Введение
На современном этапе развития металлургическая промышленность РФ вступила в период глобализации рынка стали, который характеризуется с одной стороны отсутствием географических и политических барьеров для перемещения сырья, топлива и продукции черной металлургии, с другой стороны, неизбежностью действия жестких законов экономики и рынка. Одновременно в этот период совершенствуется технология в черной металлургии, направленная на сокращение: потребления ресурсов, в первую очередь кокса, производственных отходов и загрязняющих окружающую среду выбросов. Эти факторы, а также региональные сырьевые и топливные ресурсные особенности предприятий стимулируют их специалистов и международные инжиниринговые фирмы на разработку новых технологий производства первородного железа, способных выдерживать конкуренцию с классическими технологиями и превосходящих их по использованию энергетических и экологических ресурсов.
Перспективными планами развития металлургии России предусматривается приоритетное увеличение мощностей для выплавки электростали. При этом развитие непрерывной разливки стали снижает количество чистого оборотного лома, а загрязнение лома цветными металлами идет со скоростью 0,005-0,01% в год.
В связи с этим представляются актуальными те направления научных разработок, которые направлены на обеспечение электросталеплавильного производства РФ первородной металлошихтой, обеспечивающие экономическую живучесть горно-рудным предприятиям.
Поэтому перспективным развитием технологий металлизации на своих производствах интенсивно занимаются специалисты Лебединского ГОКа, Михайловского ГОКа, Полтавского ГОКа, Ингулецкого ГОКа и т.д.
5
Практическая значимость. Проведенные в диссертационной работе исследования позволили разработать принципы формирования шихтового модуля и режимов термообработки окатышей из концентратов ОАО «Лебединский ГОК», обеспечивающие повышение их металлургических свойств при последующей металлизации.
Известно, что природный минералогический состав связки концентратов рудных месторождений региона КМА и других горно-обогатительных комбинатов РФ, а также флотоконцентраты, полученные с помощью различных технологий флотации, имеют слабую поровую структуру. Промышленные и полупромышленные испытания подтвердили, что при введении в шихту оптимального количества флюсоупрочняющей добавки происходит увеличение доли открытой пористости. Заслуживают внимания и изложенные в работе технологические методы интенсификации процессов металлизации на установке ХИЛ-Ш.
Полученные результаты носят общий характер и могут быть использованы для улучшения металлургических свойств окатышей различного назначения, как для доменной плавки, так и для процессов прямого получения железа. Предложенные методики оценки металлургических свойств обожженных окатышей уже применяются при тестировании железорудных концентратов и при определении проектных параметров обжиговых машин.
Проведенные комплексные исследования и промышленные испытания производства и металлизации окисленных окатышей позволили впервые обеспечить стабильную работу и проектные показатели установки прямого получения железа ХИЛ-Ш ОАО «Лебединский ГОК». За эти достижения автор в составе творческого коллектива был удостоен звания Лауреата Премии Правительства РФ в области науки и техники 2002 года.
Научная новизна диссертации определяется тем, что:
• впервые использованы и адаптированы к навеске металлизованных окатышей положения теории горячего прессования ансамбля частиц;
• впервые разработано и предложено понятие «эффективной вязкости» металлизованных окатышей, величина которой определяет условия их нормального схода в нижней части реактора;
• установлены закономерности формирования поровой структуры окатыша в зависимости от минералогического состава связки; показано, что при введении боксита и мела (известняка) в соотношении 1:1 происходит увеличение доли открытой пористости;
• установлены закономерности изменения металлургических свойств окатышей в зависимости от состава и дозировки флюсоупрочняющих добавок - боксита, известняка, доломита и мела.
Научная новизна работы определяется также тем, что впервые на установке ХИЛ-Ш применена внутренняя конверсия подогретого до температуры 250-300°С природного газа в нижней части конуса реактора, что обеспечило стабильный сход столба шихты и увеличение производительности установки металлизации.
1.Аналитический обзор. Задачи и проблемы мирового производства металлизованного сырья.
