Влияние качества вторичных черных металлов на технико-экономические показатели сталеплавильного производства

Рассмотренные в первом разделе настоящей монографии принципы, научные и методологические подходы нашли свое отражение при оценке качества, конкурентоспособности, потребительной стоимости и эффективности использования и ценообразования одного из основных видов металлургического сырья – вторичных черных металлов.

Среди природных ресурсов, используемых человеком, особое место принадлежит железу. Железо и его сплавы, так называемые черные металлы, являются главным конструкционным материалом для изготовления практически всех орудий труда (около 95% от их массы) и предметов потребления, то есть представляют вещественную основу промышленного производства и домашнего обихода. Однако, на современном уровне техники и технологии не весь металл, поступивший в производственный процесс и сферу потребления, переходит в состав новой продукции: часть его переходит в отходы, часть безвозвратно теряется [12].

Металл, безвозвратно теряемый, выпадает из процесса обращения в народом хозяйстве, а металлоотходы и амортизационный лом, полученный после завершения срока эксплуатации машин, оборудования, различных конструкций и изделий, составляют ресурсы вторичного металлургического сырья. Общие ресурсы лома и отходов черных металлов в российской экономике превышают 20 млн. т. в год.

Использование вторичных ресурсов является важнейшим направлением экономии первичных природных ресурсов, потенциальный объём которых имеет определённые границы, а также во многом решает экологические проблемы. Связь экологии и ресурсосбережения следует рассматривать как взаимоотношение части и целого.

Как отечественный, так и зарубежный опыт показывает, что использование многих видов вторичных материальных ресурсов технически осуществимо и экономически выгодно. Во всём мире использование вторичного сырья является вопросом государственной важности. Все индустриально развитые страны имеют разветвлённые, эффективно действующие системы заготовки и переработки лома и отходов, оснащенные мощным высокопроизводительным оборудованием. В США, кроме частных предпринимателей, металлоломом занимаются около 1500 компаний; во Франции и Германии около 1000. Подготовленный к переплаву металлолом используется не только на крупных, но и специализированных небольших по мощности металлургических заводах.

Лучшие показатели в мире по использованию вторичного сырья имеет Япония (уровень использования лома и отходов черных металлов около 95%), что обусловлено рядом причин, и в том числе её большим экономическим потенциалом, дефицитом природных ресурсов, очень высокой плотностью населения, которое полностью осознаёт экономико-географическое положение страны и неукоснительно соблюдает указания управленческих органов по режиму экономии материальных ресурсов и выполнению требований санитарии. В законодательстве Японии установлена ответственность за переработку отходов производства тех предприятий, где они образовались. Повышению эффективности работы по вовлечению в производство вторичных ресурсов во многом способствует Японская ассоциация по освоению неиспользуемых ресурсов, в задачу которой входит содействие максимальной утилизации отходов и побочных продуктов промышленного производства, а также вышедших из употребления машин, оборудования, приборов, и Всеяпонская федерация промышленных отходов, объединяющая на добровольных началах префектурные ассоциации [26].

В России с 24 июля 1998 года вступил в действие Федеральный Закон (№ 89-ФЗ) «Об отходах производства и потребления», который определяет правовые основы обращения с отходами производства и потребления с целью вовлечения таких отходов в хозяйственный оборот в качестве дополнительного источника сырья. Из многочисленных видов вторичного сырья, первостепенное значение несомненно принадлежит ресурсам лома и отходов черных металлов: их доля в общей массе вторичных материальных ресурсов превышает 60%. Около половины мирового производства стали выплавляется из вторичных черных металлов, а в шихте электросталеплавильного производства – наиболее прогрессивного способа получения стали – доля металлолома находится на уровне 95% [25].

Если учесть, что стоимость металлической шихты (чугун и вторичные черные металлы) в себестоимости стали превышает 80%, то очевидно значение вторичных черных металлов для экономики отрасли черной металлургии, а также для предприятий и отраслей машиностроения, имеющих в своем составе сталеплавильное и чугунолитейное производства.

