Глава 3. АНАЛИЗ И ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА БАЗОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ
Развитие систем технологических процессов происходит путем выделения и специализации новых технологий и последующей их интеграции в более развитую и совершенную систему. Новая технология является итогом оригинальных научно-исследовательских разработок, но может быть и результатом использования известных (базовых) технологических процессов из смежных областей.
Базовая технология тесно переплетена и сопряжена со смежными производствами, профессиональным опытом работников, с условиями потребления, человеческими интересами и т.п. Долгосрочное совершенствование базовой технологии во многих случаях оказывается значительно предпочтительней коренной перестройки и замены старой технологии на качественно новую.
Очевидно, что прогресс в области технологий позволяет получить тот же объем продукции с меньшими затратами труда и капитала. А достигнутое сегодня становится основой достижений и "технологических сдвигов" в будущем. Широкое
внедрение технологических нововведений носит название "диффузии" технологий.
Длительная эволюция технологии — это неравномерный процесс. Один из важнейших путей эволюции состоит в совмещении двух или более известных технологий, которое позволяет упростит систему, интенсифицировать ее и, тем самым, усовершенствовать. В результате в дальнейшем должны появиться принципиально новые технологии.
Эволюцию базовой технологии можно показать на примере технологии крекинга метана:
Базовая технология (крекинг метана при 1000 0С) | Модернизированная технология (термо-окислительный пиролиз и электрокренинг метана)- | Новая технология (плазменный крекинг метана) |
Применение окислительной атмосферы и электроимпульсного воздействия на метан сделало возможным быструю адаптацию технологической системы к воздействию плазмы — принципиально новой технологии, совмещающей как Термические, так и электрические явления. Такой принцип совмещения получил название "созидательного симбиоза" и достаточно широко применяется в производстве.
Важнейшим фактором, способствующим ускорению смены технологий, является компьютеризация, позволяющая автоматизировать не только производство, но и процесс переноса научных знаний в производство, а также сам процесс получения новых знаний. Автоматизированные системы научных исследований, системы автоматизированного проектирования, гибкие автоматизированные производства выступают сегодня элементами системы, позволяющей автоматически формировать новейшие достижения науки.
Прежде чем дать оценку новым прогрессивным технологиям, показать их особенности и преимущества перед традиционными, необходимо проанализировать технологические системы базовых отраслей промышленности.
Металлургия — отрасль промышленности — система технологических процессов, направленных на производство металлов из их природных соединений (руд) и дальнейшую обработку этих металлов для придания им определенного вида и свойств. В связи с делением металлов на черные и цветные металлургия также делится и« металлургию черных металлов и металлургию цветных металлов.
К металлургии черных металлов относятся предприятия, производящие чугун и сталь. Сталь и чугун — это сплавы на основе железа с углеродом, причем в сталях углерода может содержаться не более 2%, а в чугунах — от 2% и выше (до 6,67%). Кроме углерода и в сталях, ив чугунах присутствуют так называемые неизбежные примеси (марганец, кремний, сера, фосфор), по-разному влияющие на их свойства. Сера и фосфор ухудшают свойства этих сплавов, а потому называются вредными,- марганец и кремний являются полезными примесями.
Традиционным процессом производства чугуна является доменный процесс, суть которого состоит в восстановлении железа из руд и науглероживании его.
Технологический процесс выплавки чугуна в доменной печи можно представить в виде системы, имеющей входы и выходы:
Исходные материалы: железные и марганцевые руды; топливо — кокс, флюс (известняк) | Окисление (горение) топлива Восстановление Fe, Mn, Si, S, Р Науглероживание железа | Чугун, доменный газ, доменный шлак |
К технико-экономическим показателям данной технологической системы относятся:
1. коэффициент использования полезного объема доменной печи:
,
где Vпол — полезный объем доменной печи, м; Qcyт — суточная производительность печи, т.;
2.полезный объем доменный печи — объем, занятый исходными материалами (шихтой) и продуктами плавки;
3. коэффициент расхода кокса:
,
где А — количество кокса, расходуемое для выплавки Т (тонн) чугуна.
Чем ниже эти показатели, тем более эффективно протекает доменный процесс. Анализ технико-экономических показателей позволяет сделать следующий вывод: для повышения производительности технологического процесса и снижения себестоимости чугуна необходимо:
1) усовершенствовать процесс подготовки исходных материалов к плавке: вместо руды применить агломерат и окатыши, содержащие повышенный процент железа, пониженное количество вредных примесей и обладающих хорошей восстановительной способностью;
2) усовершенствовать технологический процесс плавки: произвести частичную замену кокса природным газом, повысить температуру и давление вдуваемого в печь воздуха;
3) увеличить полезный объем доменной печи.