1.1. Экономическая ситуация на рынке металлизованного продукта
Проведенные аналитические исследования перспектив производства металлопродукции позволяют сделать вывод о том, что годовой прирост производства стали вплоть до 2010 года составит 2,2%, что ниже спроса на рынке. По прогнозу ожидается прирост производства доменного чугуна 0,6% в год, конвертерной стали 1,4%, электростали 4,3%. Из них 90 млн.тонн составит электросталь листового назначения. Образование собственных отходов металлургических предприятий падало с 1975 г. на 2,7% в год, к 2010 году величина падения возрастет до 3,0 %; для машиностроительного лома эти показатели равны соответственно 1,3 и 1,7%. В балансе учтен прирост выпуска заменителей лома и чугуна в количестве 90 млн.тонн в течение 1994-2010 гг. К 2010 г. потребуется привлекать 350 млн.т/год амортизационного лома, а доступным окажется 230млн.тонн. Степень использования лома этого типа, включая производство металлизованного продукта, за весь рассматриваемый период не превышающая 35%, может подняться до 39% к 2010г., тогда как для баланса требуется 58%. Таким образом, мировой дефицит лома уже в 2001 г составил около 100 млн. тонн, а к 2010 году достигнет 120 млн. тонн.
Проблема может быть решена за счет развития производства заменителей лома и чугуна [1, 2, 4, 5].
Подходящим материалом является железо прямого получения. Более половины всех мощностей по производству металлизованного сырья приходится на долю процесса Midrex. В 80-е годы был реализован модифицированный процесс Midrex, и охлаждение металлизованных окатышей в печи было заменено их горячим брикетированием. Брикеты имеют большую плотность и меньшую удельную поверхность, чем металлизованные окатыши, практически не подвержены вторичному окислению и опасности самовозгорания. По этой причине производство брикетов является более
эффективным, чем металлизованных окатышей, в тех случаях, когда весь производимый продукт (или большая часть его) является товарной продукцией и требует транспортировки на большие расстояния. В 1994 г. в мире было произведено 4,4млн.т брикетов (16% от общего объема производства) [19,20].
Мировой объем производства железа прямого получения с 1982 по 1996г. увеличился от 7,3 до 33,3 млн. тик 2001 году составил 41 млн.тонн [2].
В 1999-2000 г.г. осуществлен ввод в эксплуатацию 8 новых предприятий с технологией Midrex общей мощностью 8 млн.т/год. С использованием технологий HYL-I и HYL-III к 1996 г. было получено всего 12,7 млн.тонн железа прямого получения и в строительстве находилось 4 предприятия с технологией HYL-III общей мощностью 4,2млн.т/год. К настоящему времени по этой технологии выпускается 8,5 млн.т ежегодно. Так, например, компания Samarco Mineracao, крупнейший в Бразилии поставщик сырья для металлургической промышленности, на основе разрабатываемых ею месторождений итабирита и гематита выпуститила в 1998 г. после реконструкции завода 12 млн.тонн окатышей, из которых 60% предназначены для прямого восстановления. Производство окатышей осуществлялось по традиционным процессам Midrex и HYL [6-8].
Распределение производства металлизованного продукта по разным регионам представлено на рис. 1.1. Видно, что 85% производственных мощностей сосредоточено в Латинской Америке, Среднем Востоке, Африке и Азии.
Удельные суммарные энергозатраты на получение стали по схеме «домна - конвертер» составляют 14,87 ГДж/т с учетом агломерации и коксования. Соответствующие цифры для HYL-III и реакторов кипящего слоя равны 15,75 и 14,02 ГДж/т, включая газификацию угля для 2-го процесса. Выбросы СС>2М3/т: для схемы с доменной печью 1584 (включая производство кокса), для последующих схем, соответственно 1245 и 1483м3/т.
с
16
14 12 10
8 6 4 2 0
14,13
2000 2001
Латинская Америка (включая Мексику) 15,98 14,13
Средний Восток / Северная Африка 12,05 12,08
12,08 Азия / Океания 9,17 9,91
I---------------1 Бывший СССР / Восточная Европа 1,92 2,51
Центральная и Южная Африка 1,53 1,56
9,91 Западная Европа 0,46 0,21
п Северная Америка (США и Канада) 2,69 0,12
2,51
1,56 i--------------1
Jj _LL_ 0,21 ¦------,— 0,12 1 3__
Латинская Америка Средний Восток/ Азия/Океания Бывший СССР/ Центральная и западная Европа Северная Америка (включая Мексику) Северная Африка Восточная Европа Южная Африка (США и Канада)
Рис.1.1.Мировое производство продуктов прямого восстановления железа
в 2001 году (млн.т)
10
Таким образом, по расходу энергоносителей процессы прямого получения железа практически не отличаются от классической схемы, однако, в первом случае требуется качественный кокс, дефицит и стоимость которого устойчиво растут с каждым годом. Необходимо отметить, что развитие производства металлизованного сырья не привело к значительной конкуренции с традиционной схемой получения металла, так как чугун и губчатое железо используются в качестве шихты в разных металлургических агрегатах и применяются при выплавке стали различного сортамента, а для их производства используется первичное топливо разных видов.
