Экономическая эффективность производства стали из чугуна с использованием ковшевого обезуглероживания

Современная мировая черная металлургия характеризуется значительным разнообразием используемых технологий. В — области восстановительных процессов ведущим • остается доменный процесс, существующий около 700 лет и позволяющий наращивать мировой металлофонд. В то же время явно наметившаяся в последние 40 лет тенденция к увеличению числа передельных мини-заводов (в настоящее время около 300) вызвала к жизни и другие способы получения металла. Это, в первую очередь, процессы так называемой бескоксовой металлургии, позволяющие вовлечь в производство альтернативные коксующемуся углю природные углеводороды. Вывод из эксплуатации мартеновского способа получения стали вызвал к жизни развитие дуговых подовых отражательных агрегатов — дуговые сталеплавильные печи, количество выплавляемой стали в которых уверенно увеличивается и в настоящее время составляет 33,1% от ее общего производства.

Вместе с тем неравномерность развития различных стран и регионов, существенные отличия в рынках возможного потребления шихтовых материалов (в т.ч. и металлолома) приводят к возникновению новых проблем, связанных с созданием агрегатов и процессов, отличных от традиционных. Так, в связи с неуклонным ухудшением качества амортизационного металлолома (по некоторым данным содержание меди в нем удваивается каждые 20 — 25 лет), который является основным исходным материалом для производства электростали, перед металлургами встала задача получения чистого, дешевого, транспортабельного металлопродукта. Эта задача в основном решена достаточно хорошо отработанными процессами твердофазного восстановления (Мидрекс и др.), которыми уже сейчас получают более 40 млн. т металлизованного сырья в год. В то же время некоторые принципиальные ограничения, присущие процессам твердофазного восстановления — потребность в чистой богатой железом руде, невозможность отделения окисной фазы, ухудшение газодинамики в агрегате вследствие слипаемости шихты при повышении температуры для увеличения производительности и др. требуют параллельного развития жидкофазных процессов, способных стать конкурентоспособными с доменным процессом и превзойти его по экологическим характеристикам.

Таким процессом, доказавшим свою жизнеспособность в широкой опытно-промышленной кампании, процессом с хорошо проработанными теоретической, технологической и экономической сторонами является процесс Ромелт. Авторы этого процесса, который в настоящее время практически полностью готов к промышленному внедрению, показали, что при решении проблем, встающих перед практикой металлургии, выход следует искать на путях нетрадиционных подходов.

Каждое конкретное предприятие, развиваясь, встречается с ситуацией, когда требуется принятие кардинальных решений, определяющих его работу на длительный срок. При этом истинное развитие невозможно без отказа от старого и перехода на новые технологии, неапробированные на других производствах, а опирающиеся лишь на теоретические и опытно-промышленные исследования. Такая ситуация в настоящее время созрела в области практического использования процесса жидкофазного восстановления Ромелт. Все существующие основные металлургические переделы — агломерация, коксохимическое и доменное производства, все технологии прямого восстановления, сталеплавильные процессы требуют очень жестких ограничений по химическому и гранулометрическому составам шихтовых материалов. В этом отношении процесс Ромелт проявляет удивительную гибкость, чем выгодно отличается от них. Старые, сложившиеся в преди послевоенные периоды процессы подготовки материалов к доменной плавке не отвечают возросшим экологическим требованиям. Ставшая за последние 20 — 30 лет вполне обычной ковшевая внепечная обработка стали практически полностью ориентирована на рафинировочные процессы — десульфурация, раскисление, дегазация, удаление неметаллических включений. Между тем, физико-химическая природа сталеплавильных процессов позволяет производить в основных сталеразливочных ковшах и окислительные операции. Подобно тому, как за последние 50 лет металлурги последовательно решили такие глобальные проблемы как доведение до практики кислородно-конвертерного процесса, внедрение ковшевой обработки и непрерывной разливки стали, создание процессов твердофазного восстановления настала пора для поступательного развития процессов прямого получения углеродистого железа в жидком виде, дополняющих доменный процесс. Целью настоящей работы является технико-экономический анализ возможности использования жидкофазного процесса восстановления Ромелт в решении проблем дальнейшего развития и функционирования передельных мини-заводов в условиях рыночной экономики.

В ходе проведения исследования были поставлены и решены следующие задачи:

— на основе анализа современного состояния выплавки стали в дуговых электропечах на мини-заводах и изучения тенденций производства металлизованного сырья в твердом и жидком виде, предложены варианты реконструкции металлургических мини-заводов;

— изучены методологические особенности, обоснованы критериальные характеристики и основные методические подходы к оценке эффективности инвестиционных проектов применительно к мини-заводам;

— рассмотрена технология переработки жидкого чугуна Ромелт в сталь в условиях его непрерывного рафинирования от углерода и фосфора при выпуске из агрегата в сталеразливочный ковш с последующей доводкой на установке внепечной обработки стали для условий мини-завода;

— определена экономическая эффективность развития мини-заводов с применением в технологической схеме агрегата Ромелт, обеспечивающего использование в шихте электропечей наряду с металлическим ломом жидкого чугуна и производство стали из чугуна с использованием ковшевого обезуглероживания. л.