Повторным использованием металла, содержащегося во вторичном сырье, достигается значительная экономия общественного труда, так как на развитие ломоперерабатывающего производства требуются в десятки раз меньшие капитальные вложения, чем на геологоразведочные работы, добычу железной руды и коксующихся углей, создание обогатительных и агломерационных фабрик, доменных и ферросплавных цехов. Использование 1 т подготовленного металлолома в среднем позволяет экономить свыше 1800 кг железной руды, агломерата и окатышей, 500 кг кокса, 50 кг флюсов, около 100 м³ природного газа. Практика сталеплавильного производства в России, США, Японии показывает, что доля металлолома в составе шихтовых материалов определяется следующими величинами, % [11]:

- кислородно-конверторное производство 20-30;

- мартеновское производство 40-50;

- электросталеплавильное производство 90-95.

Таким образом, качество металлолома имеет существенное значение для сталеплавильных переделов, но особенно для электропечного производства стали.

При рассмотрении вопроса о качестве металлолома следует различать два аспекта: первый – качество лома и отходов как сырья, образующегося в технологических процессах производства и потребления различных видов металлопродукции, а также в процессах эксплуатации машин, оборудования; второй – качество вторичных черных металлов, то есть качество подготовленных отходов и лома, прошедших соответствующую переработку на специализированных предприятиях «Вторчермет» и копровых цехах металлургических заводов.

Качество лома и отходов как сырьевых ресурсов, в первую очередь, связано с источниками их образования и с особенностями технологий, определяющих обработку и использование металла. Структура ресурсов лома и отходов черных металлов представлена в табл. 7.

Таблица 7
Структура ресурсов лома и отходов черных металлов, %

За период 1985–2005 гг., как следует из анализа источников образования лома и отходов, наблюдалась тенденция снижения доли вторичного сырья, образующегося в процессе производства и потребления металла, и соответствующего повышения доли амортизационного лома. Это связано с общими направлениями научно-технического прогресса как в производстве черных металлов, так и сфере их потребления (машиностроение и металлообработка).

Научно-технический прогресс и структурные сдвиги в сфере сталеплавильного и прокатного производства оказывают и будут оказывать во всевозрастающей мере влияние на образование ресурсов отходов при производстве черных металлов. Эти ресурсы претерпевают количественные и качественные изменения под влиянием объема производства черных металлов, внедрения технологии непрерывной разливки стали, а также в результате изменения в общем объеме производства металлопродукции соотношения между производством сортового и листового проката. Снижение качества отходов при производстве черных металлов обуславливается сокращением доли тяжеловесной обрези в прокатном переделе и увеличением доли легковесных отходов листового проката, требующих обязательной подготовки для использования в шихте сталеплавильных агрегатов.

Наряду с количественными и качественными изменениями ресурсов отходов, образующихся в сфере производства черных металлов, возрастает вовлечение в народнохозяйственный оборот ресурсов амортизационного лома, формирование которых характеризуется показателем выбывания металлофонда страны в лом за вычетом безвозвратных потерь металла, которые имеют место при эксплуатации машин, оборудования и прочих металлических изделий. При этом также прослеживается тенденция постоянного ухудшения качества металлолома вследствие увеличения в нем доли низкосортного легковесного амортизационного лома, ресурсы которого во все возрастающем объеме формируются за счет поступлений железнодорожного, автомобильного, сельскохозяйственного и бытового металлолома. Доля негабаритного и легковесного лома в общих ресурсах амортизационного лома (по данным НИПИВторчермета) уже достигает порядка 55-60% и характеризуется тенденцией к дальнейшему росту.

Часть общих ресурсов вторичного сырья используется непосредственно на местах образования, главным образом, в металлургическом производстве. Это наиболее качественные виды отходов: литники и прибыли при производстве чугунных и стальных отливок, обрезь при производстве проката. Та часть ресурсов лома и отходов, которая не может быть использована непосредственно на место образования и подлежит перераспределению через предприятия «Вторчермета», представляет товарные ресурсы вторичных черных металлов.

Показатель товарности по основным источникам ломообразования представляются следующими данными, %:

- при производстве черных металлов 7,0

- в металлообработке 84,0

- амортизационный лом 97,0

- от разработки шлаковых отвалов 41,0

ИТОГО: 100,0

Эти цифры свидетельствуют о том, что товарные ресурсы включают в себя наиболее низкокачественную часть общих ресурсов: отходы металлообработки и негабаритные неоднородные по химическому составу куски амортизационного лома.

Рост объемов вовлекаемых в переработку ресурсов амортизационного лома, а также все более широкое использование в народном хозяйстве коррозионностойких и других содержащих цветные металлы (особенно медь) низколегированных сталей, отсортировка которых крайне затруднена, приводит к постоянному накоплению в металлоломе цветных металлов, как в химически связанном состоянии, так и в виде механических примесей [54].

Увеличение содержания цветных металлов, особенно меди и никеля, в товарном металлоломе обусловливает тенденцию постоянного накопления в готовом металле нежелательных остаточных элементов, а в результате определенные трудности при выплавке простых углеродистых и, особенно, качественных сталей.

Наряду с засорением металлолома нежелательными примесями цветных металлов, увеличение в общих ресурсах металлолома амортизационной его доли и доли легковесных отходов листового проката приводит к уменьшению насыпной плотности металлошихты в сталеплавильных агрегатах, что обусловливает снижение их производительности и выхода жидкой стали со всеми вытекающими отсюда негативными последствиями в отношении технико-экономических показателей работы предприятий. Влияние насыпной плотности металлолома на выход годного подтверждается результатами проведенных на отечественных металлургических заводах исследований, в ходе которых было установлено, что при практически одинаковой степени интенсификации сталеплавильного процесса кислородом увеличение доли тяжеловесной обрези в металлозавалке от 0 до 100% приводит к повышению выхода годного на 2-5%. Это подтверждается и данными зарубежных исследований [54].

Таким образом, анализ структурных составляющих отходов и лома черных металлов показывает закономерное снижение их качества и, следовательно, эффективное использование вторичного сырья в сталеплавильном производстве возможно только после его предварительной подготовки (переработки).

В зависимости от вида исходных отходов и лома и требований металлургов к качеству вторичных черных металлов, поступающих в сталеплавильный передел, для переработки металлолома используются следующие технологические процессы:

- механические переделы – пакетирование, ножничная резка, дробление на прессах и копрах, механическая сортировка, дробление и брикетирование стружки, извлечение из шлаковых отвалов;

- ручные переделы – сортировка, газовая резка.

Предназначение основных технологических переделов переработки лома и отходов:

- сортировка – разделение отходов и лома по физическим признакам и химсоставу;

- резка, дробление – приведение негабаритного кускового металлолома к размерам, пригодным для загрузки в сталеплавильные агрегаты;

- пакетирование – повышение плотности вторичного сырья.

Таким образом, качественные характеристики вторичных черных металлов, полученных путем переработки лома и отходов, включают следующие параметры, как габаритные размеры, плотность, масса куска, толщина куска, засоренность неметаллическими примесями и степень окисленности металлолома.

Все эти параметры входят в ГОСТ 2787-75 «Металлы черные вторичные», которым определяется качество вторичных черных металлов, т.е. их потребительские свойства [45].

В таблице 8 представлен перечень основных видов вторичных черных металлов и их «оснащенность» вышеперечисленными параметрами качества.

Из таблицы 8 видно, что только два параметра – засоренность и окисленность входят в качественные характеристики всех видов вторичных черных металлов. Однако следует отметить, что если параметрами «засоренность неметаллическими примесями», «габаритные размеры» и «масса» охвачено около 80% видов вторичных черных металлов, то параметром «толщина» – 23%, а параметром «плотность» – 35%. Следовательно, для более точной, объективной качественной характеристики всех видов вторичных черных металлов желательно полное заполнение параметрических рядов.

Может быть предложен следующий вариант:

Габариты брикетов из стальной и чугунной стружки определяются по техническим характеристикам брикетпрессов; плотность стального и чугунного лома и отходов № 1, 2, 3, 4 следует принять на уровне плотности стали и чугуна, а именно, 7,8 т/м³; плотность стружки по ее насыпному весу на единицу объема, минимальная масса стружки может считаться «нулевой».

Таблица 8
Показатели качества по видам вторичных черных металлов

Кроме того, по отдельным позициям в ГОСТе 2787-75 приняты параметры, которые явно противоречат практике переработки и использования вторичных черных металлов. В связи с этим, для более точной оценки качества вторичных металлов следует внести изменения:

1. Засоренность стальных лома и отходов № 1 следует зафиксировать на уровне 0,5% (в ГОСТ 2787-75 – 2 %) по аналогии со стальным ломом и отходами №4. Оба вида вторичных черных металлов являются самыми высококачественными видами углеродистого стального лома, используемого в электропечах.

2. Засоренность чугунного лома и отходов № 1 также следует принять на уровне 0,5% (ГОСТ 2787-75 – 2 %), так как этот вид относится к наиболее чистым видам шихтовых материалов. Он включает куски чугунных машинных отливок и бракованные чушки литейного чугуна, т.е. объективно, наименее засоренные посторонними примесями компоненты металлозавалки.

3. Максимальный размер (длина) чугунной стружки можно принять по аналогии с максимальным размером дробленой стальной стружки № 1.

4. 3асоренность чугунных лома и отходов № 3 следует принять на уровне 4% (ГОСТ 2787-75 – 2%), так как на практике этот вид, по крайней мере, засорен более чем в два раза, по сравнению с чугунным ломом и отходами № 1 и № 2.

С учетом вышеизложенных дополнений и изменений качественные параметры основных видов вторичных черных металлов могут быть представлены данными таблицы 9.

Следует отметить, что представленные, как в ГОСТе 2787-75, так и в таблице 9, параметры характеризуют качество вторичных черных металлов только по физическим признакам, не затрагивая химический состав и, главное, наличие посторонних металлических примесей (меди, никеля, хрома и др.).

Это является серьезным недостатком ГОСТа, существенно затрудняющим объективную оценку потребительских свойств вторичных черных металлов. Рассмотренные выше стандартные параметры качества вторичных черных металлов характеризуют их физическое состояние, которое в дальнейшем влияет на технико-экономические показатели сталеплавильного производства.

Если рассматривать потребительские свойства отдельных видов черных металлов как сырья для металлургических плавильных агрегатов, то металлургов прежде всего интересует влияние качества отдельных видов лома и отходов на производительность металлургических агрегатов и на выход жидкого металла. Очевидно, что именно с этих позиций и следует рассматривать качественные характеристики стальных и чугунных отходов и лома [39].

Производительность агрегатов во многом зависит от времени завалки и плавки металлолома, которое, в свою очередь, определяется насыпным весом металлолома в мульдах, лотках, корзинах. Насыпной вес металлолома в завалочных емкостях можно рассматривать как функцию габаритных размеров и плотности куска: чем меньше габариты и выше плотность кусковых отходов и лома, тем больше производительность металлургических печей.

Выход годного металла в значительной мере определяется наличием посторонних примесей в металлоломе и минимальной массой отдельных элементов лома и отходов. Чем выше содержание посторонних примесей, тем ниже выход жидкого металла; чем меньше масса отдельных частей в шихте, тем более развита поверхность такого металла, тем больше склонность этого металла к окислению при плавке в металлургическом агрегате.

Таблица 9
Качественные параметры вторичных черных металлов

В табл. 10 по результатам опытных плавок института «НИПИВторчермета» показано влияние состава шихты на два важнейших технико-экономических показателя сталеплавильного производства: выход жидкой стали и производительность сталеплавильных агрегатов. Опытные плавки проводились на шихте, включающей следующие компоненты [11]: чугун и (или) приравненная к нему тяжеловесная обрезь прокатного производства; стальные лом и отходы № 2 и другие базовые виды углеродистого стального металлолома; исследуемый вид вторичных черных металлов.

Итоговые данные табл. 10 характеризуют влияние всего комплекса шихтовых материалов на показатели выхода жидкой стали и производительности электропечей. Исключение составляет первая позиция таблицы, где состав шихты определяется единственным компонентом – чугуном и приравненной к нему тяжеловесной обрезью.

Для выявления влияния конкретных видов вторичных черных металлов на технико-экономические показатели сталеплавильного производства необходимо провести ряд относительно простых расчетов по следующей схеме:

;
,

где и – удельный расход чугуна и удельный расход металлолома базового вида при выплавке стали из шихты, состоящей из чугуна и металлолома базового вида, тн./тн.;

П_ч, П_ч+д, П_л – величины какого-либо технико-экономического показателя (например, выход жидкой стали или производительность электропечей) при выплавке стали на шихте, состоящей только из чугуна, чугуна и металлолома базового вида, только металлолома базового вида (лом № 2).

Определив численные значения технико-экономических показателей плавки при использовании базового вида металлолома, аналогичные показатели для исследуемого вида вторичных черных металлов представляются следующими формулами:

;
,

где – величины какого-либо технико-экономического показателя при выплавке стали на шихте, состоящей из чугуна и исследуемого вида металлолома, только металлолома исследуемого вида;

– удельный расход вторичных черных металлов исследуемого вида при выплавке стали из шихты, состоящей из чугуна, металлолома базового вида, металлолома исследуемого вида.

Таблица 10
Технико-экономические показатели работы электропечей при использовании различных видов металлолома

Виды исследуемого компонента металлошихты	Расход металлошихты, т/т стали	Выход жидкой стали, %	Производительность печей, т/час
Чугун и тяжеловесная обрезь	Стальные лом и отходы	Пакеты	Брикеты	Стружка	Итого металлолома	Всего расходов металлошихты
№1	№2	№3	№4	№1	№2	№3	№1	№2	№1	№2
Чугун и тяжеловесная обрезь	1,054													1,054	94,88	31,1
Стальные лом и отходы № 1	0,130	0,267	0,680										0,947	1,077	92,85	26,2
Стальные лом и отходы № 2	0,135		0,951										0,951	1,086	92,08	26,1
Стальные лом и отходы № 3	0,120		0,583	0,397									0,980	1,100	90,08	24,8
Стальные лом и отходы № 4	0,130		0,680		0,263								0,810	1,073	93,19	26,3
Брикеты № 1 из стальной стружки	0,126		0,634				0,168		0,181				0,983	1,109	90,17
Брикеты № 2 из стальной стружки	0,126		0,645				0,168			0,181			0,994	1,120	89,29	23,3
Пакеты № 1	0,120		0,572	0,169		0,256							0,977	1,097	91,16
Пакеты № 2	0,120		0,580	0,109			0,297						0,986	1,106	90,42	24,2
Пакеты № 3	0,140		0,617	0,082				0,283					0,982	1,122	89,13	23,5
Стальная стружка № 1	0,120		0,565				0,285				0,170		1,020	1,140	87,72	23,2
Стальная стружка № 2	0,120		0,574				0,285					0,170	1,029	1,149	87,03	23,8

Тогда выход жидкой стали и величина безвозвратных потерь металла при плавке конкретных видов вторичных черных металлов определяется следующими данными, приведенными в таблице 11.

Таблица 11
Основные технологические показатели работы сталеплавильных агрегатов при использовании различных видов вторичных черных металлов

Целесообразность переплава стальной стружки № 2 с длиной витка после дробления 10 см, а тем более не дробленой (неподготовленной) стружки, вообще, вызывает сомнение, так как безвозвратные потери металла при этом превышают 60% от веса шихтовых материалов.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: