автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Анализ и математическое моделирование затрат первичных энерго- и сырьевых ресурсов традиционного и альтернативных процессов производства чугуна и стали с целью выбора оптимальных технологических схем в условиях реструктуризации черной металлургии Украины.

На правах рукопису

ЗЕЛІКМАН Владислав Давидович

АНАЛІЗ ТА МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ВИТРАТ ПЕРВІСНИХ ЕНЕРГО- ТА СИРОВИННИХ РЕСУРСІВ ТРАДИЦІЙНОГО ТА АЛЬТЕРНАТИВНИХ ПРОЦЕСІВ ВИРОБНИЦТВА ЧАВУНУ ТА СТАЛІ З МЕТОЮ ВИБОРУ ОПТИМАЛЬНИХ ТЕХНОЛОГІЧНИХ СХЕМ В УМОВАХ РЕСТРУКТУРІЗАЦЙ ЧОРНОЇ МЕТАЛУРГІЇ УКРАЇНИ

(спеціальність 05.16.02 "Металургія чорних металів")

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук

Наукові керівники:

член-кореспондент НАН України, д.т.н., проф. В.І.Баптизманськші;

к.т.н., доцент Ю.С.Паніотов.

м. Дніпропетровськ, 1997 р.

Робота виконана на кафедрі металургії сталі Державна металургійна академія України

Наукові керівники:

член-кореспондент НАН України, д.т.н., проф. В.І.Баптизманський;

к.т.н., доцент Ю.С.Паніотов.

Офіційні опоненти: д.т.н., проф. Іващенко В.П.;

к.т.н., вед. інж. Шибко О.В.

Ведуче підприємство: Інститут чорної металургії НАН

України, м. Дніпропетровськ.

9 о

Захист відбудеться "2.0" и&рРНЯ 1997 р. о годині 3 ¿^хвилин на засіданні спеціалізованої вченої ради К 03.11.03 при Державній металургійній академії України за адресою: 320065, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Державної металургійної академії України

Автореферат розіслано ", 1А" 1997 г.

В.о. вченого секретаря спеціалізованої ради дл.н., професор

П.Ф.Мироненко

з

ЗАГАЛИІА ХАРАКТЕРИСТИКА.

Актуальність роботи.

У теиерішнііі час поряд з традицій ні і.ми металургійними процесами ¡паюсні у промисловому масштабі або знаходяться на різних ступенях розробки 7-а засвоєння ряд технологічних схем безкоксової мегал\рпї. які, на думку їхніх авторів, мають переваги перед коксодоменою металургією за якістю металу, економічними, енергетичними та екологічними показниками.

Для формування системного підходу до аналізу тенденцій розвитку технології та оцінки її перспектив необхідно всебічне розглядання слеціфіки традиційних та альтернативних процесів. При цьому їхня оцінка має проводитись не за окремими фізико-хімічними, тепловими, газодинамічними та іншими показниками, а за більш загальними крітеріями, які містять їх як компоненти, - використанням первісних енерго- та сировинних ресурсів, екологічними та економічними показниками.

Мета роботи:

1) розробка методики оцінки технологічних процесів за витратами первісних енергоресурсів та сировинних матеріалів:

2) розробка фізико-хімічних та математичних моделей окремих ступенів та усієї технологічної цепі процесів безкоксового отримання чавуну та сталі:

3) дослідження залежності витрат основних ших тових матеріалів та енергоносіїв, а також витрат первісних енергоресурсів у процесах безкоксової металургії від різноманітних факторів (ступень попереднього відновлення залізорудної сировини, ступінь допалення відходячих газт та ін.);

4) обгрунтування та розробка раціональної технологічної схеми безкоксового отримання рідкого металу;

5) розробка методики та зіставлення різноманітних технологічних схем виробництва чавуну та сталі за екологічними та економічними показниками;

6) теоретичне обгрунтування та визначення доцільних засобів отримання рідкого металу в умовах України на основі комплексного аналізу існуючих в теперішній час технологічних схем та процесів виробництва чавуну та сталі.

Наукова новизна роботи:

1) розроблені статистико-детермінована модель процесів безкоксового отримання чавуну та сталі та алгоритм обчислення не-

відомих параметрів моделі, створені комп'ютерні програми розрахунків;

2) розроблена методика зіставлення процесів традиційної та бечкоксової металургії за витратами та раціональністю використання первісних енергоресурсів, на основі якої доведені переваги процесу рідкофазового відновлення;

3) виконаний аналіз екологічних та економічних показників ряду процесів виробництва чавуну та сталі, який показує переваги процесів безкоксової металургії перед традиційною коксодоменою схемою, обгрунтована доцільність розвитку процесу рідкофазового відновлення в умовах України;

4) запропонована раціональна схема безкоксового отримання рідкого металу, яка містить попереднє відновлення залізорудної сировини в шахтній печі з послідуючим безперервним розплавленням металізованого полупродукту, шо отримується, відновлюючою низькотемпературною плазмою.

Практична цінність та реалізація результатів роботи;

1) розроблена методика розрахунків витрат та коефіцієнтів використання первісної енергії дозволяє оцінити різноманітні технологічні схеми з позицій витрат первісних енерго- та сировинних ресурсів і визначити перспективи та доцільність розвитку розглядаємих процесів у конкретних умовах;

2) фізико-хімічні та математичні моделі процесів безкоксової металургії дозволяють провести повний детальний аналіз процесів з урахуванням необхідних витрат основних шихтових матеріалів та технологічних газів, що може бути використано проектними та плануючими організаціями;

3) виконаний порівняльний аналіз різноманітних технологічних схем з позицій екології та економіки для ряду процесів виробництва чавуну та сталі, який може бути використаний підчас вибору технологічного процесу проектними та плануючими організаціями;

4) за результатами комплексного аналізу ряду технологічних схем процесів традиційної та безкоксової металургії УКРДІПРОМЕЗу видані рекомендації, які були використані при розробці проекту основних напрямків розвитку та реструктурізації чорної металургії України;

5) комп’ютерні програми моделювання процесів безкоксової металургії використовуються в учбовому процесі на кафедрі металургії сталі Державної металургійної академії України.

