Новые технологии в металлургии

Результаты внедрения инноваций в металлургии

Мировой кризис негативно отразился на экономике России, но металлургическая промышленность сохранила свои возможности благодаря предшествующим крупным денежным вкладам. Металлургия – это основная отрасль государственной промышленности, своеобразный фундамент для развития экономики в целом.

В общем экспорте страны доля металлургии составляет 14%. Экспортируется более 40 % стали, выплавляемой в РФ. Продукция металлургов в ВВП составляет 5 %, во всем промышленном комплексе – 17%. Металлургическая отрасль вносит существенный вклад в экономику страны и наполняет бюджет. В связи с неблагоприятной экономической обстановкой принят также план по замещению импортной продукции на отечественную. Повышение конкурентной способности отрасли входит в стратегические планы государственного уровня. Предприятия отрасли модернизируются и применяют инновации в производстве.

Востребованные инновации касаются обновления технологий, снижения ресурсоёмкости, улучшения экологической составляющей в металлургии. Особый упор делается на продукцию электродную, углеграфитовую, твёрдосплавную, полупроводниковую, прокатную. Чтобы избежать упадка в металлургической промышленности, необходимо активизировать инновационную деятельность. Научно-исследовательские учреждения оказывают существенную помощь в модернизации отрасли.

10 инноваций в металлургии 2018

Инновации в металлургии:

1. Карусельная печь. Задействована в чёрной металлургии, снижает напряжение в подовой части печи.
2. Спроектирован и введён в эксплуатацию опытный образец печи Ванюкова для переработки шлаков и отходов в цветной металлургии. Аналог этой инновации – печь Ромелт, задействованная в чёрной металлургии. Преимущество её – возможность работы на низкосортном угле и переработка шлакоотходов. Хотя КПД такой печи ниже, чем у доменной, последняя не способна перерабатывать отходы и шлаки. Это большой рывок вперёд, ведь металлургические комбинаты завалены отходами, которые некуда девать. Стоимость проекта около 250 млн рублей, а строительство вне металлургического комбината будет стоить миллиард рублей. Инновация осуществлена за счёт частных инвестиций.
3. Предприятие «Челябинский цинковый завод» осваивает флотационную технологию получения серебра из кеков цинкового производства. Инновационная технология даёт до 98 кг серебра из 100 килограммов сульфидного флотоконцентрата.
4. Создана мембранная технология очистки сложных растворов в металлургии. Инновация позволяет очищать растворы от сульфатов тяжёлых цветных металлов на 99%. Новшество открывает возможность создания закольцованного водооборота на заводах отрасли.
5. При плавке чугуна и стали используют синтетический легкоплавкий флюс. Инновация помогает увеличить способность шлаков к рафинированию.
6. Динамический нанотестер. С помощью изобретения исследуют физико-механические параметры материалов разного происхождения, определяют коэффициент трения, модуль
   Юнга, нанотвёрдость и др.
7. Комплекс для исследования и диагностики сыпучих нановеществ (нанотрубки, порошки для спекания и катализа, медпрепараты). Инновация предназначена для быстрого определения свойств и характеристик материала на разных этапах производства.
8. Инновации касаются также водоснабжения производств чёрной металлургии. Для расчёта концентраций соли в подразделах, оптимизации структуры систем водоснабжения
   разработана технологическая модель с её математическим описанием.
9. Индукционная плавильная установка ТВЧ Элсит позволяет экономить электроэнергию. Благодаря высокой мощности печь моментально нагревается и позволяет сразу
   плавить металл.
10. Плоское прокатное оборудование для поперечно-клиновой прокатки заготовок применяют в изготовлении высокоточных деталей сложной конфигурации. Автоматизированный комплекс позволяет повысить производительность в 2 раза, уменьшить на 30% расход металлопроката, повысить точность изготовления и снизить трудоёмкость дальнейших операций.

Развитие металлургической промышленности закономерно входит в стратегическое планирование федерального уровня. Использование инноваций в металлургии, внедрение современной техники, модернизация действующей увеличивают коэффициент обновления основных производственных фондов до 5%. В перспективе, к 2020 году металлургическая промышленность выйдет на мировой уровень по количеству произведенной продукции.

