Масштабы использования металлолома в металлургическом (прежде всего сталеплавильном) производстве зависят главным образом от имеющихся в стране ресурсов лома, полноты использования этих ресурсов (величины внутренних поставок), от характера внешнеторговых (экспортноимпортных) операций с ломом и технологической структуры сталеплавильного передела.
В то же время сдать металлолом во Львове производственная структура черной металлургии и эффективность выпуска металлопродукции в значительной степени зависят от рациональности применения ресурсов, и в первую очередь металлолома. Для понимания механизма возникновения лома (металлогенезис) необходимо рассмотреть модель, объясняющую накопление этого возобновляемого ресурса и его расходование.
Ресурсы лома и отходов металла не являются результатом целенаправленной деятельности общественного производства. Ресурсы этого вида сырья образуются в процессе производства и потребления полуфабрикатов (проката, труб, фасонного литья и т. д.) в результате несовершенства методов обработки металла, а также в результате физической непригодности или экономической нецелесообразности дальнейшего использования машин, оборудования, конструкций или отдельных их частей, узлов, деталей.
Ресурсы отходов связаны с масштабами изготовления и потребления полуфабрикатов, а ресурсы амортизационного лома — с величиной металлофонда страны. Металл, заключенный в отходах металлургического передела (оборотный лом), совершает кругооборот только внутри металлургического производства.
Отходы же, образующиеся в металлопотребляющих отраслях промышленности (лом металлообработки), возвращаются в качестве вторичного сырья в металлургическое производство. Металл, содержащийся в амортизационном ломе, также используется в качестве вторичного сырья в металлургическом производстве.
Регенерацией металла, закончившего срок службы, замыкается полный цикл кругооборота металла в промышленности страны и начинается новый цикл, в процессе которого повторяется весь ранее пройденный металлом путь. На рис. 1 приведена схема кругооборота металла в промышленном производстве.
Принятые на схеме обозначения:
Ш — общий объем металлошихты;
ПМ — потребление первичных металлов (металлов из руд, чугуна, ферросплавов и т. д.);
ВС — общие ресурсы вторичного сырья;
ПФ — полуфабрикаты — продукция металлургического производства (прокат, трубы, литье, штамповки проволока, метизы и т. д.);
ОМ — отходы, образующиеся в металлургическом производстве;
БПм — безвозвратные потери металла в металлургическом производстве;
И — металл в готовых изделиях;
Ои — ресурсы отходов в металлопотреблении, при изготовлении готовых изделий:
БПи — безвозвратные потери металла при изготовлении готовых изделий;
Л — ресурсы амортизационного лома; — безвозвратные потери металла от коррозии, истирания и неполного сбора амортизационного лома.
Рассматривая эффективность использования металла, следует исходить из того, что каждая единица металлошихты, поступающей в металлургическое производство, в процессе изготовления продукции распределяется между готовой продукцией, отходами и безвозвратными потерями.
Тенденции количественных изменений в общих ресурсах лома и отходов достаточно четко определяются факторами объемов производства стали и металлофонда страны. Общее количество образующегося лома складывается из 3-х составляющих — оборотный лом, лом металлообработки, амортизационный лом. За период 1990–2005 гг. доля оборотного лома в общих ресурсах металлолома в России резко снизилась и в настоящее время практически соответствует среднемировым показателям.
Это связано с влиянием 2-х основных факторов:
● повысилась доля непрерывной разливки стали в общем объеме выпуска с 23% до 66%, что, есте ственно, сопровождалось снижением величины выхода оборотного лома на одну тонну выплавленной стали;
● объем производства стали уменьшился в 1,4 раза.
Величину ресурсов отходов металлообработки связывают с видимым потреблением готовой стальной продукции. Расчеты показывают, что выход отходов металлообработки на одну тонну потребляемой стали снижается. В России видимое потребление металлопродукции за последние годы уменьшилось, соответственно уменьшилось и количество лома металлообработки.
Таким образом, с одной стороны, прогнозируется увеличение объемов выплавки стали за счет ввода электросталеплавильных мощностей, с другой — уменьшение объемов образующегося оборотного лома и лома металлообработки.
Исходя из этого, необходимая потребность сталеплавильного производства в металлоломе должна обеспеиваться за счет увеличения объемов заготовки амортизационного лома. Количество амортизационного лома определяется металлофондом страны.
По данным института ВНИПИвторчермет, объем металлофонда России составляет 1,45 млрд. т. 53% металлофонда приходится на долю машин, оборудования, 47% — на здания, сооружения, передаточные устройства. До 1991 г. ввод основных производственных фондов превышал их выбытие в 5,9 раза, в последующие годы темпы ввода значительно снизились.
Средний срок службы металла в основных фондах — 24–25 лет, т.е. металл, вложенный в основные фонды, через 25 лет превращается в амортизационный лом. Таким образом, ресурсы амортизационного лома, например, 2000 г. должны соответствовать объему металловложений в основные фонды в 1975 г., ресурсы лома 2020 г. — объему металловложений в 1995 г.
В настоящее время существуют 2 диаметрально противоположные точки зрения на ситуацию с металлофондом страны. Первая: за период с 1990 г. по настоящее время изза низкого потребления металла внутри страны, значительного экспорта металлопродукции и металлолома произошло уменьшение металлофонда страны.
Другая точка зрения: объем металлофонда сохраняется на прежнем уровне за счет значительного экспорта автомобилей, бытовой и других видов техники. При расчете возможных объемов амортизационного лома необходимо учитывать, что почти 50% основных фондов выведены из эксплуатации и практически представляют собой склады металлолома. В связи с этим годовые ресурсы амортизационного лома до 2010 г. можно оценить в 37–40 млн. т ежегодно.
При этом необходимо отметить, что за период с 1980 г. глубина ломосбора постоянно уменьшалась и в настоящее время составляет 60–65% от ломообразования. Основные причины этого: 1. Низкая рентабельность работы с вторичным сырьем в отдаленных от перерабатывающих предприятий районах Восточной Сибири и Дальнего Востока. 2. Качество амортизационного лома имеет тенденцию к ухудшению.
Возрастает, с одной стороны, доля сложного «тяжелого» лома, с другой — растет доля легковесного лома, содержащего примеси цветных металлов, а отечественные предприятия по подготовке лома к плавке оснащены устаревшим оборудованием, не обеспечивающим выполнения требований заказчика по качеству вторичных металлов.
Еще одна из проблем, которая возникнет перед нашей металлургией, это проблема присутствия в амортизационном ломе примесных микроэлементов. Последними исследованиями в индустриально развитых странах установлена сложная взаимосвязь между количеством микропримесей в металлоломе, уровнем образования амортизационного лома и жизненным циклом стальных товаров народного потребления.
Японские ученые обработали статистическую информацию за период 1967–1997 гг. Ими установлено, что при современном уровне загрязнения металлолома примесными микроэлементами к 2015 г. будет накоплено до 300 млн. т амортизационного стального лома, который нельзя будет переработать в товарную продукцию при сохранении существующего уровня требований к качеству изделий из железа.
Такой металлолом придется выбрасывать как отходы (точнее, он перейдет в категорию потенциальных техногенных ресурсов). Для предотвращения образования и аккумулирования перерабатываемого металлолома необходимо довести к 2015 г. степень извлечения из стального лома (за счет внедрения новых технологий его выработки) меди, до 55% и олова — до 30% или разработать новые технологии выпуска качественной продукции из железа с высоким содержанием примесных микроэлементов.
Качественная подготовка лома для сталеплавильного передела, по всей видимости, будет во многом определять экономически эффективную работу производства стали, а электросталеплавильного в особенности. Качественная характеристика вторичного сырья связана со спецификой источников образования отдельных видов лома и отходов и дальнейшей подготовкой металлолома к использованию в металлургии. Анализ качества металлолома, поступающего в сталеплавильный передел, показывает, что такой важный параметр, как насыпная плотность, несмотря на технический прогресс в ломопереработке, имеет тенденцию к снижению. Наряду с существующими недостатками в организации сбора, хранения, переработки и транспортировки лома и отходов имеется ряд объективных причин, отрицательно влияющих на качество металлолома.
При рассмотрении вопроса о качестве металлолома следует разграничивать понятия «качество лома и отходов, поступающих как сырье на ломопереработку», и «качество вторичных черных металлов, поступающих из ломопереработки в металлургическое производство». Требования и параметры качества лома и отходов как сырья и вторичных черных металлов как продукции ломопереработки зафиксированы в ГОСТ 2787-75 «Металлы черные вторичные».
Основными качественными показателями металлолома как шихтового материала являются насыпная плотность, химическая однородность, содержание неметаллических примесей (земли, песка, масла, деталей из органических материалов и т. д.) и цветных металлов.
Металлолом по своим физическим и химическим свойствам должен обеспечивать максимально возможную скорость загрузки сталеплавильных агрегатов, темп нагрева и плавления шихты (обусловленные конструктивными особенностями плавильной установки), не оказывать отрицательного влияния на качество выплавленной стали и работу агрегатов, давать минимальную нагрузку на экологическую обстановку.
Следовательно, чтобы улучшить характеристику металлолома и показатели его использования в металлургических процессах, необходимо производить предварительную его подготовку, которая включает сортировку, разделку, прессование и т. д. Электросталеплавильный передел предъявляет более высокие требования к лому, чем мартены и конвертеры.
Одним из условий, обеспечивших развитие электросталеплавильного производства, была возможность завалки практически любого скрапа при открытом и отведенном своде. Однако изменение конструкции печи (применение шахты для подогрева лома), поиск технологических решений для оптимизации энергопотребления и прочих затрат на передел потребовали дифференциации используемого лома по химическому составу, насыпной плотности, размерам кусков и прочим параметрам.
Обобщающим показателем качества является металлургическая ценность отдельных видов лома и отходов. Этот показатель зависит от рыночной цены на чистый быстро расплавляемый скрап с учетом усвоения и содержания энергетически ценных элементов (таких, как углерод, кремний), вредных примесей (медь, никель, молибден, хром, сера, фосфор), органических компонентов, степени окисленности и количества пустой породы.
Этот коэффициент можно представить как функцию Кц.и.с. = f (Кр.ц.; Кх.ф.; Кф.ф.), где Кц.и.с. — коэффициент ценности использования скрапа; Кр.ц.— рыночные цены; Кх.ф. — химический фактор; Кф.ф. — физический фактор.
Увеличение в ломе содержания углерода, кремния и алюминия на 1% позволяет сократить расход электроэнергии при электроплавке на 30–70; 61 и 64 кВт•ч/т соответственно; повышенное содержание серы и фосфора требует дополнительного рафинирования металла; присутствие меди, хрома, никеля и ряда других элементов требует их удаления либо ограничивает использование этих вторичных металлов при плавке стали; наличие мелочи в шихте уменьшает выход годного; превышение массы кусков лома приводит к поломке загрузочных устройств, увеличивает продолжительность процесса плавления.
Так, качество кускового амортизационного лома вследствие наличия деталей и узлов различного химического состава (легированные стали, цветные металлы), несомненно, ниже качества таких однородных видов сырья, как прокатная обрезь, литники и прибыли. Эти соображения необходимо учитывать при анализе влияния отдельных факторов на видовой состав и качество лома и отходов.
Вопросы качественного состава металлолома, тенденции его изменения до настоящего времени не нашли отражения ни в специальной литературе, ни в исследовательских работах. Важность этих вопросов не вызывает сомнения, т. к. только видовой и качественный состав исходного сырья позволяет определить оптимальный технологический процесс его подготовки к переплаву. Скрап должен быть подготовлен к использованию в плавильном агрегате. Это тем более важно, если осуществляется предварительный подогрев шихты.
Предварительный нагрев скрапа — новый фактор при определении коэффициента ценности его использования. Этот фактор учитывает не только насыпную плотность и габариты, но и органические загрязнения. Ниже рассмотрены основные требования к лому черных металлов, выполнение которых должно определять технологическую схему подготовки лома.
ТРЕБОВАНИЯ К ФИЗИЧЕСКИМ СВОЙСТВАМ ЛОМА
Требования к физическим свойствам лома в первую очередь сводятся к размерам, насыпной плотности, удельной поверхности и массе кусков лома. Эти параметры при некоторых способах производства стали оказывают определяющее влияние на время завалки и плавления лома и тем самым на производительность сталеплавильных агрегатов. Время плавления стального лома зависит в решающей мере от теплопроводности всей его загружаемой массы и удельной поверхности.
С началом плавки изменяется физическое состояние металлической шихты, от чего зависит ее теплопроводность: уменьшается поверхность шихтовых материалов, которая могла непосредственно воспринимать тепло, и одновременно снижается доля пустотелых видов лома.
Поэтому очень трудно описать математически процесс плавления во времени. Скорость плавления лома зависит от очень многих факторов — например, от температуры плавления, содержания углерода в чугуне и ломе, средних температур на поверхности лома и формы этой поверхности, а также от интенсивности движения расплава. На время плавления шихтовых материалов наряду с теплопроводностью большое влияние оказывает удельная поверхность лома. При этом следует иметь в виду, что исключается одновременное сочетание высокой удельной поверхности и хорошей теплопроводности.
Поэтому лучше плавится такой лом, названные характеристики которого не являются предельными, т. е. этот лом должен быть и достаточно компактным, и иметь относительно большую удельную поверхность. Но используемый в производстве лом не должен иметь слишком большую удельную поверхность, иначе плавка будет сильно охлаждаться. В этом случае замедляется шлакообразование, что ведет к неравномерному удалению углерода и, соответственно, удлинению периода, в течение которого достигаются необходимое содержание углерода и заданная температура при выпуске металла.
ТРЕБОВАНИЯ К ВЕЩЕСТВЕН/ НОМУ И ХИМИЧЕСКОМУ СОСТАВАМ ЛОМА
Стальной лом, поставляемый на металлургические и литейные предприятия, должен быть однородным по составу и по возможности не загрязненным металлическими и неметаллическими примесями. Допустимое их содержание регламентируется стандартами разных стран.
Находящиеся в ломе примеси влияют на технологический процесс выплавки стали и потребительские свойства готового металла. Учитывая это, а также возможности устранения вредного воздействия металлических и неметаллических примесей, целесообразно систематизировать возможные примеси, объединив их в несколько групп. 1. Неметаллические загрязне ния, которые при плавлении сразу же переходят в шлак.
В эту группу входят песок, грязь, камень, ржавчина, краска, эмаль и др. Из-за них необходима корректировка состава шлака, которая обеспечивается добавкой соответствующих шлакообразующих компонентов, например, извести. При этом возникают повышенные затраты в связи с дополнительной потребностью в сырье, увеличенным расходом топлива на расплавление большего количества шлака, а также ухудшенной теплопередачей из-за повышенного шлакообразования. К числу отрицательных последствий относится также увеличивающийся износ огнеупорной футеровки плавильных агрегатов вследствие увеличения количества и роста агрессивности шлаков.
Из-за наличия загрязнений снижается выход готовой стали, т. к. при увеличении количества шлака и при постоянном содержании железа потери последнего в шлаках растут. Из неметаллических примесей особенно вредными являются пластмассы.
Они расплавляются уже в процессе завалки шихтовых материалов и образуют галогеноводородные соединения, сильно мешающие работе котлов-утилизаторов в электросталеплавильном и мартеновском производствах. Поэтому следует иметь в виду растущий выпуск листового металла и ленты с пластмассовыми покрытиями.
На качестве стального лома для литейного передела наряду с примесями неблагоприятно сказывается также повышенное содержание прокорродировавшего металла. Кислород, вносимый в плавку с ржавчиной, становится причиной возникновения дефектов в отливках (раковины, пористая поверхность).
В стальном ломе, используемом в индукционных тигельных печах, не должно быть воды, дерева и обтирочных материалов, т. к. как они могут вызвать выбросы и взрывы в печах. 2. Неметаллические примеси, ко торые ухудшают механические свойства стали и поэтому должны быть переведены в шлак.
К ним относятся прежде всего сера и фосфор, которые попадают в плавку с содержащимися в ломе резиной, маслом и чугуном. В жидкой стали сера растворяется почти полностью, но в период кристаллизации расплава выделяется в виде сульфидов железа, являющихся причиной красноломкости стали. Жидкотекучесть железа соответствует температурам ниже 1000°С, а прокатка стали происходит при температуре 1100–1200°С, т. е. возможна красноломкость стали. Для ее предотвращения необходимо максимально полно удалять из лома все материалы, содержащие серу.
Можно привести ряд примеров, показывающих, что трудности обеспечения качества готовой продукции связаны с наличием слишком большого количества серы. Так, при повышенном содержании серы в толстолистовом прокате наблюдается усиленное появление внутренних дефектов, приводящих к образованию трещин. При содержании серы более 0,045% резко возрастает возникновение трещин в заготовках. Для удовлетвореия наиболее жестких производственных требований требуется сталь, содержащая < 0,010%, а иногда даже < 0,005 % серы. Перевод серы в шлак при всех способах выпуска стали осуществляется путем добавления извести.
В этом случае между содержанием серы в металлическом расплаве и шлаке наступает равновесие, зависящее от состава шлака и температуры плавки. Таким образом, снижение количества серы в металлическом расплаве всегда связано с повышением содержания его в шлаке.
Это приводит к дополнительным затратам в сталеплавильном переделе из-за увеличения расхода извести, дополнительной потребности в электроэнергии, удлинения продолжительности плавки, снижения выхода готовой стали и т. д. Доля серы, остающейся в металле, зависит от количества образующихся шлаков, которое для разных сталеплавильных производств составляет кг/т годной стали: 120 — кислородно-конвертерное; 125 — мартеновское; 75 — электросталеплавильное. Как показывает опыт, в стали остается около 50–60% всей внесенной в плавку серы. Поэтому лом необходимо по возможности полностью очищать от всех примесей, содержащих серу. Имеющиеся в составе стального лома чугун (например, решетки отопительных установок и другое обгоревшее литье — в большинстве случаев с высоким содержанием серы), автомобильные шины, резина должны быть отделены.
Надо также по возможности удалять из стального лома масло и смазочные материалы, которые оказывают дополнительное отрицательное воздействие на производственный процесс: загрязняют отработанный воздух и газоочистительную установку, вызывают повреждение огнеупорной кладки металлургических агрегатов, могут быть причиной взрыва. Кроме серы нежелательным элементом также является фосфор, который может попадать в плавку в составе чугунного лома.
При изготовлении тонкостенных отливок применяется литейный чугун с повышенным содержанием фосфора. Для удаления фосфора при выплавке стали нужны примерно те же затраты материалов, что и для удаления серы. Влияние неметаллических примесей при выплавке металла отражено в стандартах разных стран, установлены максимально допустимые их количества. Например, в Германии допустимое содержание примесей в стальном ломе составляет 1% (механически связанные примеси). 3. Металлические примеси, большая часть которых после расплавления стального лома уле тучивается. Находящиеся в составе стального лома металлические примеси обладают разной способностью улетучиваться.
Из легколетучих металлических примесей вносятся в плавку вместе со стальным ломом прежде всего цинк и свинец. При плавлении лома цинк улетучивается и полностью или частично окисляется в зависимости от содержания кислорода в отходящем газе. Свинец содержится в ломе как металл или в форме оксида. Металлический свинец расплавляется в начальной фазе плавки и, т. к. имеет большую плотность по сравнению с железом и незначительную растворяемость в жидком металле, опускается в нижнюю часть расплава.
Часть свинца улетучивается вместе с РbО, окисляясь в потоке отходящего газа. В улетучивающейся пыли содержится значительное количество цинковых и свинцовых оксидов. Воздействие имеющихся в стальном ломе цинка и свинца проявляется непосредственно в плавильных агрегатах или через отходящие газы. Особенно отрицательно сказывается использование цинксодержащего лома в мартеновских печах. Находящиеся в газах цинковые соединения осаждаются в выложенных огнеупорным кирпичом регенеративных камерах, в результате снижается теплообмен и ухудшается ход печи. Кроме того, образуются соединения цинка с огнеупорным материалом, которые разрушают футеровку. Оцинкованный стальной лом иногда предлагается использовать в электропечах, оборудованных газосборником и системой сухой очистки пыли, но это возможно при определенных условиях.
Необходимо, например, чтобы улетучивающийся цинк при достаточной подаче кислорода полностью окислялся. Тончайшая цинксодержащая пыль, как и пыль других металлов, может воспламениться и взрывоопасна. 4. Металлические примеси, ко торые при плавлении стального лома растворяются или переходят в шлак. В металлошихте вместе с ломом присутствуют такие металлы, как медь, хром, никель, кобальт, олово, молибден и др. Как металлические примеси они могут привоть к ухудшению свойств стали, но в качестве легирующих элементов являются обязательными при выплавке соответствующих марок стали.
Поэтому из углеродистого стального лома должны удаляться посторонние металлы, а легированные марки лома по возможности надо подготавливать и использовать в несмешанном виде. Находящиеся в углеродистом стальном ломе металлические примеси попадают в плавку как сопутствующие элементы сталей разных марок из-за неполного отделения гированной стали, цветных металлов и литейного чугуна от стального лома.
Доля примесей, вносимых в плавку с передельным чугуном и ферросплавами, незначительна. Наибольшая часть примесей поступает на переплав в составе амортизационного лома. Соответствующие исследования содержания металлических примесей в стали при использовании пакетированного лома, дробленого лома и лома из отвалов подтверждают это. Особенно отрицательное влияние на качество стали оказывают медь, олово и хром. Даже незначительное количество меди заметно ухудшает пластические свойства стали при обработке ее в холодном состоянии, например, при глубокой вытяжке и прессовании и особенно при горячем формообразовании.
Чем больше показатель пластичности, тем меньшего количества меди достаточно для появления трещин в готовом металле. Если имеется еще и олово, то все вместе это ведет к значительному усилению образования трещин. При установлении верхнего предела содержания меди и олова в углеродистом стальном ломе исходят в общем случае из следующего соотношения: медь + олово<0,4%. Отсюда следует, что при наличии, например, 0,025% олова количество меди в стали не должно превышать 0,2%, чтобы не проявилось вредное влияние этих металлов на свойства готовой стали. К снижению качества стали приводит также наличие хрома в нелегированном стальном ломе. Анализ результатов работы предприятий позволяет сделать вывод, что из-за внутренних дефектов в толстом листе, изготавливаемом из кипящих и полуспокойных марок стали, содержащей >0,15% хрома, выход годной продукции значительно уменьшается. На качество стали неблагоприятно влияют также мышьяк, сурьма, висмут, кобальт, молибден, свинец и другие металлы. При наличии металлических примесей в стальном ломе, используемом в литейном производстве, может также ухудшаться и качество чугунных отливок.
Проведенные в Германии исследования показали, что в среднем количество металлических примесей в стальном ломе за последние годы существенно не изменилось. Но заметно возросло число случаев с более высоким содержанием перечисленных выше примесей, в результате чаще пересматриваются и снижаются цены на шихтовые материалы. Это обстоятельство является весьма нежелательным, т.к. указанная часть шихты должна быть исключена из производственного процесса.
Если дальнейшая обработка стали (при повышенном в ней содержании металлических примесей) ведется в горячем состоянии, то неизбежны связанные с соответствующими экономическими последствиями нарушения производственного процесса и выбраковка слитков и проката. При отсутствии в течение определенного времени заказов на металл пониженного качества в большинстве случаев его вынуждены переплавлять в качестве лома.
metallolom 