Відновлення та інноваційний розвиток виробництва сталі в Україні в контексті енергоефективності та європейського зеленого курсу

У статті наголошено, що в процесі повоєнного відновлення економіки та в контексті вимог Європейського зеленого курсу щодо досягнення вуглецевої нейтральності металургія України має унікальну можливість не лише подолати технічне відставання за енергоефективністю та екологічною безпекою, а й позбути...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2023
Hauptverfasser:	Смірнов, О.М., Тімошенко, С.М., Нарівський, А.В.
Format:	Artikel
Sprache:	Ukrainian
Veröffentlicht:	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2023
Schriftenreihe:	Вісник НАН України
Schlagworte:	Статті та огляди
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/192939
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Відновлення та інноваційний розвиток виробництва сталі в Україні в контексті енергоефективності та європейського зеленого курсу / О.М. Смірнов, С.М. Тімошенко, А.В. Нарівський // Вісник Національної академії наук України. — 2023. — № 4. — С. 21-38. — Бібліогр.: 47 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-192939
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1929392023-07-24T14:35:49Z Відновлення та інноваційний розвиток виробництва сталі в Україні в контексті енергоефективності та європейського зеленого курсу Смірнов, О.М. Тімошенко, С.М. Нарівський, А.В. Статті та огляди У статті наголошено, що в процесі повоєнного відновлення економіки та в контексті вимог Європейського зеленого курсу щодо досягнення вуглецевої нейтральності металургія України має унікальну можливість не лише подолати технічне відставання за енергоефективністю та екологічною безпекою, а й позбутися неефективної технологічної структури з фізично зношеними і морально застарілими основними фондами. Рішення полягає у переході до малих металургійних заводів і стратегії мінімізації економічних та екологічних витрат. In the future recovery of the economy, an important role is assigned to the steelmaking complex. In the context of the Green Deal requirements to achieve carbon neutrality by 2050, the metallurgy of Ukraine has a unique opportunity not only to overcome the technical lag of the industry in terms of energy efficiency and environmental safety, but also to get rid of an inefficient technological structure with physically worn out and out-of-date, obsolete fixed assets. The solution lies in the transition to small metallurgical plants (SMP) and the strategy of minimizing economic and environmental costs. The industrial infrastructure of Ukraine needs the implementation of three groups of SMPs in order to use available iron ore resources, scrap metal and iron-containing waste as the initial charge. The production and remelting of metallized raw materials (DRI/HBI) in an electric arc furnace (EAF) as an alternative to the ecologically dirty technological route blast furnace — converter will supply the domestic market and exports with competitive sheet metal products of casting-rolling modules. Low-carbon at the first stage, the technology will allow in the medium term to reduce the specific emission of CO2 by 1.45-2 times and will create a basis for the further transition to carbon-neutral hydrogen metallurgy. Two groups of SMPs, based on technological routes with arc and induction electric furnaces, should focus on the market of mass-demand steel and small batches of special steels, as well as provide foundry and forging production for the machine-building complex. In the context of new SMPs, the modernization of EAFs that are idle due to problems with sales markets, through the introduction of a “deep” bath, a system of distributed aspiration, water-cooled elements with reduced heat loss, optimization of the electrodes pitch diameter, is gaining relevance. 2023 Article Відновлення та інноваційний розвиток виробництва сталі в Україні в контексті енергоефективності та європейського зеленого курсу / О.М. Смірнов, С.М. Тімошенко, А.В. Нарівський // Вісник Національної академії наук України. — 2023. — № 4. — С. 21-38. — Бібліогр.: 47 назв. — укр. 0372-6436 DOI: doi.org/10.15407/visn2023.04.021 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/192939 uk Вісник НАН України Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
topic	Статті та огляди Статті та огляди
spellingShingle	Статті та огляди Статті та огляди Смірнов, О.М. Тімошенко, С.М. Нарівський, А.В. Відновлення та інноваційний розвиток виробництва сталі в Україні в контексті енергоефективності та європейського зеленого курсу Вісник НАН України
description	У статті наголошено, що в процесі повоєнного відновлення економіки та в контексті вимог Європейського зеленого курсу щодо досягнення вуглецевої нейтральності металургія України має унікальну можливість не лише подолати технічне відставання за енергоефективністю та екологічною безпекою, а й позбутися неефективної технологічної структури з фізично зношеними і морально застарілими основними фондами. Рішення полягає у переході до малих металургійних заводів і стратегії мінімізації економічних та екологічних витрат.
format	Article
author	Смірнов, О.М. Тімошенко, С.М. Нарівський, А.В.
author_facet	Смірнов, О.М. Тімошенко, С.М. Нарівський, А.В.
author_sort	Смірнов, О.М.
title	Відновлення та інноваційний розвиток виробництва сталі в Україні в контексті енергоефективності та європейського зеленого курсу
title_short	Відновлення та інноваційний розвиток виробництва сталі в Україні в контексті енергоефективності та європейського зеленого курсу
title_full	Відновлення та інноваційний розвиток виробництва сталі в Україні в контексті енергоефективності та європейського зеленого курсу
title_fullStr	Відновлення та інноваційний розвиток виробництва сталі в Україні в контексті енергоефективності та європейського зеленого курсу
title_full_unstemmed	Відновлення та інноваційний розвиток виробництва сталі в Україні в контексті енергоефективності та європейського зеленого курсу
title_sort	відновлення та інноваційний розвиток виробництва сталі в україні в контексті енергоефективності та європейського зеленого курсу
publisher	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
publishDate	2023
topic_facet	Статті та огляди
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/192939
citation_txt	Відновлення та інноваційний розвиток виробництва сталі в Україні в контексті енергоефективності та європейського зеленого курсу / О.М. Смірнов, С.М. Тімошенко, А.В. Нарівський // Вісник Національної академії наук України. — 2023. — № 4. — С. 21-38. — Бібліогр.: 47 назв. — укр.
series	Вісник НАН України
work_keys_str_mv	AT smírnovom vídnovlennâtaínnovacíjnijrozvitokvirobnictvastalívukraínívkontekstíenergoefektivnostítaêvropejsʹkogozelenogokursu AT tímošenkosm vídnovlennâtaínnovacíjnijrozvitokvirobnictvastalívukraínívkontekstíenergoefektivnostítaêvropejsʹkogozelenogokursu AT narívsʹkijav vídnovlennâtaínnovacíjnijrozvitokvirobnictvastalívukraínívkontekstíenergoefektivnostítaêvropejsʹkogozelenogokursu
first_indexed	2025-07-16T18:48:36Z
last_indexed	2025-07-16T18:48:36Z
_version_	1837830484337360896
fulltext	ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2023, № 4 21 ВІДНОВЛЕННЯ ТА ІННОВАЦІЙНИЙ РОЗВИТОК ВИРОБНИЦТВА СТАЛІ В УКРАЇНІ В КОНТЕКСТІ ЕНЕРГОЕФЕКТИВНОСТІ ТА ЄВРОПЕЙСЬКОГО ЗЕЛЕНОГО КУРСУ У статті наголошено, що в процесі повоєнного відновлення економіки та в контексті вимог Європейського зеленого курсу щодо досягнення вуглеце- вої нейтральності металургія України має унікальну можливість не лише подолати технічне відставання за енергоефективністю та екологічною безпекою, а й позбутися неефективної технологічної структури з фізично зношеними і морально застарілими основними фондами. Рішення полягає у переході до малих металургійних заводів і стратегії мінімізації економіч- них та екологічних витрат. Ключові слова: малі металургійні заводи, дугові сталеплавильні печі, енергоефективність, вуглецева нейтральність, металізована сировина. Енергетичні витрати та екологічні збитки виробництва сталі. Світова сталеливарна промисловість споживає 8 % виробле- ної енергії та викидає в навколишнє середовище 7 % загаль- ної емісії вуглекислого газу (2,6 Гт у 2020 р.). Утворення CO2 пов’язане переважно з використанням вугілля, яке на 75 % за- безпечує галузь енергією. Завдяки новим енергоефективним технологіям, спрямованим на утилізацію теплоти в процесах виробництва сталі, питома енергія, необхідна для виробництва тонни сталі, за останні пів століття скоротилася майже вдвічі. Серед промислово розвинених країн світу Україна має най- вищий показник енергомісткості сталі — 30,2 ГДж/т, тоді як, наприклад, у Японії він становить 22,9 ГДж/т, тобто є на 30 % меншим [1—4]. Концепція протидії змінам клімату, сформульована у 2019 р. як ініціатива ЄС Green Deal (Зелений курс), передбачає до 2050 р. обмеження викидів CO2 у металургії до 0,25 т на тон- ну сталі проти нинішнього рівня 0,75 т [5]. Задля дотримання принципів руху в напрямі вуглецевої нейтральності з 2026 р. запроваджується «вуглецевий податок» на продукцію, що ім- портується країнами ЄС, включно з вихідними матеріалами та СМІРНОВ Олексій Миколайович — доктор технічних наук, професор, завідувач відділу магнітної гідродинаміки Фізико-технологічного інституту металів та сплавів НАН України ТІМОШЕНКО Сергій Миколайович — доктор технічних наук, професор кафедри загальноосвітніх дисциплін Технічного університету «Метінвест політехніка» НАРІВСЬКИЙ Анатолій Васильович — член-кореспондент НАН України, директор Фізико- технологічного інституту металів та сплавів НАН України doi: https://doi.org/10.15407/visn2023.04.021 22 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2023. (4) СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ енергоносіями, у розмірі близько €50 з подаль- шим зростанням до 2030 р. до €80—90 за тонну емісії СО2 1. Втрати українських металургій- них компаній після запровадження «вуглеце- вого податку» можуть становити €700 млн на рік, що відповідає близько 0,5 % ВВП 2. Уряд України задекларував зобов’язання щодо по- етапного зниження емісії СО2 [6]. Енергетичні та екологічні параметри наяв- них технологічних маршрутів виплавки сталі [1, 7—14], які наведено в табл. 1, з огляду на брак деяких даних, особливо щодо індукцій- них печей, характеризуються значним розки- дом через методичні розбіжності при враху- ванні витрат енергії стосовно вихідної сиро- вини, втрат енергії в технологічному процесі та «вуглецевого сліду» (питома емісія СО2), в тому числі при виробництві електроенергії. У контексті Green Deal пріоритетного роз- витку в перспективі набудуть електрометалур- гійні процеси виробництва сталі як менш енер- гомісткі та екологічно безпечніші (табл. 1). Ці технології поступово витіснятимуть техно- логічний маршрут доменна піч — конвертер, який домінує на сьогодні, наближаючись при цьому до умовної вуглецевої нейтральності за- вдяки очікуваному прогресу та здешевленню «зеленого» водню як відновника в перспектив- них процесах виробництва металізованої сиро- 1 Дмитро Кисилевський про мито на експорт брухту і перспективи металургії на фоні декарбонізації. Біз- несЦензор. 16.04.2021. https://bit.ly/40jfQbr 2 Как углеродный налог повлияет на украинский экс- порт. БізнесЦензор. 30.12.2020. https://bit.ly/3FBeb9o вини, а також електроенергії з відновлюваних джерел (енергія води, вітру, сонця). Стан і перспективи виробництва сталі в Україні. Раніше Україна стабільно входила до десятки світових виробників та експортерів сталі, але в останні роки здала позиції (12-те місце у 2020 р., 14-те місце у 2021 р.). Обсяг ви- робництва сталі у 2021 р. становив 21,4 млн т, а у 2022 р. через воєнну агресію та втрату під- приємств на сході країни виробництво сталі скоротилося до 6,3 млн т, а тому Україна зміс- тилася на 25-ту позицію [15]. Домінуючу роль у чорній металургії України (близько 95 % виплавки сталі) відіграють вер- тикально інтегровані заводи (комбінати) з тра- диційним повним циклом виробництва [16]. Технологічний процес включає підготовку сировини, доменний, сталеплавильний (кон- вертер, мартен) та прокатний переділи. Товар- ною продукцією є безперервнолита заготовка з вуглецевих та низьколегованих сталей масо- вого сортаменту, листовий та сортовий прокат. Основні фонди цих підприємств зношені в се- редньому на 65—70 %. Орієнтація на стратегію мінімізації витрат для поліпшення експортних можливостей у поєднанні зі структурними проблемами виробництва негативно впливає на конкурентоспроможність галузі в цілому. Сталеплавильний комплекс України зага- лом не відповідає концепції «зеленої металур- гії» через застарілу технологічну структуру [16] з малим відносним обсягом (до 5 %) елек- тросталеплавильного виробництва (рис. 1) [16], що зумовлює досить високий «вуглеце- Таблиця 1. Енергетичні та екологічні показники сталеплавильних технологій Технологічний маршрут Витрати енергії, кВт.год/т сталі Емісія СО2, т/т сталі Доменна піч — мартен (рідкий чавун/скрап 65/35) 7000—7400 2,2—2,5 Доменна піч — конвертер (рідкий чавун/скрап 80/20) 5900—6200 1,6—2,0 Доменна піч — дугова піч (рідкий чавун/скрап 40/60) 2800—3100 1,1—1,3 Металізована сировина — дугова піч 3400—4000 0,8—1,0 Скрап — дугова піч 590—730* 0,25—0,45* Скрап — індукційна піч 600—750* 0,10—0,30* * без урахування витрат при отриманні скрапу (у минулому) ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2023, № 4 23 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ вий слід» порівняно як з розвиненими країна- ми, так і зі середньосвітовим рівнем (рис. 2). Водночас в Україні можна знайти й позитив- ні приклади розвитку підприємств у контексті Green Deal, зокрема заводи Інтерпайп-Сталь (Дніпро), Електросталь (Курахове) та Об- важнених бурильних та ведучих труб (Суми), металургійні виробництва машинобудівних підприємств Енергомашспецсталь та НКМЗ (Краматорськ). Ці структури реалізують тех- нологічний маршрут скрап — дугова піч і за світовою класифікацією належать до категорії малих металургійних заводів (ММЗ). У післявоєнний період освоєння нових тех- нологічних процесів, які відповідають сучас- ним вимогам енергоефективності та еколо- гічної безпеки, забезпечить найкращі можли- вості для відновлення сталеплавильної галузі України й подолання її технічного відставан- ня. Рішення полягає у пріоритетному розви- тку електросталеплавильного виробництва в умовах ММЗ. Такі технології за мінімальних матеріальних, енергетичних та екологічних витрат можна застосовувати як у «великій» металургії, що виробляє товарну продукцію, так і у «малій» металургії при машинобудівно- му комплексі. Розвиток концепції малих мета- лургійних заводів сприятиме відбудові регіо- нальної інфраструктури, створенню нових ро- бочих місць, надходженню коштів до місцевих бюджетів. Малі металургійні заводи — світовий тренд сталеплавильної індустрії. У світі близько третини всієї сталі виробляють на ММЗ. Про- дуктивність цих заводів варіюється в широких межах — від 0,05 до 2 млн т на рік, що потре- бує суттєвої диверсифікації технічних і техно- логічних рішень. У технологічному маршруті «великої» металургії напівпродукт виплав- ляють у дуговій сталеплавильній печі (ДСП) за інтенсивною технологією з доведенням до заданої марки сталі в пристроях ківш-піч і, за необхідності, здійснюють вакуумну обробку (VD/VOD, RH). У «малій» металургії готову сталь отримують як безпосередньо в дуговій печі за класичною технологією, так і методами позапічного доведення. Вихідними шихтовими матеріалами ММЗ є скрап та металізована сировина, а також рід- кий чавун (до 40 % загальної маси шихти). Ва- ріант з рідким чавуном у контексті Green Deal слід розглядати як тимчасове рішення. Продукція ММЗ включає тонкий гарячека- таний лист ливарно-прокатних модулів, сор- тову заготовку МБЛЗ або затребувані профілі прокату, споживчі металеві вироби, зокрема металочерепицю, а також ковальські зливки. При обсязі виробництва ММЗ до 0,5 млн т на рік альтернативою ДСП є індукційні ти- гельні печі (ІП). Зокрема, в Індії, другому у світі виробнику чорних металів, частка ІП в загальному обсязі виплавки сталі становить 30 % [13]. Технологічні схеми сталеплавильних печей, які застосовують на ММЗ, наведено на рис. 3, а порівняльні енергетичний і матеріальний ба- ланси агрегатів, розраховані на основі даних [10—14, 16—18], — в табл. 2 і 3 відповідно. Рис. 1. Технологічна структура виробництва сталі в Україні й у світі Рис. 2. Вуглецевий слід сталеплавильного виробни- цтва в Україні та світі 24 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2023. (4) СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ На ММЗ «великої» металургії застосову- ють дугові сталеплавильні печі змінного та постійного струму (ДСППС) місткістю до 420 т і питомою електричною потужністю 1—1,5 МВА/т. Тривалість плавки в таких пе- чах — 30—45 хв. Робочий простір ДСП (рис. 3а) складаєть- ся з футерованої вогнетривами (переважно на основі MgO, CaO, Al2O3) подини з еркерною зоною для організації донного безшлакового випуску сталі та водоохолоджуваних каркасу і зводу з отворами для електродів у центральній вогнетривкій вставці. Крім електричної, в сучасних ДСП перед- бачено використання хімічної енергії (до 30— 40 % загальної потреби) за допомогою модулів інтенсифікації плавки та універсального мані- пулятора. Модулі мають два режими роботи: паливно-кисневого пальника для інтенсифі- кації плавлення шихти та надзвукової кис- невої фурми для окиснення вуглецевмісного порошку, що синхронно інжектується у ванну. Пальники сприяють плавленню скрапу в «хо- лодних» зонах робочого простору. Фурма за- безпечує прискорений енергоефективний на- грів рідкої сталі електричними дугами завдяки примусовому перемішуванню ванни в умовах екранування спіненим пухирцями СО шла- ком випромінювання дуг на водоохолоджу- вані панелі. Маніпулятор застосовують для підрізання нагрітої дугами шихти струменем кисню з метою прискорення плавлення у ван- ні, що формується, продувки ванни киснем че- рез витратну трубку під рівень у дозвуковому режимі, інжекції у ванну вуглецевмісного по- рошку, відбору проб і заміру температури. Ін- тенсивність процесів тепломасообміну у ванні підтримують продувкою аргоном через порис- ті пробки в подині або за допомогою системи електромагнітного перемішування. Проте наявні засоби інтенсифікації плавки з використанням хімічної енергії не завжди від- повідають вимогам вуглецевої нейтральності, оскільки генерують СО2, а отже, концепція засто- сування альтернативної енергії в ДСП у серед- ньостроковій перспективі потребує перегляду. Шлак у кількості 8—12 кг/т зливають через робоче вікно та утилізують. У процесі плавлен- ня металу з ДСП через витяжний газохід вида- ляється пилогазове середовище у кількості до 300—350 кг/т сталі з температурою до 1600 °С. Суміш містить гази: СО (20—25 мас.%), СО2 (15—20), О2 (1—15) і N2 (50—60 мас.%), а та- кож плавильний пил з оксидів заліза та інших металів у кількості до 20—25 кг/т сталі. Знепи- лювання газу до європейських норм 10—20 мг/ м3 (за н.у.) забезпечує система газоочищення з блоком рукавних тканинних фільтрів. Рис. 3. Схема дугової (а) та індукційної тигельної (б) печі: 1 — подина; 2 — каркас; 3 — звід; 4 — електроди; 5 — еркер; 6 — модуль; 7 — маніпулятор; 8 — робоче вікно; 9 — рідка ванна; 10 — витяжний газохід; 11 — баддя; 12 — випускний канал з шибером; 13 — пориста пробка; 14 — індуктор; 15 — тигель ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2023, № 4 25 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ Є два концептуальних рішення щодо ре- алізації енергії дугового розряду на нагрів і плавлення шихти в робочому просторі [10—12, 16—18]: 1) традиційний дискретний процес (рис. 3), в якому теплообмін здійснюється переважно випромінюванням. Електроди занурюються в шихту, завантажену в піч баддею, та розплавля- ють її енергією електричних дуг. У рідкій ванні завершується процес плавлення та проводить- ся підготовка напівпродукту з дотриманням технологічного регламенту щодо температури, Таблиця 2. Енергетичний баланс виплавки сталі в дуговій сталеплавильній печі та в індукційній тигельній печі Стаття Дугова піч Індукційна піч«Велика» металургія «Мала» металургія Прихід Електроенергія, % 50—60 75—85 98—99 Паливно-кисневі пальники, % 5—10 — — Хімічна енергія, % 30—40 15—25 1—2 Усього, % (кВт·год/т) 100 (600—620) 100 (750—1000) 100 (600—780) Витрата Тепловміст сталі, % 55—60 50—55 50—55 Тепловміст шлаку, % 8—10 8—12 3—4 Втрати енергії з пилогазовим середовищем, % 17—28 7—10 7—10 Втрати енергії з охолоджувальною водою, % 8—10 5—6 18—25 Акумуляція теплоти футерівкою і втрати назовні, % 1—3 17—30 3—6 Усього, % (кВт·год/т) 100 (600—620) 100 (750—1000) 100 (600—780) Таблиця 3. Матеріальний баланс виплавки сталі в дуговій сталеплавильній печі та в індукційній тигельній печі Стаття Дугова піч, кг/т Індукційна піч, кг/т«Велика» металургія «Мала» металургія Прихід Скрап 1100—1200 1050—1200 1030—1060 Шлакоутворювальні матеріали 40—45 50—70 30—40 Електроди 0,9—1,2 5—9 — Вогнетриви 6—8 20—25 3—5 Паливо для пальників (природний газ) 5—8 — — Кисень 50—70 15—25 — Вода для охолодження (оборотна) 3000—4000 50—200 100—200 Аргон 0,02—0,04 — — Повітря (приплив у робочий простір) 120—180 20—40 — Вуглевмісний порошок 8—14 — — Вугілля в завалку 9—11 5—8 — Витрата Метал 1000 1000 1000 Шлак 105—115 120—160 10—15 Пилогазове середовище 250—350 90—130 <10 Плавильний пил 18—25 7—9 <1 26 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2023. (4) СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ вмісту вуглецю та фосфору. При випуску ме- талу для позапічного доведення у печі залиша- ють «болото» з метою прискорення плавлення шихти в наступній плавці; 2) інноваційний умовно безперервний flat bath-процес з переважно конвективною те- плопередачею (Consteel компанії Techint Tech- nologies (Італія), Quantum від Siemens-VAI (ФРН, Австрія), Primetals Technologies (Ве- лика Британія) та ін.). У рідкометалевій ванні відбувається дифузійне конвективне плавлен- ня фрагментованої шихти, попередньо нагрітої теплотою пилогазового середовища ДСП. Для компенсації втрат енергії випромінюванням відкритої поверхні ванни нагрів металу до ре- гламентованої температури проводять елек- тричними дугами під спіненим модулями ін- тенсифікації плавки шлаком в умовах приму- сового перемішування. Під час випуску більше половини виплавленого металу («болото») за- лишають у печі. Печі постійного струму, порівняно з трифаз- ними ДСП, характеризуються більш стійким горінням дуги, що сприяє зниженню вигару заліза, рівня шуму та флікер-ефекту, але ін- вестиційні витрати у випадку ДСППС на 30 % більші [12]. У «великій» металургії переваги ДСППС значною мірою нівелюються швидко- плинністю плавки напівпродукту, але за пев- них умов реалізуються в «малій» металургії. Критичним вузлом, з точки зору експлуатації печі, є подовий електрод — анод, який замикає вторинний електричний ланцюг від графітова- ного електрода (катода) через сталеплавильну ванну [19]. Індукційна піч як технологічний агрегат ха- рактеризується місткістю від 0,05 до 65 т, по- тужністю до 0,5—0,8 МВт/т, а тривалість плав- ки становить 30—60 хв. В основі роботи ІП лежить принцип безкон- тактної передачі енергії змінного струму від первинного ланцюга (індуктор) до вторинного (шихта і рідка ванна) шляхом електромагніт- ної індукції з перетворенням електричної по- тужності на теплову. Зі збільшенням частоти струму, електропровідності та магнітної про- никності середовища (знижується за темпера- тури вище точки Кюрі) глибина проникнення електромагнітної енергії (струму) в середови- ще вторинного ланцюга зменшується. На сучасному етапі оптимальним енерго- технологічним рішенням для промислових ти- гельних ІП місткістю 0,5—1 т є використання підвищеної частоти в діапазоні 150—5000 Гц [20], причому зі збільшенням місткості робоча частота знижується. Таке рішення, з огляду на тенденції відносного здешевлення техніки для перетворення частоти, дозволяє мінімізувати питомі витрати на виробництво металопро- дукції завдяки енергоефективному нагріванню та плавленню шихти. Важливим вузлом ІП (рис. 3б) є охолоджу- ваний індуктор, виконаний з мідної труби круг- лого або прямокутного перерізу і розташований концентрично тиглю. Індуктор живиться змін- ним струмом, як правило, підвищеної частоти від інвертора через перетворювач постійного струму, підключений до розподільної мережі змінного струму. Щільність струму в індукторі становить 20—40 А/мм2, а електричні втрати (з водою) сягають 25 % активної потужності. Для отримання максимально високого елек- тричного ККД системи індуктор—метал, ґрун- туючись на практиці експлуатації ІП [23], ре- комендовано співвідношення розмірів індук- тора для місткості печі М (т): di/hi = 0,95M0,005. Електрична установка ІП має дуже низький коефіцієнт потужності (0,1—0,18) через ве- ликі реактивні втрати внаслідок розсіювання енергії у вторинному ланцюгу, віддаленому від індуктора на товщину футерівки тигля. Для компенсації індуктивної складової реактив- ної потужності при роботі ІП використовують батарею конденсаторів. Зі збільшенням час- тоти необхідна ємність батареї конденсаторів знижується, але зростають реактивні струми, підсилюється нагрівання батареї та підвищу- ються втрати теплоти з водою на охолодження конденсаторів. Практика експлуатації ІП свідчить, що для ефективного індукційного нагріву характер- ний розмір (приведений діаметр) тіла, що на- грівається, відповідний внутрішньому діаме- тру тигля dc, має перевищувати глибину про- ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2023, № 4 27 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ никнення електромагнітної енергії не менш ніж у 3,5—5 разів. Шихта меншого розміру «прозора» для електромагнітних хвиль і по- вільно нагрівається, що знижує енергоефек- тивність ІП. Геометрія тигля характеризується коефіцієнтом форми ванни, який пов’язаний з місткістю печі М емпіричним співвідношен- ням [21]: kb = dc/hb = 0,8M0,05, а висота робо- чого простору тигля (з урахуванням шлаку і певного запасу) становить hc = 1,3hb. Електро- динамічна циркуляція розплаву в тиглі ІП за- безпечує швидке плавлення шихти, вирівню- вання температури та хімічного складу ванни, мінімальний витратний коефіцієнт металу. За емісією пилогазового середовища, в тому числі СО2, неорганізованими викидами та рів- нем шуму ІП має певні переваги перед ДСП (табл. 3), що особливо важливо у контексті «зе- леної» металургії. Разом з тим, шлак, що утво- рюється в тиглі ІП у процесі плавки, не сприй- має індукційний нагрів через низьку електро- провідність і залишається холодним та в’яз ким, що виключає можливість рафінування сталі по сірці і фосфору. Таку особливість слід врахову- вати під час підготовки шихти або передбачати доведення плавки після ІП у пристрої ківш-піч з електродуговим нагрівом ванни. Відновлення та інноваційний розвиток ме- талургії України. В Україні, з урахуванням промислової інфраструктури, на нашу думку, слід впроваджувати три групи малих мета- лургійних заводів, що відрізняються одна від одної вихідною шихтою, сортаментом та обся- гом виробництва металопродукції. Комплек- тацію ММЗ та пусконалагоджувальні роботи можуть забезпечити вітчизняні підприємства, зокрема НКМЗ — відомий у світі виробник ме- талургійного обладнання, в тому числі ДСП, систем позапічної обробки та МБЛЗ. ММЗ групи А. Основний обсяг виробни- цтва сталі та металопродукції раціонально зо- середити на нових високопродуктивних (1— 2 млн т/рік) ММЗ за технологічним маршру- том (рис. 4) металізована сировина — ДСП — позапічна доводка (ПКП, VD/VOD) — ливар- но-прокатний модуль (ЛПМ). Продукцією ММЗ групи А можуть бути насамперед гаря- чекатані рулони конструкційних марок сталі, зокрема для глибокої витяжки, трубопроводів, будівництва. Ця схема покликана поступово замістити основний на сьогодні технологічний маршрут виплавки сталі доменна піч — конвертер. Ви- користання металізованої сировини як шихти, що є альтернативою рідкому чавуну в контек- сті Green Deal, пов’язане з обмеженням заго- тівлі скрапу в Україні (рис. 5). Надходження металобрухту, з урахуванням витратного кое- фіцієнту, значно відстає від потреби, навіть за збереження обсягу виробництва сталі на рівні 2021 р. та заборони на експорт скрапу. Водно- час можливості імпорту скрапу будуть вкрай обмежені через очікувану протекціоністську політику потенційних країн-експортерів. Рис. 4. Схема техно- логічного маршруту ММЗ групи А: 1 — шахтний реак- тор; 2 — електро- лізер; 3 — реформер; 4 — валковий прес; ПГ — природний газ 28 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2023. (4) СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ Отже, в контексті Green Deal для забезпе- чення нових ММЗ шихтою доцільним рішен- ням є розвиток власного виробництва металі- зованої сировини. Україна має у своєму розпо- рядженні поклади залізної руди (4-те місце у світі в перерахунку на вміст заліза) та розвине- ну гірничорудну промисловість, яка крім тра- диційних концентрату й агломерату виробляє доменні окатиші зі ступенем металізації 65— 68 %3 — вихідний матеріал для виготовлення металізованої сировини. Металізовану сировину виробляють пере- важно за технологіями Mirdex компанії Mir- dex Technologies (США) та Energiron компаній Tenova і Danieli (Італія), на які разом припадає 79 % світового ринку продукту [22]. Процес відбувається безперервно в шахтному реакторі твердофазним відновленням оксидів заліза га- зовою сумішшю Н2 і СО за температури 900— 1100 °С та тиску до 0,6 МПа. Час від заванта- ження шихти до виходу продукту становить 6—7 годин. У контексті Green Deal найновіші версії технічних і технологічних рішень про- цесів Mirdex та Energiron, до яких розробники різними шляхами йшли майже 60 років, прин- ципово не дуже відрізняються одна від одної. Відновну суміш отримують переважно кон- версією природного газу — вуглекислотною CH4 + CO2 = 2CO + 2H2 або пароводяною CH4 + H2O = CO + 3H2. Ендотермічні реакції конверсії здійснюються в опалюваному рефор- мері і частково в шахті реактора з використан- ням відновленого заліза як каталізатора (авто- 3 Григоренко Ю. Залізний бонус: український ГМК пробивається на ринок преміальної сировини. GMK Center. 23.04.2021. https://bit.ly/3n8X8oS реформінг). Окремі варіанти технології перед- бачають застосування коксового газу або про- дуктів газифікації вугілля. Залежно від опції співвідношення газових об’ємів Н2/СО в шах- ті становить 0,2—4 (з урахуванням перетоків і підживлення) при прагненні до максимуму. Процес відновлення відбувається в шахті послідовно від вищого оксиду Fe2O3 до ниж- чого FeO і далі до заліза згідно із сумарними реакціями: Fe2O3 + 3H2 = Fe + 3H2O; Fe2O3 + + 3CO = Fe + 3CO2 [23]. За температури нижче 810 °С більш ефективним відновником є моно- оксид вуглецю, а вище 810 °С — водень. Швид- кість відновлення оксидів заліза H2 за інших рівних умов вища порівняно з CO [24]. Передбачається, що в процесі поступової модернізації технології Mirdex та Energiron наближатимуться до вимог вуглецевої нейт- ральності [25]. Модернізація при цьому по- лягає в максимальному використанні водню як відновного газу, виробленого на основі про- ривних технологій електролізу води, таких як лужний (AEL), протонообмінний мембран- ний (PEMEL) і твердооксидний електролізер (SOEL) [26]. Витрати електроенергії в процесі вироб- ництва водню електролізом води становлять 35—45 кВт·год/кг Н2 [26, 27]. Згідно зі стехіо- мет рією і термодинамікою сумарної реакції, водневе відновлення потребує 54 кг Н2 (плюс 35—30 кг Н2 на опалення нагрівача відновно- го газу [26]) та 486 кг води на тонну заліза, що в енергетичному еквіваленті становить 1933 кВт·год. Процеси відновлення Mirdex і Energiron мають практично однакову енерго- місткість (фізична теплота на нагрів шихти до робочої температури, конверсія природного газу, теплота реакцій відновлення), за різними оцінками — в межах 2700—2900 кВт·год/т ме- талізованого продукту [28, 29]. З урахуванням витрат на електроліз загальна енергомісткість сталі при вуглецево нейтральному виробництві технологічним маршрутом металізована сиро- вина — ДСП становить 4600—4800 кВт·год/т. Цей показник навіть за нинішнього техноло- гічного рівня водневої енергетики на 8—12 % нижчий за витрати в технологічному маршруті Рис. 5. Обсяги заготівлі скрапу в Україні у 2007— 2021 рр. ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2023, № 4 29 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ доменна піч — конвертер, не кажучи вже про екологічні переваги. Металізована сировина має вигляд окатишів діаметром 9—15 мм (Directly Reduced Iron — DRI) та брикетів масою 1—5 кг (Hot Briquet- ted Iron — HBI), які виготовляють з окатишів за допомогою валкового пресу. При розміщенні ДСП поруч з майданчиком виробництва сировини оптимальним енерго- ефективним рішенням є гарячий DRI (600— 700 °С), для порційного завантаження якого в ДСП створено відповідні системи Hotlink (Mirdex) і Hytemp (Energiron) [22, 29]. У разі відвантаження на далекі відстані оптимальним варіантом є HBI як більш компактний і не пі- рофорний продукт. Основними характеристиками металізо- ваної сировини, які визначають техніко-еко- номічні показники виробництва сталі, є такі: ступінь металізації — 90 %; вміст вуглецю — 0,5—2,2 % (до 4 % у вигляді Fe3C для «енерго- місткої» сировини); насипна густина (т/м3) — 1,6—1,9 (DRI) і 2,5—3,3 (HBI); чистота, порів- няно з рядовим скрапом, за домішками сірки, фосфору та кольорових металів. Експерти прогнозують до 2050 р. зростання споживання металізованої сировини у 3—4 рази відносно 2020 р., тобто до 400 млн т. Слід враховувати, що сировина при вод- невому відновленні вироблятиметься з міні- мальним (близько нуля) вмістом вуглецю, що позначиться на її відновлювальному й енерге- тичному потенціалах. Так, плавлення «енер- гомісткого» DRI (>3,5 % С) підвищує енер- гоефективність плавки на 0,4 кВт·год/кг С за- вдяки екзотермічній реакції Fe3C → 3Fe + C у ванні ДСП. Що ж до практичної реалізації подібних проєктів, то, наприклад, орієнтовний обсяг інвестицій компанії Металоінвест у модуль Energiron (Старий Оскол, РФ) потужністю 1,8 млн т DRI/HBI на рік становив $660 млн, а будівництво тривало три роки 4. 4 Григоренко Ю. Залізний бонус: український ГМК пробивається на ринок преміальної сировини. GMK Center. 23.04.2021. https://bit.ly/3n8X8oS Альтернативою твердофазному відновлен- ню оксидів заліза за допомогою газової сумі- ші у шахтних реакторах є вуглець-термічний процес виробництва металізованої сировини у вигляді залізних гранул — «nuggets». Про- цес ITmk3, розроблений компанією Kobe Steel (Японія), здійснюється в тонкому шарі рудо-вугільних окатишів у печі з подом, що обертається [30]. Протягом одного оберту поду (10—15 хв) за температури 800—1350 °С, що забезпечується теплотою газоповітряних пальників, відбуваються процеси відновлення з локальним плавленням. Охолоджені «nug- gets» при вивантаженні відокремлюють від шлаку. Продукт за хімічним складом відпові- дає чавуну і має густину 6,5—7 т/м3. Перевага- ми ITmk3 є можливість використання дрібної фракції залізної руди, залізовмісних техно- генних відходів та некоксівного вугілля (при- близно 0,5 т/т металізованої сировини), зна- чно менші витрати природного газу, ніж у шах- тних реакторах (якщо застосовувати продукти конверсії природного газу), нижча порівняно з доменним виробництвом питома емісія СО2. Після успішного пілотного проєкту в Японії в 2011 р. було реалізовано вже комерційний про- єкт ITmk3 Mesabi Nugget (США) потужністю 500 тис. т на рік [31], який, імовірно, можна вважати вдалим. Подальші роботи з впрова- дження технології ITmk3 в Україні, зокрема заплановані компанією Hares Group (Австрія), було припинено 5. Щодо виробництва металізованої сировини, то крім зазначених вище маловуглецевих і вод- невих (у перспективі) технологій, слід згадати ще й про вуглецево нейтральний електроліз оксидів заліза. Триває підготовка до реалізації пілотних проєктів високотемпературного [32] та низькотемпературного [33] процесів. Пе- редбачається визначити режимні параметри і техніко-економічні показники промислового виробництва заготовок заліза як шихти ДСП. Згідно з даними попередніх лабораторних до- сліджень, питомі витрати енергії при елек- 5 Японский заменитель — технология прямого восста- новления железа ITmk3. https://readmetal.com/?p=12615 30 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2023. (4) СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ тролізі не перевищуватимуть показників до- менного процесу. За цим напрямом виконано й вітчизняні дослідження електролізу залізо- вмісних техногенних відходів в електропечі з подовими електродами [34]. Впровадження маловуглецевої, на першому етапі, технології з використанням продуктів конверсії природного газу забезпечить у серед- ньостроковій перспективі скорочення питомої емісії СО2 при виробництві сталі в Україні в 1,45—2 рази і створить базу для подальшого переходу до вуглецево нейтральної водневої металургії. ММЗ групи В. ММЗ цієї групи призначені для виробництва вуглецевих та низьколего- ваних конструкційних марок сталі масового сортаменту. Продуктивність заводу може варі- юватися у широких межах від 0,1 до 1 млн т на рік, а місткість ДСП (ІП), відповідно, становить 15—100 (10—60) т. Кількість таких підприємств має бути такою, щоб принаймні задовольнити потреби відновлення економіки України. ММЗ групи В, до якої належать наявні в України мінізаводи, реалізують традиційний технологічний маршрут скрап/НВІ — ДСП (ІП) [35]. Такий маршрут (рис. 6), як втілення стратегії мінімізації витрат, є найменш енерго- містким сталеплавильним процесом і з пози- цій Green Deal характеризується прийнятним рівнем емісії СО2 (табл. 1). У цій категорії ММЗ слід відзначити варіант з рідким чавуном як складовою шихти — акту- альне для металургії України перехідне рішен- ня на шляху до вуглецевої нейтральності. Фа- хівці компанії Concast AG (Швейцарія) [36] рекомендують частку рідкого чавуну в шихті ДСП в межах 25—40 %. Заливку чавуну в ДСП здійснюють у період плавлення скрапу з ковша спеціальним маніпулятором через еркер при витраті 0,07—0,08 т/хв на тонну місткості печі. Напівпродукт, виплавлений у ДСП (ІП), до- водять до заданої марки сталі в ПКП, розлива- ють на високопродуктивній сортовій МБЛЗ з подальшою прокаткою на ліквідну металопро- дукцію. Можливим є варіант роботи ММЗ на випуск товарної безперервнолитої заготовки квадратного або круглого перерізу. Стосовно ММЗ групи В слід розглядати як будівництво нових, так і модернізацію згідно з вимогами Green Deal наявних заводів, а також можливість виділення зі складу машинобудів- ного підприємства ММЗ на базі окремої ДСП, що простоює. ММЗ групи С. У сегменті металургійної про- дукції з високоякісних легованих сталей слід враховувати відносно невеликі обсяги її спо- живання, зокрема й в Україні (кілька десятків тонн на місяць), що практично унеможлив- лює використання технологічних потужнос- тей великих заводів. У свою чергу, розвиток концепції ММЗ у напрямі мініатюризації ви- робництва дозволяє вирішити проблему за- мовлень дрібносерійних партій при зниженні фінансових ризиків в умовах локальних, більш прогнозованих ринків збуту. Для ММЗ групи С економічно виправданим видається змен- Рис. 6. Схема техно- логічного маршруту ММЗ групи В ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2023, № 4 31 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ шення нижньої межі річної продуктивності до 5—10 тис. т залежно від сортаменту продукції та обсягів інвестицій в основні фонди. У структурі ММЗ групи С доцільно застосо- вувати ДСП (ДСППС) малої місткості 3—10 т, як нові, так і ті, що простоюють на ливарних підприємствах, після відповідної модернізації або як альтернативу — ІП відповідної місткос- ті. У випадку роботи на постачання рідкої ста- лі машинобудівному комплексу, зокрема для виробництва крупних ковальських зливків, є потреба в ДСП (ДСППС) місткістю 100 т і більше. З огляду на високу цінність та відпо- відальність замовлень у складі такого заводу (рис. 7) доцільними будуть новітні засоби по- запічної обробки: ПКП, VD/VOD, аргон-кис- неве зневуглецювання (AOD) та розливки ста- лі: крупних зливків під вакуумом, радіальна, вертикальна, горизонтальна, двовалкова (про- цес Castrip) МБЛЗ. Для сталеплавильних агрегатів ММЗ групи С слід передбачити можливість як ритмічного функціонування, так і роботи за гнучким гра- фіком, із простоями, з урахуванням добового коливання тарифу на електроенергію. Попередньо в загальних технічних схемах ММЗ, відповідно до особливостей логісти- ки і практики, плавильне відділення включає одну ДСП (ДСППС) або дві ІП (одна періо- дично в ремонті) та по одному пристрою по- запічної обробки й розливки (МБЛЗ). Оцінку місткості печі (ковша) здійснюють виходячи з виробничої програми ММЗ, фонду робочого часу, наведеної вище тривалості плавки. Кіль- кість струмків слябової та блюмової МБЛЗ за- звичай становить 1; сортової — визначається швидкістю витягування (згідно з рекоменда- ціями виробника машини) й перерізом безпе- рервнолитої заготовки. Нові енергоефективні рішення щодо ви- робництва сталі на ММЗ. Зі збільшенням об- сягів виробництва електросталі актуальним стає підвищення енергоефективності та еколо- гічної безпеки ДСП. Досить низький (до 75 %) тепловий ККД ритмічно працюючих дугових печей порівняно з конвертером зумовлений втратами енергії, з яких 70—80 % припадає на пилогазове середовище і воду, що охолоджує захисні панелі. У ДСП ливарного класу, які працюють із простоями, ККД нижчий і пере- важають втрати енергії на акумуляцію тепло- ти футерівкою. У ДСП енергоефективність тісно пов’язана з екологічною безпекою через «вуглецевий слід» споживаної електроенергії. В табл. 4 наведено характеристики розробок, спрямованих на підвищення енергоефектив- ності та екологічної безпеки електросталепла- вильного виробництва в умовах ММЗ. Нижче надано пояснення щодо пропонованих рішень. «Глибока» ванна ДСП. Зменшення коефіці- єнта форми сталеплавильної ванни kb = Db/ Hb (рис. 3а) веде до зниження втрат теплоти випромінюванням (рис. 8а) та інтенсифікації процесів тепломасообміну в розплаві (рис. 8б) завдяки зростанню двофазної зони при пнев- матичному перемішуванні й збільшенню по- тужності електровихрових течій при електро- магнітному перемішуванні [37—42]. Внаслідок Рис. 7. Схема тех- нологічного марш- руту ММЗ групи С: 1 — вакуумна камера для стале- вих зливків; 2 — радіальна МБЛЗ; 3 — вертикальна МБЛЗ; 4 — гори- зонтальна МБЛЗ; 5 — двовалкова МБЛЗ 32 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2023. (4) СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ Таблиця 4. Характеристика інноваційних розробок для ММЗ Найменування Характеристика розробки Застосування Очікувані результати «Глибока» ванна ДСП з примусовим перемішуванням Зменшення коефіцієнта форми ванни з традиційного 5,0—4,5 до 2,5—1,8 за певної місткості печі Усі види ДСП. Найбільш ефек- тивна при flat bath-процесі Зниження втрат теплоти з водою на 20—50 %, втрат заліза та емісії NOx на 10—12 %. Підвищення швидкості на- гріву ванни дугами та плавлення скра- пу на 15—25 % Оптимізація діаме- тра розпаду електро- дів ДСП Збільшення відносного діа- метра розпаду електродів із традиційного 0,2 до 0,42— 0,49 діаметра каркасу ДСП місткістю 100 т, що працю- ють на скрапі Економія електроенергії 2,5—7,5 % завдяки збільшенню відносної частки етапу роботи дуг у колодязях у загаль- ному часі періоду плавлення Система розосе- редженої аспірації пилогазового сере- довища ДСП Збільшення та розосеред- ження поверхні всмокту- вання з наближенням її до електродних зазорів Всі види ДСП, а також ПКП Скорочення неорганізованих викидів, збільшення припливу повітря в піч на 20—35 % порівняно з традиційною системою аспірації Модернізація робо- чого простору ДСП ливарного класу Комплекс «глибока» ванна, система розосередженої аспірації, комбіновані водо- охолоджувані елементи ДСП ливарного класу Економія електроенергії до 75 кВт·год/т, зниження витрати вогне- тривів на 30—40 % Багатофункціональ- ний проміжний ківш МБЛЗ Нагрів та рафінування сталі в умовах електромагнітного перемішування Проміжні ковші МБЛЗ Зниження витрати електроенергії на позапічну обробку сталі на 40— 60 кВт·год/т Рис. 8. Відносні втрати теплоти випромінюванням через водоохолоджувані елементи βвe залежно від коефіцієнта форми ванни kb для дугової печі місткістю 120 т (а). Традиційний дискретний процес у ДСП (1), в ДСППС (2) та flat bath-процес у ДСП (3). Залежність середньої температури металу tm від часу нагрівання дугами базової (I) та «глибокої» (II) ванни (б) інтенсифікації перемішування знижується перегрів ванни в зонах горіння дуг, а отже, зменшуються втрати заліза випаровуванням та емісія токсичних оксидів азоту NOx. Приму- сове перемішування у «глибокій» ванні підви- щує інтенсивність дугового нагріву розплаву та конвективного плавлення скрапу, особливо в разі умовно безперервного flat bath-процесу, скорочує тривалість плавки та витрати енергії. Відповідно до розрахунку теплообміну в ро- бочому просторі ДСП [37], втрати енергії з во- дою досягають мінімуму за певного kb (рис. 8а), ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2023, № 4 33 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ що пов’язано з посиленням впливу електродів у загальній потужності випромінювання зі зменшенням діаметра ванни. Варіювання kb обмежене областями А, В через умови заван- таження шихти в різних енерготехнологічних режимах печей. Найбільший ефект «глибокої» ванни досягається в дугових печах, що працю- ють за flat bath-процесом, і в ДСППС (завдяки одному електроду) і полягає у зниженні втрат теплоти з водою на 49 і 20 % відповідно. Чисельним моделюванням нагріву ван- ни ДСП для середньої температури металу (рис. 8б) встановлено вплив вільної конвек- ції від гарячих плям дуг зверху та вимушеної конвекції при барботажі металу знизу [41]. Дія першого фактора виявляється у повільному на- гріві «глибокої» ванни від дуг, другий фактор, що характеризується потужністю пневматич- ного перемішування, зі збільшенням глибини ванни набуває переважного розвитку і з пли- ном часу стає визначальним. Отримані резуль- тати свідчать про можливість скорочення часу дугового нагріву сталі в печі на 12—16 % за змі- ни коефіцієнта форми ванни від 5,0 до 2,5. Оптимізація діаметра розпаду електродів ДСП. Чисельне дослідження впливу віднос- ного діаметра розпаду електродів kp = Dp/Df (рис. 3а) на режим плавлення та питому витра- ту електроенергії у найбільш енерговитратний період плавлення виконано для промислових ДСП місткістю 15; 120 і 250 т (рис. 9) [43]. Для ДСП, що працюють на скрапі за дис- кретним процесом, оптимальний kp зростає з 42 у 15-тонній до 49 у 250-тонній печі. При пе- реході від базового kp = 0,20 до оптимального збільшується відносний час найбільш енергое- фективного етапу плавлення шихти в колодя- зях на 2 % у печах малої (до 15—20 т) місткості і до 12—18 % у великотоннажних (120—250 т) ДСП. В результаті зміни режиму плавлення при оптимізації kp очікується економія елек- троенергії від 2,5 % у печах малої місткості до 7,5 % у великотоннажних печах. Для досягнен- ня максимальної відносної тривалості енергое- Рис. 9. Режими плавлення шихти (а) та економія електроенергії βel залежно від kp = Dp/Df (б) Рис. 10. Комбінований звід ДСП ливарного кла- су — загальне рішення (а) та реалізація (б): 1 — портал печі; 2 — опорне кільце зводу; 3 — цен- тральна водоохолоджу- вана частина; 4 — опори; 5 — витяжний газохід; 6 — вогнетривка вставка 34 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2023. (4) СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ фективного етапу горіння дуг у колодязях у за- гальному часі плавлення у великотоннажних ДСП доцільно збільшити відносний діаметр розпаду електродів. Система розосередженої аспірації ДСП. Га- зовидалення з ДСП реалізують розрідженням, створюваним димососом, через витяжний га- зохід над отвором у зводі (рис. 11а). Аспірація має локальний характер через обмеження пе- рерізу газоходу та розташування його на пери- ферії зводу. Газодинаміка робочого простору ДСП ха- рактеризується інтенсивними пилогазовими потоками, неорганізованими викидами через електродні зазори та значним припливом пові- тря через робоче вікно. Наслідком є підвищені втрати теплоти з пилогазовим середовищем та заліза з плавильним пилом. Ці проблеми вирішуються наближенням ви- тяжного газоходу до зони електродних зазорів (рис. 11б). Вплив розрідження димососу таким чином розосереджується між цією зоною і пе- риферією печі за допомогою камери на зводі печі, що охоплює електроди, і додаткового ка- налу з витяжного газоходу на периферію печі [44]. Аспіраційна поверхня в разі такої орга- нізації газовидалення з ДСП збільшується до 1,7 раза. Загальна картина газодинаміки печі, з огляду на число треків частинок пилу, що про- ходять крізь електродні зазори в умовну каме- ру, свідчить про більш ефективну локалізацію неорганізованих викидів у системі розосеред- женої аспірації. Модернізація ДСП ливарного класу. ДСП ли- варних цехів, що простоюють на заводах Укра- їни через економічні проблеми, характеризу- ються низькою питомою потужністю трансфор- матора (0,5—0,7 МВА/т), неефективною систе- мою аспірації, відсутністю засобів примусового перемішування ванни. Наслідком є низький рівень енергоефективності та екологічної без- пеки, підвищена витрата вогнетривів через три- валий «рідкий» період плавки та обмеженість застосування водоохолоджуваних елементів у критичних за стійкістю зонах футерівки при не- можливості компенсації втрат теплоти. Засто- сування таких печей на ММЗ за сучасних цін на енергоносії та вогнетриви, а також зважаючи на підвищені екологічні вимоги, можливе лише після їх ефективної модернізації. Проблема вирішується зниженням місткос- ті та коефіцієнта форми ванни в межах наяв- ної інфраструктури печі, впровадженням сис- теми розосередженої аспірації, примусового перемішування металу та водоохолоджуваних елементів у критичних за стійкістю зонах фу- Рис. 11. Схема традиційної системи аспірації (а) та системи розосередженої аспірації (б): 1 — витяжний газохід, 2 — зводова камера, 3 — канал витяжного газо- ходу Рис. 12. Багатофункціональний проміжний ківш МБЛЗ. 1 – центрифугальна камера; 2 — кожух; 3 — індуктори; 4 — захисна труба; 5 — патрубки для пере- тікання металу; 6 — розподільна камера; 7 — індуктор для нагрівання сталі; 8 — стопор; 9 — теплоізолюваль- на суміш; 10 — циркуляційні потоки; 11 — неметале- ві включення; 12 — рідка ванна; 13 — стакан-дозатор; 14 — заглибний стакан; 15 — кристалізатор ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2023, № 4 35 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ терівки. Останнє дозволить знизити втрати енергії на акумуляцію теплоти масивною фу- терівкою під час простоїв ДСП, що переважа- ють в енергетичному балансі печей ливарного класу (табл. 2). Комбіновані водоохолоджувані елементи призначені для застосування в ДСП ливарно- го класу малої місткості (до 12 т) при низькій за сучасними стандартами питомій потужності трансформатора. У комбінованому зводі ДСП (рис. 10) охолоджується центральна, найбільш термічно напружена й схильна до зношування частина, що лімітує стійкість зводу в цілому [45]. Таке рішення дозволяє за мінімальних втрат теплоти скоротити витрату вогнетривів та електродів. Багатофункціональний проміжний ківш МБЛЗ. Вимоги до якості безперервнолитої за- готовки зі спеціальних сталей постійно поси- люються. У технологічному маршруті ММЗ з ДСП малої місткості (група С) традиційно пе- редбачений ПКП в деяких випадках не може задовольнити ці вимоги через низьку стійкість футерівки шлакового поясу сталерозливного ковша, спричинену потужним випромінюван- ням близько розташованих електродів. Для цієї групи ММЗ актуальним видається впро- вадження багатофункціонального проміжно- го ковша. При цьому можна виключити ПКП із технологічної схеми. Конструкція ковша (рис. 11) забезпечує необхідну температуру металу в процесі розливки, очищення сталі від неметалевих включень, рафінування й мікро- легування розплаву [46, 47]. Таке технічне рі- шення дасть змогу зменшити інвестиційні та поточні витрати ММЗ до 10 %, знизити витра- ти енергії на позапічну обробку. Висновки. Відновлення економіки України нерозривно пов’язане з розвитком сталеливар- ної промисловості. Орієнтація галузі на «зеле- ний курс», проголошений ЄС в 2019 р. у рам- ках боротьби зі зміною клімату Землі, створює унікальну можливість подолати технічне від- ставання завдяки освоєнню нових технологіч- них процесів електрометалургії, які відповіда- ють сучасним вимогам енергоефективності та екологічної безпеки. Рішення полягає у розвитку мережі малих металургійних заводів, які працюють з міні- мальними матеріальними, енергетичними та екологічними витратами. Такі заводи посту- пово витіснятимуть великі вертикально інте- гровані металургійні комбінати, що домінують зараз, з їх традиційним вуглецевим циклом сталеплавильного виробництва, фізично зно- шеним і морально застарілим обладнанням. З огляду на промислову інфраструктуру в Україні, доцільно впроваджувати три групи малих металургійних заводів, щоб задіяти на- явні залізорудні ресурси, металобрухт та на- копичені залізовмісні техногенні відходи як вихідну шихту. Основну увагу слід приділити малим мета- лургійним заводам з виробництва сталі із мета- лізованої сировини в дуговій сталеплавильній печі як альтернативі домінуючому нині енерго- місткому та екологічно брудному технологічно- му маршруту доменна піч — конвертер. У такий спосіб можна задовольнити внутрішній попит і експортувати на зовнішній ринок конкуренто- спроможну листову металопродукцію сучасних ливарно-прокатних модулів. Реалізація такого проєкту дозволить зменшити питому емісію СО2 у 1,45—2 рази. Перехід на відновлення за- ліза воднем у процесі розвитку та здешевлення технологій електролізу води кардинально вирі- шує проблему вуглецевої нейтральності мета- лургійної галузі в контексті Green Deal. Дві інші групи малих металургійних заводів на основі технологічних маршрутів з дуговими та індукційними електропечами мають забезпе- чити продукцією ринок сталі масового попиту та спеціальних сталей, що виробляються мали- ми партіями, а також ливарне й ковальське ви- робництво в машинобудівному комплексі. У процесі створення малих металургійних заводів доцільно використовувати окремі ду- гові печі, що зараз простоюють на сталеливар- них заводах через проблеми з ринками збуту. Для цього їх слід модернізувати, зокрема із за- стосуванням «глибокої» ванни, оптимального діаметра розпаду електродів, системи розосе- редженої аспірації, водоохолоджуваних еле- ментів зі зниженими втратами теплоти. 36 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2023. (4) СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ REFERENCES [СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ] 1. Hornby S., Brooks J. Impact of Hydrogen DRI on EAF Steelmaking. Direct from Midrex. 2021. https://bit.ly/ 400tCAd 2. Energy use in the steel industry. World Steel Association. 2021. https://bit.ly/3TBqU1B 3. Driving Energy Efficiency in Heavy Industries. Analysis. IEA, 2021. https://bit.ly/3n03oPD 4. Data Collection Survey on Promotion of “Eco Progress” in the Steel Industry for GHG Reduction. Final Report. March 2022. https://openjicareport.jica.go.jp/pdf/12335204.pdf 5. A European Green Deal. Striving to be the first climate-neutral continent. 2019. https://bit.ly/40gWrbi 6. Saha D. Towards a decarbonisation of Ukraine’s steel sector. 2021. https://bit.ly/3n0Iekl 7. Quader A., Ahmed S., Ghazilla R.A.R., Ahmed Sh., Dahari M. A comprehensive review on energy efficient CO2 breakthrough technologies for sustainable green iron and steel manufacturing. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2015. 50: 594—614. https://doi.org/10.1016/j.rser.2015.05.026 8. Kollmann T., Kirschen M., Jandl C., Zett K.-M. Benefit of gas purging in BOF and EAF with a focus on material ef- ficiency and CO2 emissions reduction. 57 International Colloquium on Refractories 2014. Refractories for Metallurgy. 2014. 9. Stalinsky D.V., Peretyatko R.A., Andreeva T.A. Energy intensity of rolling. Visnik NTU “KhPI”. 2011. (46): 131—138. [Сталинский Д.В., Перетятько Р.А., Андреева Т.А. Энергоемкость проката. Вісник НТУ ХПІ. 2011. № 46. С. 131—138.] 10. Toulouevski Yu., Zinurov I. Electric Arc Furnace with Flat Bath. Achievements and Prospects. Heidelberg, New York, Dordrecht, London, 2015. https://doi.org/10.1007/978-3-319-15886-0 11. Seshadri S. (ed.) Treatise on Process Metallurgy. Industrial Processes. Part A. Elsevier, 2014. https://doi.org/10.1016/ C2010-0-67121-5 12. Toulouevski Yu., Zinurov I. Innovation in Electric Arc Furnaces. Scientific Basis for Selection. Berlin: Springer-Verlag. 2010. https://doi.org/10.1007/978-3-642-36273-6 13. Bedarkar S.S. Energy Balance in Induction Furnace and Arc Steelmaking Furnace. International Journal of Engineer- ing Research and Applications. 2020. 10(6): 57—61. https://doi.org/10.9790/9622-1006055761 14. Chaabet М., Dötsch Е. Steelmaking based on inductive melting. Heat Processing. 2012. 1: 49—58. 15. December 2022 crude steel production and 2022 global crude steel production totals. World Steel Association. 31.01.2023. https://bit.ly/3n2vwSe 16. Narivskiy A.V., Smirnov O.M., Timoshenko S.M. Steel production in Ukraine: current state and prospects (review). Met. lit’e Ukr. 2022. 30(3): 28—46. https://doi.org/10.15407/steelcast2022.03.028 17. Jones J., Bowman B., Lefrank P. Electric Furnace Steelmaking. Chapter 10. AISE Steel Foundation. Pittsburg, 1998. 18. Toulouevski Yu., Zinurov I. Fuel Arc Furnace (FAF) for Effective Scrap Melting. Springer Publishing, 2017. https:// doi.org/10.1007/978-981-10-5885-1 19. Timoshenko S., Gubinskij M. Energy efficient solutions of DC Electric Arc Furnace Bottom Electrode. Modern prob- lems of metallurgy. 2020. 23: 121—129. https://doi.org/10.34185/1991-7848.2020.01.12 [Тімошенко С.М., Губинський М.В. Енергоефективні рішення подового електроду дугової сталеплавильної печі постійного струму. Сучасні проблеми металургії. Наукові вісті. 2020. Т. 23. С. 121—129.] 20. Gandhewar V., Bansod S.V., Borade A.B. Induction Furnace – a Review. International Journal of Engineering and Technology. 2011. 3(4): 277—284. 21. Yegorov A.V. Raschet moshchnosti i parametrov elektropechey chernoy metallurgii (Calculation of power and param- eters of electric furnaces for ferrous metallurgy). Moscow, 1990. [Егоров А.В. Расчет мощности и параметров электропечей черной металлургии. Москва: Металлургия, 1990.] 22. Chevrier V., Lorraine L., Muchishita H. Midrex Process: Bridge to Ultra-low CO2 Ironmaking. Kobelco Technology Review. 2021. 39: 33—40. https://www.kobelco.co.jp/english/ktr/pdf/ktr_39/033-040.pdf 23. Patisson F., Mirgaux O. Hydrogen Ironmaking. How it works. Metals. 2020. 10(7): 922. https://doi.org/10.3390/ met10070922 24. Zare Ghadi A., Valipour M., Vahedi S., Sohn H. A Review on the Modeling of Gaseous Reduction of Iron Oxide Pel- lets. Steel Res. Int. 2020. 91(1): 1900270. https://doi.org/10.1002/srin.201900270 25. Chevrier V. Ultra-low CO2 Ironmaking. Transitioning to the Hydrogen Economy. Direct from Midrex. 2020. https:// bit.ly/3LOqqTV 26. Cavaliere P.D., Perrone A., Silvello A. Water Electrolysis for the Production of Hydrogen to Be Employed in the Ironmaking and Steelmaking Industry. Metals. 2021. 11(11): 1816. https://doi.org/10.3390/met11111816 ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2023, № 4 37 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ 27. The Future of Hydrogen. Report prepared by the IEA for the G20, 2019. https://www.iea.org/topics/hydrogen/ 28. Green E. The use of Hydrogen in the Iron and Steel Industry. US Department of Energy Workshop 2018. https://bit. ly/3K1KMrz 29. Mukhopadhyay A., Ometto M. Energy saving and CO2 reduction in Energiron DRI production. In: VI International Congress on the Science and Technology of Ironmaking (14—18 October 2012, Rio de Janeiro, Brazil). P. 302—312. 30. Kikuchi S., Ito S., Kobayashi I., Tsuge O., Tokuda K. ITmk3 Process. Kobelco Technology Review. 2010. 29: 77—84. https://www.kobelco.co.jp/english/ktr/pdf/ktr_29/077-084.pdf 31. Rutherford S.D., Kopfle J.T. Mesabi Nugget: The World’s First Commercial ITmk3® Plant. Iron and Steel Technology. 2010. 7: 38—43. 32. Peplow M. Can industry decarbonize steelmaking? Chemical & Engineering News. 2021. 99(22): 22. https://bit. ly/42tSguJ 33. The right formula for steel in the future. https://etipwind.eu/wp-content/uploads/Siderwin.pdf 34. Tishchenko P.I., Timoshenko S.N. Smelting and reduction process for the disposal of metallurgical waste in an elec- tric furnace with hearth electrodes. Ekologiya i promyshlennost. 2013. (3): 90—94. [Тищенко П.И., Тимошенко С.Н. Плавильно-восстановительный процесс для утилизации металлургических отходов в электропечи с подовыми электродами. Экология и промышленность. 2013. № 3. С. 90—94.] 35. Dubodelov V., Smirnov O., Kubersky S., Goryuk M. Innovative development of small metallurgical plants as a key direction of modernization of steelmaking in Ukraine. Visn. Nac. Akad. Nauk Ukr. 2015. (12): 33—45. https://doi. org/10.15407/visn2015.12.200 [Дубоделов В.И., Смирнов А.Н., Куберский С.В., Горюк М.С. Инновационное развитие малых металлургиче- ских заводов как ключевое направление модернизации сталеплавильного комплекса Украины. Вісник НАН України. 2015. № 12. С. 33—45.] 36. Gottardi R., Miani S., Partyka A. The Hot Metal Meets the Electric Arc Furnace Steelmaking Route. Archives of Metallurgy and Materials. 2008. 53(2): 517— 522. 37. Timoshenko S.N., Stovpchenko A.P., Kostetski Yu.N., Gubinski M.V. Energy efficient solutions for EAF steel- making. Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering. 2018. 88(1): 18—24. https://doi. org/10.5604/01.3001.0012.5867 38. Timoshenko S.N. Computer modeling bath geometry to improve energy efficiency of electric arc furnace. System technologies. 2016. 3: 33—39. 39. Timoshenko S., Smirnov A., Nemtsev E. Increasing energy efficiency of arc furnace with electromagnetic stirring. Proc. 30th Anniversary Int. Conf. on Metallurgy and Materials. 2021. Р. 21—26. https://doi.org/10.37904/metal.2021.4080 40. Timoshenko S.N. Modeling the geometry of the steel-smelting bath and the hearth electrode of a DC arc furnace in order to improve its energy efficiency. Visnik NTU “KhPI”. 2017. 30: 116—124. [Тимошенко С.Н. Моделирование геометрии сталеплавильной ванны и подового электрода дуговой печи постоянного тока с целью повышения ее энергоэффективности. Вісник НТУ ХПІ. Сер. Математичне моделювання в техніці і технологіях. 2017. Вип. 30. C. 116—124.] 41. Timoshenko S.N. Improving bath geometry as a way of increasing EAF thermal efficiency. Scientific Papers of Do- netsk National Technical University. 2012. (1-2): 36—43. 42. Timoshenko S.N., Gubinsky M.V. Deep bath — the way to intensify heat and mass transfer processes and increase energy efficiency of the electric arc furnace. Met. lit’e Ukr. 2019. 27(10-12): 8—17. https://doi.org/10.15407/steel- cast2019.10.008 [Тімошенко С.М., Губинський М.В. Глибока ванна — шлях до інтенсифікації процесів тепломасообміну і підвищення енергоефективності дугової сталеплавильної печі. Метал та лиття України. 2019. Вип. 10-12. С. 8—17.] 43. Timoshenko S., Gubinskij M. Energy efficient solutions for electrodes pitch diameter of electric arc furnace. Modern problems of metallurgy. 2019. 22: 104—113. https://doi.org/10.34185/1991-7848.2019.01.11 [Тимошенко С.Н., Губинский М.В. Энергоэффективные решения диаметра распада электродов дуговой сталеплавильной печи. Сучасні проблеми металургії. Наукові вісті. 2019. Вип. 22. С. 104—113.] 44. Timoshenko S. Increasing energy efficiency of electric arc steelmaking furnace by improvement of aspiration system and recycling of melting dust. Scientific papers of Donetsk National Technical University. Series: Electrical and Power Engineering. 2021. (24): 14—24. https://doi.org/10.31474/2074-2630-2021-1-14-24 [Тімошенко С.М. Підвищення енергоефективності дугової сталеплавильної печі шляхом вдосконалення системи аспірації та рециклінгу плавильного пилу. Наукові праці ДонНТУ. Сер. Електротехніка і енергетика. 2021. № 24. С. 14—24.] 38 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2023. (4) СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ 45. Doroshenko A.V., Timoshenko S.N., Tischenko P.I. Combined water-cooled roof for electric arc furnaces of small capacity. Metallurgicheskaya i gornorudnaya promyshlennost. 2017. (5): 91—95. [Дорошенко А.В., Тимошенко С.Н., Тищенко П.И. Комбинированный водоохлаждаемый свод дуговых электропечей малой вместимости. Металлургическая и горнорудная промышленность. 2017. № 5. С. 91—95.] 46. Smirnov O.M., Narivskiy A.V., Smirnov E.N., Verzilov A.P., Semenko A.Yu., Goryuk M.S. Development of a Two- Chamber MHD Tundish for Metal Casting. Science and Innovation. 2021. 17(4): 19—24. https://doi.org/10.15407/ scine17.04.019 47. Dubodelov V., Smirnov O., Goryuk M., Pogorsky V., Seredenko V., Buryak V. Features of functioning of magnetody- namic tundish at continuous casting of steel. Proc. 8th Int. Conf. on Electromagnetic Processing of Materials EPM2015. (October 12—16, 2015, Cannes, France). P. 625—628. Oleksii M. Smirnov Physico-Technological Institute of Metals and Alloys of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, Ukraine ORCID: https://orcid.org/0000-0003-1173-976X Sergey M. Timoshenko Technical University “Metinvest Polytechnic” LLC, Mariupol, Ukraine ORCID: https://orcid.org/0000-0003-4221-9978 Anatoliy V. Narivskiy Physico-Technological Institute of Metals and Alloys of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, Ukraine ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1596-6401 RENOVATION AND INNOVATIVE DEVELOPMENT OF STEEL PRODUCTION IN UKRAINE IN THE CONTEXT OF ENERGY EFFICIENCY AND GREEN DEAL In the future recovery of the economy, an important role is assigned to the steelmaking complex. In the context of the Green Deal requirements to achieve carbon neutrality by 2050, the metallurgy of Ukraine has a unique opportunity not only to overcome the technical lag of the industry in terms of energy efficiency and environmental safety, but also to get rid of an inefficient technological structure with physically worn out and out-of-date, obsolete fixed assets. The solution lies in the transition to small metallurgical plants (SMP) and the strategy of minimizing economic and environmental costs. The industrial infrastructure of Ukraine needs the implementation of three groups of SMPs in order to use avail- able iron ore resources, scrap metal and iron-containing waste as the initial charge. The production and remelting of metallized raw materials (DRI/HBI) in an electric arc furnace (EAF) as an alternative to the ecologically dirty techno- logical route blast furnace — converter will supply the domestic market and exports with competitive sheet metal prod- ucts of casting-rolling modules. Low-carbon at the first stage, the technology will allow in the medium term to reduce the specific emission of CO2 by 1.45-2 times and will create a basis for the further transition to carbon-neutral hydrogen metallurgy. Two groups of SMPs, based on technological routes with arc and induction electric furnaces, should focus on the market of mass-demand steel and small batches of special steels, as well as provide foundry and forging production for the machine-building complex. In the context of new SMPs, the modernization of EAFs that are idle due to problems with sales markets, through the introduction of a “deep” bath, a system of distributed aspiration, water-cooled elements with reduced heat loss, optimization of the electrodes pitch diameter, is gaining relevance. Keywords: small metallurgical plants, EAF, energy efficiency, carbon neutrality, metallized raw materials. Cite this article: Smirnov O.M., Timoshenko S.M., Narivskiy A.V. Renovation and innovative development of steel production in Ukraine in the context of energy efficiency and Green Deal. Visn. Nac. Akad. Nauk Ukr. 2023. (4): 21—38. https://doi.org/10.15407/visn2023.04.021

Відновлення та інноваційний розвиток виробництва сталі в Україні в контексті енергоефективності та європейського зеленого курсу

Institution

Ähnliche Einträge