавильной промышленности Украины недостаточно используются МНЛЗ при разливке сталей различных способов производства. Так, если конвертерной стали на МНЛЗ разливается 37,4%, то электростали – 16%, а мартеновской – всего лишь 1,6%. При этом необходимо отметить, что производство стали в мартеновских печах является наиболее энергозатратным, а использование МНЛЗ позволяет увеличить выход годной стали на 6-8%.

Основой качественной металлургии  является ферросплавная подотрасль. В Украине сосредоточено до 40% всех электропечных мощностей ферросплавного производства стран СНГ, которые обеспечивали потребность металлургического комплекса бывшего СССР в марганцевых ферросплавах на 83%, кремнистых – на 32%, лигатурах и модификаторах – на 20%. Ферросплавы являются передельной продукцией, предназначенной для раскисления, легирования и модифицирования чугуна и стали. Поэтому уровень их потребления определяется общим состоянием металлургического производства в Украине, странах СНГ и в мире в целом. Лимитирование потребления электроэнергии, возросшая ее стоимость, уменьшение спроса на ферросплавы на внутреннем и внешнем рынках привели к снижению объемов выплавки ферросплавов в Украине с 2,078 млн. т в 1990 г. до 1,373 млн. т в 2000 году. Следует отметить, что в последние годы несколько стабилизировалось производство ферросплавов за счет рациональной схемы реализации продукции внутри страны и за рубеж. Ферросплавная подотрасль остается экспортно-ориентированной, так как за пределы страны вывозится до 60% ферросплавов, из них в страны СНГ – 20% и в страны дальнего зарубежья – 40%. Ферросплавная промышленность Украины сориентирована на собственную сырьевую базу и производит, в основном, марганцевые и кремнистые ферросплавы. По запасам марганцевого сырья Украина занимает второе место в мире после африканского континента, где основные запасы расположены в ЮАР. Богатые месторождения высококачественных кварцитов в Украине служат базой для производства кремнистых ферросплавов.

Рис.1. Тенденция изменения структуры сталеплавильного производства в мире:

               - статистические данные; - - -  - прогнозные данные

К марганцевым ферросплавам относятся  – силикомарганец, ферромарганец с различным содержанием углерода и металлический марганец. Большая группа кремнистых ферросплавов включает низкокремнистый ферросилиций с содержанием до 30% Si; среднекремнистый – с содержанием до 70% Si; высококремнистый, содержащий 75-92% Si, и кристаллический кремний с содержанием более 98% Si. Из группы больших ферросплавов в Украине не производятся хромистые ферросплавы, что объясняется отсутствием собственных разведанных месторождений высококачественных хромовых руд.

Таблица 2. Производство основных видов продукции на металлургических предприятиях Украины, тыс.т

Марганцевые ферросплавы производятся на ОАО «Никопольский завод ферросплавов (НЗФ) - самом крупном предприятии подобного профиля в мире. ОАО «Запорожский ферросплавный завод» (ЗФЗ) производит марганцевые и кремнистые ферросплавы. ОАО «Стахановский завод ферросплавов» (СЗФ) специализируется исключительно на выплавке кремнистых ферросплавов. Кристаллический кремний выплавляется на Днепровском алюминиевом заводе. Поскольку эти заводы были построены в разные периоды времени, поэтому они резко отличаются по своим архитектурно-строительным, объемно-планировочным решениям, используемым ферросплавным печам и разливочному оборудованию. Ферросплавная промышленность должна развиваться в дальнейшем по пути технического и технологического перевооружения, развития собственной базы производства малых ферросплавов с использованием отечественного сырья (ферротитан, сплавы с РЗМ, цирконием и др.). Лигатуры, модификаторы и ферросплавы малой группы (ферровольфрам, феррованадий, ферромолибден и др.) в Украине практически не производятся и только некоторые из них выплавляются в ограниченном объеме, что сдерживает развитие производства высоколегированной электростали.

