Технологии производства в черной металлургии

Черная металлургия

Среди множества конструкционных материалов можно выделить главные, обладая комплексом наиболее важных физико-технических свойств, удовлетворяющим экономическим требованиям и имеющих наиболее широкую область применения. Одним из таких материалов является прежде всего сталь, наиболее полно удовлетворяющим указанным требованиям. Именно этим объясняется ее исключительная роль в развитии производительных сил и создании материальной базы человечества. Сталь начиная с 70 годов 19 века является базовым конструкционным материалом всего промышленного производства. Большинство прогнозов развития мирового промышленного производства сохраняют за сталью ее значение. Однако есть и другие мнения, считающие вероятным развитие процесса замены стали цветными металлами, пластмассами и композиционными материалами. Тем не менее, основные прогнозы развития главных конструкционных материалов показывают, что взаимозамена этих материалов никак не повлияет на объемы их производства стали и сталь останется основным конструкционным материалом человечества в будущем.

Сталь – это сплав железа с углеродом, где содержание углерода ниже, чем 2,14%.
Современный и самый распространенный способ получения стали это двухступенчатый способ.

• Получение чугуна (железо насыщенного углеродом свыше 2,14%) в доменной печи
• Обработка чугуна кислородом и получение готовой стали.

Известно, что железо находится в земной коре в оксидном состоянии в основном в виде минералов железа гематита «оксид Fe2O3» или магнетита «оксид Fe2O3*FeO».
Основной, самый древний и самый распространенный способ разложения оксида железа – это способ доменного получения железа (чугуна), когда железная руда вступает в химическую реакцию с углеродом кокса:

FexOy+C=Fe+CO2

Для проведения такого восстановления требуются специальные доменные печи, подготовленный кокс из коксующегося угля. Продукт такого процесса - чугун, содержащий железо и углерод (свыше 2,14%).

Учитывая, что продуктом химической реакции является газ (CO2), то обязательным условием проведение процесса является окускование всех сырьевых материалов. Это необходимо для того чтобы образующиеся газы легко проходили сквозь шихтовые материалы. Для окускования железной руды используются в основном два процесса -агломерация или окомкование.

Чугун получаемый в доменной печи -это железо насыщенное углеродом. Данный продукт обладает определенной хрупкостью из-за высокого содержания углерода не пригоден для изготовления из него ответственных металлических деталей. Для придания такому железу определенных свойств из него надо удалить кислород. Для углерода из чугуна жидкий чугун продувают кислородом в специальных металлургических агрегатах -кислородных конвертерах. Для производства стали используют 80-85% жидкого чугуна и 15-20% металлолома.
Таким способом производят 70% стали в мире.

Для переработки накопившегося лома в сталь в основном используют электропечи, с помощью которых производят до 30% всей стали в мире.

В 20 веке мировой объем производства стали увеличился с 28 млн. тн стали до 800 млн. тн, в за первое десятилетие 21 века мировой объем стали практически удвоился и достиг в 2011 г. объема 1, 490 млн.тн.

Потребление стали на душу населения в некоторых странах мира, кг/человека.

Страна	2008	2009	2010	2011
Европа (27)	372	243	294	310
Турция	283	234	302	341
Россия	251	178	255	292
Украина	149	83	117	143
Канада	441	284	417	416
США	323	192	257	284
Бразилия	122	93	129	123
Иран	225	258	291	284
Китай	336	412	436	459
Япония	612	415	500	506
Южная Корея	1210	936	1077	1156
МИР в целом	196	181	205	214

Производство стали по виду технологического процесса:

Страна	Общее производство стали, млн.тн.	Кислородно-конверторная сталь, %%	Электросталь, %%	Мартеновская сталь, %%
Европа (27)	177,2	56,7	42,8	0,5
СНГ	113,5	64,2	20,9	14,9
Северная Америка	117,5	39,9	60,1
Центральная и Южная Америка	49,3	62,3	36,6	0
Африка	15,6	32	68	0
Ближний Восток	20,8	11,1	88,9	0
Азия	974,9	79,8	20,1	0,0
ИТОГО	1514,1	69,5	29,2	1,2

Сырье и материалы.

Исходным сырьем и материалами для черной металлургии служат железная руда, уголь, металлолом, ферросплавы.

Железорудное сырье: В целом в мире ежегодно добывается примерно 1,8 млрд. т железной руды, из них более половины мировой добычи приходится на три страны - Китай (18%), Бразилию (20%) и Австралию (24%). Крупнейшими странами, производителями также являются Индия (12%) и страны СНГ (11%). Добыча железной руды в этих странах быстро растет. Крупнейшие ее экспортеры - Бразилия и Австралия, обеспечивающие около 60% мирового экспорта. Многие страны мира, в том числе добывающие железную руду - США, Великобритания, Италия, Китай и др., ее импортируют. Крупнейшие импортеры - Япония, ФРГ, Республика Корея. Комбинаты, несмотря на определенные структурные изменения, происшедшие в отрасли, остаются основным типом предприятий черной металлургии большинства развитых стран. Черная металлургия полного цикла отличается высокой материалоемкостью производства, т.е. высоким расходом используемых материалов по отношению к весу готовой продукции.

Уголь: Добывают уголь в 70 странах мира, однако практически всю мировую торговлю этим сырьем контролируют 4 компании – Xstrata, Rio Tinto, BMA и Anglo American. Растущая часть – около 13% (720 млн т) из общего объема добычи каменного угля в мире – используется сейчас в металлургической промышленности, обеспечивая почти 70% глобального производства стали (в доменном процессе). Требования к качеству этих углей весьма специфичны и высоки, а многие страны не имеют или выработали подходящие угольные месторождения. Поэтому все выше доля этих дефицитных видов угля в мировой торговле. Сегодня коксующийся уголь занимает около 25% на мировом рынке товарного угля, причем является наиболее быстрорастущим и наиболее волатильным сегментом на угольном рынке. В 2010-2011 г. объем мировой торговли металлургическим углем, по оценочным данным австралийского бюро экономики сельского хозяйства и ресурсов ABARE (ввиду отсутствия официальной статистики), увеличился на 17% по сравнению с 2009 г., до 259 млн т.

На выплавку 1 т чугуна расходуется около 1,5-1.65 т железной руды (чем богаче руда железом, тем меньше ее расход), и до 0.85 т коксующегося угля, а всего 4-5 т сырья и топлива. В связи с этим идеальными местами для развития черной металлургии всегда считались страны и районы, богатые железной рудой, углем и топливом. Например, Индия, Китай, Казахстан, Австралия, Донецко-Приднепровский район Украины отличаются сочетанием ресурсов железных и марганцевых руд, коксующегося угля. Но столь благоприятное для черной металлургии сочетание природных ресурсов встречается нечасто, поэтому многие металлургические районы и центры возникли или вблизи разработок железной руды (например, в Лотарингии во Франции, на месторождениях Великих озер в США, в Альпах Италии, в Швеции, Бразилии), или в местах добычи каменного угля (например, район Рура в ФРГ, Пенсильвании в США, Донбасса на Украине, Кузбасса в России и др.).

Дополнительную и весьма крупную по размерам сырьевую базу черной металлургии составляют ресурсы металлического лома (амортизационный лом, отходы металлургического производства и пр.). С переработкой металлического лома связано превышение выплавки стали над чугуном, из лома выгоднее (дешевле) сразу выплавлять сталь, минуя доменное (чугунолитейное) производство.

По мере накопления ресурсов вторичного сырья во все большем числе стран мира первичные стадии металлургии (доменное производство) были заменены использованием собственного или импортируемого металлолома. В США почти половина стали, производится не из чугуна, а из лома (в основном на новых заводах, расположенных на территории Запада и Юга). Примерно такое же положение в других развитых странах, новых индустриальных странах (особенно азиатских) и в России.

Помимо старых, традиционных районов черной металлургии, возникших в отдельных странах мира либо на сочетании железной руды и каменного угля, либо отдельно на угле, железной руде или заменяющем их металлоломе, отрасль особенно в последние годы весьма активно развивалась в приморских районах. Такой вариант размещения черной металлургии обеспечивает возможность подвоза сырья и топлива и вывоза готовой продукции морским путем. При этом во многих случаях импорт железной руды (или лома) и каменного угля более выгоден, чем эксплуатация местных баз и месторождений. Например, в Японии практически все заводы расположены по побережью, что очень удобно для получения железной руды и каменного угля по морю (железную руду Японии поставляют Австралия, Индия, Бразилия, а уголь - Австралия и Китай). Крупные металлургические комбинаты созданы в портовых городах Италии (Неаполь, Генуя, Таранто), Франции (Марсель, Дюнкерк), США (Балтимор, Филадельфия), Китая (Ухань), ФРГ, Великобритании, Бельгии, Нидерландов и других стран. Во всех этих случаях, как и в Японии, размещение металлургии определяется ориентацией на импортные железную руду и каменный уголь (для европейских стран железная руда поступает из Африки и Латинской Америки, уголь - из США; для США железная руда идет из Бразилии, Венесуэлы и Канады).

В мировом производстве стали лидируют Китай, Япония, США, Россия, ФРГ, Республика Корея, Бразилия, Англия, Франция, Италия. Производство стали - отрасль специализации хозяйства и ряда других стран - Австралии, Канады, ЮАР, Швеции, Австрии, Испании, Украины, Польши, стран Бенилюкса.

В мировой выплавке стали постоянно увеличивается удельный вес развивающихся стран (выплавляют около 40% стали), прежде всего новых индустриальных (Республика Корея, Бразилия, Индия, Мексика, Аргентина и др.).

Огромную роль при выплавке стали играют ферросплавы, которые используются для легирования, раскисления и удаления вредных примесей из стали.

Основными ферросплавами для выплавки стали являются крупнотоннажные ферросплавы феррохром (FeCr), ферросилиций (FeSi), марганцевые сплавы (FeMn, SiMn). Общий объем производства превышает 30 млн. тн.

Выплавка ферросплавов различными странами в 2011 г. (тыс.тн).

	Китай	Индия	СНГ	Европа	Южная Африка	USA	Остальной мир	ИТОГО
FeSi	3900	68,0	730	492	130,0	170	710	6200,0
SiMn	4884	1213,0	1402	565	284,0	105	810	9263,0
FeMn	1703	431,0	441	401	441,0	6,0	830	4253,0
FeCr	2005	970,0	1451	365	3524,0	0	286	28316,0
ИТОГО	12492	2682,0	4024	1823	4379,0	281	2636	28316,0

Для производства ферросплавов используют марганцевую, хромовую руду, кварцит, кокс (уголь) и электроэнергию.

Среднемировое потребление ферросплавов составляет около 20 кг на тонну жидкой стали.

Технологии, используемые в металлургии.

Современная структура в производстве черных металлов окончательно сложилась в начале 20 века. Она представлена трехступенчатой схемой, в той или иной мере воспроизводимой в черной металлургии.

1. Подготовка сырьевых материалов. Обогащение, добываемой из недр сырой руды и окускование получаемых материалов, обогащение и коксование углей.
2. Производство черного металла в доменных, ферросплавных или альтернативных агрегатах твердофазного или жидкофазного извлечения металла из руд.
3. Передел первичного металла (чугун, металлизированные материалы) в сталь и другую продукцию черных металлов.

До настоящего времени основное количество стали более 90% получают по схеме «доменный чугун-сталь». По этой схеме железо из шихты в ходе доменной плавки практически полностью (99%) переходит их шихты в чугун, а затем из чугуна в сталь. При этом не имеет значение с какой долей скрапа была произведена сталь, так как сам скрап в свою очередь был произведен из чугуна.

Схема «чугун-сталь» несмотря на кажущуюся сложность по сравнению с прямым методом «руда-сталь» имеет неоспоримые преимущества: возможность получать металл заданной марки из любого железосодержащего материала, высокая степень энерго- и материалосбережения, высокая удельная и общая производительность агрегатов.

Опыт промышленного развития расширил и скорректировал количество новых технологий и критерии «успеха» производства. Однако на сегодня ни один из предложенных вариантов «прямого получения стали из руды» не оказался конкурентоспособным.

Принципиальной особенностью новых технологий производства металла является отказ от использования в них кокса и замена кокса газом или углем (ПУТ), которые являются источником тепла и восстановления. Другой особенностью новых технологий является стремление к использованию в шихте неокускованного железосодержащего материала.

Новые процессы, в которых конечным продуктом является жидкий чугун можно разделить на две группы:

1. Комбирированные процессы, где стадии предварительного нагрева, восстановления и плавления разделены и происходят в двух-трех аогрегатах, последовательно связанных между собой. К таким процессам относятся: Corex, DIOS, AISI, CCF и другие.
2. Одностадийные процессы, где все процессы происходят в одном агрегате. К таким процессам относятся Romelt, Hismelt, Ausirion, Techored и другие.

В целом черная металлургия 21 века представляет и будет представлять собой гармоничное сочетании различных технологий получения металла, где основную роль при выборе технологии играют ресурсно-экологические и экономические показатели.