Методи досліджень;

1) статистичні методи досліджень за літературними даними;

2) методи математичного моделювання з використанням ЕОМ.

Апробація роботи.

Основні результати дисертації докладені на VIII Міжнароднії! науково-технічній конференції "Теорія та практика киснево-конверторних процесів" (м. Дніпропетровськ, жовтень 1994 р.), науково-технічній конференції "Теорія та технологія виробництва чавуну та сталі" (м. Липецьк, жовтень 1995 р.). Другій Міжнародній науково-практичкіп конференції "Теорія і практика рішень екологічних проблем в гірничо-добуваючій та металургійній промисловості (м. Дніпропетровськ, листопад 1995 р.), III Міжнародному конгресі сталеллавильщиків (м. Москва, квітень 1995 р.), наукових семінарах кафедри металургії сталі Державної металургійної академії України та отримали ухвалення.

Публікації. ,

Основні положення дисертаційної роботи відображені у 13 друкованих роботах, у тому числі в 6 статтях у журналах та збірниках праць та 7 тезах докладів.

Структура та обсяг роботи.

Дисертація складається зі вступу, п’яти глав, заключения, списка

літератури та додатків; викладена на і82 сторінках, включаючи 133 сторінки машинописного тексту, 20 рисунків, 17 таблиць, 10 сторінок списка літератури з 123 найменувань робіт вітчизняних та закордонних авторів, 23 сторінок додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ.

ВСТУП.

В умовах реструктурізації чорної металургії України технічна відсталість .металургійних підприємств при наявності досить міцної сировинної та паливної бази, а також серйозний науковий потенціал роблять доцільним не тільки удосконалення існуючих технологій, але й, у першу чергу, розробку га впровадження нових, найбільш прогресивних технологічних схем, які використуються для отримання чавуну та сталі у промислово розвинених країнах.

Інтенсивний розвиток процесів безкоксової металургії, який спостерігається у теперішній час, привів до існування значної кількості різноманітних технологій виробництва металу і, отже, до необхідності їх всебічної оцінки та зіставлення з традиційною коксодоменою схемою отримання чавуну та сталі з метою вибору найбільш раціональної технологічної схеми в умовах України.

1. АНАЛІЗ СУЧАСНОГО СТАНУ ПРОЦЕСІВ ОТРИМАННЯ ЧАВУНУ ТА СТАЛІ.

За оцінками західних спеціалістів 25 - 30% усіх металургійних підприємств у республіках СНД та країнах Східної Європи мають бути зачинені або повністю модернізовані через відсталість техніки та технології, відсутності очистних споруд, великих енергетичних витрат, низького виходу придатної продукції та низької її якості. Чорна металургія у ціх країнах знаходиться у критичному стані. Об’єми виробництва чорних металів в Україні скоротилися майже в два рази, але, незважаючи на це, у теперішній час більш, ніж 60% валютних експортних надходжень в країні припадає на частку чорної металургії. Тому плани розвитку та удосконалення чорної металургії України на оглядний період мають бути спрямовані на розробку, дослідно-промислову перевірку та швидке засвоєння принципово нових технологій.

В останні десятирічча активно розроблялися різноманітні безкоксові процеси бездоменого отримання металу, які протікають в одну або дві стадії з участю у той чи іншій мірі рідкофазового відновлення оксидів, причому, незважаючи на високий технічний та економічний рівень сучасних традиційних металургійних технологій, цікавість до процесів безкоксового отримання чавуну та сталі продовжує зростати. Ці процеси розвиваються в теперішній час за двома основними напрямками: твердофазове та рідкофазове відновлення.

Інтенсивний розвиток процесів безкоксової металургії, який спостерігається у теперішній час, привів до існування значної кількості різноманітних технологій виробництва металу і, отже, до необхідності їхньої всебічної оцінки та зіставлення з традиційною коксодоменою схемою отримання чавуну та сталі з метою вибору найбільш раціональної з енергетичної, екологічної та економічної точек зору технологічної схеми.

Як об’єкти для зіставлення необхідно розглянути найбільш перспективні процеси, які відносяться до різних напрямків безкоксової металургії. На основі аналізу літературних даних були вибрані процеси Місігех (шахтна пічь прямого відновлення), Согех (двухетадійна підновлююча плавка) і Потек (процес рідкофазового відновлення -одностадийна відновлююча плавка).

Відсутність матеріальних можливостей для експеріментальних досліджень приводить до необхідності використання підчас комплексного аналізу процесів безкоксової металургії методів математичного моделювання.

2. ФНИК0-Х1М1ЧНІ ТА МАТЕМАТИЧНІ МОДЕЛІ ПРОЦЕСІВ БЕЗКОКСОВОЇ МЕТАЛУРГІЇ.

Структурова технологічна схема процесів безкоксової металургії являє собою послідовність кількох стадій, яка у найбільш повному вигляді складається з:

1) стадії попереднього відновлення (здійснюється, частіше за усе, в реакторах киплячого шару, шахтного типу та ін.);

2) стадії довідновлення (здійснюється у різноманітних реакторах періодичної або безперервної дії); як правило, на цієї ж стадії здійснюється підготовка відновлювача або відновлюючого газу;

3) стадії відновлюючого (плазмотрон, електропічь) або окислюючого (кисневий конвертор) рафінування;

4) стадії комплексного доведення та розкислення, яка забезпечує якість сталі, яка потребується (можливо, сталерозливний ковш).

При цьому існуючі процеси можуть містити в собі як один агрегат (наприклад, процеси Midrex, ПРВ), так і декілька агрегатів (наприклад, Согсх: шахтна пічь попереднього відновлення (1) та плавильний газифікатор (2)). Крім того, в ряді технологічних схем виробництва чавуну та сталі деякі стадії можуть бути відсутні.

Розроблені фізико-хімічні та математичні моделі окремих ланок технологічної цепі, які становлять у сукупності модель процесів безкоксової металургії. Математичні моделі являють собою системи нелінейних рівнянь і містять балансові рівнення, які вмішують дані про склад вихідних сировинних матеріалів, палива, дутгя та задані кінцеві результати, термохімічні та теплофізичні характеристики, а також термодинамічні залежності з урахуванням теоретично та експерімен-тально встановлених емпірічних коефіцієнтів, які відображують технологічні параметри та умови протікання процесів.

У роботі були розроблені рішення та алгоритми обчислення невідомих параметрів математичних моделей з використанням ПЕОМ. Па мові програмування Turbo Pascal 7.0 написана програма для ПСОМ, яка містить фізико-хімічні та математичні моделі процесів попереднього відновлення, повної о відновлення (довідновлення) та рафінування (відновлюючого або окислюючого).

Перевірка адекватності розроблених моделей була проведена на базі опублікованих в літературі даних про роботу ряду промислових установок прямого отримання (Midrex, ПЖВ). Задовільна сходимість результатів моделювання з показниками роботи установок свідчить про адекватність розроблених моделей та можливість їх використання для

аналізу різноманітних варіантів технологічних процесів прямого отримання.

Моделювання вказаних стадій процесів безкоксової металургії показало, що, з точки зору витрат первісних енергоресурсів, оптимальна ступінь металізації залізорудної сировини в процесі попереднього підновлення становить 91 - 93%, що підтверджується виробничими даними Оскольського електромегалургійного комбінату. У процесі повного відновлення (довідновлення) необхідно здійснювати утилізацію відходячих газів на стадії попереднього відновлення або допалення їх до СС>2 та Н^О з максимальним ступенем допалення, який обмежується стійкістю футеровки своду агрегату.

Аналіз процесу відновлюючого рафінування з використанням низькотемпературної відновлюючої плазми показав, що при зростанні температури плазмового факелу витрати первісної енергії на виробництво сталі зменшуються, оскільки зростання скрізних енерговитрат на виробку електроенергії, навіть з урахуванням к.к.д. плазмотрону 0.7 - 0.8, з’являється більш вигідним за рахунок значного зменшення кількості димових газів та пов’язаних з цим теплових втрат.

З урахуванням проведеного аналізу розроблена раціональна технологічна схема безкоксового отримання рідкого металу, яка містить попереднє відновлення залізорудної сировини в шахтній печі типа Місігех (ступінь металізації 90 - 92%) з послідуючим безперервним розплавленням губчатого заліза, що отримується, відновлюючою низькотемпературного плазмою.

Отримані результати моделювання були використані спільно з літературними даними для аналізу витрат первісної енергії та сировини у різноманітних варіантах технології безкоксового отримання чавуну та сталі.

Комп’ютерні програми моделювання процесів безкоксової металургії використовуються в учбовому процесі на кафедрі металургії сталі Державної металургійної академії України.

3. АНАЛІЗ ВИТРАТ ПЕРВІСНОЇ ЕНЕРГІЇ В ПРОЦЕСАХ ОТРИМАННЯ ЧАВУНУ ТА СТАЛІ.

Використовані в літературі методи оцінки енергетичних показників не дають можливості провести досить повний та об'єктивний аналіз через різну якість енергоресурсів, що використуються, тому в роботі була запропонована методика, за якою енерговитрати розраховуються на грунті не енергетичних, а матеріальних балансів процесів, що дозволяє проаналізувати енергомісткість процесів отримання чавуну та сталі як з

[очка зору витрат первісної енергії на одиницю металлу, яким отримується, так і з точки зору раціональності використання первісних енергоресурсів.

Витрати первісної енергії (скрізна енерговмістивісгь) розглядаються як інтегральний показник, який враховує витрати енергії як у саме технологічному процесі, так і на усіх попередніх йому стадіях виробництва, починаючи з видобування, переробки та транспортування енергоресурсів та сировини:

З = Е (Р|*3і), МДж/кг, (0

де: Рі - лольні витрати матеріалу на виробництво одшшці кінцевого

продукту, од/кг;

3; - витрати первісної енергії, необхідні для отримання одиниці (маси, об’єму тощо) цього матеріалу (для матеріалів, які утилізуються, витрати первісної енергії мають від’ємне значення), МДж/од.

Структурово витрати первісної енергії можна розподілити на витрати, пов’язані з організацією технологічного процесу (підготування матеріалів, обслуговування агрегатів, компенсація теплових втрат та ін.) і витрати, необхідні на фізико-хімічні перетворення при отриманні цього матеріалу з вихідної сировини (нагрів і розплавленім, окислювально-відновлюючі процеси та ін.).

Внутрішній енерговміст (теоретична енерговмістивісгь) визначається як сума повної фізичної та хімічної снерговмістивоегі продукту та являє собою "засвоєну" кінцевим продуктом частину енергії. Таким чином, внутрішній енерговміст показує мінімальні теоретично необхідні енерговитрати на отримання готового продукту з чистих вихідних матеріалів при відсутності теплових втрат і дозволяє проаналізувати енерговмістивїсть процесів не тільки з точки зору витрат первісної енергії на одиницю металу, що отримується, але й з точки зору раціональності використання первісних енергоресурсів.

Енерговміст продукту можна розглядати, з одного боку, як витрати первісної енергії на отримання цьої о продукту за винятком енерговмісіу побічних продуктів та теплових втрат:

З =3-1 (Зі*Р]) -1 (<3(втр)і), МДж/кг, (2)

де Зі - енерговміст побічних продуктів та технологічних відходів (шлак, гази) після утилізації їхньої енергії у технологічному процесі, МДж/од:

С?(втр)і - теплові втрати агрегатів на усіх стадіях технологічного процесу, утому числі й при утилізації побічних продуктів, МДж/од.

З іншого боку, енерговміст може бути розрахованим у вигляді суми тепловмісту продукту (фізичного та хімічного) і витрат енергії на хімічні перетворення при отриманні одиниці цього продукту з вихідних матеріалів:

3^фіз + Ц<Зі*Кі/100),МДж/кг, (3)

Де <2фіз ■ фізичний тепловміст продукту, МДж/кг;

Оі - теплові ефекти реакцій окислення до вищих окислів елементів, які входять до складу цього продукту, МДж/кг;

И-і - вміст елементів у продукті, %.

Для оцінки раціональності був введений коефіцієнт використання первісної енергії К, який показує відношення теоретичної енерговмістивості (внутрішнього енерговмісту) готового продукту до реальних витрат первісної енергії на усіх етапах технологічного процесу: К = 3 / 3. (4)

Очевидно, що значення К знаходиться в межах від 0 до 1 (або від 0 до 100%) і показує ступінь наближення реального технологічного процесу до ідеального.

Розроблені математичні моделі розрахунків витрат та коефіцієнтів використання первісної енергії у різноманітних металургійних процесах, створені комп’ютерні програми у табличному процесорі Бирегсаїс 4.0 та виконані розрахунки, які дозволяють порівняти різні технологічні схеми традиційної та безкоксової металургії з точки зору витрат первісних енергоресурсів. Результати розрахунків для основних енергоносіїв та залізорудних матеріалів наведені у таблицях 1 і 2.

Розрахунки витрат та коефіцієнтів використання первісної енергії в традиційних та альтернативних процесах виробництва чавуну (таблиця

3) показують, що за витратами первісної енергії процеси безкоксової металургії мають переваги перед традиційною коксодоменою схемою, причому процес рідкофазового відновлення перевершує найкращі досягнуті на сьогодняшній день показники доменої плавки. Однак, з урахуванням різного хімічного складу і температури отримаємого чавуну та, внаслідок цього, різного внутрішнього енерговмісту, коефіцієнт використання первісної енергії для кращіх показників доменого процесу трохи вище, ніж для ПРВ.

Проте, приймаючи до уваги, що показники доменої плавки, зафіксовані, як абсолютний рекорд за мінімізацією витрат енергоносіїв, на сьогодняшній день недосяжні у реально існуючому промисловому домелому виробництві, а також суттєві (на порядок) відміни у продуктивності розглядаємнх агрегатів, з позицій енергетики належить

и

Таблиця І.

Витрати та коефіцієнти використання первісної енергії -для палива та енергоносіїв.

Матеріали од.вим. Э, МДж/од. 3, МДж/од. К, %

Природний газ М-’ 35.4 37.6 94.15

Мазут кг 39.8 41.0 97.07

Вугілля, антрацит кг 30.0 31.0 96.77

Кокс кг 34.0 40.4 84.16

Електроенергія кВт*г 3.6 1 1.25 32.00

Таблиця 2.

Витрати та коефіцієнти використання первісної енергії при виробництві залізорудної сировини.

Матеріали Э, МДж/кг 3, МДж/кг 3', кДж/кг Ие К,% К\ %/кг Ре

Залізна руда 0.13 0.4 8.7 32.5 70.7

Концентрат 0.47 1.4 22.6 33.6 54.2

Агломерат 0.96 2.2 42.6 41.8 84.5

Окотиші:

обпалені 0.56 3.4 55.6 16,5 27.0

металізовані 7.51 15.3 170.0 49.1 54.5

Металевий лом 6.9 7.1 76.6 97.2 —

Таблиця 3.

Витрати та коефіцієнти використання первісної енергії

при виробництві чавуну.

іІроцеси виробництва чавуну Э, МДж/кг 3. МДж/кг К, %

Домений: 10.08

середні показники 25.41 39.7

кращі показники 20.23 49.8

і ІРВ: 9.90

ступінь допаленая 55% 26."7 3 / .0

ступінь допалення 71% 22.88 43.3

ступінь допалення 93% 20.09 49.3

Согех: 9.87

І - з виробкою електроенергії 23.25 42.5

2 - з рециркуляцією відх. газів 22.91 43.1

¡робити висновок про перспективність безкоксових технологій і, в першу чергу, процесу рідкофазового відновлення.