За последние 10 лет количество стали, произведенной в электрических  дуговых печах в мире, возросло со 190 до 270 млн. т или на 42%, достигнув 34% от общего производства, которое за это время возросло с 720 до 790 млн. т (~10%). Таким образом, темпы роста производства электростали опережают темпы роста общего производства стали. Можно ожидать, что количество электростали будет стабильно увеличиваться.

К основным факторам, способствующим бурному развитию электрометаллургии можно отнести то, что дуговые печи позволяют при относительно небольшом расходе энергии и значительно меньшем загрязнении окружающей среды переплавлять рядовой металлолом и получать стали сортамента массового назначения с меньшими затратами, чем в конвертерах и мартеновских печах. Высокопроизводительная технология электроплавки в сочетании с непрерывной разливкой и прокаткой мелких профилей для строительного производства обусловливает развитие мини-заводов, использующих местный лом. Замена мартеновских печей электропечами или дополнительное их строительство на интегрированных заводах позволяет уравновесить баланс жидкого металла и проката и полностью использовать внутризаводской лом, в том числе и крупногабаритный. Дуговые печи обеспечивают допустимые пределы по выбросам в атмосферу, регламентируемые законодательством по охране окружающей среды, с меньшими затратами, чем конвертеры и мартеновские печи; требуют меньших капиталовложений; отличаются более низкими показателями удельной энергоемкости; легче обеспечиваются средствами ограничения выбросов в окружающую среду; обеспечивают выплавку стали на металлизованных окатышах или на их смеси с металлоломом, что позволяет снять или резко снизить значимость вопроса о качестве лома.

Сравнение трех возможных вариантов  заводов: I – интегрированный завод, включающий агломерационное, доменное и сталеплавильное (конвертерное) производство; II – завод с производством стали в ДСП на металлоломе; III – завод с производством стали в дуговых печах из металлизованных окатышей – свидетельствует о преимуществе II схемы, как с точки зрения энергетических затрат (2,8 Гкал/т против 5,5 Гкал/т по I и 5,4 Гкал/т по III схемам), так и удельных капитальных затрат (2-3 условных единицы против 6-7,5 по I и 3,5-5,5 по III схемам). Исходя из прогнозируемых объемов производства чугуна и оборачиваемости металла в машинах, равной 14 годам, поступление лома в мировом производстве будет опережать его потребление, и стоимость его не будет превышать стоимость чугуна. Основными аргументами для развития электроплавки стали являются низкие инвестиционные расходы, необходимые для электрических дуговых печей, по сравнению со сталеплавильными заводами с полным металлургическим циклом (работающими на своем сырье), особенно если устаревшие доменные печи должны быть выведены из производства. Насколько быстро это развитие будет происходить, зависит, однако, от наличия необходимого сырья для дуговой сталеплавильной печи (ДСП), так как сырье является решающим фактором для выбора марки стали. Можно предположить, что количество металлолома во всем мире будет в дальнейшем увеличиваться. Однако, качество металлолома будет снижаться, особенно по содержанию тяжелых цветных металлов.

Дальнейший рост производства электростали в мире будет происходить с использованием дешевых железорудных окатышей или других первородных железосодержащих материалов. Мировое производство окатышей в 1997 г. составило 35 млн. т, а в ближайшие 10 лет будет произведено более чем 70 млн. т. До 1970 г. в ДСП производили, в основном, специальные стали (от средне- до высоколегированных), производство которых обусловлено высокой стоимостью. Однако, эта тенденция была изменена уже к 1985 г., потому что смогли значительно увеличить производительность ДСП. В эти годы были построены мини-заводы, способствовавшие росту производственных мощностей электростали. Мини-заводы начали выплавлять низкоуглеродистые стали, производимые на заводах с полным металлургическим циклом и, в особенности, для длинномерных изделий. С 1985 г. были проведены испытания с целью производства листовой стали в ДСП с выносом основных рафинировочных операций в ковш-печь. С 1990 г. началось быстрое развитие производственных мощностей на мини-заводах. Сегодня термин «мини» в большей степени является выражением минимальных затрат, чем ограниченной годовой производственной мощности. В настоящее время существует несколько, так называемых, мини-заводов, каждый из которых производит более 2 млн. т стали в год. Производительность ДСП стала сравнимой с конвертерным производством. Однако ДСП является более гибкой относительно материальных и производственных затрат. Уже сегодня вся длинномерная продукция может быть произведена более эффективно по стоимости с использованием ДСП. Дальнейший рост выплавки электростали в последние 10-15 лет будет определяться экономическими показателями производства высококачественной листовой стали в ДСП. Условием для этого является то, что помимо металлолома должно быть достаточно других первородных железорудных материалов.

