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 V_пол — полезный объем доменной печи, м; Q_cyт — 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.