Чёрная металлургия

Инновации в чёрной металлургии задействованы в отдельных направлениях производства:

1. Доменном.
   Предусмотрено строительство установок по вдуванию угольной пыли, увеличение выплавки чугуна до 20% и уменьшением расхода природного газа.
2. Сталеплавильном.
   Отказ от использования мартеновских печей для производства стали, уменьшение расхода металлопроката до 1088 кг/т в 2020 году с нынешних 1142
   кг/т. Использование сверхмощных печей для экономии электроэнергии(350 кВт*ч /т в сравнении с нынешними 500 кВт*ч/т).
3. Прокатном.
   Увеличение выпуска листового металла в общем выпуске металла до 65%, доведение до уровня экономически развитых стран.
4. Цветная металлургия
   Темп роста отрасли вызван необходимостью заместить импорт отечественной продукцией. Быстрый рост требует инновационного подхода к технологии, технике и организации производства. Нестабильность внешнего рынка и недостаточная ёмкость отечественного требуют развития последнего.

Главенствующими вопросами цветной металлургии являются: возрастание части выпуска алюминия в электролизерах и наращивание мощностей в производстве тяжёлых цветных металлов по технологии автогенных процессов. До конечного срока «Стратегии развития чёрной и цветной металлургии России на 2014-2020 годы» их часть должна составить 97% от общего производства.

Комбинат «Североникель»

Предприятие с давней историей, с 1998 года комбинат «Североникель» входит в состав АО «Кольская ГКМ». Сейчас на нём перерабатывается файнштейн и завершается производственный цикл.

«Норникель» инвестировал в обновление производства никеля Кольской ГМК более 20 млрд рублей. Планируется освоить новую технологию электроэкстракции для рафинирования никеля. Никелевые аноды не будут плавить, так как сырьём выступит никелевый порошок. Постепенно старые ванны для электролиза заменят новыми. Всего планируется постепенно заменить 476 ванн в цехе электролиза.

Кольская горно-металлургическая компания модернизирует обогатительную фабрику. Усовершенствования касаются АСУ ТП. Комплекс замещается новым, поскольку прекращено производство запасных комплектующих и возможны аварийные ситуации. Новое оборудование устанавливают поэтапно. Уже произведена замена на пульпонасосной станции, сейчас модернизируются 3 секции флотации. За 2018 год будет заменён весь аппаратный комплекс предприятия.

Предприятие планирует модернизировать всю систему управления до начала 2019 года и соединить в одну централизованную систему управления обогатительной фабрики СУ отдельных производственных участков. Это позволит далее совершенствовать технологический процесс, проявлять гибкость при смене технологических циклов.

Комбинат «Североникель» осваивает новый способ переработки платинорениевых катализаторов, результатом которой является концентрат платины и перренат аммония.

Для предприятия разрабатывается технологическая линия очистки стоковых вод до приемлемого уровня.

Что такое металлургия?

Металлургия — широкое понятие, относящееся к технике и науке. Это мощная промышленная отрасль, главная задача которой заключается в производстве и обработке металлов. Металлы выделяют из различных руд, после чего изучают их физикохимические свойства и производят современные высокотехнологичные сплавы.

В данном материалы мы рассмотрим основные области деятельности металлургии, ее особенности и технологии, а также пути овладения специальность. «Металлургия».

Области металлургии

В металлургии различают несколько областей:

• Чёрную. Она включает в себя производство таких металлов как чугун, сталь и железо. Это чёрные металлы, производство которых требует много материалов, в том числе и каменный уголь;
• Цветную. Это добыча разных руд и процесс их дальнейшего обогащения. Цветные металлы обрабатывают разными способами, получая из них новые сплавы;
• Плазменную. Из руд извлекают металлы, а затем подвергают их обработке. Для обработки применяют мощные плазменные реакторы и печи, а также технологию плазменного нагрева, чтобы придать процессу плавления максимальную интенсивность;
• Порошковую. Задача порошковой металлургии — получение из металлов разных порошков, которые применяют для изготовления изделий. Также в этой отрасли используют композитные технологии, соединяя металлы и неметаллы.

Технологии металлургии

В металлургии используют специальные технологии добычи металлов:

• пирометаллургию. Все процессы плавления, обжига и другие технологии протекают в условиях высоких температур;
• гидрометаллургию. Металлы извлекают из руды, а потом выделяют из них растворы, применяя электролиз;
• биотехнологии. Извлечь из руды металл можно, используя живые микроорганизмы для реакций биоокисления или биосорбции.

