ВВЕДЕНИЕ
Вопрос о перспективах развития различных способов переработки железных руд в сталь является предметом постоянных дискуссий на конференциях металлургов и в научной печати. По результатам этих дискуссий в настоящее время можно выделить три самостоятельных по уровню разработанности, внедрения и экономической эффективности направления развития металлургической переработки железных руд.
Первое направление связано с совершенствованием доминирующей сегодня по разработанности и производственным мощностям агло-коксо-доменной схемы получения чугуна и последующей его переработки в сталеплавильных агрегатах.
Дальнейшее развитие этого направления связано с преодолением целого ряда трудностей, связанных с присущими доменной плавке недостатками. К ним относятся:
невозможность ведения доменного процесса без высококачественного металлургического кокса;
необходимость усложнения подготовки железорудного сырья из-за постоянного снижения содержания железа в добываемых рудах и повышенных требований к качеству шихты для доменных печей;
целесообразность возведения доменных печей больших объемов для обеспечения высоких технико-экономических показателей;
высокий уровень вредных выбросов агло-коксо-доменного комплекса, требующих значительного увеличения капитальных вложений в природоохранные мероприятия.
Эти недостатки, а также приближение технологии доменной плавки к такому уровню развития, когда дальнейшее совершенствование процесса сталкивается со все возрастающими трудностями, природа которых присуща всем техническим
5
системам, обусловили поиск бескоксовых (внедоменных) способов получения железа.
В основу второго по уровню разработанности и внедрения направления переработки железных руд, положены различные способы твердофазного восстановления кусковых руд и железорудных окатышей без использования в качестве восстановителя кокса. При этом получается твердый высокометаллизованный продукт, пригодный для переработки в сталь непосредственно в сталеплавильных агрегатах (процессы Midrex, FIOR, HyL, SL/RN, Fastmet, Iron Carbide и др.). Однако предполагаемого широкого развития данное направление не получило. Технология твердофазного восстановления железных руд хотя и решает проблемы отсутствия или дефицита кокса, уменьшения вредных выбросов в окружающую среду, способствует строительству мини-заводов, но она не может составить конкуренцию агло-коксо-доменной схеме по технико-экономическим показателям производства металлизованного продукта и стали. Основными причинами этого явились:
повышенные требования к сырью по содержанию железа и окислов пустой породы, вызывающие повышенный уровень затрат на его подготовку;
ограничения по единичной производительности агрегатов, обусловленные технологическими особенностями рассматриваемых процессов;
дополнительные затраты на пассивацию и хранение получаемого металла;
необходимость применения для металлизации природного газа (90% вариантов), мировой уровень цен на который, делает эти процессы для массового производства стали в развитых странах экономически неконкурентноспособным;
повышенный расход электроэнергии при производстве стали в электропечах в связи с увеличенным количеством шлака из-за примесей в металлизованном продукте.
В силу ограниченных возможностей процессов твердофазного восстановления, большое количество исследований было направлено на разработку процессов внедоменного получения жидкого чугуна, сходного по
6
своему составу и свойствам с доменным чугуном, с использованием в качестве восстановителя энергетического угля.
Способы, реализующие эту задачу, объединяются в группу плавильно-восстановительных процессов и составляют третье направление металлургической переработки железных руд.
Большинство способов, получающих жидкий металл, сначала было представлено в виде многостадийных комбинированных процессов (COREX, DIOS, HIsmelt и др.). Основными недостатками разработанных процессов этого типа являются: наличие стадий (одной и более) предварительной подготовки и восстановления руды, осуществляемых в твердой фазе. В результате чего возникают проблемы согласования работы восстановительной и плавильной частей установок и сохраняются требования по подготовке исходного железосодержащего сырья, что требует значительных затрат. Получение избыточного восстановительного газа, который не используется в самом процессе, чем снижает его эффективность.
С учетом этих недостатков вслед за процессом COREX был разработан одностадийный процесс Ромелт с частичным дожиганием газов в плавильном реакторе. Пример успешной опытно-промышленной реализации процесса Ромелт инициировал разработки по переводу на одностадийную работу процессов DIOS и HIsmelt, а также разработку полностью одностадийного процесса Auslron. Несмотря на большое количество исследований, проведенных в этой области, данное направление остается наименее разработанным, промышленного внедрения пока не имеет, но является очень перспективным.
Таким образом, в обозримом будущем в области металлургической переработки железных руд, доминирующее положение сохранит агло-коксо-доменная схема. Проблема дефицита кокса при этом будет решаться совершенствованием доменного процесса с целью снижения его расхода на выплавку чугуна, в частности за счет вдувания угольной пыли.
L
У
Использование процессов твердофазного восстановления будет, вероятней всего, ограничено областью производства сталей в дуговых электропечах, на мини-заводах, где могут быть оправданы повышенные затраты в подготовку и переработку чистых по вредным примесям руд и в регионах с дешевым природным газом, который не может экономически эффективно использоваться в других регионах.
Определенную конкуренцию агло-коксо-доменной схеме могут составить плавильно-восстановительные процессы. Особенно актуальным этот вопрос может стать после 2005 г., когда заканчивается срок эксплуатации 40-45 крупнейших доменных печей мира. Перед металлургическими компаниями встанет вопрос о целесообразности проведения капитального ремонта доменных и коксовых печей, аглофабрик и дальнейшей эксплуатации всего этого комплекса еще 25-30 лет. При условии промышленного освоения агрегатов, получающих жидкий металл без использования кокса, не уступающих по технико-экономическим показателям производства чугуна крупным доменным печам, это направление будет успешно развиваться.
Предпосылки к этому имеются. В России прошел апробацию и практически подготовлен к промышленному внедрению одностадийный процесс жидкофазного восстановления Ромелт. Процесс выгодно отличается от всех существующих за рубежом по данному направлению разработок по следующим позициям:
осуществляется в одном агрегате;
использует в качестве топлива неподготовленный уголь;
может перерабатывать практически любые виды железосодержащего сырья (руды, концентраты, пыли, шламы) без предварительного окускования;
не имеет ограничений по содержанию в железосодержащем сырье летучих металлов (щелочи, цинк, свинец и т.п.), которые извлекаются в ходе плавки в кондиционный для использования в цветной металлургии продукт.
8
Получаемый при этом, низкокремнистый и низкомарганцовистый чугун, без каких-либо затруднений и даже с некоторым преимуществом по сравнению с доменным, может перерабатываться различными способами в сталь.
Целесообразность промышленной реализации процесса должна подкрепляться экономическим обоснованием.
Целью настоящей работы является оценка экономической эффективности металлургической переработки железных руд по альтернативным технологическим схемам.
Исследованию и внедрению новых технологий получения металла, в частности процесса Ромелт, посвящено ряд работ. Были работы по переработке железосодержащих отходов и по анализу энергоемкости процесса. Но исследованию экономической эффективности переработки железных руд практически не уделялось соответствующего внимания по ряду причин:
1. Отсутствовала методика оценки влияния технологических факторов на экономические показатели.
2. Процесс находился в стадии освоения и не вставал остро вопрос о его промышленной реализации.
3. В предшествующие десятилетия основное внимание металлургов уделялось развитию доменного производства.
Были поставлены и решены следующие задачи:
выявлены экономические проблемы традиционной схемы переработки руд, предложены и обоснованы основные пути их решения на основе анализа современного состояния железорудной и топливной баз черной металлургии, тенденций развития существующей технологии производства чугуна;
изучены методические особенности оценки эффективности инвестиций в условиях рынка, обоснованы критериальные показатели и основные методические подходы к исследованию экономической эффективности новых технологий;
9
разработана экономическая модель металлургической переработки
железных руд методом Ромелт;
определены экономически эффективные технологические режимы плавки железных руд в установках Ромелт;
проведен анализ сравнительной экономической эффективности переработки железных руд разного качества в установках Ромелт с традиционной схемой.
Объект исследования - методы плавки железосодержащего сырья. Предмет исследования - экономическая эффективность переработки железных руд разного качества.
Научная новизна работы заключается в том, что:
впервые комплексно изучены экономические аспекты переработки железных руд принципиально новым методом;
определены экономически оптимальные параметры технологических режимов и конструктивного оформления процесса Ромелт;
впервые показано с экономических позиций, что технология Ромелт менее чувствительна к изменению содержания железа в сырье, чем доменная печь, поэтому может успешно использоваться для решения разнообразного круга задач:
существенного снижения затрат на производство чугуна и стали при переработке сырья, сопоставимого по качеству с доменным;
значительного упрощения схем обогащения и повышения извлечения железа из руд за счет переработки сырья с пониженным содержанием железа и затратами, не превышающими уровень, достигнутых в доменном производстве;
улучшения достигнутых экономических показателей производства чугуна и стали при одновременном (в допустимых пределах) снижении содержания железа в сырье и повышении степени его извлечения в готовую продукцию.
Применительно к задачам исследования теоретически обоснованы, усовершенствованы и применены оригинальные методы определения
10 минимальной продажной цены и внутренней нормы прибыли, рекомендованные
для использования в качестве критериальных показателей оценки эффективности инвестиций на ранних стадиях проработки инвестиционных решений в изменяющихся условиях рынка.
Практическая значимость работы состоит в доказательстве высокой эффективности и широких возможностей технологии Ромелт в решении экономических проблем металлургической переработки железных руд. Установленные в ходе исследования зависимости экономических показателей производства чугуна и стали, границы эффективного применения технологии Ромелт по удельной производительности и содержанию железа в сырье, экономическая модель и результаты оценки экономической эффективности новой технологии, могут быть использованы научными и проектными организациями, горнорудными и металлургическими предприятиями отрасли при научном обосновании, проектировании и разработке программ развития головных переделов горно-металлургического комплекса.
Основные материалы диссертационной работы опубликованы в трех научных статьях; основные положения работы доложены и обсуждены на 51-й (1997 г.) и 53-й (1999 г.) научно-технических конференциях молодых ученых МИСиС; научно-методическом семинаре кафедры экономики и менеджмента МИСиС (2000 г.).
Диссертация изложена на 191 странице машинописного текста и включает 35 таблиц, 17 рисунков, а также 12 приложений на 50 стр., список используемой литературы из 109 наименований.
11
ГЛАВА 1. ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА ЧУГУНА И АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ПРОЦЕССЫ
Установлено, что экономический потенциал месторождения, наряду с геологическими и горно-техническими факторами, по многим параметрам зависит от совершенства технологии разработки месторождения и совершенства технологии переработки руд. В практике оценки потенциала разведанных запасов месторождений известно немало примеров, свидетельствующих о больших потерях как основных, так и попутных полезных ископаемых и компонентов при обогащении руд из-за несовершенства технологии их переработки.
Так существующая агло-коксо-доменная схема получения чугуна требует для своего осуществления высококачественного сырья и топлива. Действующие в России ГОСТы, ОСТы, технические условия на концентраты черных металлов разработаны без учета новейших достижений в области технологии комплексной переработки минерального сырья и преследуют главную цель - получение концентратов с заданными ГОСТами содержанием в них основного рудообразующего компонента. Эта задача, как правило, достигается неоднократной переочисткой концентратов, что приводит к значительным потерям полезных ископаемых.
При наличии достаточной топливной базы, возникает дефицит в углях определенных марок из-за невозможности по техническим и экономическим условиям использования остальных, имеющихся в достаточных количествах.
Современное состояние отечественной экономики характеризуется структурными преобразованиями, обусловленными переходом на рыночные отношения. Эффективность функционирования предприятий вообще и горнодобывающих и перерабатывающих в особенности, должна определяться минимизацией издержек производства и инвестиций с учетом экологической чистоты протекания процессов производства и охраны окружающей среды, а также получения возможности использования всего потенциала существующей
12. топливно-сырьевой базы с целью сокращения потерь невозобновляемых
ресурсов.
Черная металлургия входит в новый век с грузом экологических и экономических проблем. В то же время она остается лидером в обеспечении экономики конструкционными материалами и материалами с особыми физическими свойствами. Это обеспечивает черной металлургии роль базовой отрасли экономики, одного из гарантов национальной безопасности. Однако продукция черной металлургии не входит в перечень конечной продукции валового национального продукта (ВНП), а является промежуточным продуктом. Чем ниже капитальные и текущие затраты на производство металлопродукции, которая используется для производства конечной продукции ВНП, тем больше ресурсов для его роста.
Цикл металлургического производства, в результате которого создается металлопродукция, является многостадийным. Поэтому для черной металлургии имеет принципиальное значение разработка металлургических процессов и агрегатов, которые могут исключить или сократить отдельные стадии производства металлопродукции. Это позволит уменьшить неблагоприятную экологическую нагрузку на окружающую среду, снизить капиталоемкость и затраты на производство металлопродукции. Результатом может быть рост ВНП и жизненного уровня.
Это делает необходимым определение экономических проблем традиционной схемы переработки железных руд с целью предложения возможных путей их решения, в том числе и с использованием новых технологий производства металла.
L
1.1. Экономические проблемы развития доменного производства
1.1.1. Проблемы обеспечения топливом
Осуществление доменного процесса невозможно без использования металлургического кокса.
По разведанным запасам угля категории А+В+С1 (на 01.01.1996 г. - 200,8 млрд. т), Россия занимает третье место в мире после США и Китая (табл. 1). Но при этом сырьевая база угольной промышленности России имеет существенные недостатки, которые проявляются:
1. В качественном составе угольной базы.
В металлургической отрасли используются в основном коксующиеся угли. Свыше половины балансовых запасов категорий А+В+С1 (103,1 млрд. т) составляют бурые угли (табл.1). Разведанные запасы коксующихся углей равны 40 млрд. т или только 20 % от всех запасов.
Таблица 1 Балансовые запасы углей России на 01.01.1996 г., млрд.т/% [1]
Регион Категории A+B+Ci Категория С2
Всего Бурый уголь Каменный уголь
Всего В т.ч. коксующийся
Всего 200.79 100,0 103.10 51,4 97.68 48,6 40.04 20,0 79.49 100,0
Северный 8.28 4,1 - 8.28 8,0 3.41 8,5 0.41 0,5
Центральный 3.48 1,7 3,48 - - 0.45 0,6
Северо-Кавказский 6.65 3,3 - 6,65 0.28 0.7 2.90 3,6
Уральский 1.95 1,0 1,59 0,36 0.21 0,5 0.11 0,1
Западно-Сибирский 92.69 46,2 34,54 58,15 30.48 76,1 36.62 46,1
Восточно-Сибирский 67.58 33,7 51,06 16,52 2.66 6,6 28.04 35,3
Дальневосточный 20.16 10,0 12,43 7,73 3.00 7,5 10.96 13,8
2. В неравномерности распределения разведанных запасов угля по территории страны.
В азиатской части России находится 90 % запасов углей, а в европейской -лишь 10 %, тогда как на последнюю приходится 45-46 % потребления угля [1,2]. 76% запасов коксующихся углей расположены в Западно-Сибирском регионе - в Кузнецком бассейне.
Наиболее благоприятные для добычи запасы угля значительно удалены от основных потребителей России и дальнего зарубежья. Лучшие угольные базы -Кузнецкий и Канско-Ачинский бассейны расположены на расстоянии 3000 - 4000 км от ближайших портов и основных имеющихся и потенциальных потребителей в Европейской части России и других странах. Это существенно влияет на транспортную составляющую в конечной цене угля. В мировой практике эта составляющая не превышает 30%, в России в среднем 56%, а при дальних перевозках 70% и более. Затраты на перевозку кузнецких углей, например, превышают расходы на добычу. При доставке их на Урал и в центр европейской части России цена на них возрастает в 1,5-2 раза, в Калининградскую область - в 3, Архангельскую - в 2, в Хабаровский край - в 2,6 раза [3].
В результате металлургические предприятия, расположенные в Западно-Сибирском регионе в непосредственной близости от угольных предприятий, имеют дополнительный доход за счет наиболее низкого уровня цен на уголь, по сущности своей являющийся "рентой местоположения".
Многие крупные месторождения с ценными коксующимися марками углей расположены в неблагоприятных климатических зонах и отличаются сложными горно-геологическими условиями.
3. В чрезмерных затратах на добычу и обогащение угля в сочетании с повышенной опасностью при добыче.
Около половины балансовых запасов шахт по общепринятым в мировой практике нормам являются некондиционными по качеству угля, мощности, условиям залегания, газо- и выбросоопасности пластов, что определяет чрезмерные затраты на добычу и обогащение угля, повышенную опасность работы.
В целом по Российской Федерации из 201,8 млрд.т числящихся на балансе на 01.01.1993 г. разведанных запасов были признаны благоприятными для промышленного освоения в современных экономических условиях 140,2 млрд.т, в том числе по действующим и строящимся предприятиям -19,8 (68%) из 29 млрд.т. По коксующимся углям доля благоприятных запасов по России в целом составляет 19,6 (47%) из 41,4 млрд.т, в том числе на действующих предприятиях -5,4(59%) из 9,1 млрд. т [4,5].
4. Несоответствие качества добываемых коксующихся углей оптимальному составу угольной шихты для коксования.
Шихта для производства кокса может включать до 12 марок углей. Каждая марка играет определенную роль в коксохимическом процессе. Марки одного типа взаимозаменяемы, хотя при этом качество шихты может значительно различаться. Поэтому в шихтах должно соблюдаться совершенно определенное соотношение углей отдельных марок [9].
Для слоевого коксования рекомендуется использовать следующие марки углей: коксовые жирные (КЖ), коксовые (К), жирные (Ж), газовые жирные (ГЖ), стощенные спекающиеся (ОС), газовые жирные отощенные (ГЖО), коксовые отощенные (КО), газовые (Г), коксовые слабоспекающиеся (КС), коксовые слабоспекающиеся низкометаморфизированные (КСН), длиннопламенные газовые (ДГ), тощие спекающиеся (ТС), слабоспекающиеся (СС) [6-9].
По технологической ценности (по коксуемости) коксующиеся угли делятся на группы:
особо ценные (хорошо коксующиеся): КЖ, К, Ж, ГЖ, ОС, КО;
в том числе, определяющие спекаемость: КЖ, К, Ж.;
ценные (слабококсующиеся): ГЖО, Г, КС, КСН;
некоксующиеся (могут применяться в ограниченных количествах в шихтах высокой коксуемости в условиях классического процесса коксования и в большем количестве - при специальных процессах подготовки и коксования, либо
16
полностью служить сырьевой базой коксования в новых процессах производства кокса) [7,8].
Применительно к условиям нашей страны суммарное содержание в оптимальной шихте для коксования углей марок ГЖ, Ж, КЖ, К, КО, и ОС должно составлять 75-80 % [10]. К началу 90-х годов структуры угольных шихт коксохимических предприятий были близки к оптимальным. Это позволило в период с 1980 по 1990 г. уменьшить расход кокса в доменном процессе: с 569 кг/т передельного чугуна до 504,5 кг/т.
До настоящего времени величина добавок в шихте большинства коксохимических производств не превышала нормы, однако появилась и сохраняется тенденция к нарушению требуемого соотношения отдельных марок углей: уменьшается суммарная доля хорошо спекающихся углей марок К, КЖ и КО, обеспечивающих прочностные характеристики кокса с одновременным увеличением количества углей марок ГЖ и Ж [11].
Дефицит в угольных шихтах углей марок КЖ, К, КО и ОС, обозначившийся к 1995 г. (табл.2), привел к ухудшению качества кокса и увеличению его расхода в доменном процессе до 525 кг, что существенно снизило производительность доменных печей и отрицательно повлияло на экономику процесса.
В таблице показаны отклонения в поставках углей отдельных марок от их потребности для обеспечения оптимального соотношения в шихтах. В избытке оказались угли марок ГЖ и Ж (-1.2 млн. т) и марок КС, КСН, ТС, и СС ( -3.8 млн.т). Обозначился большой дефицит наиболее ценных для коксования углей марок К, КЖ, КО, и ОС (- 4.5 млн.т.).
Недостаток необходимых марок заставляет коксохимические предприятия искать приемлемую замену другими маркам углей. В свою очередь, это вызывает изменение технологического режима коксования и ухудшение качества кокса.
L
Отклонения объемов поставок углей по маркам от оптимальной
(состояние на 1995 г.) [10]
4 7 Таблица 2
структуры шихты
Марка угля Структура оптимальной шихты, % Поставки Содержание в оптимальной шихте, тыс.т Избыток (+) или недостаток (-)
тыс. т % тыс. т %
Г+ГЖО 10 3216,2 8,9 3613,71 - 397,5 -1,1
ГЖ 13 5456,7 15,1 4697,82 + 758,9 + 2,1
Ж 29 10913,4 30,2 10479,75 + 433,7 + 1,2
К+КЖ 18 3613,71 10,0 6504,67 -2891,0 -8,0
КО+КС 20 5565,1 15,4 7227,42 -1662,3 -4,6
КС+ТС+СС+КСН 10 7372,96 20,4 3613,71 + 3758,3 + 10,4
В том числе, особо ценные: КО, ОС 80 25548,9 70,7 28900,66 -3360,8 - 9,3
Шихта 100 36137,1 100 36137,08
Сложившаяся ситуация вызвана следующими причинами [11-15]:
1. Ограниченностью сырьевой базы особо ценных марок.
2. В недостаточно обоснованном расходовании ценных и дефицитных марок углей в других отраслях хозяйства.
3. Отсутствием стимулов к производству наиболее ценных, но дорогих в производстве марок углей, что связано с применением затратного принципа при определении цен на угли отдельных марок. Угли марок Г, КСН, КС, имеющие показатель технологической ценности в два раза ниже по сравнению с углями дефицитных марок КЖ, К, ОС реализуются по таким же ценам или даже в 1,5 раза дороже.
4. В отсутствии учета у потребителя истинной технологической ценности углей отдельных марок и определения их доли в шихтах, обеспечивающих получение металлургического кокса необходимого качества, а у поставщиков -стимулов к детальным исследованиям сырьевой базы и создании условий, позволяющих получать высокое и стабильное качество угольной продукции. |