Для зіставлення різноманітних процесів виробництва сталі розрахунки проводились, виходячи з отримання сталі одного іі того ж хімічного складу (0.2% вуглецю, 0.2% кремнію, 0.5% марганцю та 0.03% фосфору) при однаковій температурі 1600°С (енерговміст рідкої сталі становить 8.87 МДж/кг). Результати розрахунків витрат та коефіцієнтів використання первісної енергії при виробництві сталі за різними технологічними схемами наведені у таблиці 4. Слід відзначити, що розрахунки за методикою, яка не враховує для металевого лому його внутрішній енерговміст, а тільки витрати первісних енергоресурсів на його транспортування та підготовку до плавки, дають аналогічні співвідношення для різних технологічних схем як за витратами первісної енергії, так і за коефіцієнтами використання її у розглядаємих процесах.

Таблиця 4.

Витрати та коефіцієнти використання первісної енергії при виробництві сталі.

Технологічна схема 3 урахуванням внутрішнього енерговмісту лому Без урахування внутрішнього енерговмісту лому

(3 = 8.87 МДж/кг) 3, МДж/кг К, % 3', МДж/кг К', %

Д/пічь (сер.) - к/к 24.10 36.8 22.15 40.1

Д/пічь (min) - к/к 19.79 44.8 17.84 49.7

Соге.ч (схема 1) - к/к 22.94 38.7 21.60 41.1

Согех (схема 2) - к/к 23.24 38.2 21.90 40.5

ПРВ (ст.д.93%) - к/к 20.50 43.3 19.29 46.0

Пл. 100% лому у к/к 13.75 64.5 6.02 —

Midrex - електропічь 27.22 32.6 25.97 34.2

Електропереплав лому 14.48 61.3 6.89 —

"Midrex - плазма" 20.79 42.7 20.79 42.7

При рекордних мінімальних енерговитратах на виробництво доменого чавуну традиційна схема дає найкращі результати, проте, приймаючи до уваги наведений аналіз процесів виробництва чавуну та сталі, можна зробити висновок про доцільність подальшіх досліджень та розробок у цьому напрямку, впровадження цих процесів у промислове виробництво у широкому масштабі.

Показана перспективність гіропонуемої технології "Midrex-плн'.ша" за витратами первісних енергоресурсів.

4. ЛНАЛП ПРОЦЕСІВ ОТРИМАННЯ ЧАВУНУ ТА СТАЛІ З ПОЗИЦІЙ ЕКОЛОГІЇ.

Вивченню екологічних проблем чорної металургії в Україні, де металургійне виробництво посідає одне з ведучіх місц у загальному обсязі промислових викидів, повинна приділятися особлива увага.

Технологічні заходи по зменшенню утворення шкідливих речовин на порядок дешевше, ніж їхнє подальше уловлювання ля очистка стокових вод. Безперервно зростаючі витрати на захист оточуючого середовища чинять суттєвий вплив на економічну ефективність виробництва і, навідь, на вибір основного технологічного процесу, У зв’язку з цим, розробка та використання технологій, які дозволяють зменшити техногенне навантаження на оточуюче середовище, має суттєве еколого-економічне значення.

Аналіз кількості викидів шкідливих речовин в атмосферу на тону сталі за чотирма основними для металургійного виробництва компонентами (пил, окисли вуглецю, сірки та азоту) дозволяють зробити висновок про значні переваги безкоксових технологій над традиційною коксодоменою схемою за усіма розглянутими показниками. Результати зіставлення наведені у таблиці 5. Урахування інших токсичних викидів {IljS, H2SO4. бензопірен. NH3. фенол, нафталін. HCN та ін.) приводить за рахунок коксохімічного виробництва до ще більшій різниці на користь безкоксового отримання чавуну.

Крім того, під час використання процесу ПРВ вирішується проблема переробки шлаків і шламів аглодоменого та сталеплавильно] о виробництв, які містять 35 - 55% заліза, домішки лужних та важких кольорових металів (зокрема, цинку та свінцю). Зберігання ї.х у шламонакопичувачах та відвалах також пов’язане з забрудненням водного та повітряного басейнів, земельних угоддів важкими кольоровими металами, виведенням угоддів з землекористування.

Таким чином, реалізація технологічних схем безкоксової мсіаячргії є одним з можливих шляхів зменшення негативного впливу металургійних підприємств на оточуюче середовище.

Відсутність даних про забруднення оточуючого середовища при отриманні сталі за пропонуємою технологією "Midrex - плазма" не дозволяє об'єктивно оцінити її екологічні показники, однак технологічна основа пропонуємого процесу дозволяє припустити, що з розглянутих технологій така схема буде найбільш екологічно чистою.

Таблиця 5.

Небезпечність (у чисельнику) та відносна агресивність (у знаменнику) викидів в атмосферу при виробництві сталі.

Викиди в атмосферу Коксодомена технологія Согех -конвертор ПРВ- конвертор Місігех -електропічь

Речов. к/А кг ум.од. кг ум.од. кг ум.од. кг ум.од.

Пил 20.0 15.1 302 10.1 202 4.4 88 5.6 112

100.0 1510 1010 440 560

СО 0.33 51.1 17 9.2 3 2.3 1 1.9 1

1.0 51 9 2 2

20.0 328 206 200 304

Б02 22.0 16.4 361 10.3 227 10.0 220 15.2 334

N02 25.0 6.9 173 6.4 161 5.3 133 10.1 253

41.1 284 263 218 415

89.5 820 36.0 572 22.0 422 32.8 670

Усього 2206 1509 880 1311

5. ТЕХНІКО-ЕКОНОМ1ЧНИЙ АНАЛІЗ ПРОЦЕСІВ ОТРИМАННЯ ЧАВУНУ ТА СТАЛІ.

Наведені у вітчизняній та закордонній літературі розрахунки по визначенню порівняльної ефективності різноманітних технологічних схем виробництва чавуну та сталі дають значні розходження в оцінці рівня ефекту безкоксової металургії аж до протилежних результатів.

Проведений на основі літературних даних та техніко-економічних показників роботи ряду металургійних цехів, заводів та комбінатів України й Росії аналіз продуктивності різних металургійних агрегатів дозволив зіставити продуктивність сучасних домених печей та установок основних процесів безкоксової металургії, які використуються у теперішній час у промисловості.

Продуктивність доменої печі на сьогодняшній день суттєво перевищує продуктивність сучасних агрегатів безкоксової металургії.

однак слід прийняти до уваги, то сучасним доменнії процес .максимально оптпмізований і подальше збільшення продуктивності у доменні плавці практично неможливе, у той час як у багатьох альтернативних процесій с значні реіерви для її зростання.

Установки Місігех і Согех, також, як і домена пічь, мають обмеження за продуктивністю, які пов’язані, у першу черіу, з наявністю шахтної печі з обмеженою газопрониклипістю шару шихти. У цьому плані установка ПРВ більш переважлива, оскільки при вже існуючій достатньо високій продуктивності обмежень для її зростання практично немає (лімітуючою ланкою, певно, с процеси теплопередачі від факелу до металу через шар шлаку, що на даному етапі пе викликає проблем з технічною організацією процесу).

Зіставлення капітальних витрат при різноманітних технологічних схемах виробництва сталі показує переваги отримання сталі за схемою "процес рідкофазового відновлення - кисневий конвертор" як перед традиційною коксодоменою схемою, так і перед іншими технологіями, які використуються у теперішній час у промисловому масштабі і містять безкоксове отримання чавуну або пряме відновлення заліза.

Зіставлення традиційної коксодоменої та альтернативних схем виробництва чавут та сталі за себевартістю продуктів показало, що за себсвартістю чавуну процеси безкоксовоі металургії мають переваги перед коксодоменою схемою, причому найбільш економічною з розглянутих технологій є процес рідкофазового відновлення при ступені допалення СО до СО2 більш 70%.

Розрахунки вартості основних шихтових матеріалів та енергоносіїв для сталі одного й того ж хімічного складу та температури, яка сі римується у різних технологічних процесах (для запропонованої схеми "Мкігех - плазма" розрахунки виконані у відповідності з показниками, які плануються), показали, що себевартість сталі буде мінімальна при отриманні її за схемою "ПРВ - конвертор". Результати розрахунків в умовних грошових одиницях наведені у таблицях 6, 7 (1 УГО = 1 тис. крб. у цінах І кварталу 1996 р.).

Аналіз специфіки умов України з поліцій металургійної о виробництва приводить до висновків, що. з урахуванням запасів та видобування паливних ресурсів в Україні, найбільш доцільний розвиток процесів безкоксової металургії, які не потребують витрат дефіцитного в умовах України природного газу (шахтні процеси прямого отримання заліза типа Місігех), а заснованих на використанні енергетичного вугілля (ПРВ, Согех), причому додаткові можливості процесу рідкофазового відновлення з комплексної переробки некондиційних руд та залізовмі-

Таблиця 6.

Вартість основних шихтових матеріалів та енергоносіїв при виробництві чавуну.

Технологічний процес Вартість, УГО/кг/%.

Домений, середні показники 24.52 / 100.0

кращі показники 20.92 / 85.3

Согех, кращі показники 16.42 / 67.0

ПРВ, ступінь допалення 55% 19.83 / 80.9

71% 14.76 / 60.2

93% 13.09 / 53.4

Таблиця 7.

Вартість основних шихтових матеріалів та енергоносіїв при виробництві сталі.

Технологічна схема Вартість, УГО/кг / %.

Домена пічь (середи.) - конвертор 22.35 / 100.0

Домена пічь (кращ.) - конвертор 19.36 / 86.6

Согех(кращ.) - конвертор 16.25 / 72.7

ПРВ (кращ.) - конвертор 13.32 / 59.6

Конверторна плавка на 100% лому 7.73 / 34.6

Місігех - електропічь 20.13 / 90.1

Електроплавка на 100% лому 8.00 / 35.8

"Місігех - плазма" 18.53 / 82.9

щуючих відходів металургійного виробництва роблять ПРВ економічно найбільш доцільним.

Результати досліджень витрат та коефіцієнтів використання первісних енергоресурсів, екологічних та економічних показників різноманітних технологічних схем виробництва чавуну та сталі видані УКРДІПРОМЕЗу для використання при розробці проекту основних напрямків розвитку та реструктурізації чорної металургії України.

6. ЗАКІНЧЕННЯ.

Проведений аналіз розвитку та структури чорної металургії в світі, СНД та в Україні, який показує необхідність розвитку нових металургійних технологій.

Існування великої килькості альтернативних схем безкоксового

виробництва чавуну та сталі приводить до необхідності їхнього всебічного комплексного аналізу з використанням математичних моделей процесів для вибору найбільш раціональної з енергетичної, екологічної та економічної точек зору технологічної схеми в умовах України.

Розроблені фізнко-хімічні та математичні моделі та написані комп’ютерні програми на мові програмування Turbo Pascal 7.0 для розрахунків процесів попереднього відновлення, повного відновлення (довідновяення) та рафінування (відновлюючого або окислювального), які складають у різних поєднаннях технологічну схему будь-якого процес}' печкоксової металургії. Адекка і нісіь моделей була перевірена шляхом порівнення результатів та показників моделювання реальних процесів Midrex, Согех та ПРВ.

Комп’ютерні програми моделювання процесів безкоксової металургії використуються в учбовому процесі на кафедрі металургії сталі Державної металургійної академії України.

Розроблена раціональна технологічна схема безкоксового отримання рідкого метилу, яка включає попереднє відновлення залізорудної сировини у шахтній печі типа Midrex з іюслідуючнм безперервним розплавленням металізованого полупродукту відновлюючою низькотемпературною плазмою.

Розроблена методіка розрахунку внутрішнього енерговмісту, витрат та коефіцієнтів використання первісної енергії для аналіз;/ енергетичних показників різноманітних процесів традиційної та безкоксової металургії, на основі якої створені математичні моделі розрахунків та комп’ютерні програми у табличному процесорі Supercalc 4.0. Виконані розрахунки та проведений аналіз енергетичних показників процесів виробництва чавуну та сталі, який показує иерсгіективніеть процесів безкоксової металургії з позицій дольних витрат первісних енерго- та сировинних ресурсів (витрати первісної енергії в процесі рідкофазового відновлення при ступені допплення відходячих газів 93% становлять 20.09 МДж/кт чавуну, у доменому процесі - 25.41 МДж/кт. коефіцієнти використання первісної енергії відповідно 39.7% та 49.3%).

Проведений екологічний аналіз процесів традиційної та безкоксової металургії за утворенням та викидами в атмосферу на тону сталі чотирьох основних для металургійного виробництва компонентів (пил. окисли вуглецю, сірки та азоту). Небезпечність викидів в атмосферу при виробництві сталі за схемою "ПРВ - конвертор" у 1.9 рази нижча, ніж при традиційній коксодоменій технології, відносна агресивність - у 2.5 рази нижча. Показано, що одним з можливих шляхів зменшення негативного

впливу металургійних підприємств па оточуюче середовище є розвиток процесів безкоксової металургії (у першу чергу - процеси рідкофазового відновлення).

Проведений аналіз техніко-економічних показників процесів виробництва чавуну та сталі (дольна потужність та продуктивність агрегатів, себевартість продукції) і специфіки умов України з позицій металургійного виробництва.

На основі проведеного комплексного аналізу існуючих у теперішній час традиційної коксодоменої та альтернативних безкоксових технологічних схем та процесів виробництва чавуну та сталі показано, що у теперішній час в умовах України енергетично, екологічно та економічно найбільш доцільним є розвиток та широкомасштабне впровадження у металургійне виробництво процесу рідкофазового відновлення.

За результатами комплексного аналізу ряду технологічних схем процесів традиційної та безкоксової металургії УКРДІПРОМЕЗу видані рекомендації, які були використовані при розробці проекту основних напрямків розвитку та реструктурізації чорної металургії України.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ ВИКЛАДЕНІ У СЛІДУЮЧИХ ПУБЛІКАЦІЯХ:

1. Баптизманский В. И., Паниотов Ю. С., Зеликман В. Д. Анализ энергоемкости процессов получения чугуна и стали // Металл и литье Украины,- 1995,- N 4,- с. 2 - 5.

2. Баптизманский В. И.. Паниотов Ю. С., Зеликман В. Д. Анализ энергоемкости технологической цепи металлургического производства // Труды третьего конгресса сталеплавильщиков (г. Москва. 10-15 апреля 1995 г.).- с. 61 -64.

3. В. И. Баптизманский, Ю. С. Паниотов, В. Д. Зеликман. Сопоставление выбросов в окружающую среду различных технологических схем производства чугуна и стали // Известия ВУЗов. Черная металлургия,- 1995,-N 12,-с. 17 - 20.

4. Методика расчета процесса взаимодействия низкотемпературной плазмы с огнеупорными материалами / Паниотов Ю. С., Зеликман В. Д. // Сборник трудов, представленных на научно-технической конференции "Теория и технология производства чугуна и стали" (г. Липецк, 9-13 октября 1995 г.).- с. 30 - 35.

5. Затраты первичной энергии и ее использование в различных технологических схемах производства чугуна и стали / Баптизманский В. И., Паниотов Ю. С.. Зеликман В. Д. // Сборник трудов, представленных на научно-технической конференции "Теория и технология производства чугуна и стали" (г. Липецк, 9 - 13 октября 1995 г.).- с. 191 - 196.

6. Экологическая оценка различных технологических схем производства чугуна и стали / Баптизманский В. И., Паниотов Ю. С., Зеликман В. Д. // Сборник ірудов, представленных на научно-технической конференции "Теория и технология производства чугуна и стали” (г. Липецк, 9 - 13 октября 1995 г.).- с. 368 - 373.

7. Агрегат ІІЖВ как проточный реактор непрерывного действия / К). С. Паниотов. В. И. Баптизманский. В. Д. Зеликман (ГМетАУ, г. Днепропетровск) // ЛТП Международная научно-техническая конференция "Теория и практика кислородно-конвертерных процессов" (г. Днепропетровск, октябрь 1994 г.). Тезисы докладов,- с. 38 - 39.

8. Моделирование низкотемпературной восстановительной плазмы / Ю. С. Паниотов, В. Д. Зеликман (ГМетАУ, г. Днепропетровск) // VIII Международная научно-техническая конференция "Теория и практика кислородно-конвертерных процессов" (г. Днепропетровск, октябрь 1994 г.). Тезисы докладов.- с. 42.

9. Анализ энергоемкости процессов получения чугуна и стали / В. И. Баптизманскни, Ю. С. Паниотов, В. Д. Зеликман (ГМетАУ, г. Днепропетровск) // VIII Международная научно-техническая конференция "Теория и практика кислородно-конвертерных процессов" (г. Днепропетровск, октябрь 1994 г.). Тезисы докладов.- с. 49.

10. Взаимодействие низкотемпературной плазмы с огнеупорными материалами / Ю. С. Паниотов, В. Д. Зеликман (ГМетАУ, г. Днепропетровск) II VIII Международная научно-техническая конференция "Теория и практика кислородно-конвертерных процессов" (г. Днепропетровск, октябрь 1994 г.). Тезисы докладов.- с.89 - 90.

11. Экологическая оценка процессов бескоксовой металлургии / Па-ниотов Ю. С., Зеликман В. Д. // Вторая Международная научно-практическая конференция "Теория и практика решений экологических проблем в горнодобывающей и металлургической промышленности (г. Днепропетровск, ноябрь 1995 г.). Тезисы докладов.- с.46 - 47.

12. Анализ затрат и коэффициента использования первичной энергии в технологической цепи металлургического производства / Паниотов Ю. С., Зеликман В. Д. // Вторая Международная научно-практическая конференция "Теория и практика решений экологических проблем в горнодобывающей и металлургической промышленности (г. Днепропетровск, ноябрь 1995 г.). Тезисы докладов,- с. 76 - 77.

13. К вопросу об энергоемкости металлического лома / Паниотов Ю. С., Зеликман В. Д. II Вторая Международная научно-практическая конференция "Теория и практика решений экологических проблем в горнодобывающей и металлургической промышленности (г. Днепропетровск, ноябрь 1995 г.). Тезисы докладов.- с. 77.

Зелікман В. Д. Аналіз та математичне моделювання витрат первісних енерго- та сировинних ресурсів традиційного та альтернативних процесів виробництва чавуну та сталі з метою вибору оптимальних технологічних схем в умовах реструктурізації чорної металургії України. Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.16.02 “Металургія чорних металів". Державна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 1997. Рукопис 182 с., 17 табл., 20 рис., бібліогр. 123 назв.

Ключові слова: безкоксова металургія, моделювання, енерго-витрати, екологія, економіка.

Містить аналіз розвитку та структури чорної металургії в світі, СНД та Україні, огляд основних альтернативних технологій виробництва чавуну та сталі.

Розроблені фізико-хімічні та математичні моделі процесів безкоксової металургії, запропонована раціональна технологічна схема безкоксового отримання рідкого металу.

Розроблена методика оцінки технологічних процесів за витратами первісних енергоресурсів та сировинних матеріалів, проведений комплексний енергетичний, екологічний та економічний аналіз традиційної коксодоменої та альтернативних технологічних схем процесів виробництва чавуну та сталі, який показує переваги процесів безкоксової металургії.

Показано, що в теперішній час в умовах реструктурізації чорної металургії України найбільш доцільним є розвиток та широкомасштабне впровадження в металургійне виробництво процесу рідкофазового відновлення.

Зеликман В. Д. Анализ и математическое моделирование затрат первичных энерго- и сырьевых ресурсов традиционного и альтернативных процессов производства чугуна и стали с целью выбора оптимальных технологических схем в условиях реструктуризации черной металлургии Украины. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.02 "Металлургия черных металлов". Государственная металлургическая академия Украины, Днепропетровск, 1997. Рукопись 182 с., 17 табл., 20 рис., библиогр. 123 назв.

Ключевые слова: бескоксовая металлургия, моделирование, энергозатраты, экология, экономика.

Содержит анализ развития и структуры черной металлургии в мире, СНГ и Украине, обзор основных альтернативных технологий производства чугуна и стали.

Разработаны физико-химические и математические модели процессов бескоксовой металлургии, предложена рациональная технологическая схема бескоксового получения жидкого металла.

Разработана методика оценки технологических процессов по затратам первичных энергоресурсов и сырых материалов, проведен комплексный энергетический, экологический и экономический анализ традиционной коксодоменной и альтернативных технологических схем процессов производства чугуна и стали, показывающий преимущества процессов бескоксовой металлургии. Доказана перспективность предлагаемой технологии по энергетическим, экологическим и экономическим показателям.

Показано, что в настоящее время в условиях реструктуризации черной металлургии Украины наиболее целесообразным является развитие и широкомасштабное внедрение в металлургическое производство процесса жидкофазного восстановления.

Zelikman V. D. The analysis and mathematical simulation of primary energy and raw resources' expenditures of traditional and alternative pig-iron and steel productions processes with the purpose of the optimal technological schemes choice in Ukrainian ferrous metaliurges restructurisations conditions. The dissertation on submit of the candidate of technical sciences scientific degree in a speciality 05.16.02 "Ferrous Metallurgy". State Metallurgical Academy of Ukraine, Dnipropetrovsk, 1997. The manuscript 182 p., 17 tab., 20 fig., 123 ref.

Key words: without-coke metallurgy, simulation, energy's expenditures, ecology, economy.

Contains the analysis of ferrous metallurgy’s development and structure in the world, UIS and Ukraine, review of the main alternative technologes of pig-iron and steel production.

Phisical-chemical and mathematical models of without-coke metallurgy processes are developed, the rational technological schemes of without-coke receving of liquid metal! are proposed.

Technique of technological processes valuation on primary power resources and crude materials expenditures are developed, complex power, ecological and economic analysis of traditional coke-blast and alternative technological schemes of pig-iron and steel productions processes is conducted, showing advantages of without-coke metallurgy processes. The propousing technologes perspectivity by power, ecological and economic indicators are proved.

Is shown, that at present in Ukrainian ferrous metallurgy restructurisations conditions the most expedient is the development and wide-scale introduction in metallurgical production liquid-phases reduction process.