Kovine, zlitine, tehnologije / letnik 26/številka 1, 2/strani 23 do 29/ 1992 Racionalizacija in optimiranje proizvodnje v jeklarni Bela M. Tolar, Železarna Jesenice in J. Lamut, Oddelek za montanistiko, FNT, Univerza v Ljubljani, Aškerčeva 20 1 Uvod Dramatične spremembe v načinu gospodarjenja v R Sloveniji predvsem v zadnjih dveh letih je slovensko jeklarstvo potisnilo na rob ekonomske katastrofe, iz katerega sta možna le dva izhoda: • zapiranje jeklam in s tem ukinitev produkcije jekla v R Sloveniji • brezkompromisno zapiranje zastarelih ter hitro in učinkovito ekonomičnejše delo perspektivnih obratov na podlagi maksimalnega izkoriščanja tehnoloških in tehničnih izboljšav ter lastnega znanja • investicije v izpopolnitev tehnoloških poti Jeklama Bela je kot najmodernejši jeklarski obrat Slovenskih Železarn v izredno slabem ekonomskem položaju in se trenutno nahaja v visokih izgubah. Za stanje, kakršno je, so po našem mnenju sledeči vzroki: • previsoke specifične porabe vseh vrst v primerjavi z zapadnoevropskimi elektro jeklamami • previsoki ostali stroški • nedograjenost jeklarne v smislu tehnološke celote • izdelava cenovno neustreznega asortimenta jekel 2 Agregati za produkcijo jekla v jeklarni Bela V Jeklarni Bela so instalirani naslednji agregati za izdelavo, obdelavo in vlivanje jekel: • UHP-EOP sistema EBT z nominalno kapaciteto 85 ton tekočega jekla in močjo transformatorja 60 MW • VOD/VD napravo za izvajanje sekundarne metalurgije • TN napravo za obdelavo jekel s sintetičnimi žlindrami in strojem za uvajanje polnjenih žic • Enožilna naprava /.a kontinuirno vlivanje slabov debeline 160, 200 in 250 mm in širine 800 do 1600 mm ter maksimalne dolžine 5900 mm. 3 Stanje opremljenosti agregatov jeklarne Bela po njeni izgradnji v letu 1987 Vzroki za neopremljenost Jeklarne Bela s celotnim spektrom dodatne opreme, ki je danes instalirana v modemih jeklamah, so bili: • finančne restrikcije • del dodatne opreme, ki je danes neobhoden za izvajanje tehnoloških operacij, je bil v času projektiranja jeklarne, ki seže v leto 82/83 v fazi testiranja. 3.1 Stanje priprave vložka Staro železo, ki je kupljeno v okviru inozemskih dobav je zelo različne kvalitete tako v pogledu kemične sestave kot dimenzij oziroma volumske teže. Za direktno uporabo je z oceno dobro ovrednoteno le malo. Domače staro železo je v pogledu uporabnosti slabo in njegove lastnosti zelo nihajo v odvisnosti od dobaviteljev kot tudi časa dobave. Lastni povratek se v bistvu uporablja tak kot nastane v posameznem obratu. Priprave starega železa v modernem smislu praktično ni. V pripravi vložka obstaja le rezalna naprava—škarje, ki tako po dimenzijah kot količinah lahko obdelajo in pripravijo le del saržirnega vložka. Potrebnost investicije v to področje, ki je bistveno za dobro delo EOP, je ocenjena različno. Poudariti moramo našo grobo oceno, da imamo zaradi nepripravljenega starega saržirnega železa približno za 20-40 kWh/t višje specifične porabe električne energije, če ne upoštevamo še vzporednih učinkov kot so: spec. porabe OM, elektrod, zastojev T/T časov. Naša trditev je potrjena z ustrezno literaturo1. Smatramo, da je ureditev in investiranje v ta del tehnološke poti bistveno predvsem iz razlogov: • dvig specifične storilnosti EOP • dvig v kvalitetnem smislu • znižanje specifičnih porab vseh vrst na primarnem agregatu jeklarne. 3.2 UHP-EOP-EBT—85 ion Z uvedbo in razmahom sekundarne metalurgije izdelave jekla je EOP izgubila klasično mesto v E jeklarni in se je njeno delo reduciralo na funkcijo talilnega agregata, v katerem čim hitreje izvedemo sledeče faze tehnološkega procesa: • raztalitev vložka • oksidacijo odvečnih elementov iz kopeli • razfosforenje • ogretje taline na temperature, ki omogoča izdelavo jekla po postopkih sekundarne metalurgije Firma DEMAG je dobavila EOP brez dodatne opreme, ki je bistvena za boljše in gospodarnejše delo agregata. Od pričetka obratovanja leta 1987 do danes smo uspeli kupiti, vgraditi in usposobiti za obratovanje na EOP sistem za vpi-hovanje prašnatih karbonskih materialov za tvorbo penečih žlinder, kisikovo kopje in DPP oziroma VVS sistem za mešanje jeklene kopeli z inertnimi plini skozi dno agregata. Vsa ta oprema normalno deluje in daje v ekonomsko-tehničnem pogledu pozitivne rezultate. 3.3 Področje sekundarne metalurgije Na področju sekundarne metalurgije so locirani sledeči agregati: • VOD/VD naprava kapacitete 90 ton • TN naprava • stroj za uvajanje polnjenih žic Bistveni agregat, katerega prisotnost na tem področju v modernih jeklarnah ne moremo pogrešati je ponovčna peč, ki omogoča maksimalne prihranke. Ponovčna peč kot sam agregat nima direktno velikega vpliva na zniževanje stroškov. Njena polna veljava pa nastopi v funkciji rezervoarja jeklene taline, ki je podvržena metalurškim operacijam in nam omogoča vlivanje jekla v sekvencah, kjer so prihranki maksimalni. 85T-EOP-EBT JEKLARNA BELA KISIK0V0 KOPJE PNEVMATSKO INJEKTIRANJE C 60 MVA (42 MVA) (706 KVA/t) 3.4 Naprava za kontinuirno vlivanje slahov Izvedba naprave za kontinuirno vlivanje jekla nam zaradi načina hlajenja žile ne omogoča vlivanja posameznih kvalitet mikrolegiranega jekla. Investicije v spremembo hladilnega sistema in dodatno manjkajočo opremo so nujno potrebne. Iz opisa je razvidna opremljenost agregatov in tehnoloških poti v Jeklarni Bela z dodatno opremo. Slika 1 prikazuje primerjavo opremljenosti EOP v jeklarni Bela s sorodnim agregatom v BSW, ki predstavlja najproduktivnejšo mini jeklamo na svetu. 4 Primerjave specifičnih porab med jeklarno Bela in BSW2 V tabeli 1 so navedene specifične porabe na tono izdelanega jekla (slab, gredica) v obeh jeklarnah. Glede na omenjene razlike v opremljenosti primarnih ter dodatnih agregatov v tehnološki verigi izdelave jekla smo na podlagi podatkov BSW:l, ki navajajo prihranke specifičnih porab po vrsti ukrepov izdelali novo tabelo 2, ki prikazuje specifično porabo električne energije. Razlika med jeklarno Bela in BSW znaša 60 kWh/t jekla. Znan je podatek4, da je med procesom izdelave chg v jeklami Bela približno 8% izgube električne energije zaradi motenj iz kakršnihkoli vzrokov (zastoji) in to znese: 570 x 0.08 = 45 kWh/t ostalih 20 kWh* razlike lahko upravičeno pripišemo slabi pripravljenosti starega železa, kar je že omenjeno. Proizvodnja, specifična storilnost, specifična poraba EE in elektrod od samega začetka obratovanja jeklame Bela je prikazano z diagrami na slikah 2,3,4,5 in 6. Enak izračun primerjave med jeklarno Bela in BSW, kot smo ga izdelali za EE velja tudi za specifično porabo elektrod, kjer prav tako pridemo v obeh jeklarnah na približno enake specifične porabe. 5 Stroški Tabela 3 prikazuje stroške izdelave jekla v jeklarni Bela in BSW. Določen vpliv na izredno visoko ceno jekla imajo stroški, ki so trenutno nad evropskim nivojem. Preračun stroškov pri upoštevanju izenačitve specifičnih porab v jeklarni Bela in BSW kaže, da bistveno odstopamo navzgor NEPRIPRAVLJEN VLOŽEK 80 - 85% (gostoto 16 - max 0,8 t/m' I 60T- EOP-EBT 48 MVA (800 kVA/t) Oxy-tuel Ar, N? DPP, WS, TLS BSW V00N0 HLAJENJE ELEKTR00 PNEVMATSKO INJEKTIRANJE C KISIKOVO KOPJE PNEVMATSKO INJEKTIRANJE CaO PRIPRAVLJEN VLOŽEK (gostoto l,2t/m3) PRE0GREVANJE VLOŽKA LF SEKVENČN0 LITJE (ogrevam tundisk-i) Slika 1. Primerjava opremljenosti. PROIZVODNJA JEKLARNE BELA PLANIRANA - DOSEŽENA 200000 150000 100000 50.000 C PLANIRANA DOSEŽENA 1987 198« 1989 1990 1-6 1991 Slika 2. Proizvodnja jeklame Bela. 'Upoštevamo, da BSW izgubi cca 5 kWh/t na račun zastojev. vložek energija OM +54 DEM/t +65 DEM/t +32 DEM/t Tabela 1. Specifični kazalci v Jeklarni Bela in BSW. Kazalec Jeklama Bela BSW produktivnost t/MWh 1.15 1.7 EE EOP kWh/t 570 390 LF 0 15 570 405 kisik nrVt 16 22 elektrode kg/t EOP 4.7 2.75 LF 0 0.15 4.7 2.90 Poraba OM kg/t srce 0.53 0.30 stena in dno 1.07 0.3 obrizg sten in dno 5.92 4.5 Zastoji 9f mehanski 3.2 0.2 električni 5.39 0.1 tehnološki 8.17 3.8 16.76 4.1 Tabela 2. Prihranki glede na vrsto ukrepov—znižanje EE (kWh/t) Ukrep jeklarna Bela BSW obstoječe 570 390 predgrevanje vložka 0 40 kontrola dolžine obloka 0 15 statični VAR sistem 0 5 avtomatika dodajanja legur 0 5 LF 0 15 sistem vročih ponovc 0 10 procesna avtomatika 0 15 trening posadk 15 30 skupaj 585 525 800 750 700 650 600 550 500 1987 1988 1989 1990 1-6 1991 Slika 3. Specifična poraba električne energije. 7! 3 » >2 2 \5 M 30.00 25.00 20.00 15.00 10.00 5.00 JU -24.3- 225 _9.7_ 1987 1988 1989 1990 1-6 1991 Slika 6. Specifična poraba kisika na peči. AM+zavarovanje +71 DEM/t ostalo +32 DEM/t skupaj +254 DEM/t Torej: 925 — 254 = 671 DEM/t jekla oziroma smo zaradi naših specifičnih porab predragi za: 671 — 474 = 197 DEM/t jekla. Odnose kaže slika 7. 6 Ukrepi za znižanje specifičnih porab v jeklarni Bela Zaradi previsokih proizvodnih stroškov smo v jeklarni Bela ob koncu leta 1990 pričeli z intenzivnim izvajanjem ukrepov, ki vodijo k ekonomičnejšemu delu. Tehnološki ukrepi, ki so razvidni iz tabel 4 in 5, skupno z investicijami nam prinesejo prihranek v višini 92 DEM/t, ostali prihranek moramo izkazati še v znižani specifični porabi električne 1987 1988 1989 1990 1*6 1991 Slika 5. Produktivnost. 1987 1988 1989 1990 1-6 1991 Slika 4. Specifična poraba elektrod. Tabela 3. Slroški izdelave jekla. Vrsta Jeklarna Bela BSW % DEM/t % DEM/t vložek 42 385 65 308 AM+zavarovanje 20 182 11 52 variabilni stroški 38 358 24 114 100 925 (14) 100 474 variabilni stroški: transport 6 21 12 13 OM 18 65 13 15 elektrode 7 24 14 16 vzdrževanje 10 34 15 17 energija 43 153 44 50 ostalo 17 61 2 3 stroški izdelave jekla VLOŽEK 54 ENERGIJA 65 OG MAT tehnološko + investicije 32 am . ZAv 71 OSTALO Slika 7. energije, ki bo sledila investicijam v pripravi vložka (20 kWh/t) in znižanju zastojev na minimum med izdelavo chg (40 kWh/t), kar je 60 x 0.2 DEM = 12 DEM/t in intenzivnemu sekvenčnemu litju ter izdelavi cenovno visokih kvalitet t.j. dinamo, ncrjavnih in mikrolegiranih jekel. 7 I)PP (Direct pouring plug-Radex) oziroma VVS (Veitch-Venete-Spiilsystem) sistem Eden izmed ukrepov za znižanje stroškov izdelave jekla je mešanje jeklene taline z uvajanjem inertnega plina skozi dno EOP. V jeklarni Bela smo s tem načinom dela pričeli leta 1989. Prvotno smo imeli vgrajen DPP sistem, ki smo ga zaradi pomankljivosti v letu 1991 zamenjali z VVS sistemom. Shemi obeh sistemov prikazuje slika 8. Prednosti VVS sistema pred DPP so prikazane v tabeli 6. Slika 8. Tabela 6. DPP° VVSH porozni kamen je v stiku z jeklom izvor inertnega plina je pokrit s porozno maso dna in ni v kontaktu z jeklom porozni kamen je potrebno menjati na 250 chg izvor argona (cevni sistem) traja toliko časa kot je kampanja dna (nad 1 leto) obraba kamna znaša 0.4 do 0.5 mm na obratovalno uro dno EOP potrebuje redno vzdrževanje curek plina je ostro lokaliziran curek plina je širok močno lokalno mešanje mešanje je širše žlindre lokalno ni, dvig dušika tlim žlindre ni prekinjen, zaščita taline potreben je kontinuirni tok plina (hot hell) tok plina po P/ON prekinemo 8 Metalurški efekti mešanja taline 7, inertnim plinom Izredno pomembna je mešalna energija, ki jo določimo po znanih enačbah'. Metalurške prednosti so: • mešanje taline skozi dno z inertnim plinom izboljša transport ogljika iz notranjosti kopeli na površino oziroma fazno mejo žlindra—jeklena talina in izboljša se redukcija Fe, Mn in Cr oksidov. Tabela 5. Znižanje električne energije in P/ON časov—varianta B. Tabela 4. Znižanje električne energije in P/ON časov—varianta A. Ukrepi 60 MW 42 MW 30 MW P/ON EE P/ON EE P/ON EE (min) (kWh/t) (min) (kWh/t) (min) (kWh/t) Izhodno 69.49 573.39 100.17 619.93 141.81 686.93 stanje -\r/< 68.84 568.02 99.41 613.78 140.08 679.74 izmeta apno 67.56 557.42 97.47 602.46 137.12 667.43 50.7 kg/t kisik 63.39 550.75 87.73 586.90 115.19 632.35 24.25 kg/t peneča 61.53 533.76 84.85 576.96 110.34 607.48 žlindra DPP,VVS 61.05 528.9 84.07 562.2 109.9 600.40 -6°C temp. 60.92 527.75 83.89 561.05 108.85 599.25 preboda oxy-fuel 52.82 455.90 71.46 492.7 90.08 512.47 LF 51.20 439.68 69.24 475.27 87.2 494.08 RAZLIKA 18.29 133.71 30.93 144.66 54.61 192.85 Ukrepi 60 MW 42 MW 30 MW P/ON EE P/ON EE P/ON EE (min) (kWh/t) (min) (kWh/t) (min) (kWh/t) Izhodno 69.49 573.39 100.17 619.93 141.81 686.93 stanje 68.84 568.02 99.41 613.78 140.08 679.74 izmeta apno 67.01 557.98 96.68 596.64 136.02 661.12 45/t kisik 61.00 542.31 82.59 574.09 104.00 610.06 35kg/t peneča 59.40 525.36 80.13 554.12 100.17 585.47 žlindra DPP,VVS 59.08 521.13 79.58 548.46 99.38 578.61 — 10°Ctemp. 58.87 519.21 79.28 546.54 98.98 576.69 preboda oxy-fuel 50.85 474.23 67.20 468.24 80.83 489.16 LF 49.18 431.20 64.95 451.40 77.98 471.40 RAZLIKA 20.31 142.19 35.22 168.53 63.83 215.53 topnost kisika v jekleni kopeli je odvisna poleg ogljika še od FeO v žlindri. Pri mešanju taline z inertnim plinom nastopi redukcija raztopljenega kisika v jeklu z ogljikom iz kopeli in reakcija poteče bližje ravnotežju. Mešanje reducira parcialni tlak CO v talini, odstranjevanje dušika poteka pri vpihovanju argona tako, da se raztopljeni dušik absorbira v mehur argona. odžveplanje jc odvisno od številnih faktorjev, od katerih sta najvažnejša temperatura in kemizem žlindre. Mešanje povzroči redukcijo FeO v žlindri, zniža kisik v jeklu. • defosforizacija je izboljšana predvsem na račun boljšega masnega transporta. • prihranek električne energije znaša 10 do 15 kWh/t. • homogenizacija v temperaturnem in kemičnem pomenu. • zvišanje produktivnosti (eold spots) • glede OM so mnenja deljena Znižanje stroškov z uporabo DPP oziroma VVS sistema nam shematsko prikazuje slika 98. Gibanje vsebnosti FeO v žlindri od raztalitve do preboda pri mešanju in nemešanju kaže slika 109. STROSKI SISTEMA 0,112 DEM/t PREMESAVANJE TALINE EOP DPP oz. VVS SISTEM Znižanje spec. porabe OM-EOP 0,15kg/t-0,3DEM/t Skrajšanje P/ON časa 0,55 min/chg Znižanje spec. porabe Cao 2kg/t - 0,22DEM/t I Znižnaje količine žlindre 6% 10 kg/t Zvišani isplen legur 0,055kg/t 0,20 DEM/t F 42 MW Hiter potek reak. Ni neraztopljene, starega Fe.vklju. Nižje prebodne temperature, homogenizaci ja Znižani stroški predelave žlindre 0,014 DEM/t Znižani stroški priprave vložka 0,21 DEM/t Znižana vsebnost FeO v žlindri 5% 6,2 kg Fe/t Znižana poraba st. Fe 7,36kg/t 2,21 DEM/t Skupni prihranek 5,76 DEM/t Slika Znižanje spec. porabe EE 8,89kWh-l,79DEM/t —► Znižani stroški transporta 0,37 DEM/t 1 t Zniž,porabe elektrod 0,094kg/t 0,56DEM — —► Skrajšanje časa menjave elektrod 0,08 min/chg II10. 28 Približevanje reakcij k ravnotežju je razvidno iz slike 9 Zaključki • Jeklarna Bela ima pomanjkljivo opremljene agregate in nedograjene tehnološke poti za proizvodnjo jekla. • Tehnološki ukrepi za znižanje stroškov se morajo izvajati naprej z nezmanjšano intenziteto in z istočasnim iskanjem novih poti. • Potrebno je racionalizirati vsa področja porabe (službe, transport, vzdrževanje. . .). • Storiti določene ekonomske prijeme. • Rigorozni ukrepi na področju nabavne politike. • Ofenzivno nastopati na trgu in iskati nove. • Preiti na izdelavo asortimana jekel, ki visoke stroške cenovno prenesejo: nerjavna, dinamo in mikrolegi-rana. • Določiti vrstni red investicij in to na podlagi doseganja maksimalnega stroškovnega učinka, kvalitete in produktivnosti. • Okrepiti sodelovanje z 1MT, Univerzo in sorodnimi institucijami v tujini. • Določene reorganizacije na nivoju obrata in permanentno izobraževanje vodstvenega in vodilnega kadra. Aktivnost kisika ( 10 Literatura 1 W.E. Schwabe in sod.: Effect of Scrap Conditions and Charge Composition on Power Delivery and Melting in Are Furnace, Electric Furnace Conf. Proceedings, Dallas. 1986. 2 K.H. Klein in sod.: Combining Eccantric Bottom Tap-ping and Ladle Furnace for Higly efticient Steelmaking at Badische Stahlwerke AG. Electric Furnace Conf. Proceedings, Dallas, 1989. K.H. Klein in sod.: Ultrahigh-efficiency steelmaking at Badische Stahlwerke AG, European Electric Steel Congress. 2. Florence, 1986. 4 S. Kanalec: Diplomsko delo, Univerza v Ljubljani, 1991. '' E. Hoffken in sod.: Bottom Stirring in tlie Electric Are Furnace by Introduction of Inert Gases, Stahl Eisen, 1989, s. 83/88. J. Cipolla in sod.: Experience of inert gas stiring in the EAF at Armco Butler, Electric Furnace Conf. Proceedings, Dallas 1990. 7 C.T. Schade in sod.: Evalution of Bottom Stirring in Lukens Electric are Furnace, Electric Furnace Conf. Proceedings. Dallas, 1990. " M. Tolar in sod.: Ukrepi za ekonomično delo Jeklarne Bela. 2. Seminar, Jesenice, 1991. 9 M. Tolar: Neobjavljeni podatki. 10 M. Tolar: Neobjavljene raziskave. 0.1 0.2 0.3 0.4 Koncentracija ogljika (%) Slika 11. Odnos C-O, T = lfil)0°C, p = 1 atm.