Статья посвящена поиску новых способов использования более дешевого сырья, так как снижение энергетических затрат при производстве ферросплавов и аглопроизводстве становится первоочередной задачей. В связи с недостаточностью исследования особенностей применения альтернативных видов топлива в металлургии, в представленной работе рассмотрены теоретические предпосылки возможности использования каменных углей, направленные на достижение оптимального расхода сырья, электроэнергии и снижение себестоимости продукции, проведены анализ и оценка экономической эффективности их использования в производстве ферросплавов и аглопроизводстве. В работе приведены результаты исследования возможности применения бурых углей Казахстана для металлизации железорудного сырья и железосодержащих отходов. С целью решения вопросов эффективности использования средне- и высокозольных углей в ферросплавном производстве и агропроизводстве были изучены известные способы спекания агломерационной шихты, проведены оценка и анализ мирового и отечественного рынка ферросплавов и агломератов, осуществлен расчет калькуляционных расходов ферросплавного и аглопроизводства, определена экономическая эффективность использования слабококсующихся углей в производстве ферросплавов и агломератов. Обоснована экономическая эффективности перехода к использованию слабококсующихся углей в производстве ферросплавов, позволяющая обеспечить снижение себестоимости на 23 %, цены на 11 % и повышение эффективности на 10,6 %. В аглопроизводстве, соответственно, наблюдается снижение себестоимости на 7 %, снижение цены на 5,5 % и повышение эффективности на 10,8 %.
Вопросы, определяющие возможности использования слабококсующихся углей в металлургии, остаются еще не достаточно изученными. Существующие результаты исследований дают неоднозначное и, в основном, лишь качественное их толкование, а возможности традиционных научных подходов в значительной степени исчерпаны. В рыночных условиях применение различных видов кокса, полукокса и термоантрацита требует поиска новых альтернативных видов топлива. Подобным альтернативным вариантом замены были предложены каменные угли. Однако исследования их качественных физико-химических свойств, особенностей применения в металлургии изучены мало. Необходимо разработать оптимальные составы восстановительных смесей для выплавки ферросплавов, технологические регламенты с использованием каменных углей. Поэтому возникла необходимость изучить теоретические предпосылки возможности использованиякаменных углей при производстве ферросплавов, на их основе разработать технологические процессы, направленные на достижение оптимального расхода сырья, электроэнергии и снижение себестоимости продукции.
Внедрение в производство новых технологий по производству ферросплавов и агломератов с использованием слабококсующихся углей требует определения экономической эффективности и целесообразности данной технологии. Значительный дефицит коксовой мелочи и ее высокая стоимость делают актуальными работы, связанные с изысканием путей сокращения расхода и поиском более дешевых заменителей агломерационного топлива (В.П. Воробьев, В.М. Страхов, Ю.П. Канаев, В.Н. Карнаухов и другие).
Накопленный промышленный опыт производства ферросплавов подтверждает эффективность использования слабококсующихся углей в качестве углеродистого восстановителя. Однако применение слабококсующихся углей нуждается в предварительном исследовании их специфических свойств в части изучения их физико-химических свойств.
Несмотря на некоторый положительный опыт, бурые угли в исходном состоянии редко применяются в металлургии и электротермии неорганических веществ по целому ряду причин. Во-первых, зачастую металлургические предприятия располагаются на значительном удалении от буроугольных месторождений, а транспортировка бурого угля на расстояние свыше 300 км экономически и технологически нецелесообразна (высокая влажность, опасность самовозгорания и т.д.). Во-вторых, исходный бурый уголь имеет высокую влажность (27-38 %) и выход летучих веществ (45-48 %). Такие показатели влажности и выхода летучих веществ зачастую не соответствуют требованиям, предъявляемым к углеродистым восстановителям для металлургических процессов. В частности, при нагреве из исходного бурого угля начинают выделяться летучие вещества, содержащие большое количество смолистых веществ, которые затрудняют ход процесса и могут привести к выходу из строя газоочистки. В-третьих, бурый уголь имеет пониженную механическую и термическую прочность, что может привести к увеличению выхода мелких классов и, соответственно, ухудшению газопроницаемости шихты при использовании в печах шахтного типа.
Исследованиям и разработке теории тепломассообменных процессов при агломерации железорудного сырья посвящено большое количество теоретических и экспериментальных исследований. Наибольший вклад в развитие теории и технологии агломерационного процесса внесли работы А.С. Телегина, Ю.А. Фролова, А.А. Авдеенко, Б.А. Боковикова и других.
Ежегодно в мире производится около 35 млн т ферросплавов. Основным сегментом среди производимых ферросплавов является феррохром, доля в объемах производства которого в мире составляет 24 %. На втором месте по объемам — силикомарганец, доля которого составляет 21 % в мировом производстве. Третье место занимает ферросилиций, с долей 20 % в мировом производстве, а на четвертом месте ферромарганец с долей 13 %. Вместе перечисленные выше ферросплавы занимают более 78 % мирового производства. Среди стран, основных производителей ферросплавов, необходимо отметить Китай, с долей в мировых объемах 46 %, ЮАР, занимающую 14,2 %. Заметными экспортерами также являются Украина, Казахстан, Бразилия, Индия, Япония, Норвегия и Франция [1].
Из таблицы 1 видно, что лидером среди стран СНГ по производству ферросплавов является Казахстан, который представлен группой компаний ERG, являющейся одним из основных производителей железной руды и глинозема в мире.
В СНГ основными производителями ферросплавов являются Казахстан, Россия и Украина.
Таблица 1 Производство ферросплавов в СНГ, тыс. т
Ферросплав |
ERG (Казахстан) |
ЧЭМП (Россия) |
ПРИВАТ (Украина) |
Феррохром высокоуглеродистый |
1500 |
100 |
|
Феррохром |
90 |
210 |
|
Силикомарганец |
150 |
150 |
690 |
Ферромарганец |
36 |
180 |
|
Ферросилиций |
24 |
530 |
80 |
Итого |
1 764 |
1050 |
950 |
Из рисунка следует, что объем производства ферросплавов в стране ежегодно растет. В 2016 г. рост составил 75 тыс. т (4,2 %) по сравнению с прошлым годом, в 2017 г. на 108,69 тыс т (5,98 %), а в 2018 г. на 165,11 тыс. т (8,9 %).
Среди всех ферросплавов большой удельный вес (около 40 %) занимает высокоуглеродистый феррохром (рис. 2).
Производство ферросплавов в стране имеет положительную динамику, ежегодный рост составляет от 4 до 8 %, большой удельный вес в структуре производства ферросплавов занимает феррохром от 81 до 87 %, и с каждым годом объем производства растет. Объемы ферросиликохрома и ферросиликомарганца также растут, но их удельный вес меньше 20 % от объема производства ферросплавов. Удельный вес ферросиликомарганца составляет от 7 до 9 %, а ферросиликохрома от 4 до 5 % от объема ферросплавов (рис. 3) [2].
В соответствии с рисунком 2, за последние три года в структуре производства ферросплавов значительных изменений не было, удельный вес феррохрома увеличился на 1 %, а ферросиликохрома на 1 %, только удельный вес ферросиликомарганца сократился на 2 %.
Основными заводами, производящими ферросплавы, являются Аксуский завод ферросплавов, Актюбинский завод ферросплавов, Темиртауский электрометаллургический комбинат, Таразский металлургический завод.
Ферросплавы Казахстана пользуются спросом и на мировом рынке. Казахстан является одним из основных экспортеров ферросплавов (рис. 4).
В соответствии с рисунком 3, в 2018 г. объем экспорта ферросплавов сократился на 0,1 % и составил 17 % доли экспорта промежуточных товаров.
В структуре эспорта большую долю — 40 % занимает экспорт в Китай, объем которого в 2018 г., по сравнению с прошлым годом, сократился на 16 %, экспорт в страны ЕаЭС, наоборот, увеличился на 21 %, основными странами-экспортерами стали Россия и Беларусь.
В таблице 2 и на рисунке 5 представлены химические составы и удельные расходы шихтовых материалов для получения ферросиликоалюминия марки ФС55А20.
Таблица 2 Химический состав шихтовых материалов для выплавки ферросиликоалюминия марки ФС55А20
Материал |
Ас |
Vlj |
W |
S |
Śİ〇2 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
CaO |
MgO |
P2O5 |
TiO2 |
Углистая порода |
56,67 |
16,00 |
2,50 |
0,20 |
57,82 |
31,37 |
1,77 |
2,00 |
0,21 |
0,02 |
1,10 |
Кварцит |
- |
- |
0,50 |
- |
96,8 |
0,62 |
0,35 |
0,29 |
0,15 |
0,011 |
- |
В соответствии с таблицей 2 и рисунком 5, в структуре шихтовых материалов для выплавки ферросиликоалюминия большой удельный вес занимают углистая порода и кварцит.
Для анализа и оценки экономической эффективности использования слабококсующихся углей в ферросплавном производстве проведем анализ себестоимости ферросплавов (табл. 3). Из таблицы 3 видно, что удельный вес восстановителя в структуре себестоимости ферросплава, в зависимости от вида ферросплава, различный, самый большой удельный вес восстановителя у среднеуглеродистого ферромарганца, что составляет 47,4 %, у ферросилиция — 14,9 %.
В рамках научно-исследовательской темы «Научно-технологическое обоснование расширения сырьевой базы ферросплавной отрасли за счет вовлечения в технологический процесс слабококсующихся углей и техногенных отходов» был рассмотрен вариант использования слабококсующихся углей при производстве ФС55А20.
Таблица 3 Структура себестоимости ферросплавов
Материал |
Структура себестоимости, % |
||||||
Сырье |
Восстановитель |
Электро-энергия |
Электроды |
Расходы по переделу |
Общие заводские расходы |
Непроизводственные расходы |
|
Ферросилиций |
3,8 |
14,9 |
49,6 |
2,2 |
22,6 |
4,9 |
2,0 |
Феррохром углеродистый |
33,4 |
10,7 |
33,0 |
2,4 |
15,9 |
3,3 |
1,7 |
Ферромарганец углеродистый |
52,4 |
12,0 |
9,8 |
2,3 |
18,0 |
4,2 |
1,3 |
Ферромарганец среднеуглеродистый |
27,3 |
47,4 |
2,7 |
1,3 |
16,5 |
3,4 |
1,4 |
В рамках выполнения поставленных задач исследования был проведен расчет калькуляции себестоимости и экономии производства ферросплава (табл. 4). Расход сырья, материалов, электроэнергии и цены на них приняты на основе данных Комитета статистики РК [3].
Таблица 4 Расчет калькуляции себестоимости и экономии производства ферросплава
Наименование статей затрат |
Базовый вариант |
Предлагаемый вариант |
Экономия (-) /перерасход (+) |
||||
Цена, тг |
ФС 65 |
Цена, тг |
ФС55А20 |
||||
Кол-во |
Сумма, тг |
Кол-во |
Сумма, тг |
||||
1 Сырье и основные материалы: |
|||||||
- кварцит, т |
175000 |
1,1 |
192500 |
175000 |
0,615 |
107625 |
-84875 ¯ |
- кокс (сухой), т (углистая порода для нового варианта) |
55 000 |
0,47 |
26250 |
14000 |
3,08 |
43120 |
16870 |
- железная стружка, т |
75 000 |
0,22 |
16500 |
75 000 |
0,123 |
9225 |
-7275 |
Всего задано, тг |
235250 |
159970 |
-75280 |
||||
2 Расходы по производству: |
|||||||
- электроэнергия технологическая, тыс. кВт·ч/т |
17500 |
14 |
245000 |
17500 |
12 |
210000 |
-35000 |
- самообжигающиеся элек троды, т |
560000 |
0,027 |
15120 |
56000 |
0,027 |
1512 |
|
- прямые расходы на оплату труда, тг |
33600 |
33600 |
|||||
- вспомогательные материалы |
11760 |
11760 |
|||||
общие по производству, тг |
305480 |
256872 |
|||||
Всего себестоимость, тг |
540730 |
416842 |
-123888 ¯¯ |
В соответствии с таблицей 3, разработанный вариант технологии производства ФС55А20 экономически выгоден (экономия составляет на 1 т 123 888 тг) по сравнению с базовым вариантом (ФС 65).
Также при разработанном варианте было выявлено, что снижается расход электроэнергии на 2 тыс кВт, материалов на 75 280 тг/т за счет усовершенствования технологии производства ферросплава марки ФС55А20 по сравнению с базовым вариантом (ФС 65), следовательно, разработанная технология экономически целесообразна.
Значимым достоинством применения ФСА для обработки стали является его цена. Представленный на рисунке 6 график отражает динамику сравнительных цен на ФСА в ведущих стран производителей стали.
В соответствии с рисунком 6 производство ферросиликоалюминия с использованием слабокок- сующих углей является более дешевой по цене и соответственно выгодной для покупателей и продавцов на мировом рынке и может конкурировать с основным производителем данной продукции – , Китаем [4; 6].
Проведенные расчеты, представленные в таблице 5, позволяют определить экономическую эффективность производства ферросплава с использованием слабококсующихся углей [5; 624].
Таблица 5 Расчет экономической эффективности ферросплава ФС55А20
Показатели |
Формула расчета |
Результат, тг |
Результат, % |
Снижение себестоимости ферросплава |
Сс=Ср-Сб Сс = (1-Ср/Сб)×100 % |
123888 |
22,91 |
Снижение цены ферросплава |
Сц = Цр-Цб Сц= (1-Цр/Цб)×100 % |
57600 |
ĪĪДĪ |
Экономический эффект |
Ээ = Цр-Ср Ээ = (1-Цр/Ср)×100 % |
43958 |
106 |
В соответствии с таблицей 3 экономическая эффективность перехода к использованию слабо- коксующихся углей в производстве ферросплавов позволит обеспечить снижение себестоимости на 23 %, снижение цены на 11 % и повысить эффективность на 10,6 %.
Интенсификация производства черных металлов требует повышения объема производства агломерата и окатышей, необходимых для получения чугуна и стали. Несмотря на то, что агломерация железных руд является хорошо изученным процессом, увеличение выпуска продукции, повышение удельной производительности установок, вовлечение в производство руд различного генезиса и другие факторы способствуют выпуску агломерата невысокого качества [6; 213]. Вклад в снижение качества агломерата вносит и агломерационное топливо, которым традиционно является коксовая мелочь. Вследствие незначительного выхода косовой мелочи от валового кокса (5–7 %) отмечается постоянная нехватка ее для аглопроизводства. Это приводит к тому, что на фабрики поставляется кокс класса 10–25 мм, 20–40 мм и более 40 мм, который позже дробится до технологической крупности. Это определяет явную экономическую нецелесообразность крупных классов кокса и перспективность внедрения технологий использования новых видов агломерационного топлива, в частности, слабокок- сующихся углей [7; 20].
В результате исследования были определены основные элементы, формирующие себестоимость агломерата (табл. 6).
Таблица 6 Анализ структуры себестоимости единицы общего агломерата
Наименование показателя |
Удельный вес, % |
Себестоимость всего, в т. ч. |
100 |
1. Сырье и основные материалы: металлосодержащее сырье, флюсы, топливо в шихту (коксовая мелочь) |
87,10 |
2. Расходы по переделу |
11,5 |
3. Общепроизводственные расходы |
1,40 |
В соответствии с таблицей 5 агломерационное производство является ресурсоемким производством, так как доля, приходящаяся на статью «Сырье и основные материалы», может занимать в среднем до 80–85 % от общего значения себестоимости производства. Следовательно, основным резервом снижения себестоимости и повышения экономической эффективности производства являются изменения в структуре используемого сырья и топлива; в структуре цен сырьевых материалов [8; 152].
В рамках научно-исследовательской темы был рассмотрен вариант применения слабококсую- щихся углей в качестве агломерационного топлива и проведен расчет себестоимости и экономиипроизводства агломерата. Расход сырья, материалов, электроэнергии и цены на них приняты на основе данных Комитета статистики РК.
С целью сравнения экономической эффективности аглопроизводства, основанного на использовании коксовой мелочи и слабококсующихся углей, было проведено сопоставление цен на топливо, входящих в состав аглошихты, как основного материала для производства агломерата, а также цены 1 т углерода в этих материалах. Результаты сравнения приведены в таблице 7.
Таблица 7 Средняя цена шихтовых материалов
Материалы |
Цена 1 т, тг |
Среднее содержание углерода, % |
Цена 1 т, тг |
Коксовая мелочь |
37815 |
80 |
47268,75 |
Углистая порода для нового варианта |
14000 |
80 |
47268,75 |
В соответствии с таблицей 6 стоимость коксовой мелочи как агломерационного топлива более чем в 2,5 раза превышает стоимость слабококсующихся углей. При этом среднее содержание углерода в обоих вариантах совпадает. По показателю теплоты сгорания слабококсующиеся угли достаточно высоки и не уступают коксовой мелочи.
Рассмотрим влияние изменения элементов себестоимости на сумму общих затрат при производстве единицы агломерата, по каждому виду агломерата в разрезе основных статей материальных затрат (табл. 8).
Результаты аналитических расчетов, представленных в таблице 7, показывают, что материальные затраты в целом по всем видам агломерата увеличились в основном за счет роста цен на ресурсы (базовый вариант).
По предлагаемому варианту использование слабококсующихся углей в качестве топлива в шихту позволяет снизить материальные затраты на сырье и основные материалы до 6 %.
Таблица 8
Влияние факторов на сумму прямых материальных затрат на единицу продукции
Вид агломерата и материала |
Изменение материальных затрат, тг/т (базовый вариант) |
Изменение материальных затрат, тг/т (предлагаемый вариант) |
||||
общее |
в т.ч. за счет |
общее |
в т.ч. за счет |
|||
норм расхода |
цены |
норм расхода |
цены |
|||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
Агломерат офлюсованный доломитизи |
ɔованный |
|||||
Металлосодержащее сырье |
18760 |
-1130,44 |
19899,44 |
18760 |
-1130,44 |
17999,44 |
Флюсы |
-2150,6 |
25,88 |
-2175,2 |
-2150,6 |
25,88 |
-2175,2 |
Топливо в шихту (коксовая мелочь/ |
798,4 |
-66,4 |
843,8 |
|||
углистая порода) |
166,7 |
-3,2 |
169,8 |
|||
Итого |
17407,8 |
-1171,44 |
18568,04 |
16776,1 |
-1110,62 |
17694,04 |
Агломерат высокоосновной |
||||||
Металлосодержащее сырье |
16830,88 |
-114,8 |
18920,7 |
16830,88 |
-114,8 |
17820,7 |
Флюсы |
1226,4 |
-27,4 |
1264 |
1226,4 |
-17,4 |
1233 |
Топливо в шихту (коксовая мелочь/ |
723,16 |
0 |
723,16 |
|||
углистая порода) |
134,18 |
0 ¯¯ |
134,18 |
|||
Итого |
18780,44 |
-142,68 ¯¯ |
20907,86 |
18191,46 |
-135,06 |
19887,88 |
Агломерат шламовый |
||||||
Металлосодержащее сырье |
16820,52 |
933,24 |
18001,1 |
-16820,52 |
933,24 |
18001,1 |
Флюсы |
893,68 |
442,68 |
1205,3 |
893,68 |
442,68 |
1005,3 |
Топливо в шихту (коксовая мелочь/ |
-863,84 |
-64,44 |
928,24 |
|||
углистая порода) |
-252,87 |
-10,9 ¯¯ |
263,1 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
Итого |
-16790,68 |
1311 |
20134,64 |
-16179,71 |
1362,16 |
19269,5 |
Агломерат промывочный |
||||||
Металлосодержащее сырье |
16891,36 |
-149,68 ¯¯ |
17041,68 |
16891,36 |
-149,68 ¯¯ |
17041,68 |
Флюсы |
-1110,68 |
130,24 |
-1209,56 |
-1110,68 |
130,24 |
-1189,56 |
Топливо в шихту (коксовая мелочь/ углистая порода) |
840,8 |
-25,88 |
1004,92 |
|||
233,8 |
-11,02 ¯¯ |
223,7 |
Таким образом, замена коксовой мелочи в агломерационной шихте для производства стали на более дешевые слабококсующиеся угли позволит снизить затраты по статье «Сырье и основные материалы» (табл. 9) и, в целом, по себестоимости производства.
Таблица 9 Затраты на сырьё и материалы (средние показатели по видам агломератов)
Элемент затрат |
Затраты с использованием коксовой мелочи, тг/т |
Затраты с использованием слабококсующихся углей, тг/т |
Отклонение, тг/ т |
Сырьё и основные материалы |
19111,9 |
17876,8 |
-1235,1 |
Тогда себестоимость производства 1 т агломерата снизится на 1476,9 тг (табл. 10).
Таблица 10 Изменение себестоимости агломерата
Себестоимость агломерата с использованием железорудного концентрата и железной руды |
Себестоимость агломерата с использованием железосодержащих материалов вторичного происхождения |
Отклонение |
21967,8 |
20490,9 |
-1476,9 ¯¯ |
Проведенные расчеты в таблице 10 позволяют определить экономическую эффективность производства 1 т агломерата с использованием слабокосующихся углей.
Таблица 11 Расчет экономической эффективности производства 1 т агломерата
Показатели |
Формула расчета |
Результат, тг |
Результат, % |
Снижение себестоимости производства 1 т агломерата |
Сса=Ср-Сб Сс0 = (1-Ср/Сб)×100 %, где Сса — абсолютное снижение себестоимости, тг; Ссо — относительное снижение себестоимости, тг; Ср — себестоимость предлагаемого варианта, тг; Сб — себестоимость базового варианта, тг |
1476,9 |
7 |
Снижение цены производства 1 т агломерата |
Сца = Цр-Цб Сцо= (1-Цр/Цб)×100 %, где Сца — абсолютное снижение цены, тг; Сцо — относительное снижение цены, тг; Цр — цена предлагаемого варианта, тг; Цб — цена базового варианта, тг |
1302,9 |
55 |
Экономический эффект |
Ээа = Цр-Ср Ээо = (1-Цр/Ср)×100 % |
2206,2 |
10,8 |
В соответствии с таблицей 10 экономическая эффективность перехода к использованию слабо- коксующихся углей в производстве агломератов позволит обеспечить снижение себестоимости на 7 %, снижение цены на 5,5 % и повысить эффективность на 10,8 %.
Таким образом, можно сделать вывод, что любое изменение в структуре цен сырьевых материалов или в их расходе оказывают существенное влияние на технико-экономические показатели и эффективность работы предприятий, в частности, использование слабококсующихся углей в составе шихты позволяет значительно снизить себестоимость агломерата.
Статья выполнена в рамках реализации проекта, согласно договора № 209 на программноцелевое финансирование от 19 марта 2018 года по подпрограмме 1, на тему «Оценка техникоэкономической эффективности и технологической возможности использования слабококсующихся углей Казахстана в ферросплавном производстве и в качестве бездымного топлива для бытовых нужд». Регистрационная карта № 01.01–22/161 от 13.04.2018 г. Номер госрегистрации № 0118 РК00698.
Список литературы
- Информационно-аналитический сайт [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://www.metaltorg.ru/
- Сайт ТОО «Энергосервис» [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://energoservice.kz/
- Комитет по статистике Министерства национальной экономики РК [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.stat.gov.kz;
- Ахметжанов Б. Обоснование необходимости использования высокозольных углей для производства стали / Б. Ахметжанов, К.Б. Тажибекова, А.А. Шаметова // Вопросы экономических наук. — 2019. — № 2. — С. 6–13.
- Akhmetzhanov B. Coalsupplychainmanadgementandeconomicefficiencyofusinghigh-ash coking coal in ferroalloy manufacturing / B. Akhmetzhanov, K. Tazhibekova, A. Shametova, A. Urazbekov // International Journal of Supply Chain Management. — 2019. — Vol. 8, No. 5. — Р. 624–632.
- Коротич В.И. Агломерация рудных материалов / В. И. Коротич, Ю. А. Фролов, Г. Н. Бездежский. — Екатеринбург: ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ», 2003. — 400 с.
- Страхов В.М. Буроугольный полукокс. Возможности его использования как топлива в агломерации железных руд / В.М. Страхов // Кокс и химия. — 2007. — № 8. — С. 20-26.
- Зельберг Б.И. Шихта для электротермического производства кремния / Б.И. Зельберг. — Челябинск: Металл, 1994. — 320 с.