В последние годы значительно улучшились средние показатели электросталеплавильного производства в мире. Масса плавки в ДСП увеличена на 28% (с 86 до 110 т); мощность трансформатора повышена на 35% (с 60 до 80 МВ×А); возросла удельная электрическая мощность трехфазных печей постоянного тока (с 680 до 900 кВ×А/т); удельный расход кислорода увеличен на 25% (с 24 до 30 м³/т); температура стали на выпуске уменьшена на 25⁰С (с 1660 до 1635⁰С); продолжительность плавки сокращена на 33% (со 105 до 70 мин.); средняя производительность печи повышена на 54% (с 61 до 94 т/ч); удельный расход графитизированных электродов уменьшен на трехфазных печах на 34% (с 2,9 до 1,9 кг/т), на печах постоянного тока составляет 1,35 кг/т; удельный расход электроэнергии снижен на 13% (с 450 до 380 кВт×ч/т); расход огнеупоров уменьшен на 57% (с 7 до 3 кг/т).

Проблема снижения содержания в  стали азота, серы, фосфора и примесей цветных металлов решается путем использования в шихте металлизованного сырья и чугуна и совершенствования шлакового режима плавки. Лом остается основным шихтовым материалом при производстве стали в электропечах. В 1995 г. в мире было собрано 350 млн. т лома и в 2000 г. - 380 млн. т. В 1998 г. в мире 46% стали было получено из лома (элетросталеплавильное и конвертерное производство). Доля лома в выплавленной стали составляет 45-65% в развивающихся странах и 19-22% в промышленно развитых странах. Объем первородного сырья в шихте составил в 1997 г. 32,2 млн. т; ожидается его рост до 40 млн. т в 2005 г. Заменители лома будут использованы в меньшем объеме, чем прогнозировалось ранее. В 2010 г. предполагается использовать около 50 млн. т металлизованного сырья и 5-9 млн. т жидкого чугуна. Большие успехи достигнуты в очистке технологических газов. Содержание пыли в выбрасываемых газах снижено до ~ 5 мг/м³. Концентрация диоксинов и фуранов уменьшена до ~ 0,1 мг/м³ в результате «закалки» технологических газов и вдувания угля или коксика для адсорбции диоксинов.

Прогнозируется рост доли электростали в общем объеме выплавляемой стали до 40% к 2010 г. (33% в 1999 г.). Это отвечает росту объема электросталеплавильного производства на 2 % в год, что вдвое превышает скорость роста общего объема производства стали. Причем рост объема электростали, в основном, планируется на листовой прокат. Если в 1999 г. только 20 млн.т электростали предназначалось для производства листового проката, то в 2010 г. ожидают, что из электростали будет получено 66 млн.т листа. Соответственно доля сортового проката из электростали снизится с 92 до 80%.

В перспективе улучшатся технико-экономические  показатели работы дуговых печей. К 2010 г. удельный расход электроэнергии уменьшится с 390 до 360 кВт×ч/т при расходе угля и кислорода соответственно 23 кг/т и 40 м³/т. Продолжительность цикла плавки сократится с 70 до 58 мин при работе под током в течение 45 мин. Улучшатся экологические показатели работы дуговых печей. Законодательства по охране окружающей среды в странах Европы очень жестки. Содержание пыли в выбрасываемых газах должно быть <5 мг/м³, концентрация диоксинов и фуранов <0,5 мг/т. Твердые отходы необходимо рециклировать, системы водоснабжения должны быть замкнутыми.