Экономическая эффективность методов металлургической переработки железных руд

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 коксанеобходимость усложнения подготовки железорудного сырья из-за постоянного снижения содержания железа в добываемых рудах и повышенных требований к качеству шихты для доменных печейцелесообразность возведения доменных печей больших объемов для обеспечения высоких технико-экономических показателейвысокий 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 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 подготовкуограничения по единичной производительности агрегатов, обусловленные технологическими особенностями рассматриваемых процессовдополнительные затраты на пассивацию и хранение получаемого металланеобходимость применения для металлизации природного газа (90% вариантов), мировой уровень цен на который, делает эти процессы для массового производства стали в развитых странах экономически неконкурентноспособнымповышенный 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 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.

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 агрегатеиспользует в качестве топлива неподготовленный угольможет перерабатывать практически любые виды железосодержащего сырья (руды, концентраты, пыли, шламы) без предварительного окускованияне 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.

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 чугунаизучены методические особенности оценки эффективности инвестиций в условиях рынка, обоснованы критериальные показатели и основные методические подходы к исследованию экономической эффективности новых технологийразработана экономическая модель металлургической переработки железных руд методом Ромелтопределены экономически эффективные технологические режимы плавки железных руд в установках Ромелтпроведен 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 методомопределены экономически оптимальные параметры технологических режимов и конструктивного оформления процесса Ромелтвпервые 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 доменнымзначительного 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 производствеулучшения 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 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 статьяхосновные положения работы доложены и обсуждены на 51-й (1997 г.) и 53-й (1999 г.) научно-технических конференциях молодых ученых МИСиСнаучно-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.

ВЫВОДЫ.

1. Сравнительный анализ экономических показателей производства чугуна по альтернативным технологиям в сопоставимых условиях по содержанию железа в исходной шихте и основности шлака показал, что уровень всех видов затрат (текущих, капитальных, минимальной продажной цены) по вариантам исследуемой технологии (соответственно установка Ромелт с гарантированным уровнем производительности 1,35 т/(м2хчас) и площадью пода 30 м² и перспективным уровнем производительности 2,0 т/(м2хчас) и площадью пода 50 м2) ниже уровня соответствующих затрат по базовому варианту (доменная печь с вдуванием пылеугольного топлива).

I Себестоимость чугуна, полученного по технологии Ромелт, ниже себестоимости доменного чугуна на 7,9 долл./т (7,2%) и на 17,2 долл./т (15,7%), д соответственно для вариантов с гарантированным и перспективным уровнями производительности. Основным фактором, определяющим экономию себестоимости, является использование в агрегатах Ромелт более дешевого сырья и топлива.

Капиталоемкость чугуна Ромелт, ниже капиталоемкости доменного чугуна на 138,4 долл./т (45,2%) и 172,9 долл./т (56,5%), соответственно для вариантов с гарантированным и перспективным уровнями производительности. Снижение капитальных затрат на производство чугуна Ромелт, достигается за счет исключения из технологической схемы производства чугуна предшествующих переделов (окускования сырья и коксования угля).

Снижение текущих и капитальных затрат по технологии Ромелт определяет меньший уровень минимальной продажной цены. Экономия составляет 24,8 долл./т (16,2%) и 39,2 долл./т (25,7%), соответственно по исследуемым вариантам.

2. Определены границы экономической эффективности процесса Ромелт для вариантов нового строительства установки Ромелт и доменной печи при переработке железорудной шихты одинакового качества по содержанию железа.

Процесс Ромелт обеспечивает экономическую эффективность производства, равную доменному процессу с вдуванием ПУТ для площади установки 30 м² при минимальной производительности 0,8 т/(м2хчас).

3. Использование чугуна Ромелт, обеспечивает снижение затрат в конверторной плавке при замене доменного чугуна чугуном Ромелт, за счет изменения его химсостава, снижающего образование шлака и расход извести. В результате повышается выход годного, сокращается цикл плавки и улучшаются экономические показатели производства стали.

4. Установлено влияние на экономическую эффективность процесса содержания железа в концентратах магнетитовых кварцитов.

Снижение содержания железа в железорудной шихте установки Ромелт ухудшает показатели ее работы, что характерно и для доменной печи. Однако при этом появляется возможность снизить допустимое содержание железа в перерабатываемом концентрате до 45% при сохранении равной экономической эффективности с доменной плавкой и уменьшить потери железа за счет упрощения схем обогащения руды с 43% до 19%.

5. Выявлена возможность экономически эффективной переработки методом Ромелт окисленных руд, ныне складируемых в отвалы.

Возможность эффективной переработки необогащенной руды зависит от решения вопросов с реализацией полученного шлака.

6. Экономическая возможность использования в процессе Ромелт концентратов с меньшей степенью обогащения сравнительно с традиционной схемой, обеспечивает снижение затрат в железорудную составляющую шихты. При снижении содержания железа в концентрате с 66% до 39,7% доля капитальных затрат на обогащение в общей сумме капитальных вложений на производство чугуна снижается с 28% до 8,8% или на 0,7% на каждый процент снижения содержания железа в концентрате.

7. Установлено, что процесс Ромелт более устойчив к изменению цен на металлопродукцию, чем доменная печь. Область эффективных значений для процесса Ромелт при оценке по критерию внутренней нормы прибыли начинается при более низкой цене, чем для доменной печи. При равной цене чугуна внутренняя норма прибыли у процесса Ромелт более высокая, чем у доменной печи.

8. Экономическая эффективность установки Ромелт повышается при работе на кислых шлаках. Это позволяет перейти на производство попутной продукции более высокого технологического уровня, чем гранулированный шлак. При этом создаются дополнительные предпосылки для эффективной переработки железорудного сырья с пониженным содержанием железа.

9. При получении пара с использованием отходящих газов рост степени дожигания независимо от цены пара улучшает экономические показатели производства чугуна Ромелт, несмотря на снижение практически в два раза отпуска попутной продукции.

10. Эффективность переработки тепла отходящих газов в электроэнергию зависит от цены ее реализации.

При цене электроэнергии 38 долл./тыс.кВтхчас целесообразно стремиться к максимальным степеням дожигания.

При повышении цены электроэнергии до 62 долл./тыс. кВтхчас целесообразно работать с пониженной степенью дожигания, обеспечивающей увеличение производства электроэнергии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В ближайшее десятилетие агло-коксо-доменная схема сохранит доминирующее положение в области металлургической переработки железных руд. При этом ее функционирование будет сопровождаться углублением ряда негативных тенденций, порожденных особенностями доменной технологии производства чугуна, состоянием сырьевой и топливной баз черной металлургии России: усилением дефицита ценных марок коксующихся углей, ростом затрат в производство кокса, добычу и подготовку сырья к металлургическому переделу, увеличением безвозвратных потерь железа. Все это может привести к ухудшению в конечном итоге экономических показателей производства чугуна, несмотря на технический прогресс в доменном производстве.

Преодоление указанных тенденций возможно только на пути внедрения нетрадиционных технологий производства из руд жидкого железистого полупродукта. Наиболее приспособленным для этих целей на сегодня является разработанный в МИСиС одностадийный процесс полностью жидкофазного восстановления Ромелт. Процесс успешно прошел опытно-промышленные испытания, признан в мире, в ближайшее время в Индии начнется строительство первой промышленной установки.

Для экономического исследования и оценки эффективности новых технологий в изменяющихся условиях рынка теоретически обоснованы, усовершенствованы и применены оригинальные методы определения минимальной продажной цены, рекомендованной к использованию в качестве критериального показателя сравнительной эффективности инвестиционных затрат и для определения внутренней нормы прибыли возможных инвестиционных проектов на ранних стадиях их проработки.

Впервые обоснованы, разработаны и реализованы в методиках определения указанных показателей конкретные механизмы учета двух важных составляющих денежных потоков — налога на имущество и оборотного капитала.

