ехнико-экономические показатели и экологические проблемы сталеплавильного производства.

екция №4

Общие вопросы металлургии стали.Цель и задачи плавки стали. Технико-экономические показатели и экологические проблемы сталеплавильного производства.

ель и задачи плавки стали.

Конечная цель плавки в любом агрегате сводится к получению жидкой стали с заданным химическим составом и температурой при минимальных затратах труда, сырья, материалов, топлива и энергии.

По характеру физико-химических процессов плавку делят на две основные части проводимые последовательно и часто в разных рабочих объемах. Первая часть – рафинирование металла – удаление избыточного количества примесей содержащихся в исходном металле. Вторая часть – раскисление-легирование металла (через «-» так как один и тот же элемент часто одновременно является и раскислителем и легирующей добавкой). В этот период в металл вводят недостающие примеси или недостающее их количество для достижения необходимого содержания полезных примесей и кислорода в конечной стали. Рафинирование в основном проводится путем окисления примесей (за счет введения кислорода), а главная задача раскисления – удаление из металла растворенного кислорода.

Рафинирование обычно производится в несколько стадий и в различных рабочих объемах.

Предварительное рафинирование – удаление из чугуна S, Si, P. Оно проводится обычно в чугуновозных ковшах до подачи чугуна в сталеплавильный агрегат.

Основное рафинирование (окислительное) – производится в сталеплавильном агрегате и связано с удалением примесей путем их окисления.

Дополнительное рафинирование – осуществляется в сталеразливочном ковше с целью удаления серы путем обработки металла синтетическими шлаками или шлакообразующими смесями.

Дегазация металла в сталеразливочном ковше путем обработки вакуумом или продувкой инертным (нейтральным) газом способствует удалению водорода, кислорода и азота. Дополнительное рафинирование и дегазация могут быть совмещены как друг с другом, так и с раскислением-легированием.

Одной из важнейших задач плавки является нагрев металла до заданной температуры. Обычно нагрев совмещается с окислительным рафинированием и эти процессы должны протекать или заканчиваться одновременно. На конечной стадии процесса рафинирования из металла удаляется только углерод, в этот период плавки главная задача сводится к синхронизации процесса обезуглероживания и нагрева металла.

Раскисление-легирование оказывает основное влияние на химический состав (качество) готовой стали. Оно сопровождается расплавлением и растворением в жидком металле введенных в него материалов содержащих полезные примеси. Кроме того, происходит взаимодействие элементов раскислителей с вредными примесями (кислородом, серой, азотом и др.) хотя с кислородом все же доминирующая роль.

ехнико-экономические показатели и экологические проблемы сталеплавильного производства.

В табл. 13.1 приведены данные о технико-экономических показателях конвертерных процессов.

Наиболее важным показателем является выход годного, потому что расходы на металлошихту составляют до 80% себестоимости стали.

Стальной лом приблизительно вдвое дешевле, чем жидкий чугун, потому удельные расходы лома также являются важным показателем.

По этим двум показателям лучше других – КАЛДО-процесс, в котором организовано дожигание монооксида углерода в двуокись. Однако необходимость обеспечить вращение конвертеров КАЛДО требует значительных капитальных и эксплуатационных расходов.

Донная кислородная продувка по удельным расходам лома уступает верхней кислородной в связи с дополнительными расходами тепла на нагрев газов защитной среды. Несколько больший выход годного в связи с меньшими потерями металла с окислами железа не может компенсировать дополнительных расходов, связанных со сложностью организации продувки через 10 – 20 донных фурм с индивидуальной регуляцией расхода газов и низкой надежностью в работе, чем одна верхняя кислородная фурма. Существенна и ограниченность сортамента выплавляемых сталей, связанная с повышенным содержанием водорода, который поглощается сталью из углеводородов защитной среды. Очевидно, что донная кислородная продувка может быть использована лишь для производства особо низкоуглеродистых сталей типа электротехнической и коррозионностойкой.

Передел фосфористых чугунов по всем показателям, за исключением удельных расходов лома, хуже, чем передельного чугуна, что связано, в первую очередь, с образованием вдвое большего количества шлака. В связи с этим большая часть металлургических заводов Западной Европы отказались от выплавки фосфористых чугунов из своих железорудных месторождений и считают экономически выгодным завозить железную руду из южно-американских месторождений, которая имеет низкую концентрацию фосфора и высокую, – железа.

Кислый процесс в одинаковых условиях дает в 2 – 3 раза меньшее количество шлака, чем основной. В Японии ведутся работы по выведению из конвертера процессов десульфурации и дефосфорации, осуществлению последних путем внедоменной обработки чугуна и внепечной обработки стали и проведению в конвертере обезуглероживания обескремненого чугуна при минимальном количестве образующегося шлака.