Главным продуктом доменной плавки является чугун. Доменные чугуны подразделяются на:
· передельные чугуны, идущие на переработку в сталь;
· литейные чугуны — полуфабрикат для производства машиностроительных чугунов;
· ферросплавы — двойные сплавы железа с кремнием и марганцем, используемые для раскисления стали и других нужд металлургии.
Машиностроительные чугуны — чугуны, содержащие углерод в виде графита. В зависимости от формы графитовых включений меняются и прочностные свойства чугуна. Поэтому чугуны классифицируются и маркируются не по химическому составу, а по механическим свойствам на следующие группы:
1) ковкий чугун, получаемый путем длительного ступенчатого отжига белого чугуна и содержащий углерод в виде графита хлопьевидной формы. Эти чугуны обладают более высокой пластичностью, чем серые, однако "ковкий" — название условное, обрабатывать чугун давлением нельзя. Маркируется ковкий чугун буквами КЧ (ковкий чугун).
Первое число в марке показывает предел прочности чугуна на растяжения, второе — относительное удлинение, например, КЧ40-10;
2) серый чугун — широко распространенный дешевый конструкционный материал, обладающий оптимальными свойствами, содержит графит в форме игл иди пластин, например ОФ21-40. Первое число означает предел прочности чугуна на растяжение, второе — предел прочности чугуна на изгиб;
3) высокопрочный чугун обладает повышенной прочностью и имеет графит округлой (глобулярной) формы. Маркировка: ВЧ 60-2. Первое число — предел, прочности чугуна на растяжение, второе — относительное удлинение.
Чугуны применяются в различных областях промышленности для изготовления деталей машин, приборов, агрегатов, труб.
В строительстве промышленных и гражданских зданий, мостов, в машиностроении, приборостроении применяют конструкции, изготовленные из стали. При работе подбольшими нагрузками (подкрановые балки, каркасы нижних этажей многоэтажных зданий) стальные конструкции прочнее железобетонных.
По химическому составу сталь делится на углеродистую и
легированную.
В зависимости от содержания углерода углеродистые, стали подразделяются на низкоуглеродистые (до 0,3% углерода), среднеуглеродистые (0,3—0,6%С) и высокоуглеродистые (свыше 0,6%С). Низкоуглеродистые применяются в качестве конструкционных сталей, высокоуглеродистые — инструментальных.
Легированные стали, помимо углерода и неизбежных примесей, содержат еще такие элементы, как хром, никель, титан, молибден, вольфрам, ванадий и др. для придания им особых свойств (жаропрочности, кислотоупорности и т.д.).
Качество стали определяется содержанием в ней вредных примесей серы S и фосфора Р, снижающих ее механические свойства.
Классифицируются стали по качеству, составу и назначению.
Углеродистые конструкционные стали маркируются буквами "Ст", затем следует цифра, показывающая содержание углерода С в сотых долях процента, например, Ст 45 (0,45% С). Инструментальные стали маркируются буквой "У". Цифра в марке показывает содержание углерода в десятых долях процента, например, У13 (1,3% С). В легированных сталях легирующий элемент обозначают буквой русского алфавита; его процентное содержание в стали — цифрой, например X18Н9Т (18% Ст; 9% №; 1 — 1.5% Ti).
В современной металлургии сталь выплавляют в кислородных конвертерах, мартеновских печах и электрических печах (электродуговых и индукционных). Для повышения качества стали применяют дополнительную внепечную ее обработку — рафинирование, вакуумирование, обработку синтетическим флюсом, электрошлаковый переплав и т.п.
Технологический процесс производства стали можно представить в виде системы, имеющей входы и выходы:
Передельный чугун, стальной скрап, металлолом; Топливо (или кислород) Флюс | Окисление марганца, кремния, углерода, серы и фосфора | Сталь |
Анализируя вышеуказанные методы выплавки стали, необходимо отметить преимущественный рост количества стали, выплавляемой в кислородных конвертерах. Этот метод имеет существенные достоинства перед другими; он более экономичен, так как топлива для передела чугуна в сталь не требуется, а все тепло берется от собственных, протекающих в шихте, реакций; так как шихта продувается кислородом и плавка идет под слоем флюса, сталь получается хорошего качества; метод обладает высокой производительностью.
Один конвертер емкостью 250 т дает 1200 тыс., т стали в год, тогда как мартеновская печь вместимостью 500 т — около 400 тыс. т стали в год. В кислородном конвертере можно выплавлять низколегированные стали для листового и сортового проката труб, химического оборудования для электротехнических целей и т.д.