Объект исследования — производственно-экономическая деятельность металлургического мини-завода, условием дальнейшего развития, которого является выбор эффективных направлений реконструкции.

Предмет исследования — экономическая эффективность технологических схем производства стали, базирующихся на технологии использования жидкого чугуна Ромелт.

Научная новизна работы заключается в том, что автором-комплексно изучены экономико-технологические проблемы современных мини-заводов, определена роль на них дуговых электропечей, выбраны варианты развития мини-заводов, направленные на вовлечение в металлургическую практику нового жидкофазного процесса Ромелт. В частности, разработаны технологические схемы и обоснован состав оборудования, выполнены расчеты производительности агрегатов и капитальных вложений, рассчитаны сквозные и калькуляции себестоимости по переделам производства литой заготовки. В рамках работы экономически обоснован вариант получения стали в сталеразливочном ковше, при его непрерывном наполнении жидким чугуном Ромелт.

Практическая значимость работы состоит:

1. В доказательстве возможности и экономической целесообразности внедрения в технологическую линию передельных металлургических предприятий агрегатов для прямого одностадийного жидкофазного восстановления с последующей переработкой углеродистого расплава в сталь в сталеразливочном ковше на стендах для окислительного рафинирования и агрегатах внепечной обработки стали. Одновременно возможно использование чугуна Ромелт в шихте дуговых электропечей.

2. В создании адаптированной к условиям мини-заводов модели для оценки экономической эффективности новой технологии, расчета калькуляций себестоимости продуктов по технологическим переделам при различном уровне цен на исходные шихтовые материалы и энергоресурсы.

Полученные результаты могут быть рекомендованы к использованию металлургическими предприятиями, научными и проектными организациями для принятия и обоснования перспектив развития отдельных производств.

Основные материалы диссертационной работы опубликованы в пяти научных статьях, доложены на III международной научно-технической конференции молодых специалистов и ученых «Металл — 2003» (Республика Беларусь, г. Жлобин, 2003 г.) и международной научно-технической конференции, посвященной 20-летию БМЗ (Республика Беларусь, г. Жлобин, 2004 г.).

Диссертация содержит 172 страницы машинописного текста, 52 таблицы, 26 рисунков, 2 приложения, список использованной литературы состоит из 82 наименований.

Выводы к главе 4.

1. Анализ влияния стоимости основных материалов на экономические показатели производства жидкого полупродукта из чугуна Ромелт и/или металлического лома, позволяет сделать вывод о том, что первичное железо, остается более дешевым и не подверженным ценовым колебаниям сырьевым ресурсом. Суммарное повышение цен на исходные и энергетические материалы по исследуемым вариантам в сравнении с фактическими показателями БМЗ показало, что при увеличении цен на концентрат, уголь и кислород на 125,16% себестоимость жидкого чугуна Ромелт остается ниже фактической себестоимости жидкого полупродукта из металлического лома на 1,96 долл./т. При аналогичном повышении цен на металлический лом и электроэнергию, разрыв затрат составляет 99,32 долл./т. В этой связи становится очевидным факт, использования в шихте жидкого чугуна Ромелт.

2. Исследование технологических переделов и различных используемых на них сырьевых ресурсов показало, что значительный экономический эффект в виде снижения затрат достигается при использовании жидкого чугуна Ромелт на установке ковшевого обезуглероживания. Использование жидкого чугуна за счет низкой себестоимости его производства, позволяет также снизить затраты в ДСП при добавлении его в шихту к металлическому лому.

3. Добавление в шихту чугуна Ромелт позволяет снизить себестоимость литой заготовки. При содержании в шихте 30% чугуна Ромелт наблюдается уменьшение себестоимости по сравнению с фактической на 8,0%, при переработке жидкого чугуна на УКО данное снижение достигает 33,5%. Анализ изменения себестоимости литой заготовки по исследуемым вариантам реконструкции при повышении цен на исходные материалы показал, что при суммарном увеличении цен на концентрат и уголь вдвое себестоимость литой заготовки возрастает по первому варианту реконструкции на 19,35 долл./тпо второму — на 54,78 долл./т по сравнению с базовым вариантом. При аналогичном повышении цен на металлический лом и электроэнергию вдвое фактическая себестоимость БМЗ составит 264,78 долл./т. Таким образом, при неизменных и возрастающих ценах на исходные материалы и энергоресурсы, наибольший экономический эффект демонстрирует вариант переработки чугуна Ромелт на УКО, затем следует вариант реконструкции с использованием в шихте чугуна Ромелт и металлического лома, наиболее не эффективным является плавление металлического лома в ДСП.

4. Расчетами эффективности проектов переработки жидкого чугуна Ромелт доказана возможность эффективного использования новой технологии. Приемлемый уровень капитальных вложений делает технологию Ромелт совместно с УКО возможной к реализации, на металлургических предприятиях отрасли. Срок окупаемости дополнительных капитальных вложений с начала эксплуатации не превышает по всем вариантам 4,7 лет, с начала строительства 6,7 года. Внутренняя норма прибыли проектов находится в пределах 18,2 — 21,7%. Доказан высокий запас прочности по всем рассматриваемым вариантам. Исследовано влияние стоимости основных ресурсов на показатели эффективности каждого проекта, что также подтвердило тот факт, что рост цен на ресурсы не внесет принципиальных изменений в экономическую оценку.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В рамках работы изучалась проблема дальнейшего развитии металлургических мини-заводов. Задуманные как чисто передельные, предназначенные для переработки скапливающегося в отдельных промышленных регионах металлолома, максимально приближенные к рынкамснабжения электроэнергией и потребления металлопродукции несколькими потребителями, за время своего существования и развития многие мини-заводы существенно изменили свой статус и превратились в металлургические предприятия, функционирующие в гораздо более сложных условиях. Как правило, развитие мини-заводов сопровождалось расширением связей не только с поставщиками необходимых для работы материалов (огнеупоры, топливо, вспомогательные материалы и пр.), но и существенным увеличением номенклатуры выпускаемой продукции и, соответственно, расширением географии ее реализации. Со временем перед мини-заводами, имеющими, как правило, — электросталеплавильное производство, встали проблемы качества выпускаемой продукции, потребовавшие увеличения в составе металлошихты первородных материалов. Если при возникновении этой проблемы, снабжение заводов осуществлялось со стороны, то в последние десять — пятнадцать лет многие заводы в качестве обязательной производственной структуры стали включать производства по получению металлизованного сырья, преобразуясь в интегрированные заводы. Современные, не обязательно вновь построенные, а в т. ч. и развившиеся мини-заводы используют в большом количестве технологический кислород для. интенсификации плавки, широко применяют методы внепечной обработки стали. Постепенно усиливающимися проблемами на мини-заводах, можно назвать такие, как постоянно накапливающиеся отходы прокатного производства (окалина), шламы газоочистки, мусор с площадок хранения металлолома, т.к. на передельных заводах эффективных способов переработки этих материалов нет. Тем не менее в силу роста энерговооруженности развитых стран, легкостью автоматизации и механизации процессов и другим причинам общее валовое производство электростали в мире постоянно растет, достигнув примерно 35% от общего производства стали.

Параллельно с развитием электросталеплавильного производства наблюдается рост выпуска металлизованного сырья, причем заинтересованность в нем именно производителей стали является одним из основных факторов, способствующих увеличению объемов и географии его производства. Если исключить не получившие пока широкого распространения способы производства металлизованного продукта из железорудного сырья и угля в виде брикетов или окатышей, то видно, что наибольшее распространение на сегодняшний день получили шахтные процессы, использующие в качестве восстановителя реформированный газ (процессы Мидрекс и ХИЛ). Но современные успехи этих процессов скорее являются — неудачей процессов одностадийного жидкофазного восстановления, т.к. присущие им недостатки (высокое содержание железа в исходной шихте, ее чистота по вредным элементам и остаткам окисной фазы) является частью выбранной физико-химической схемы производства и не могут быть устранены в принципе. Даже Корекс — процесс, являющийся двустадийным, но с жидким окончанием процесса восстановления, по своим технико-экономическимг показателям и потенциальным возможностям по-видимому, не может быть признан перспективным.

• На наш взгляд, идея использовать в качестве основного агрегата для одностадийного жидкофазного восстановления железных руд углем подовую печь с водоохлаждаемым верхом, раздельным двусторонним выпуском шлака и металла и интенсивным барботажемшлаковой фазы с твердым восстановителем кислородными струями, положенная в основу процесса Ромелт, на сегодня является наиболее разработанной теоретически, прошедшей широкое опытно-промышленное опробование и практически готовой к промышленному освоению.

Этот процесс, о котором много говорилось на предыдущих страницах данной работы, способен в перспективе в ряде случаев конкурировать с доменным т.к. имеет следующие решающие преимущества:

— процесс экономически выгоден при малых годовых объемах производства, поэтому хорошо подходит для мини-заводов с дуговыми электропечами;

— высокая экологичность, т.к. не требуется агломерация руд и коксовое производство;

— в агрегатах Ромелт можно успешно перерабатывать самые разные железосодержащие отходы.

Однако, только этими и некоторыми другими достоинствами преимущества процесса Ромелт не исчерпываются. Тот факт, что при непрерывном процессе скорость наполнения ковша чугуном из агрегата Ромелт, гораздо меньше чем при выпуске чугуна из доменной печи, позволяет производить окислительное рафинирование расплава (в первую очередь от фосфора и углерода) во время наполнения ковша теми методами и приемами работы, которые хорошо известны из практики кислородно-конвертерных процессов с верхним и нижним дутьем. Обязательным условием этого является наличие сталеразливочного ковша с основной футеровкой и агрегата комплексной внепечной обработки стали для окончательной доводки металла по сере, температуре, легирующим элементам. По существу речь идет о том, чтбы — отказаться от дуговой электросталеплавильной печи и получать сталь внепечным способом в две последовательные стадии.

В данной, работе были выбраны два направления исследования. Первое.

— то, по которому пошли многие мини-заводы,, имеющие в своем распоряжении жидкий чугун — использование его в качестве заменителя части металлолома в шихте электропечей. Другое направлениерафинирование жидкого чугуна Ромелт в ковше при его наполнении по типу кислородно-конвертерных процессов. Сопоставление экономической эффективности выбранных технологических решений производилась с текущими показателями действующего производства. В качестве базы был выбран Белорусский металлургический завод, прошедший классический путь развития мини-завода и поставленный перед необходимостью выбора дальнейшей стратегии развития. БМЗ присущи все современные проблемы электросталеплавильных заводов. Это низкое качество металлолома, колебания цен на него, неритмичность поставок, ограничения по электроэнергии и прочее. В то же время рынок железорудных материалов и угля гораздо стабильнее и менее подвержен малопрогнозируемым колебаниям. БМЗ находится рядом с самыми чистыми железными рудами России — Лебединским ГОКом и дешевыми украинскими и польскими углями, что делает процесс Ромелт еще более востребованным (можно отметить, что 7% руд КМА находятся на территории Белоруссии). На заводе за 20 лет работы скопилось огромное количество ценных железосодержащих отходов — шламов и окалины, которые в условиях завода с неполным циклом не могут быть использованы и складированы на долгий период хранения, в то время как в агрегате Ромелт они могут перерабатываться вместе с железорудным концентратом. ,.

Для оценки технико-экономической эффективности использования процесса Ромелт в структуре БМЗ для переработки в дуговых электропечах в комплексе с установкой окислительного рафинирования взамен дуговой сталеплавильной печи была создана математическая модель, позволяющая рассчитать и сравнить с фактическими различные показатели по проектируемым вариантам. Выбор оптимального варианта осуществлялся методом перебора значений целевой функции, в качестве которой использовались такие показатели как чистый дисконтированный доход, внутренняя норма прибыли, срок окупаемости. Задача исследования потребовала также расчета калькуляции себестоимости по технологическим переделам, определяемой по фактическим расходам на основные материалы и другим статьям затрат.

В результате анализа рассчитанных в модели данных доказано, что замена электросталеплавильного процесса на агрегат Ромелт и УКО приводит к улучшению технико-экономическими показателей по сравнению с базовым вариантом и с вариантом переработки 30% жидкого чугуна в ДСП. ,.

Немаловажным фактором эффективности проектируемого процесса является переход с такого некачественного вида шихты как металлолом на гораздо более чистое и дешевое сырье — руду и уголь. Следует отметить, что рассчитываемая в работе себестоимость стали не учитывает ее более высокого качества вследствие меньшего содержания примесей цветных металлов, что может служить основанием для повышения цены реализации. Другим позитивным моментом является снижение зависимости от снабжения предприятия электроэнергией и электродами. По существу в данной работе выполнен анализ нового процесса получения стали.

Согласно расчетам, прирост чистой годовой прибыли (в ценах 2004 г.) по внепечному варианту составляет 106,52 млн долл., срок окупаемости капитальных вложений с начала выхода на полную проектную мощность 3,63 года. За пятнадцать лет расчетного периода чистый дисконтированный доход составит 406,43 млн долл., внутренняя норма прибыли — 26,19%. По варианту переработки жидкогочугуна в электропечах аналогичные показатели ниже, но тоже достаточно высоки для черной металлургии. Это свидетельствует о высокой эффективности проектов, а, следовательно, и целесообразности их осуществления. В условиях жесткой рыночной конкуренции, когда каждый производитель борется даже за небольшое снижение себестоимости выпускаемой продукции, разница в затратах почти в 50 долл./т является мощным стимулирующим фактором для принятия проектного решения к внедрению.

Разработанная в диссертации экономическая модель и результаты расчетов могут быть использованы металлургическими предприятиями, проектными организациями по обоснованию и включению в производственный цикл агрегата Ромелт и УКО.