Таким образом, устойчивый и возрастающий спрос на металлизованное сырье в последние годы в мире объясняется следующими тенденциями развития сталеплавильного производства: увеличение доли выплавки стали в электропечах, связанное с меньшими капитальными затратами по сравнению с выплавкой стали в кислородных конвертерах, а также лучшими экологическими условиями производства; уменьшение доли оборотного лома вследствие широкого внедрения непрерывной разливки стали; возрастание спроса на лом из-за увеличения доли выплавки стали в электропечах; увеличение количества мини-заводов, выплавляющих сталь в электропечах и выпускающих рентабельную продукцию высокого качества; ухудшение качества покупного лома. В последние годы на заводах с электропечами получает развитие технология производства тонких слябов. Необходимым условием обеспечения высокого качества рулонной горячекатаной полосы, получаемой из тонких слябов, является использование чистых шихтовых материалов в виде металлизованного сырья [9—12].
Основываясь на указанных тенденциях, можно надежно прогнозировать высокий спрос на металлизованное сырье.
Анализ работы российских производителей и потребителей металлизованного продукта позволяет распространить на них практически все
11
технические и экономические тенденции мирового развития и сделать определенные прогнозы о возрастании спроса и расширении рынков сбыта металлизованной продукции в ближайшие годы [10-18].
В России и странах СНГ в период до 2000 г. металлизованное сырье в основном использовалось при выплавке качественных сталей с целью улучшения их служебных характеристик, главным образом, сталей, к которым предъявляются повышенные требования в отношении содержания примесей цветных металлов (Си, Sn, Sb, Ni, Pb и др.) или при выплавке которых на шихте с пониженным содержанием серы, фосфора и азота обеспечиваются необходимые состав и свойства.
Особо, на наш взгляд, следует остановиться на тенденциях последнего года, связанных с уменьшением цен на стальную продукцию и ростом цен на природный газ. Эти факторы определили снижение мирового производства металлизованного продукта на 7,5% с 43,8 млн.тонн в 2000 году до 40,5млн.тонн в 2001 году [10].
Так уменьшение цен на стальную продукцию и резкое увеличение цен на природный газ в странах NAFTA (США, Канада, Мексика) в период зимы 2000-2001гг привело к тому, что цена некоторых стальных изделий составляла 55% от их многолетнего уровня.
Такое падение цен наблюдалось только два раза в истории: в 1982-83гг и в период великой депрессии 1933 года. Однако, несмотря на незначительное снижение производства металлизованной продукции в странах NAFTA, производственные мощности в других регионах работали стабильно, а некоторые и наращивали выпуск продукции. Так Венесуэла произвела в 2001 году 6,4 млн.тонн, Индия- 5,6 млн.тонн, Иран-5,0 млн.тонн, Саудовская Аравия, Россия и Египет произвели соответственно 2,9; 2,6 и 2,4 млн.тонн. Таким образом, несмотря на газо-стальной кризис в странах NAFTA, спрос на
12
металлизованную продукцию не уменьшился, а мировой дефицит ее к концу 2001 года составил около 18 млн.тонн. Другим последствием кризиса явилось увеличение доли морских перевозок (в страны NAFTA и соседние регионы). Это привело к относительному росту производства горячебрикетированного железа (HBI), которое менее пирофорно и более стойко к воздействию влажного морского воздуха по сравнению с металлизованными окатышами и, поэтому более удобно для транспортировки, перегрузок и хранения [11].
Таким образом, мировой спрос на продукцию DRI и HBI мало подвержен изменениям конъюнктуры рынка металлопродукции и продолжает расти, однако, приоритетными задачами производства металлизованного продукта (МП) являются снижение его себестоимости и повышение качества. Краткому обзору основных технологий получения МП посвящены следующие разделы работы.
13
1.2.Основные технологии производства металлизованного продукта.
В настоящее время в мире производство МП реализовано на сотнях установок, работающих с использованием десятков различных технологий. Многие из них пока не вышли за рамки лабораторных и опытных установок, хотя и содержат оригинальные технические решения.