Ежегодно развитие экономики требует новых запасов металлов. Известно, что природные ресурсы не безграничны, поэтому одна из основных задач металлургов, кроме развития геологоразведочной отрасли — повторное применение того или иного металла.

Есть несколько металлов, которые уже давно нашли широкое применение в разных отраслях человеческой деятельности. Это сталь (её ежегодное потребление составляет больше 90%), свинец, а также медь и алюминий. Из редких металлов следует отметить добычу платины, теллура, осмия и золота.

Сферу строительства невозможно представить без использования железа и стали. Они обладают высокой износостойкостью и замену им найти практически невозможно. Что касается прочного алюминия, именно он, благодаря его низкой плотности, применяется при строительстве самолётов.

Одно из главных свойств меди — высокая степень теплопроводности, поэтому она широко применяется для изготовления электрических кабелей. Золото активно используют для производства ювелирных украшений. Также из него делают электрические соединения, не подверженные реакции окисления.

Раньше в металлургической промышленности использовали чистые металлы, но со временем высокотехнологичные сплавы уверенно вытеснили их из производственной сферы. Сплавы обладают особыми качествами, которых нет у чистых металлов. Наиболее популярными из них являются «нержавейка», углеродистая сталь, сплавы из никеля и меди.

История металлургии

Металлургия начала развиваться ещё в эпоху каменного века. Есть несколько исторических вех её развития. Согласно археологическим раскопкам, наши древние предки уже в 6 в. до н.э. активно использовали железо, попавшее на Землю в составе метеоритов. Люди постепенно осваивали обработку серебра и олова.

В эпоху бронзового века (5500 лет назад) люди научились получать из горных пород олово и медь, из которых у них случайно вышла бронза. Во времена железного века (1200 лет назад) из руды стали извлекать железо. Его главными добытчиками считают древних римлян, преуспевших в искусстве ковки, а четь изобретений технологий металлообработки и добычи принадлежит китайцам.

Независимо от того, в каком уголке земного шара развивалась металлургия, все люди пользовались классическим сыродутным методом, с помощью которого осуществлялась выплавка меди и свинца.

Далее последовала эпоха, называемая этапом цементации. Железо стали закаливать, оно превратилось в металл гораздо прочнее бронзы. Однако процесс освоения людьми этой технологии занял около тысячи лет.

В период Средневековья высота плавильных печей уже составляла три метра, а работали они с применением энергии, получаемой через воду. Эти печи назывались штукофенами и стали стимулом для того, чтобы чёрная металлургия вышла на очередной виток развития. В эпоху Возрождения появились новые виды печей, которые назвали блауофенами. После них появились доменные печи громадных размеров. Они работали 24 часа в сутки, выпуская до полутора тысяч тонн чугуна отменного качества.

В конце XIX, начале XX века появились новые технологии производства металлов. Речь идёт о бессемеровском, томасовском и, наконец, мартеновском способах. Они помогли людям в разы увеличить производственные объёмы с выпуском металлов от шести тонн в час. Спустя 50 лет появились безостановочная разливка стали и метод кислородного дутья. На современном этапе учёные активно развивают разные технологии обогащения руд и производства стали в электрических печах.

Газы в металлургии

Пирометаллургия — отрасль, подразумевающая постоянное газообразование. Газы должны регулярно удаляться из печей вместе с пылью. Они бывают технологическими и топливными.

Образование технологических газов происходит во время протекания сложных процессов. Они состоят из углекислоты, водных паров, оксида углерода и сернистого ангидрида. Также при некоторых процессах в металлургии наблюдается выделение газообразного хлора и других хлоридов. Когда топливо сгорает, происходит выделение углекислоты и водного пара. Температура газов, выделяющихся во время реакций, составляет от 800 до 1300С, но иногда она бывает и больше.

Сейчас на любом металлургическом производстве используются комплексные технологии переработки газов:

• с применением оксида серы;
• высокие температуры;
• процесс обезвоживания и т.д.

Специальность «Металлургия»

Профессия металлурга включает несколько специализаций. Есть рабочие-металлурги, а есть инженеры. Среди рабочих направлений выделяют:

• сталеваров. Они владеют всеми известными технологиями производства стали;
• плавильщики. Они занимаются плавлением металлов, знают, из чего они состоят и при каких температурах процесс плавления будет наиболее эффективным;
• специалисты доменных печей. Их задача — убирать из печей отходы производства, чтобы качество металлов всегда оставалось на должном уровне;
• разливщики. Они принимают жидкие металлы и разливают их в специальные формы;
• нагревальщики. Они не только нагревают доменные печи, но и готовят их к работе;
• машинисты кранов. Они перемещают с помощью металлургических кранов необходимые производственные элементы. Такой крановщик занимается организацией всего рабочего процесса в цехе.