Экономическим анализом основных параметров процесса и агрегатов Ромелт установлено, что увеличение степени дожигания газов в печи, удельной производительности процесса и площади сечения печей в области барботажных фурм однозначно приводит к улучшению экономических показателей производства чугуна. С повышением указанных параметров на каждые 10% при переработке качественного сырья минимальная продажная цена снижается в среднем соответственно на 2,5%, 1,24% и 0,7%. Поэтому при проектировании установок Ромелт необходимо стремиться к максимально возможным значениям этих параметров.

Выбор технологических режимов процесса в значительной степени определяется качеством сырья. При проектировании переработки руд с содержанием железа 58% следует выбирать режимы с содержанием кислорода в дутье нижних фурм 50% и степенью дожигания 70%. При меньших значениях содержания железа необходимо переходить на режим работы с максимальной степенью дожигания газов в печи при неизменной производительности.

Содержание железа в сырье оказывает наибольшее влияние на экономику производства чугуна Ромелт. Повышение его доли в сырье на каждые 10% в интервале изменения от 39,7% до 66% обеспечивает снижение минимальной продажной цены 1 т чугуна в среднем на 16,8 долл. или 9,6%. Соответственно наилучшие технико-экономические показатели достигаются при переработке высококачественного железорудного концентрата.

Уровень экономической эффективности технологии Ромелт может изменяться в широких пределах и зависит от выбора исходного для производства чугуна сырья, параметров технологических режимов и агрегатов Ромелт. При переработке сырья, близкого по качеству к доменному в установках Ромелт площадью 30 м² с гарантированной удельной производительностью 1,35 т/(м2хчас) себестоимость, капиталоемкость и минимальная продажная цена чугуна Ромелт снижается относительно лучших показателей производства доменного чугуна соответственно на 7,2%, 45,2%, 16,2%. Повышение в перспективе производительности до 2 т/(м2хчас) и площади установки до 50 м² обеспечит снижение этих показателей относительно доменных соответственно на 15,7%, 56,5%, 25,7%.

Минимальная удельная производительность процесса, при которой минимальная продажная цена чугуна Ромелт становится равной продажной цене доменного чугуна, составляет 0,8 т/(м2хчас). Это ниже гарантированного уровня на 41% и свидетельствует о высоком запасе устойчивости показателей эффективности технологии Ромелт относительно доменной технологии.

Замена доменного чугуна чугуном Ромелт в шихте кислородных конверторов, вследствие пониженных в последнем концентраций кремния и марганца, приводит к экономии извести, кислорода, повышению выхода годного, производительности конвертора и улучшению экономических показателей производства стали. Минимальная продажная цена литой заготовки при содержании железа в исходном для чугуна Ромелт сырье 60% может быть снижена на 12,2%.

При прочих равных условиях (р=1,35 т/(м2хчас), S=30 м2, в=1,0), минимальное содержание железа в шихте Ромелт, обеспечивающее равную с традиционной технологией эффективность получения металла, достигает 45% при производстве чугуна и 42% при доведении переработки сырья до получения стали. Это позволяет существенно упростить схемы обогащения сырья, снизить затраты на производство товарной руды, уменьшить потери железа при обогащении с 43% до 19% - 8,5% соответственно.

Переход к ведению процесса на кислых шлаках повышает экономическую эффективность технологии Ромелт. Уменьшение основности шлака с 1,0 до 0,7 по вариантам переработки сырья с содержанием железа 39,7% - 66% обеспечивает снижение продажной цены соответственно на 8,1−1,5%, а минимум содержания железа в сырье сдвигается в область переработки необогащенных руд и достигает 36%.

И %.

Возможность работы на кислых шлаках позволяет перейти на выпуск попутной продукции более высокого технологического уровня, чем гранулированный шлак. При этом создаются дополнительные условия для организации переработки руд с пониженным содержанием железа, вплоть до необогащенных.

Выявлена возможность экономически эффективной переработки методом Ромелт окисленных железистых кварцитов попутной добычи, ныне складируемых в отвалы.

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. П.