Однако более совершенным методом производства стали является ее выплавка в электропечах позволяющих повышать температуру до 6000 °G. Это дает G т возможность получать стали с максимальным удалением вредных примесей (серы и фосфора) и с большим содержанием тугоплавких легирующих элементов. Недостаток метода — большая энергоемкость процесса, что повышает себестоимость стали.
Мартеновский способ выплавки стали отличается низкой производительностью, большими капитальными затратами высокой себестоимостью стали. По этой причине мартеновские печи частично заменены на конвертеры, остальные — реконструированы в двухванные для улучшения технико-экономических показателей. В большинстве развитых стран этот метод выплавки стали вообще не применяется.
К новым технологическим процессам в черной металлургии относятся: технологический процесс получения синтетического чугуна в индукционных печах и бескоксовый, бездоменный процесс прямого восстановления железа.
Новый технологический процесс получения синтетического чугуна в индукционных печах основан на использовании отходов, образующихся на машиностроительных заводах Качество чугуна, выплавляемого таким способом высокое, что обеспечивается изотермической выдержкой расплава при достаточно высоких температурах.
Выплавка чугуна в индукционных печах расширяет возможности производства высокопрочного чугуна различных марок и назначения, а также получения чугуна с шаровидным графитом. Механические свойства такого чугуна почти на 100% выше, чем у серого. Достоинствами данного метода являются высокая производительность, снижение себестоимости (по сравнению с традиционными способами) на 15-25%, уменьшение безвозвратных потерь от угара в 6—7 раз.
Рассмотрим бескоксовый, бездоменный, метод прямого восстановления железа из железорудных концентратов с помощью водорода или природного газа. Суть этой технологии состоит в том, что мелкораздробленный железный концентрат, смешанный с водой, в виде пульпы подают с помощью насосов по трубе с месторождения на металлургический комбинат. Вода отделяется в специальных отстойниках и вновь поступает в водооборот.
Из руды благодаря специальным добавкам и обработке во вращающихся барабанах получают окатыши — комки сферической формы размером 2—30 мм. Эти окатыши направляются в шахтную печь. Там в процессе взаимодействия с водородом (или природным газом) оксиды железа восстанавливаются до металла. В результате образуется губчатое железо — полуфабрикат, содержащий до 85% основного компонента, который отправляется на переплавку в электропечах. Так получают высококачественную сталь. В результате сокращается технологический цикл (отсутствует доменное и коксохимическое производство), экономятся ресурсы, уменьшается потребность в воде, практически отсутствуют вредные выбросы.
Среди принципиально новых методов, позволяющих получать конструкционные материалы, в частности сталь несравненно более высокого качества, с большой надежностью и долговечностью, являются специальные методы рафинирования расплава. Это — электрошлаковый переплав (ЭШП), вакуумно-дуговой переплав (ВДП), плазменно-дуговой (ПДП) и электронно-лучевой переплав (ЭЛП), вакуумная индукционная плавка и плазменная плавка. Общая особенность процессов специальной элетрометаллургии состоит в том, что создаются благоприятные условия для рафинирования жидкой стали с использованием расплавленного токопроизводящего шлака (при ЭШП), вакуума (при ВДП, ВИП и ЭЛП), инертной атмосферы (при ПДП) и перегрева жидкой стали в любом процессе.
Электрошлаковый переплав позволяет значительно повысить пластичность стали, в результате чего упрощается процесс и сокращается трудоемкость горячей обработки давлением, в том числе прокатки труб, штамповки и прессовки давлением, в том числе прокатка труб, штамповка и прессование изделий из жаростойких и жаропрочных сталей. С помощью ЭШП снижается металлоемкость, экономятся затраты живого труда.
Рассмотрим технико-экономические показатели сталеплавильного производства.
Экономическая эффективность работы конвертера:
, где
где П — годовая производительность конвертера, т в год; Т — масса металлической шихты, т; 1440 — число минут в сутках; а — выход годных слитков, т; n — число рабочих суток в году; t — длительность плавки, мин.
Основным показателем, характеризующим производительность мартеновской печи, является съем стали с одного квадратного метра площади пода печи в сутки С (т/м ):
,
где Р — суточная производительность, т; S — площадь пода печи,м .
Производительность электропечей определяется по формуле:
, где
где П — годовая производительность печи, т; n —число рабочих суток в году; Т— продолжительность плавки, ч; 6 — масса металлической шихты на одну плавку, т; а — выход годных слитков из металла шихты, %.
Себестоимость электростали определяется расходом металлической шихты на одну тонну годных слитков и стоимостью передела. Она включает также расход электроэнергии, электродов, огнеупоров, изложниц и зарплату персонала.
Дата добавления: 2016-01-18; просмотров: 1228;