Применение комбинированной продувки позволяет улучшить показатели верхней продувки по выходу годного приблизительно на 1% и этим окончательно решить вопрос о ее технико-экономической целесообразности. В настоящее время во всем мире 70% стали выплавляется в кислородных конвертерах, в том числе около 70% – комбинированной продувкой.

Капитальные расходы на строительство конвертерных цехов в относительных процентах приведены в табл. 13.2. Для каждого из видов расходов и типов чугунов, за 100% приняты расходы при донном воздушном дутье.

Таблица 13.2 — Капитальные затраты на строительство конвертерных цехов

Процесс	Чугун	Капитальные затраты, %
конвертерный цех	заводское хозяйство	Государственное хозяйство
Донное воздушное дутье	Передельний
Фосфористый
Верхняя кислородная продувка	Передельний			до 94
Фосфористый
Донная кислородная продувка	Передельний	106 – 123	88 – 102	81 – 94
Фосфористый	106 – 123	88 – 102	81 – 94
КАЛДО-процесс	Передельний
Фосфористый

 

 

Капитальные расходы на сооружение собственно конвертерного цеха в заводском хозяйстве дополняются расходами на производство чугуна, а в хозяйстве страны – на добычу железной руды и ее подготовку. Они увеличиваются с увеличением удельных расходов чугуна на процесс и уменьшением удельных расходов лома. Поэтому для КАЛДО-процесса они минимальны. Однако низкая производительность этого процесса и высокие удельные расходы огнеупоров делают его нерентабельным.

Удельные капиталовложения на 1 т выплавляемой стали, на строительство собственно кислородно-конвертерного цеха, на 45 – 50% меньше, чем на строительство мартеновского или электросталеплавильного цеха. При учете расходов в хозяйстве страны эта разница составляет 5 – 15%.

Благодаря этому кислородно-конвертерный процесс по своим масштабам занимает лидирующее место среди всех способов производства стали.

 

ТЭП основного мартеновского процесса.

Производительность печей определяется несколькими показателями: съемом стали с 1 м² площади пода в сутки [т/(м²·сут)], часовой производительностью печи (т/ч) и годовой производительностью (т/год). Съем стали и часовая производительность могут относиться к календарному и номинальному времени (номинальное время равно календарному, за вычетом времени на ремонты печи). Продолжительность горячих и холодных ремонтов на передовых заводах СССР составляет 6 – 7% (т.е. из 365 дней в году 340 – 343 суток печь работает и 22 – 25 суток в течение года она на ремонте).

 

Например, если площадь, пода 250 т печи составляет 75 м², плавка длится 6 ч (четыре плавки в сутки) и за каждую плавку получают в среднем 245 т годных слитков, то для такой печи:

съем стали ;

часовая производительность ;

годовая производительность

(при 340 рабочих суток в году).

Из табл. 13 видно, что стоимость стали в значительной мере определяется стоимостью шихтовых материалов. Расход шихтовых материалов (на 1 т годных слитков) зависит от вида разливки (сверху, сифоном или непрерывная), брака металла, количества скрапа, образования недоливов слитков и др. На передовых заводах СССР количество брака весьма мало и составляет менее 0,5%; расход металлошихты на 1 т годных слитков на этих заводах составляет 1050 – 1100 кг для скрап-рудного процесса и 1100 – 1200 кг для скрап-процесса. Выход годного составляет соответственно 91 – 95 и 89 – 91% (при скрап-рудном процессе расходуется больше железной руды и часть железа руды восстанавливается и переходит в металл).

Расходы по переделу в известной мере зависят от масштабов производства: с уменьшением объема производства повышаются расходы по переделу. Однако большую роль играет и организация работы в цехе. Сокращение продолжительности плавки и снижение расхода топлива решающим образом влияют на снижение расходов по переделу. Значительное снижение расходов по переделу достигается при уменьшения расхода огнеупоров путем повышения стойкости отдельных элементов печи, вторичного использования огнеупоров и др.

Большое значение для снижения себестоимости стали имеет повышение производительности труда, т.е. увеличение количества выплавленной стали на одного рабочего. Выплавка стали на одного рабочего мартеновского цеха колеблется в широких пределах. В современных крупных мартеновских цехах, работающих скрап-рудным процессом, на одного рабочего приходится 2000 – 6000 т. стали в год.

Из себестоимости стали вычитается стоимость пара, полученного на котлах-утилизаторах. Этот пар «продается» другим потребителям. При переработке фосфористой шихты себестоимость снижается в результате продажи фосфористого шлака. Себестоимость 1 т мартеновской углеродистой стали в СССР колеблется в широких пределах. Себестоимость легированной стали возрастает вследствие повышения расходов на ферросплавы и легирующие добавки.

Современная мартеновская печь – дорогостоящий агрегат. Стоимость печей, работающих на высококалорийном топливе,(т.е. с одной парой регенераторов и шлаковиков и сравнительно простой системой перекладки (клапанов, КИП и автоматики и др.), значительно ниже стоимости строительства газовых печей с двумя парами регенераторов (отапливаемых смешанным коксодоменным газом).

Примерное распределение стоимости строительства мартеновской печи следующее, %:

Земляные работы ………………………………………3

Бетонные и железобетонные работы …………………7

Кладка:

шлаковиков и регенераторов………………………….34

боровов…………………………………………………..6

рабочего пространства ………………………………..18

Металлоконструкций ………………………………….20

Гарнитура (литье, поковки)……………………………12

 

Таблица 13 — Структура себестоимости мартеновской углеродистой

стали, %

Статьи себестоимости	Тип процесса
скрап-рудный	скрап-процесс
Металлические шихтовые материалы (чугун, скрап, ферросплавы)	67 –75	50 – 70
Добавочные материалы (руда, известняк, известь, боксит и др.)	5 –10	1 –3
Расходы по переделу (в том числе):	15 – 30	22 – 45
— топливо технологическое (мазут, газ и др.)	5 – 8	7 – 12
— энергетические затраты (электроэнергия, пар, вода, сжатый воздух, кислород)	0,5 – 2,0	1,5 – 2,5
— заработная плата	1,5 – 2,5	2 – 5
— амортизация основных средств	0,8 – 1,0	0,8 – 1,5
— текущий ремонт (в том числе расходы на огнеупоры) и содержание основных средств, износ сменного оборудования (изложниц, поддонов и др.)	5 – 10	5 – 8
— услуги транспортных цехов	1,0 – 1,5	1,0 – 3,0
— прочие цеховые расходы	1,0 – 3,0	1,0 – 3,0
Общезавоские расходы	1,5 – 3,0	2,0 – 4,0

 

Таблица 13.1 — Технико-экономические показатели конвертерных процессов

 

 

Показатель	Донное воздушное	Верхнее кислородное	Донное кислородное	КАЛДО фосфористый чугун бессемерование	Малое бессемерование томасование
бессемерование	томасование	передельный чугун	фосфористый чугун	передельный чугун	фосфористый чугун
Садка, т	10 – 15	11 – 80	60 – 380	30 – 250	35 – 250	20 – 220	30 – 230	1 – 3
Выход годного %	87 – 89	25 – 88	89 – 90	88 – 89	90 – 91	88 – 90	91 – 93	82 – 86
Максимальный удельный расход лома, кг/т стали
Удельный расход извести кг/т стали	—	130 – 170	50 – 60	100 – 150	35 – 80	70 – 81	100 – 120
Удельный выход шлака кг/т стали	60 – 80	220 – 290	120 – 140	160 – 230	60 – 100	140 – 160	300 – 320	70 – 90
Удельный расход огнеупоров, кг/т стали	3 – 7	8 – 14	0,5 – 2	7 – 15	5 – 6	5 – 10	25 – 30	20 – 40
Стойкость футеровки без торкретирования: корпуса (числитель) и днища (знаменатель)	1000 – 2000 20 – 100	300 – 400 20 – 70	1000 – 4000 1000 – 4000	200 – 400 200 – 400	700 – 900 200 – 400	250 –450 200 – 300	130 – 270 130 – 270	40 – 100 40 – 100
Длительность продувки,мин.	12 – 15	12 – 20	12 – 25	16 – 30	11 – 15	11 – 22	35 – 50	15 – 25
Длительность плавки, мин.	20 – 25	25 – 45	28 – 50	45 – 60	25 – 40	30 – 45	80 – 100	35 – 50
Состав цеха производитель-ностью 1 млн. т стали в год (количество конвертеров × садка)	3×28	3×40	2×100	3×43	3×43	3×50	3×100	32000 т/год 4×15
Максимальная производи-тельность действующих цехов, млн. т стали/год (числитель), количество конвертеров ×садка (знаменатель)	1,8 3×35	1,5 7×40	8,3 3×340	6,6 3×250	5,1 3×200	2,9 2×240	1,5 2×220	—
Сортамент выплавляемых сталей,	ограниченный	ограниченный	не ограниченный	не ограниченный	ограниченный	ограниченный	не ограниченный	ограниченный