Технико-экономический анализ процесса производства железорудных окатышей

Введение. Роль и значение производства окатышей в металлургическом комплексе России

Производство окатышей является ключевым процессом в современной железорудной промышленности и важнейшим звеном в металлургической цепочке. Окатыши — это основной вид подготовленного железорудного сырья, используемого в доменных печах для выплавки чугуна. Их качество, стабильность химического состава и физических свойств напрямую определяют эффективность доменного процесса, расход кокса и, в конечном счете, себестоимость стали.

Российская Федерация традиционно занимает одно из ведущих мест в мире по производству данного вида продукции. Несмотря на некоторые колебания, отрасль демонстрирует стабильные объемы. Так, по итогам 2023 года производство железорудных окатышей в России составило 46,7 млн тонн. Хотя это и показывает небольшое снижение на 2,3% по сравнению с предыдущим годом, в общей структуре производства железорудного сырья (ЖРС) окатыши занимают значительную долю. Для сравнения, еще в 2016 году из почти 100 млн тонн произведенного ЖРС на долю окатышей приходилось около 33%.

Лидерами отрасли в стране являются такие гиганты, как Лебединский ГОК, Михайловский ГОК, Качканарский ГОК, «Карельский окатыш» и Стойленский ГОК, который присоединился к числу производителей в 2016 году. Эти предприятия формируют основу сырьевой безопасности отечественной черной металлургии.

Целью данной работы является проведение комплексного технико-экономического анализа процесса производства железорудных окатышей. В рамках исследования будут решены следующие задачи: рассмотрены требования к исходному сырью и качеству готовой продукции, изучены конструктивные особенности и принципы работы основного оборудования, представлена методология инженерных расчетов, проанализированы ключевые экономические показатели и дан обзор ведущих российских производителей.

Раздел 1. Исходное сырье и фундаментальные требования к качеству готовых окатышей

Основой для производства окатышей служит железорудный концентрат — продукт обогащения железной руды с тонкоизмельченными частицами. Ключевыми параметрами концентрата, влияющими на процесс окомкования и качество конечного продукта, являются содержание железа и удельная поверхность (тонкость помола). Повышение содержания железа и удельной поверхности в концентрате способствует улучшению технологии сырого окомкования. Однако здесь важен баланс: при использовании концентрата с содержанием железа выше 66-67% может наблюдаться снижение прочности окатышей из-за особенностей формирования структуры при обжиге.

Для придания сырым окатышам необходимой прочности и пластичности в шихту вводят связующие добавки. Традиционным и наиболее распространенным связующим является бентонит — глина с высокими связующими свойствами. В качестве альтернативных компонентов могут использоваться и техногенные продукты, например, красный шлам. Исследования показывают, что добавка 3% красного шлама оказывает на прочностные характеристики окатышей влияние, примерно идентичное воздействию 1% бентонита.

К товарным окатышам, поступающим в доменное производство, предъявляются строгие требования по качеству, стандартизированные в отрасли. Ключевыми из них являются:

• Средний диаметр: В России этот показатель для товарных окатышей, как правило, находится в диапазоне 9–16 мм. Стабильный гранулометрический состав обеспечивает хорошую газопроницаемость столба шихты в доменной печи.
• Прочность на сжатие: Окатыши должны выдерживать значительные механические нагрузки при транспортировке и в доменной печи, не разрушаясь. Стандартным требованием является прочность не менее 220 кг/окатыш.

Соблюдение этих параметров критически важно, поскольку разрушение окатышей в печи приводит к ухудшению газодинамического режима, увеличению сопротивления потоку газов и, как следствие, к снижению производительности агрегата и перерасходу топлива.

Раздел 2. Конструктивные особенности и принцип действия обжиговых машин конвейерного типа

Центральным технологическим агрегатом на фабриках окомкования являются обжиговые машины конвейерного типа. Именно на них происходит термическое упрочнение сырых окатышей, превращающее их в прочный конечный продукт. Конструктивно такая машина представляет собой длинный конвейер из жаропрочных палет (колосников), который последовательно проходит через несколько технологических зон с разными температурными режимами.

Процесс обжига разделен на несколько ключевых стадий, каждой из которых соответствует своя зона на машине:

1. Зона сушки: Сырые окатыши поступают на машину и продуваются горячим воздухом для удаления свободной влаги.
2. Зона подогрева: Температура постепенно повышается, удаляется химически связанная вода, начинаются процессы диссоциации карбонатов.
3. Зона обжига: Здесь достигается максимальная температура — от 1200 до 1350 °C. Происходит спекание частиц концентрата и формирование прочной кристаллической структуры окатыша.
4. Зона рекуперации: После обжига окатыши начинают охлаждаться потоком воздуха. Нагретый в этой зоне воздух используется в качестве теплоносителя в зонах обжига и подогрева, что значительно повышает энергоэффективность.
5. Зона охлаждения: Окончательное охлаждение окатышей перед их сходом с машины и отправкой на склад.

Принцип рециркуляции горячих газов из зон охлаждения и рекуперации в более «холодные» зоны (подогрев, сушка) является основой энергосбережения на современных обжиговых машинах. Это позволяет не только вторично использовать дорогостоящее тепло, но и снижать объем выбросов в атмосферу.

Ярким примером такого подхода является энергоэффективная обжиговая машина четвертого поколения МОК-1-592М, конструкция которой предусматривает высокую степень рециркуляции газовоздушных потоков для максимальной экономии энергоресурсов.

Раздел 3. Методология инженерного расчета производительности и площади обжиговой машины

Проектирование обжиговой машины начинается с определения ее ключевого параметра — полезной площади колосниковой решетки. В базовом виде эта зависимость описывается простой формулой, связывающей годовую производительность машины с ее удельной производительностью:

F = G / g

где:

• F — общая площадь колосниковой решетки, м².
• G — требуемая годовая производительность машины, т/год.
• g — удельная производительность, т/(м²∙год), — справочная величина, зависящая от типа сырья и технологии.

Однако для детального проектирования общая площадь машины раскладывается на сумму площадей отдельных технологических зон, так как каждая из них имеет свои специфические режимы работы:

F = F_с + F_п + F_об + F_р + F_о

Расчет площади каждой зоны (F_с — сушки, F_п — подогрева и т.д.) ведется на основе одного из важнейших параметров — удельной скорости фильтрации газа (или удельной газовой нагрузки). Этот показатель, обозначаемый как ω, характеризует объем газа, проходящего через 1 м² слоя окатышей в секунду, и измеряется в м³/(м²∙с). Значения ω для каждой зоны определяются на основе практических данных и опыта эксплуатации аналогичных агрегатов.

Типичные значения удельной скорости фильтрации для разных зон представлены в таблице ниже.

Удельная скорость фильтрации газа-теплоносителя (ω) по зонам обжиговой машины

Технологическая зона	ω, м³/(м²∙с)
Сушка (продувом и прососом)	1,76
Подогрев	1,6
Обжиг	1,2
Рекуперация	1,0
Охлаждение (I и II стадии)	1,6 — 2,0

Основываясь на этих данных и требуемом объеме теплоносителя для каждой зоны, инженеры могут рассчитать необходимую площадь и, следовательно, длину каждой секции обжиговой машины, закладывая основу для ее конструирования.

Раздел 4. Анализ ключевых технико-экономических показателей (ТЭП) производства

Технико-экономические показатели (ТЭП) являются комплексной мерой эффективности производства, переводя технологические процессы на язык цифр и финансов. Для фабрики окомкования анализ ТЭП позволяет оценить рентабельность, выявить узкие места и определить пути оптимизации затрат.

Ключевые ТЭП в производстве окатышей включают следующие компоненты:

• Капитальные затраты (CAPEX): Это единовременные инвестиции в строительство новой фабрики или глубокую модернизацию существующей. Включают расходы на проектирование, закупку оборудования (обжиговая машина, окомкователи, конвейеры), строительно-монтажные работы и ввод в эксплуатацию.
• Себестоимость производства: Это совокупность всех затрат на выпуск одной тонны продукции. Она, в свою очередь, делится на несколько статей:
  • Операционные расходы (OPEX): Прямые переменные и постоянные затраты. К ним относятся стоимость железорудного концентрата, затраты на энергоносители (природный газ, электроэнергия), расходы на связующие добавки, заработная плата производственного персонала, затраты на ремонт и обслуживание оборудования.
  • Амортизация: Постепенный перенос стоимости основных фондов (зданий, оборудования) на себестоимость готовой продукции.
• Рентабельность: Финальный показатель эффективности, отражающий соотношение прибыли и затрат.

На рентабельность производства окатышей влияет множество факторов. Ключевыми из них являются: цена на исходный железорудный концентрат, стоимость энергоносителей (особенно природного газа, являющегося основным топливом для обжига) и, разумеется, рыночная цена на готовые окатыши, которая определяется глобальным спросом и предложением на рынке стали.

Раздел 5. Обзор ведущих предприятий-производителей окатышей в Российской Федерации

Производство железорудных окатышей в России сконцентрировано на нескольких крупных горно-обогатительных комбинатах, обладающих полным циклом от добычи руды до выпуска готовой продукции. Эти предприятия составляют основу сырьевой базы российской черной металлургии.

К основным игрокам на этом рынке относятся:

• Лебединский ГОК (входит в «Металлоинвест») — один из крупнейших в мире производителей товарного горячебрикетированного железа и высококачественных окатышей.
• Михайловский ГОК (входит в «Металлоинвест») — ведущий производитель железорудного сырья в России, обладающий значительными мощностями по производству окатышей.
• Качканарский ГОК (входит в «ЕВРАЗ») — специализируется на переработке титаномагнетитовых руд с получением окатышей и ванадиевого шлака.
• «Карельский окатыш» (входит в «Северсталь») — одно из самых эффективных предприятий отрасли, расположенное на северо-западе страны и ориентированное как на внутренний, так и на экспортный рынок.
• Стойленский ГОК (входит в Группу НЛМК) — относительно новый игрок, который запустил собственную фабрику окомкования в 2016 году, что стало важной вехой в развитии отрасли и позволило компании снизить зависимость от сторонних поставщиков.

Для иллюстрации масштабов их деятельности можно обратиться к данным прошлых лет. Например, в 2011 году общий объем производства в стране составил 38,4 млн тонн. Это производство было распределено следующим образом: Михайловский ГОК — 10,0 млн тонн, «Карельский окатыш» — 10,1 млн тонн, Лебединский ГОК — 8,8 млн тонн, и Качканарский ГОК — 6,0 млн тонн. Эти цифры наглядно демонстрируют значительный вклад каждого из этих комбинатов в общую структуру производства.

Раздел 6. Перспективные направления для повышения эффективности и экологичности процесса

Технология производства окатышей, несмотря на свою отработанность, постоянно совершенствуется. Развитие направлено на повышение качества продукции, снижение себестоимости и минимизацию воздействия на окружающую среду. Можно выделить несколько ключевых векторов инноваций.

Во-первых, это поиск и внедрение новых типов связующих материалов. Цель — снизить зависимость от дорогостоящего и импортируемого бентонита, а также улучшить металлургические свойства окатышей. Использование органических или комплексных связующих может не только снизить затраты, но и повысить прочность продукции.

Во-вторых, ведется постоянная работа по оптимизации режимов обжига. Применение современных систем автоматического управления (АСУ ТП), математического моделирования и точного контроля газодинамических и температурных полей в обжиговой машине позволяет экономить энергию, повышать производительность и добиваться более стабильного качества окатышей.

В-третьих, усиливается фокус на экологической модернизации. Основные усилия направлены на снижение выбросов пыли и газов. Это достигается за счет повышения эффективности газоочистного оборудования и максимального внедрения технологий рециркуляции газов, что позволяет не только сэкономить тепло, но и сократить объем отходящих газов, направляемых в атмосферу.

Интересным и перспективным направлением является применение технологии окомкования для решения нетрадиционных задач, в частности, для переработки техногенных отходов. Например, грануляция и обжиг различных шламов и пылей металлургического производства позволяют не только утилизировать отходы, но и получать искусственные заполнители для бетона или сырье для других отраслей, превращая экологическую проблему в экономическую возможность.

Заключение. Синтез результатов и стратегические выводы

Производство железорудных окатышей представляет собой сложный, многофакторный процесс, играющий стратегическую роль в металлургическом комплексе. Проведенный анализ показал, что эффективность этого производства стоит на трех китах: строгое соблюдение технологии, грамотное проектирование оборудования и взвешенное экономическое управление.

Центральным звеном всего цикла является обжиговая машина конвейерного типа, работа которой определяет качество конечного продукта и львиную долю операционных затрат. Мы убедились, что ее проектирование базируется на четких инженерных методиках расчета, основанных на таких параметрах, как удельная производительность и скорость фильтрации газов в каждой из технологических зон — от сушки до охлаждения.

На примере ведущих российских ГОКов видно, что отрасль обладает значительными мощностями и продолжает развиваться, внедряя новые технологии для повышения эффективности. Ключевые технико-экономические показатели, такие как себестоимость и рентабельность, напрямую зависят от цен на сырье и энергоносители, что требует от предприятий постоянной работы над оптимизацией затрат.

Таким образом, производство окатышей — это область, где инженерные решения по оптимизации режимов обжига, выбору связующих и модернизации оборудования неразрывно связаны с экономической эффективностью и общей рыночной конъюнктурой. Дальнейшее развитие отрасли будет определяться успехами в энергосбережении, повышении экологичности и освоении технологий переработки техногенных отходов.

Список использованной литературы

1. Тимофеева, А.С. Экстракция чёрных металлов из природного и техногенного сырья: учебное пособие / Т.В. Никитченко, Е.С. Тимофеев. -Старый Оскол: ООО «ТНТ» , 2012. -303 с.
2. Копоть, Н.Н. Сравнительный анализ теплотехнических схем современных обжиговых конвейерных машин/ Воробьёв А.Б. //Сталь.-2010.-№3.-С. 8-13
3. Воробьёва, Л.С. Разработка и испытание технологии обогащения руды, фильтрования и окомкования концентратов Стойленского ГОКа» / Дворниченко И.Ф. // НИПИ «Механобрчермет» — 2007.
4. Гусовский, В.Л. Теплотехника. Тепловой расчёт печей непрерывного действия: учебное пособие / Лифшиц А.Е. — М: «Учёба» МИСиС, 2002-84 с.
5. Савельев, С.Г. Современное состояние и перспективы развития производства железорудных окатышей / Губин Г.В., Стойкова Я.А. //Сталь.-2013.-№8.-С. 2-5
6. Маерчак, Ш. Производство окатышей: учебное пособие — М: «Металлургия»,1982. — 232 с.
7. Сулименко, Е.И. Производство окатышей: учебное пособие — М: «Металлургия»,1988. -128 с.
8. Тимофеева, А.С. Теплофизические особенности производства окисленных окатышей и металлизированного продукта: учебное пособие / Тимофеев Е.С. — Старый Оскол: ООО «ТНТ», 2005. — 188 с.
9. Кокорин, Л.К. Производство окисленных окатышей / Лелеко С.И. — Екатеринбург: Уральский центр ПР и рекламы, 2004-280 с.
10. Юсфин, Ю.С. Обжиг железорудных окатышей / Базилевич Т.Н. — М: «Металлургия»,1973. — 272 с.
11. Юсфин, Ю.С. Интенсификация производства и улучшение качества окатышей / Пашков Н.Ф. — М: «Металлургия»,1994. — 239 с.
12. Абзалов, В.М. Эффективность работы зон сушки обжиговых машин / Брагин В.В. //Сталь.-2008.-№12.-С. 25-27
13. Абзалов, В.М. Стратегия создания тепловых схем обжиговых конвейерных машин / Брагин В.В //Сталь.-2010.-№9.-С. 10-12
14. Буткарев, А.А. Исследование и оптимизация теплотехнических схем обжиговых конвейерных машин и режимов: автореф. дис. док. тех. наук: / Буткарёв Алексей Анатольевич. — Екатеринбург, 2012. – 20 с.
15. Мастрюков, Б.С. Расчёты металлургических печей: учебное пособие — М: «Металлургия»,1986. — 375 с.
16. Абзалов, В.М. Организация эффективной работы зон охлаждения обжиговых машин / Боковиков Б.А. //Сталь.-2008.-№12.-С. 28-30
17. Лукашкин, Н.Д. Конструкция и расчёт машин и агрегатов металлургических заводов / Кохан Л.С., Якушев А.М. — М: ИКЦ «Академкнига», 2003. – 456 с.