Задача инженеров-металлургов — управление производственным процессом от и до. Они разрабатывают способы, применяемые при плавлении разных металлов и изготовлении разных изделий. Инженеры занимаются вопросами безопасности на производстве — с целью сохранения экологического фона. Также они контролируют качество производимой продукции и проводят ряд мероприятий в области маркетинга.

Таким образом, профессия металлурга объединяет несколько разных специальностей, а металлургия — это динамично развивающаяся сфера, без которой невозможно себе представить развитое и цивилизованное общество. И поскольку внутри отрасли есть большое число направлений, то каждый может выбрать наиболее интересную и подходящую ему профессию.

Стоит отметить, что выучиться на одно из направлений металлургической отрасли возможно не только в университетах и средних профессиональных образовательных учреждениях, но и в рамках дополнительного профессионального образования. Так, Современная научно-технологическая академия реализует курсы профессиональной переподготовки и повышения квалификации по профилю «Металлургия».

Курсы повышения квалификации «Металлургия» направлены на специалистов, которые уже работают в отрасли и хотят повысить уровень своих знаний и компетенций. А вот профессиональная переподготовка ориентирована на тех, кто ставит перед собой цель овладеть новой профессией. Обучение на базе СНТА позволяет овладеть актуальные навыками и компетенциями, которые станут отличным толчком для дальнейшего профессионального роста и развития специалиста.

Основные направления применения инноваций в горной и металлургической отрасли

В современном горно-металлургическом комплексе все чаще возникает потребность в применении новых технологий, которые позволяют развивать добычу и переработку продукции с учетом требований экологичности и экономичности производства. Потому что качественных месторождений, которые позволяли бы недропользователям легко и с высокой маржинальностью добывать и перерабатывать продукцию, все меньше и меньше.

Помимо ухудшения качества доступной ресурсной базы отмечается и рост требований потребителей к качеству получаемой продукции: если в начале 2000-х обогащение затрагивало не более 30% добываемого угля (и то в основном идущего на нужды коксования), то сегодня доля необогащенного угля не превышает 30%, притом что с того времени объем добычи существенно вырос. Например, на латиноамериканских медных месторождениях только за последние десять лет содержание меди в руде снизилось на 25%, а потребность в энергии на добычу и переработку тонны руды возросла на 30%. С аналогичными проблемами сталкивается и золотодобывающая промышленность. Еще в 1960-е годы на некоторых рудниках руда с содержанием золота 7 г/т использовалась для отсыпки технологических дорог, а сегодня разработчики радуются рудам с содержанием 3–4 г/т. Очевидно, что эти изменения требуют существенной трансформации процесса добычи и переработки сырьевых ресурсов. Перечислить все основные направления внедрения новых технологий в горной и металлургической отрасли, наверное, невозможно, тем не менее стоит отметить наиболее широко применяемые инновации, чтобы обозначить тренды.

Множество инноваций ожидает в ближайшие годы и саму металлургию — отрасль, которая существует уже более 2 тыс. лет, до последнего времени развивалась путем случайного подбора параметров плавки/ковки и комбинации разных элементов. Конечно, за последние 350 лет эти знания были консолидированы и систематизированы, и тем не менее даже в конце XX века создание сложных легированных сталей требовало высокой квалификации. Современные технологии открывают перед металлургами невероятные перспективы.

На горных предприятиях неквалифицированный персонал представляет опасность не только для себя, но и для всего предприятия. Автор лично сталкивался с последствиями допуска к работе не подготовленного должным образом персонала: когда самосвалы не соблюдали скоростной режим и срывались в карьер, когда экскаватор обваливал на себя часть кровли, когда бурильный станок, перемещаясь по промплощадке, не свернул штангу и задел оголенный провод. Нередко подобные ошибки оканчиваются трагически, кроме того, они приводят к существенным потерям дорогой горнодобывающей техники. Сегодня многие крупные компании при приеме на работу новых сотрудников отправляют их в виртуальные классы, где на тренажерах они могут в деталях освоить управление сложной техникой и отработать возможные нештатные ситуации.