В табл. 1.1 приведены основные данные по действующим заводам и установкам по производству МП [1, 10]. Видно, что среди многообразия действующих способов получения МП можно выделить в качестве основных Midrex, HYL-III и Finmet, характерные для газового восстановления в шахтных печах, и процессы, протекающие с участием твердого топлива во вращающихся и кольцевых (с вращающимся подом) печах. Данные по мировому производству МП в 2001 году представлены на рис. 1.2. Видно, что лидирующие позиции по объемам выпуска МП занимают установки типа Midrex, мощность которых почти на 4% превышает проектные показатели. Установки HYL выпускают около 20% МП, Finmet - 4,5% и процессы, основанные на твердом топливе - около 8,4% [14].
Ниже приводится краткое описание основных технологий получения МП в шахтных печах газового восстановления, а также более подробное описания для процесса и установки HYL-III.
14
Таблица 1.1. Действующие заводы и установки по производству металлизованного продукта
Предприятие Место Мощность (млн.т/ год) Кол-во Продукт Год пуска
MIDREX PROCESS
Georgetown Steel Джорджтаун, США 0,40 1 DRI 1971
Ispat HSW Гамбург, Германия 0,40 1 DRI 1971
Ispat Sidbec 1 Контрекер, Квебек, Канада 0,40 1 DRI 1973
SIDERCA Кампанья, Аргентина 0,40 1 DRI 1976
Ispat Sidbec 1 Контрекер, Квебек, Канада 0,60 1 DRI 1977
SIDOR 1 Матанзас, Венесуэла 0,35 1 DRI 1977
ACINOAR Вилла Конститусьон, Аргентина 0,60 1 DRI 1978
Qatar Steel Co Месаид, Катар 0,40 1 DRI 1978
SIDOR 11 Матанзас, Венесуэла 1,29 3 DRI 1979
Caribbead Ispat Ltd Пойнт Лисас, Тринидад и Тобаго 0,84 2 DRI 1980/ 82
Hadeed I Аль-Джубаил, Саудовская Аравия 0,80 2 DRI 1982/ 83
OEMK Старый Оскол, Россия 1,6 4 DRI 83/85/86 /87
Amsteel Mills Лабуан Айленд, Малайзия 0,65 1 HBI 1984
Khouzestan Steel Co Анваз, Иран 1,20 3 DRI 1985/92
ANSDKI Эль-Дукейла, Египет 0,72 1 DRI 1986
LISCOI Мисурата, Ливия 1,10 2 DRI 1990
Essar Steel I&II Хазира, Индия 0,88 2 HBI 1990
OPCO Пуэрто-Ордаз, Венесуэла 1,00 1 HBI 1990
VENPRECAR Матанзас, Венесуэла 0,66 1 HBI 1990
Essar Steel III Хазира, Индия 0,44 1 HBI 1992
Hadeed II Аль-Джубаил, Саудовская Аравия 0,65 1 DRI , 1992
Morarakeh Steel Co Мобараке, Иран 3,20 5 DRI 1992/93/9 4
Ispat Industries Раигад, Индия 1,00 1 DRI 1994
ANSDKII Эль-Дукейла, Египет 0,80 1 DRI 1997
IMEXSA Узаро Карденас, Мексика 1,20 1 DRI 1997
LISCO II Мисурата, Ливия 0,65 1 HBI 1997
Corns Mobile Мобил, США 0,80 2 DRI 1998
American Iron Reduction Конвент, США 1,20 1 DRI 1998
COMSIGUA Матанзас, Венесуэла 1,00 1 HBI
Ispat DR3 Пойнт Лисас, Тринидад и Тобаго 1,36 1 DRI 1998
Saldanha Салдана Бай, ЮАР 0,804 1 DRI 1999
ANSDK III Эль-Дукейла, Египет 0,80 1 DRI 1999
ZamZam Ахваз, Иран 0,60 1 DRI 2000
Hanbo Steel Азан Бай, Южная Корея 0,80 1 DRI 2002
29,664 50
15
Таблица 1.1. (продолжение)
Предприятие Место Мощность (млн.т/ год) Кол-во Продукт Год пуска
HYL-III PROCESS
Hilsa2M5 Монтеррей, Мексика 0,25 1 DRI 1980
