ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ БЕСКОКСОВОЙ МЕТАЛЛУРГИИ В РОССИИ (основные технологические и проектные решения)
Рассмотрены тенденции мирового рынка первичных энергоносителей и губчатого железа. Потребность металлургии СНГ в металлизованных окатышах оценивается в 4—8 млн.т. Рассмотрены перспективы развития сырьевой и топливной базы России для прямого получения железа.Развитие производства первичного металлического железа (чугун и губчатое железо), как наиболее энергоемких переделов, жестко связано с эволюцией энергетики. Основной тенденцией в мировом потреблении первичной энергии последнего десятилетия (1980—90 гг.) стало снижение доли нефти на 4,8 % (43,4 38,6 %) и каменного угля на 3,9% (31,2 ¦ 27,3%). При этом доля электроэнергии гидро и атомных станций выросла на 9% (3,5 12,5 %), а потребление энергии природного газа стабилизировалось на уровне 21,6—21,9% [1].
Мировые мощности по производству губчатого железа (ГЖ) имеют устойчивую тенденцию к увеличению и составляют около 30 млн.т/год, а реальный выпуск этого продукта ~ 20 млн.т. Значительная часть ГЖ произведена шахтными печами металлизации (16,13 млн.т в 1990 г.). Доля производства ГЖ в шахтных агрегатах, использующих природный газ в качестве технологического топлива, за период с 1980 до 1990 г. выросла с 59,9 до 69,6 % за счет нового строительства. В 1992 г. на шахтных печах произведено ~ 75 % ГЖ, в том числе на установках "Мид рекс" ~ 13,5 млн.т (~ 64 %). Мощности по металлизации углем во вращающихся печах практически остаются постоянными, коэффициент их использования снижается.Переход к строительству минизаводов полного цикла на основе производства губчатого железа наметился в 70х годах. Такие заводы более гибки в удовлетворении спроса в соответствии с конъюнктурой локального рынка, они ориентированы на производство небольших партий сортового металла и используют местную рабочую силу. Кроме того, новая схема производства стали имеет следующие преимущества: 1) меньший эффект масштаба. Схема домна—конвертер экономически эффективна при производстве >3млн.т стали в год; схема шахтная печь—электропечь (ШП—ЭП) эффективна уже при 300—400 тыс.т. По данным японских исследователей, при мощности завода 0, 5 млн.т непрерывной заготовки капитальные вложения в схему ШПЭП на 2833,5% ниже, чем в схему ДП—К [2]; 2) меньшая стоимость основных фондов. Капитальные затраты в доменное производство и прямое получение железа составляют 273,4 и 115долл/т соответственно; 3) меньшая потребность в рабочей силе; 4) возможность быстрого ввода производственных мощностей в течение 20 мес. с начала строительства.
Увеличению производства ГЖ способствует также глобальная тенденция постепенного смещения производства стали из промышленно развитых стран в развивающиеся, имеющие большие запасы природного газа.
Следует отметить, что развитие производства металлизованного сырья не привело к значительной конкуренции с традиционными схемами получения стали. В значительной мере эти производства развивались параллельно, так как чугун и ГЖ являются шихтой разных сталеплавильных агрегатов; используют различные виды первичного топлива; ГЖ производится на минизаводах и реализуется на региональных рынках; направлены на производство различного сортамента сталей.
Наиболее вероятной базой для развития производства ГЖ в России следует, по нашему мнению, считать установки с шахтными печами. Причем в ближайшие годы новые технологии будут реализованы на 'основе оборудования "Мидрекс" и позднее— на основе агрегатов высокого давления с независимым источником восстановительного газа (ХИЛ, кислородная конверсия и др.).
В перспективе в России предполагалось создать две региональные базы для производства металлизованного сырья— одну на ОЭМК для снабжения предприятий европейской части страны и другую для предприятий Урала. Принципиально размещение установки металлизации возможно на металлургических заводах, к площадке которых подведен природный газ и электросталеплавильное производство приспособлено для плавки металлизованного сырья. К числу таких заводов можно отнести ОХМК, Белорусский металлургический завод (БМЗ) и Волжский трубный завод (ВТЗ). В их составе имеются тракты и бункера для подачи и загрузки металлизованного сырья в электропечи. На этих заводах накоплен значительный позитивный опыт его плавки в электропечах.
Потребность СНГ в металлизованных окатышах оценивалась в 4млн.т/год для стабилизации содержания цветных металлов (Си, Ni, Сг и др.) в шихте электросталеплавильного производства и ~ 8 млн.т, если учитывать потребность для выплавки сталей специального назначения. В этих сталях чистота по примесям играет решающую роль при формировании свойств и эксплуатационных характеристик. Это в первую очередь конструкционные легированные стали, в том числе высокопрочные и свариваемые (для конструкций в северном исполнении), углеродистые для канатов и металлокорда, ' рессорнопружинные, стали для холодной высадки, конструкционные стали, стойкие стали против сероводородного охрупчивания и шарикоподшипниковая сталь. Следует, однако, отметить, что реализация этих объемов производства в значительной мере будет зависеть от общей экономической ситуации в России, определяющей инвестиционную активность.
Расширение сырьевой базы
Расширение сырьевой базы России для получения ГЖ весьма актуально, поскольку окисленные окатыши, пригодные для металлизации, производятся только на фабрике оком кования ОЭМК из суперконцентратов Лебединского ГОКа в количестве 2,44млн.т/год. Этот объем удовлетворяет потребность существующих шахтных печей без резервов развития даже для цеха металлизации ОЭМК.
Были проведены исследования металлургических свойств промышленно производимых окфгышей и кусковых руд перспективных месторождений применительно к условиям металлизации в шахтных печах (окатышей Лебединского, Михайловского, Качканарского и Коста мукшского ГОКов, а также кусковых руд Запорожского ЖРК, РУ им. Коминтерна, Разуменс кого и Дашкесанского месторождений). Для расширения сырьевой базы прямого получения железа в шахтных печах по всему комплексу металлургических свойств могут быть рекомендованы окатыши Лебединского ГОКа и кусковые руды Разуменского месторождения.
Кроме того, в связи с рассмотрением проектов сооружения шахтного модуля 5 ОЭМК были проведены промышленные исследования по металлизации смеси оскольских и доменных Лебединских окатышей при содержании последних 25—30%. В результате была подтверждена возможность использования этого вида сырья без ухудшения техникоэкономических показателей работы шахтных печей, что решает сырьевую проблему ОЭМК в 90х годах.
В масштабах России предусматривается решение проблемы сырьевой базы прямого получения железа.
1. В ближайшей перспективе за счет улучшения качества сырья при замене бентонита органическими связующими, что позволит увеличить содержание железа в окатышах на 0, 5—0,7 %. В случае использования лебединс . ких окатышей это позволит получить содержание Si02 менее 4% и может расширить сырьевую базу на 8—9 млн.т.
2. Принципиальное решение за счет использования для производства окисленных окатышей богатых (Fe^ = 68 %) концентратов КМА, полученных путем гидродобычи глу бокозалегающих пластов. Запасы таких руд КМА составляют более 60млрд.т. В настоящее время добыто ЗОтыс.т такого сырья и ведутся комплексные исследования.
В России ГЖ производится на Оскольском электрометаллургическом комбинате в количестве 1,7 млн.т/год по технологии "Мидрекс" (четыре шахтных печи серии "400").
Пуск цеха проводился в 1983 г., причем после достижения проектных показателей в цехе была реализована комплексная программа, позволяющая говорить о создании нового поколения технологии на базе оборудования "Мидрекс". Программа включала работы по улучшению качества сырья, совершенствованию технологической схемы установки, разработке новых конструктивных решений, повышению качества металлизованного сырья.
Улучшение качества сырья
Было рекомендовано применение для металлизации офлюсованных окисленных окатышей повышенной восстановимости, оптимальной крупности. Кроме того, рекомендовано использование эффективных заменителей бентонита (сырье, основные месторождения которого расположены вне территории России), позволяющих увеличить содержание железа на 0, 50,6 %. Сформулированы требования, предъявляемые к сырью, для ОЭМК: по содержанию FeO < 0,5 %; по гранулированному составу—9—11мм <50% и +13 мм > min; по температуре обжига окатышей 1180—1200 °С.
При температуре металлизации 850—885 °С для температуры обжига 1180—1200 °С экономия составила 5,5—6,4м*/т соответственно.
Кроме того, в качестве флюсующих материалов используют гашеную известь, известняк или отходы огнеупорного производства; офлюсование железорудного сырья производят до содержания CaO + MgO Удельный расход природного газа для случая высокотемпературной технологии металлизации снизился на 2—4,2 %, или 15 м3/т. Кроме того, на Оскольском электрометаллургическом комбинате появилась возможность экспорта до 0,5млн.т/год металлизованного сырья, так как уменьшилась склонность окатышей к самовозгоранию. Было также показано, что использование офлюсованного сырья не связано с увеличением прихода серы в шихту электропечей. Совершенствование технологической схемы установки Совершенствование газовой схемы было вызвано необходимостью увеличения производительности шахтных печей, а также обеспечения высокого и стабильного качества ме таллизованных окатышей и снижения энергоемкости их производства. При формировании концепции регулирования содержания углерода в шахтной *печи отказались от попыток глубокого совмещения процессов науглероживания и металлизации. В зоне металлизации создаются условия, в максимальной степени приближенные к оптимальным в отношении процесса восстановления (например, температура 850—900 °С), а науглероживание проводится в промежуточной зоне и зоне охлаждения шахтной печи, что обеспечивает содержание углерода в губке на уровне 1,82,3%. # В результате была внедрена высокотемпературная технология металлизации с комбинированным науглероживанием холодным конвертированным газом в зоне охлаждения (5—6 тыс.игУч) и концентрированными потоками метана в промежуточной зоне (до 2,5 тыс. м3/ч) — были реализованы высокопроизводительные (до 60—62 т/ч) режимы, не сопровождавшиеся снижением содержания углерода. Актами внедрения этой технологии в условиях ОЭМК подтверждается увеличение производительности шахтных печей в номинальное время на 0,92 т/ч, снижение расхода природного газа на 2,57 м3/т, а также уменьшение вариаций химического состава окатышей на 10—45% по степени металлизации и на 6—36 % по углероду. Годовой экономический эффект от внедрения технологии составил 1,2 млн.руб. Разработка новых конструктивных решений Большое внимание уделялось совершенствованию конструкции установок металлизации, в частности следующим аспектам. Анализ литературных данных позволяет предположить, что для развития конструкций шахтных печей необходимо увеличение объема шахтных печей и диаметра шахты до 5—5,5 м с целью повышения единичной мощности модуля до 0,7—1 млн.т ПК в год; горячее брикетирование ГЖ, включая дооборудование существующих установок участками брикетирования; дооборудование газовой схемы установок с целью организации конверсии природного газа в рабочем пространстве шахтной печи (в количестве 15—100% от общего объема) и контролируемых перетоков технологических газов между зонами печи. Последняя новинка оценивается в литературе как направление "прорыва" в технологии прямого получения железа. В настоящее время эта технология реализована фирмой ttSIDORtt (Венесуэла) на базе оборудования "Мидрекс". Разработка технологической схемы металлизации в шахтных печах с внутрипечной воздушной конверсией природного газа в слое металлизованных окатышей Новый процесс металлизации наиболее эффективен при реконструкции доменных печей малого объема. В этом случае может быть использовано практически все оборудование газовой схемы и шихтоподготовки: приемки, транспорта, хранения, дозировки и загрузки шихты; газоочистки и водного хозяйства; оборудование по компрессии и нагреву воздушного дутья; мощности по производству кислорода (при его наличии). По оценкам ЦНИИчермета, капитальные затраты на организацию нового процесса могут быть сокращены в 2—4 раза. Важной задачей металлургии XXI в. является привлечение новых нетрадиционных энергоносителей, в частности электроэнергии атомных и гидроэлектростанций, а также непосредственное комбинирование агрегатов металлизации с высокотемпературной ядерной энергоустановкой. Последнее снижает расход природного газа в два раза — до 150170 мУт губчатого железа, а коэффициент использования тепла реакторной установки составляет 0,79, что существенно выше, чем на АЭС (0,32—0,36). Принципиальной особенностью высокотемпературных гелиевых реакторов является малая радиоактивность первого контура и большой отрицательный коэффициент реактивности, исключающий риск неконтролируемого разгона реактора. В состав ядернометаллургического комплекса входят три основных контура: Предпроектные проработки показывают, что инвестиции в металлургическую часть комплекса соизмеримы с капитальными вложениями в процесс "Мидрекс" Представляет значительный интерес новый процесс, разработанный ЦНИИчерметом и ИАЭ им.Курчатова, позволяющий полностью отказаться от использования органического топлива. Установка включает металлизацию в шахтных печах нагретым в дуговых плазмотронах водородом с полной рециркуляцией колошникового газа. Водород получают на базе электроэнергии и отработанного пара АЭС путем деструкции сверхзвукового потока С02 в неравновеском СВЧразряде. Тройная смесь С02—СО—02 разделяется на аппаратах мембранного типа с последующей конверсией СО паром в водород. Затраты электроэнергии на получение водорода составят 0,5 кВт • ч/l м3 водорода. Анализ мировых запасов первичных энергоносителей показывает также, что основным органическим топливом станут некоксующиеся угли. Именно поэтому в настоящее время в нашей стране и за рубежом ведутся интенсивные исследования по получению горячих восстановительных газов для прямого получения железа из угля. Существующие промышленные агрегаты газификации (Лурги, Винклер, Коп перс—Тотцек) плохо, совмещаются с металлургической частью по таким показателям, как температура, давление и качество газа. Показано, что использование угля в качестве технологического топлива на современном уровне техники приведет к увеличению размера инвестиций в проектную тонну годовой производительности на 70—80%. Таким образом, можно констатировать, что эта задача сегодня не имеет отработанного технического решения и, по нашему мнению, она будет решена за следующие 30—40 лет, в течение которых будут в значительной мере исчерпаны подтвержденные запасы природного газа. С этой точки зрения очень перспективными являются разработки в области подземной газификации некоксующихся углей. Уже сейчас этот метод получил промышленное воплощение. Показано, что стоимость единицы энергии газового энергоносителя не выше, чем для каменного угля, а КПД составляет 85—90 %. Прорабатывается эффективность этого источника восстановительного газа для прямого получения железа. 1. Анализ перспектив развития прямого получения железа, с учетом тенденции развития энергетического комплекса, позволяет прогнозировать устойчивый рост производства губчатого железа в России. При этом темпы увеличения мощностей будут определяться общей экономической ситуацией в стране. Потребность в губчатом железе, по нашим оценкам, может составить в перспективе до 8 млн. т/год. 2. Наиболее вероятной базой для развития производства ГЖ в России следует, по нашему мнению, считать установки с шахтными печами. Причем в ближайшие годы новые технологии будут реализованы на основе оборудования "Мидрекс" и позднее— на основе агрегатов высокого давления с независимым источником восстановительного газа. В условиях ОЭМК на базе оборудования "Мидрекс" создано новое поколение технологии металлизации. Оно включает организацию контролируемых перетоков газов между технологическими зонами шахтной печи и элементы внутрипечной конверсии природного газа, а также нанесение водяной суспензии специального состава для снижения склонности сырья к спеканию и уменьшения реакционной способности. Кроме того, шахтная печь дооборудована колошниковым газораспределительным устройством и комбинированной зоной охлаждения. 3. Разработана концепция поэтапного решения сырьевой проблемы России. Она связана с использованием офлюсованных окатышей с оптимальным комплексом металлургических свойств, в том числе Лебединского ГОКа на органической связке (8—9 млн.т). Кроме того, будет разрабатываться гидродобыча богатых глубокозалегающих руд КМА, запасы которых составляют до бОмлрд.т. Сформулированы основные требования, предъявляемые к железорудному сырью для прямого получения железа, определены технологические приемы получения оптимального комплекса металлургических свойств. 4. Эволюция технологии производства губчатого железа будет тесно связана с развитием энергетического комплекса и приведет к широкому использованию электроэнергии АЭС и непосредственному комбинированию агрегатов металлизации с высокотемпературной ядерной энергоустановкой. Это позволит снизить расход органического топлива до 1,4ГДж/т. 5. Технология производства горячего восстановительного газа будет усовершенствована новыми технологическими приемами (внутрипечной плазмохимической конверсией, мембранным разделением газов, применением кислорода и др.). Кроме того, более широко будут использоваться продукты газификации энергетических углей, в том числе подземной газификации. 6. Предложена перспективная схема металлизации железорудного сырья с выводом преобразователя из схемы установки, согласно которой воздушная конверсия осуществляется в рабочем пространстве шахтной печи. При этом смешение нагретых потоков природного газа и воздуха осуществляется в фурменном приборе, а конверсия — в слое свежевосста новленных окатышей. Энергетические затраты на металлизацию по новой схеме не превышают аналогичных показателей по схемам Мидрекс11 и ХИЛШ. По оценкам ЦНИИчермета, капитальные затраты на сооружение нового процесса могут быть сокращены в 2—4 раза. СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке. Т о м 2, Москва 1994
2. Опробована новая конструкция зоны охлаждения. Проектная схема подачи охлаждающего газа была дополнена фурменным вводом, расположенным непосредственно над нижним газодинамическим затвором. В результате объем зоны увеличен на 80 м3 и охлаждение в этой части ведется сухими технологическими газами.
3. Смонтировано колошниковое газораспределительное устройство, предназначенное для более эффективной обработки осевой зоны шахты путем раздельного регулируемого отвода газа из осевой зоны и периферийного кольца колошника. Для повышения эффективности устройства предусмотрена возможность циклического изменения расходов цутем переключения дроссельных клапанов.
4. Разработана ВЗПИ новая централизованная установка для равномерного нанесения на окисленною окатыши специальной суспензии, позволяющей снизить склонность шихты к спеканию. Эта. позволило увеличить температуру металлизации до 880—900 °С с соответствующим улуйпением показателей работы установки.
2) промежуточный теплообменник с уровнем температур 980 °С; 3) теплообменник гелий—восстановительный газ с температурой реакционных труб 900 °С.