Контроль и осведомленность

Появление лазерных дальномеров существенно улучшило условия работы маркшейдеров. Если раньше замеры проводились с большим количеством упрощений и примерных оценок, то сегодня можно достаточно четко выверить расстояния и объемы отработанной горной массы. Появление беспилотников сделает эту работу еще более точной, что позволит более качественно отслеживать этапы выполняемых работ и оперативно управлять процессами подготовки запасов к выемке. Наличие точной привязки техники к спутниковой карте позволяет не только повысить производительность, но и предупредить несчастные случаи, такие как наезды, нахождение в санитарно-защитной зоне взрыва.

Анализ и разведка

Во-первых, это интерпретация полученных результатов геологоразведки. В процессе работы геологи отбирают наиболее представительные пробы керна для подготовки оценки запасов, менее ценные данные, как правило, не проходят должной обработки. Штатные геологи, занятые на основных проектах компании, не имеют времени, достаточного для анализа неперспективной геологической информации, но можно передать данные на аутсорсинг. Во-вторых, предприятие ежедневно производит эксплуатационную разведку, которая позволяет оценить характеристики рудного тела на ближайшие пару суток добычи, и эта информация порой помогает внести значимые корректировки в план работ и представление о залегании рудного тела. Раньше пересмотр модели разработки месторождения занимал несколько месяцев и проводился раз в год, а то и реже. Сегодня возросшие возможности информационных систем, а также анализ проб эксплуатационной разведки могут вносить изменения в разработку модели месторождения фактически еженедельно.

Затраты на подготовку персонала, особенно в случае подземной добычи, составляют значимую часть расходов предприятия. Именно поэтому появление беспилотных горных машин стало новым трендом в развитии горного дела. Особенно важно применение беспилотной техники на опасных участках работы. К сожалению, горно-геологические условия большинства российских угольных шахт не предполагают использования подземных машин из-за малой ширины пласта, тем не менее миниатюризация робототехники в перспективе обещает появление решений и для таких специфических условий.

Рудосортировка и сепарация

Все большее распространение получают технологии рудосепарации. Если раньше они работали в основном для радиоактивных элементов, то сегодня, объединяя разные методики анализа, можно практически для любого полезного ископаемого определить специфические характеристики, позволяющие отделить богатую руду от бедной. Применение этих технологий существенно снижает стоимость переработки руды, что приводит к значительной экономии и продлению срока жизни оборудования.

По части расхода топлива крупные горные машины сопоставимы с армейской техникой, а то и превосходят ее прожорливостью. Затраты горного предприятия на топливо фактически составляют основную статью его расходов. Эту проблему пытались решать давно, одно из интересных решений — использование самосвалов с электродвигателями, которые питались от контактной сети, как троллейбус или трамвай. Сегодня основной тренд в повышении экологичности — перевод горной техники на газ. С учетом низкой стоимости природного газа в нашей стране это направление выглядит довольно многообещающим. Интересно, что применение сжиженного газа (СПГ) решает еще одну проблему горной отрасли России — воровство ГСМ. Нужно иметь очень дорогостоящее оборудование, чтобы слить СПГ, при этом датчики тут же сообщат владельцу техники о несанкционированном доступе в систему.

Биодобыча — это процесс использования микроорганизмов для извлечения металлов из горных пород или рудников. Переработка упорных (для золота), латеритных (для никеля) руд либо руд с примесями вредных элементов (мышьяк) ранее представляла большую сложность в связи с низким выходом полезных компонентов либо крайне вредными выбросами. Применение бактерий, способных перерабатывать те или иные элементы, позволяет решить эту проблему — например, бактерии позволяют существенно повысить степень извлечения металлов из горных пород при относительно низких затратах труда, энергии и основного капитала. Это делает экономически рентабельной переработку бедных руд и техногенных отходов, позволяет добывать металлы из руд глубокого залегания без ущерба для ландшафта. Окисляя сульфидные руды, микробы растворяют металлы (медь, железо и др.) и облегчают процесс их добычи (биовыщелачивание). Другие металлы (например, золото) непосредственно не растворяются, но становятся более доступными для традиционных методов добычи, поскольку микробы удаляют окружающие их минералы (биоокисление). Начиная с 1960-х годов «зеленые» биотехнологии широко используются в промышленной добыче меди, урана и золота. С открытием новых микроорганизмов становится возможным их применение в разработке низкосортных комплексных руд, извлечении ценных металлов из электронного мусора (e-waste).