Hilsa2M3 Монтеррей, Мексика 0,50 1 DRI 1983
IMEXSA Лазаро Карденас, Мексика 2,00 4 DRI 1988/91
Grasim Раигад, Индия 0,75 1 HBI 1993
PT Krakatau Steel Кота Байя, Индонезия 135 2 DRI 1993
PSSB Кемаман, Малайзия 1,20 2 DRI 1993
Usiba Сальвадор, Бахия, Бразилия 031 1 DRI 1994
Hilsa2P5 Пуэбла, Мексика 0,61 1 DRI 1995
Hilsa4M Монтеррей, Мексика 0,675 1 DRI 1998
Hadeed III Аль-Джубаил, Саудовская Аравия 1,10 1 DRI 1999
Лебединский ГОК Губкин, Россия 0,90 1 HBI 1999
POSVEN Матанзас, Венесуэла 1,50 2 HBI 2000
11,145 18
HYL PROCESS
SIDOR I Матанзас, Венесуэла 0,36 1 DRI 1976-
PT Krakatau Steel Кота Байя, Индонезия 1,68 3 DRI 1978/81
SIDOR II Матанзас, Венесуэла 2,11 3 DRI 1981
ASCO Ахваз, Иран 1,03 3 DRI 1995
5,18 10
FINMET PROCESS
ВНР Порт Хедланд, Австралия 2,20 4 HBI 1999
Orinoco Iron Пуэрто-Ордас, Венесуэла 2,20 4 HBI 2000
4,40 8
SL/RN PROCESS (трубчатые вращающиеся печи)
Piratini Чаркведас, Бразилия 0,06 1 DRI 1973
SIIL Палонеха, Индия 0,06 2 DRI 1980/85
Siderperu Чимботе, Перу 0,10 3 DRI 1980'
ISCOR Вандербилларк, ЮАР 0,72 4 DRI 1984
BSILI Чамтил, Индия 0,15 1 DRI 1989
Prakash Idustrues Чампа, Индия 0,40 2 DRI 1996
Nova Iron& Steel Биласпур, Индия 0,15 1 DRI 1994
Sree Metallic Кеонджхар, Индия 0,06 3 DRI 1999/00
1,70 17
IRON CARBIDE PROCESS (получение карбида железа)
Nucor Iron Carbide Пойнт Лисас, Тринидад и Тобаго 0,30 1 DRI 1994
Qualitech Крпус Кристи, США 0,66 2 DRI 1999
0,96 3
16
Таблица 1.1. (окончание)
Предприятие Место Мощность (млн.т/ год) Кол-во Продукт Год пуска
JINDAL PROCESS
Jindal Steel&Power Райгар, Индия 0,62 6 DRI 1993/94/9 5/96/00
Райпур, Индия 0,20 2 DRI 1193/98
Виа Латиката, Индия 0,6 2 DRI 1993/00
0,88 10
DRC PROCESS (шахтная печь + плавильный агрегат)
Scaw Metals I Гермистон, ЮАР 0,18 2 DRI 1983/80
Scaw Metals II Гермистон, ЮАР 0,15 1 DRI 1997
Tianjin Iron&Steel Тяньцзинь, КНР 0,30 2 DRI 1997
0,63 5
GHAEM PROCESS
Isfahan Steel Исфахан, Иран 0,60 1 DRI 1996
CODIR PROCESS
Dunswort Бенони, ЮАР 0,15 1 DRI 1973
Sun flag Бхандара, Индия 0,15 1 DRI 1989
Goldstar Малливиду, Индия 0,22 2 DRI 1992
0,52 4
CIRCORED PROCESS
Cliffs&Associate, Ltd Пойнт Лисас, Тринидад и Тобаго 0,50 1 HBI 1999
IRON DYNAMICS PROCESS
Iron Dynamics Батлер, США 0,50 1 DRI 1998
FIOR PROCESS
Operaciones DRI Матанзас, Венесуэла 0,40 1 HBI 1976
PUROFER PROCESS
ASCO Ахваз, Иран 0,33 1 DRI 1977
SIIL PROCESS
Bellary Steel & Alloys Беллари, Индия 0,06 2 DRI 1992/93
HEG Бораи, Индия 0,06 2 DRI 1992
Kumar Met. Налдонда, Индия 0,06 2 DRI 1993
Raipur Alloys & Steel Райпур, Индия 0,06 2 DRI 1993
Tamilanadu Sponge Салем, Индия 0,03 1 DRI 1993
Aceros Arequipa Писко, Перу 0,06 2 DRI 1996
0,33 11
<
30
25
20
15
10
0
Midrex
% использования 103,8
HYL-III 78,9
¦ Мощность, млн.т в год
¦ Объем производства фактический
^
3,4
HYL-I
23
Finmet 54,7
Другие газовые 43,1
На базе твердого топлива
81,3
Рис.1.2 Данные по миовому производству продуктов прямого восстановления
железа в 2001 году |
