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 |