Если раньше анализ входящего сырья представлял собой значительные трудности, то сегодня металлодетекторы позволяют быстро и качественно отделить цветные металлы от черных и использовать только качественный лом для плавки.

Точный контроль параметров кристаллизации проката сегодня позволяет контролировать каждый миллиметр производимой продукции, что резко снижает количество брака и некондиционного продукта.

Хотя порошковая металлургия — технология давно известная, сегодня свойства кристаллизаторов, которые управляются компьютером, позволяют производить продукцию с существенно более высокими потребительскими свойствами.

На подходе полноценная 3D-печать металлических изделий, что раньше было просто невозможно из-за неравномерного остывания металла при печати.

С каждым годом повышается экологичность производства, улучшаются фильтры, разрабатываются технологии удаления дыма и очистки используемых вод как за счет использования новейших достижений химической промышленности, так и за счет достижений биологической науки, которая сегодня готова вырастить бактерии, способные потреблять и обезвреживать практически любые отходы.

Не обошла стороной цифровизация и сферу маркетинга: сегодня сталь можно купить в обычном интернет-магазине, после чего отслеживать покупку и грамотно управлять складскими запасами, ориентируясь на ожидаемые поставки.

Кастомизация продукции металлургии становится новым трендом, и, возможно, в будущем металлурги будут готовы предоставить любому потребителю продукцию, подготовленную под его специфические нужды.

Развитие носимой электроники подарило новое назначение литию и кобальту, которые стали незаменимыми элементами быстро перезаряжаемых аккумуляторов. Но дороговизна этих металлов вынуждает производителей аккумуляторов искать новые применения давно известным металлам. Уже появились проекты, обещающие широкое применение алюминия в аккумуляторах будущего.

Электролиз как пример

Вышеназванными технологиями перечень перспективных новинок в горной и металлургической отраслях не исчерпывается. Индустрия добычи и производства металлов стоит на пороге перемен, сопоставимых с технологическим скачком в производстве алюминия, когда электролиз превратил дорогой и недоступный ранее металл в широко используемый материал. Эти изменения неизбежны, а рост эффективности в горной добыче и металлургии хотя и пугает возможным сокращением неквалифицированного персонала, обещает большое количество новых рабочих мест в сфере интеллектуального труда.

Тенденции развития современной металлургии и новые процессы получения железа

Мартеновский процесс, долгое время державший монополию в области производства стали, уступил в конце 60-х годов XX века место более производительному кислородно-конвертерному. Дальнейшая борьба шла уже между конвертерным и набирающим силу электросталеплавильным процессом.

Дополнительная информация

• Авторы: Неделин Сергей Васильевич
• E-mail: nedelin@gmail.com

Мартеновский процесс, долгое время державший монополию в области производства стали, уступил в конце 60-х годов XX века место более производительному кислородно-конвертерному. Дальнейшая борьба шла уже между конвертерным и набирающим силу электросталеплавильным процессом.

Динамика развития процессов производства стали

Растущий спрос на специальные виды сталей и развитие мини-миллов (небольших прокатных заводов, имеющих в составе электропечи) упрочил позиции этого способа производства стали. Развитие основных процессов производства стали с середины XX века представлено на диаграмме:

Доля мартеновского производства по итогам 2008 года в мире составляла 2,2%. Мартеновское производство сосредоточено в основном в странах СНГ (23,4% от общего производства стали по итогам 2008 года). В связи с закрытием избыточных и малоэффективных производств на фоне мирового финансового кризиса доля мартеновского производства по итогам 2009 года значительно сократилась. Так, на российских предприятиях о закрытии мартеновских цехов объявили Череповецкий МК (Северсталь) и Нижнетагильский МК (Евраз). Таким образом, по итогам 2010 года доля мартеновского производства составляла уже 14,3% в странах СНГ и 1,3% — в мире.

Соотношение между конвертерным и электросталеплавильным процессами в общем объеме производства стали в ближайшей перспективе сохранится: с одной стороны растет количество предприятий неполного цикла (мини-миллы) с использованием электрометаллургии, с другой стороны – ведущий мировой производитель стали Китай наращивает производство именно конвертерной стали (доля кислородно-конвертерной стали в КНР по итогам 2010 года составляет 90,2%).

Основные компоненты металлошихты для сталеплавильных процессов

Компонентами металлошихты для производства стали в общем случае являются чугун, лом черных металлов и металлизованное сырье (Direct Reduction Iron – DRI).

Металлошихта для основных сталеплавильных процессов может варьироваться в довольно широком диапазоне и зависит в большинстве случаев от доступности ресурсов и ценовых соотношений между ними. Так, в периоды роста стоимости железорудного сырья и снижения цен на лом чёрных металлов комбинаты увеличивают использование лома за счёт снижения чугуна и наоборот.

Общее представление о технологических диапазонах изменения сталеплавильной шихты можно получить из следующей таблицы:

Кислородно-конвертерное Электростале-плавильное Мартеновское (скрап-рудный процесс) Мартеновское (скрап процесс)

Кислородно-конвертерное

Электростале-плавильное

Мартеновское (скрап-рудный процесс)

Мартеновское (скрап процесс)

Доля процесса в выплавке стали (мир)

Доля процесса в выплавке стали (СНГ)

Типовая шихта, %:

— жидкий чугун

75-80

0-30

25-55

— лом черных металлов

20-25

30-100

25-75

—чугун чушковый

0-5

5-15

— металлизованное сырье

0-70

Максимальная доля лома в металлошихте (технологическое ограничение)

28%

100%

45%

75%

Наибольшая вариативность металлошихты наблюдается в электросталеплавильном производстве. Источником тепла в ЭСП является энергия электрической дуги и необходимость в других теплоносителях отсутствует, что снимает потребность в приходе тепла от компонентов шихты.

Как уже говорилось выше, мартеновский процесс ввиду его незначительной доли в мировом производстве не играет значительной роли в потреблении металлосырья. Таким образом, в общем виде схема классического производства стали выглядит следующим образом:

Преимущества классической схемы:

• высокая степень извлечения железа;
• высокая удельная производительность;
• высокий тепловой КПД;
• эффективный расход энергоресурсов.

Недостатки классической схемы:

• высокие стартовые капитальные затраты при строительстве нового производства;
• необходимость предварительного окускования шихты;
• использование кокса в качестве основного энергоносителя и восстановителя;
• ограниченные ресурсы качественного лома черных металлов.

Новые процессы получения железа

Основные причины возникновения новых процессов получения железа вытекают из недостатков классической схемы: стремление сократить технологическую цепочку и снизить зависимость от использования кокса – основного восстановителя и источника тепла в классической схеме производства стали. Как следствие – в обозначении новых процессов часто используются термины «прямое получение железа» и «бескоксовая металлургия».

По виду производимого полупродукта новые процессы получения железа разделяют на твердофазные и жидкофазные. Доля последних крайне мала (5-6% от всей бескоксовой металлургии) и их полупродукт не может выступать в составе металлошихты в качестве полновесной альтернативы лому.

Исходным сырьём для новых процессов являются железная руда или железорудные окатыши. Таким образом, стадия восстановления (перевод железа из окисленной формы в металлическую) также присутствует и в процессах альтернативной металлургии.

В качестве восстановителя в твердофазных процессах используют продукты конверсии (перевода в CO и H2) природного газа или продукты газификации углей. Вследствие относительно низкой эффективности применение газификации углей ограничено. В последнее время процессы, связанные с газификацией углей, наиболее активно развиваются в Индии.

В жидкофазных процессах основным восстановителем и источником тепла является уголь.

Схема производства стали из металлизованного полупродукта приведена ниже:

Многообразие идей и схем реализации породило множество названий для процессов и продуктов бескоксовой металлургии. Перечислим наиболее употребимые из них:

• DRI – Direct Reduced Iron
• SI, SPI – Sponge Iron
• HBI – Hot Briquetted Iron
• HDRI – Hot Direct Reduced Iron
• CDRI – Cold Direct Reduced Iron
• МП – металлизованный полупродукт
• ЖПВ – железо прямого восстановления
• ЖПП – железо прямого получения
• ПВЖ – прямовосстановленное железо
• ГЖ – губчатое железо
• ГБЖ – горячебрикетированное железо
• Наиболее часто встречающиеся:
• DRI – процессы и продукты производства «бескоксовой» металлургии
• SI, SPI (ГЖ) – продукт твердофазных процессов
• HBI (ГБЖ) – брикетированный продукт твердофазных процессов

В общем виде схема производства металлизованного продукта приведена ниже:

Классификация новых процессов производства железа

По виду используемого восстановителя новые процессы классифицируются по следующим группам:

I. Природный газ

• шахтная установка непрерывного действия (Midrex, Armco, Purofer, HYL-III);
• шахтная установка периодического действия – реторта (HYL-I, HYL-II);
• агрегат с кипящим слоем.

II. Природный газ + уголь

• вращающаяся трубчатая печь, шахтная установка (ITmk3).

• одностадийные (Romelt);
• многостадийные (Corex, Finex, Hismelt, DIOS).

Для процессов I и II групп характерен твёрдый металлизованный продукт, процессы III группы производят жидкий полупродукт. Как уже говорилось выше, распространённость процессов III группы очень ограничена (5. 6%), поэтому дальнейшее изложение будет касаться аспектов производства и использования твёрдых металлизованных продуктов.

Развитие технологий производства металлизованного полупродукта

Развитие процессов прямого восстановления идёт параллельно в двух направлениях: с одной стороны увеличивается количество реализованных проектов по технологии Midrex с использованием природного газа в качестве источника восстановителей, с другой стороны – развиваются процессы, основанные на конверсии углей. Наиболее популярна эта технология в Индии – государстве со значительными запасами железной руды и угля и с одним из самых незначительных удельных объёмов потребления стали (51 кг/человека), что делает её перспективной в отношении развития металлургического сектора.

Развитие процессов прямого восстановления железа (% от общего объёма производства DRI)

Особенности производства твёрдого металлизированного продукта

Технологическая схема производства металлизованного продукта предъявляет определённые требования и накладывает некоторые ограничения на используемое сырье:

Процесс металлизации проводится в агрегатах с противотоком твёрдых материалов и газов.

Необходимость окускования исходных материалов для улучшения газопроницаемости шихты.

Причина

Следствие

Восстановление происходит в твёрдом виде без образования жидких продуктов плавки и отделения пустой породы в виде шлака.

Ограничение по содержанию пустой породы в исходном материале. Для производства DRI требуется высококачественное кусковое железорудное сырьё с минимальным содержанием пустой породы.

Восстановление происходит в твёрдом виде, т.е. проходит без удаления примесей.

Ограничение по содержанию нежелательных примесей в исходном материале. Природное сырье должно содержать минимум примесей и нежелательных элементов.

Отсутствие крупнокусковых разрыхлителей в агрегате металлизации.

Необходимость обеспечения нормального газодинамического режима ведёт к необходимости снижения диаметра агрегатов. Негативным результатом этого является снижение удельной производительности агрегатов.

Продуктом является пористое свежевосстановленное железо, находящееся в восстановительной среде внутри агрегата металлизации.

Возникают условия для сваривания частиц материала внутри агрегата. Для снижения эффекта необходимо снижение температурного уровня процесса, что приводит к снижению удельной производительности.

Продуктом является пористое свежевосстановленное железо, находящееся в окислительной среде вне агрегата металлизации.

Высокая площадь контакта с кислородом воздуха в малом объёме приводит к пирофорности – возможности самовоспламенения. Для снижения этого негативного эффекта необходима пассивация: обработка нейтральными веществами, хранение и перевозка в нейтральной среде, брикетирование.

Таким образом, основными недостатками новых процессов производства железа являются:

• низкая удельная производительность агрегатов;
• необходимость использования шихты с высоким содержанием железа и низким содержанием пустой породы и примесных элементов;
• высокая потребность в энергоносителях и кислороде;
• высокие требования к условиям хранения и транспортировки.

Страны-производители DRI

Условия целесообразности строительства установок по производству DRI:

• относительно малая потребность внутреннего рынка в стали;
• малые ресурсы металлического лома и коксующихся углей;
• значительные ресурсы железной руды и природного газа.

Установки внедоменного получения железа сооружаются, в основном, в развивающихся странах, которые отвечают перечисленным выше условиям: Индия, Венесуэла, Иран, Мексика, Саудовская Аравия. Динамика производства DRI в разбивке по странам приведена на диаграммах.

Динамика производства DRI

Производство DRI в 2010 г.

Стоимость greenfield-проекта по производству DRI в объёме 2 млн. т в год оценивается в $350. $500 млн. Основные параметры проекта: