МИРОВЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА В XXI ВЕКЕ

В мировом промышленном производстве XX век характеризуется как век широкомасштабной перестройки экономических систем и технологических структур. На базе фундаментальной науки, научнотехнических достижений в экономике и промышленности всех стран непрерывно осуществляются структурные изменения и преобразования. Эти изменения характеризуются четко выраженной направленностью — снижением в валовом национальном продукте доли отраслей, производящих металлоемкую продукцию, и повышением доли наукоемких отраслей, таких как микроэлектроника, приборостроение, оптика, биотехнология и др.

Появление новых отраслей промышленности, базирующихся на использовании нетрадиционных видов сырья, материалов и энергии, сопровождается созданием новых видов конструкционных материалов, в том числе и замещающих черные металлы. Это прежде всего алюминиевые, титановые и магниевые сплавы, конструкционные пластмассы, композиционные, аморфные и микрокристаллические материалы, каменное литье, а также специально обрабо обработки; создание минизаводов. танная либо пропитанная синтетическими смолами древесина. В промышленно развитых странах доля этих материалов в общем объеме потребления всех конструкционных достигла 14—18%, а в целом в мире— более 6—8%.

В металлоемких отраслях, таких как тяжелое, транспортное, энергетическое машиностроение, судо и станкостроение и др., также происходит сокращение объема потребления металлов за счет проведения целенаправленных мероприятий по снижению конструктивной металлоемкости изделий, в том числе и за счет использования заменителей металлов.

Изменения, происходящие в развитых странах в области конструкционных материалов, весьма характерны для нынешнего этапа науч нотехнического прогресса и однозначно указывают на то, что объем производства черных металлов в настоящее время потерял значение одного из главных критериев, по которому определяется уровень экономического потенциала государства. Однако уровень научно технического прогресса во всех сферах эко номики во многом зависит от состояния и развития металлургического комплекса. Этот комплекс определяет не только экономическую, но и политическую независимость государства, а поэтому во всех странах мира пользуется значительной государственной поддержкой в области финансов, кредитов и налоговых льгот. г О прочих позициях производства черных металлов свидетельствует тот факт, что за последние 20 лет ежегодное мировое потребление стали и мировой металлофонд удвоились и в 1992 г. соответственно составили 720— 730млн.т и 7,88,0 млрд.т. По данным Европейской экономической комиссии ООН, доля продукции, изготовленная с использованием черных и цветных металлов, в настоящее время составляет 72—74 % валового национального продукта государства.

Таким образом, можно смело утверждать, что черные металлы в XXI в. останутся основными конструкционными материалами, так как по своим свойствам, в первую очередь, по прочности и пластичности, экономичности производства и потребления, не имеют себе равных в большинстве сфер применения.

Можно только предположить, что сфера применения черных металлов сузится и будет составлять в общем объеме используемых конструкционных материалов ~70—75%. При этом существенно изменится структура металлопродукции: увеличится производство высокоточных профилей и деталепрокатной продукции, в том числе из труднодеформируемых сплавов, благодаря широкому применению эффективных технологий винтовой прокатки, прессования, гидроэкструзии; металлоизделий с различными видами металлических, полимерных, металлополимерных покрытий; биметаллов, в том числе с плакирующим слоем из аморфных и микрокристаллических материалов и др.

По оценкам Международного института черной металлургии, в будущем столетии развитие мирового рынка черных металлов будет характеризоваться медленными темпами роста производства, потребления и внешней торговли, усилением государственно монополистического регулирования и слабо выраженной тенденции роста цен.

В начале будущего столетия в мировом производстве и потреблении стали возрастет роль развивающихся стран, обладающих более высокими темпами экономического развития, валовый национальный продукт которых отличается большей металлоемкостью. На долю этих стран будет приходиться 2532% мировой выплавки стали и 6270% ее потребления. Ослабнут позиции таких традиционных производителей и экспортеров черных металлов, как Япония, страны ЕЭС и США. Ежегодное падение производства и потребления металлопроката в этих странах может составить 0,41,2 %.

Научнотехнический прогресс в производстве черных металлов в XXI в. будет подчинен в промышленно развитых странах структурной перестройке мощностей и их модернизации с целью повышения рентабельности производства и переориентации его на выпуск все более экономичной и высококачественной продукции с высокой степенью обработки, а в развивающихся странах — сооружению новых металлургических предприятий с традиционными и новейшими производственнотехнологи ческими схемами.

Анализ мировых достижений в области металлургического производства показывает, что в основу перспективных разработок будет положен принцип непрерывности— объединение части, группы или всех технологических операций в единый технологический поток — от подготовки сырья до получения готовой металлопродукции. Такой принцип уже сейчас обеспечивает высокую эффективность металлургического производства. Так, например, объединение процессов плавки, непрерывной разливки и горячей прокатки в единый поток позволяет экокномить до 100 кг условного топлива на 1т горячекатаного проката.

Ведущая роль в технологическом потоке производства металлопродукции принадлежит сталеплавильному переделу, структура которого определяет и виды используемого сырья, материалов, энергии; и рентабельности производства; и широту сортамента выпускаемой продукции, а также ее качество; и, наконец, уровень воздействия на окружающую среду. Поэтому именно сталеплавильное производство чаще всего подвергается широкомасштабной ^ модернизации и структурной перестройке.

В XXI в. на структуру сталеплавильного производства все в большей мере будут влиять новые технологии, которые значительно или полностью изменят технологический поток производства металлопродукции. К таким технологиям в настоящее время в первую очередь можно отнести: процессы бескоксовой металлургии, основанные на твердофазном восстановлении (это производство металлизованных окатышей в шахтных печах типа "Мидрекс", США), либо основанные на жидкофазном восстановлении (это производство полупродукта в агрегатах типа "Корекс" фирм "ФАИ" и "ДФАИ", Австрия и ФРГ, или "Плавка в жидкой ванне", МИСИС, Россия), либо процессы восстановления по двухстадийной схеме, предварительное — твердофазное и окончательное — жидкофазное, в том числе и с использованием плазматронов в качестве источников энергии и генераторов восстановительного газа (это производство полупродукта в агрегатах типа "Блазморед" фирмы "ФАИ", Австрия, или агрегатах "Рудасталь", ЦНИИчермет, Россия).

В настоящее время в мире наибольшее развитие получило производство металлизованных окатышей по технологии "Мидрекс". Оценивая перспективность этой технологии, следует отметить, что интерес к ней, как и к другим технологиям прямого восстановления, несколько снизился. Это в значительной мере связано и со сложившимся соотношением цен на сырьевые и энергетические ресурсы. Вместе с тем, по оценкам экспертов, общие затраты энергии на получение стали по технологии "Мидрекс" составляют 536 кг условного топлива. В современной доменной технологии расход топлива только на производство чугуна составляет >540 кг условного топлива. При этом >75% расходуемого топлива приходится на кокс. Так что перспективность развития этого процесса в XXI в. не потеряна.

Перспективность процессов жидкофазного восстановления вытекает из возможности снижения ресурсоемкости (себестоимости) конечного продукта за счет использования прежде всего дешевого железорудного сырья, недефицитных видов топлива и восстановителя, что имеет решающее значение.

Оценка эффективности процессов высокотемпературного жидкофазного восстановления свидетельствует о том, что перевод черной металлургии на эту новую производственнотехнологическую схему получения металлопродукции может обеспечить снижение в 1,5—2 раза себестоимости стали, уменьшение безвозвратных потерь железа в 2—3 раза, сокращение энергоемкости металлопродукции более чем в 2 раза и наконец увеличение производительности, коренного улучшения условий труда и защиты окружающей среды.

Что касается процессов восстановления железа с использованием плазменной технологии, то перспективность их также заманчива и очевидна. Использование плазматронов в качестве источников энергии и генераторов восстановительного газа из любого топлива обеспечивает высокую степень извлечения железа и низкую энерго и капиталоемкость процесса.

Следует отметить, что плазменные процессы в металлургии заслуживают особого внимания не только с позиции создания альтернативных производственнотехнологических схем при прямом получении железа, изменяющих структуру сталеплавильного производства, но и с позиций получения высококачественных сталей и сплавов или интенсификации отдельных стадий их выплавки.

Плазменнодуговой и вакуумпла змеиный

переплавы в водоохлаждаемый кристаллизатор или плазменнодуговой и плазменноиндукционный переплавы в печах с керамическим тиглем уже сейчас по своим техническим возможностям не уступают вакуум дуговому> вакууминдукционному и электро шлаковому переплавам. Конечно, эти процессы, являясь дополнительной стадией металлургического передела, удорожают продукцию и поэтому в перспективе будут использоваться в ограниченном масштабе для выплавки специальных сталей и сплавов.

К процессам, которые в будущем могут также существенно изменить структуру сталеплавильного производства, можно отнести переплав металлолома в агрегатах, альтернативных электро и мартеновским печам (там, где последние еще Сохранились).

В черной металлургии большинства стран мира имеет место рост потребления металлолома. Ожидается, что в шихте, используемой для выплавки стали, соотношение между металлоломом и первородным сырьем (чугуном, железорудным и металлизованным продуктами) к началу* XXI в. составит 2:3. Это в . значительной степени обусловлено расширением объемов выплавки электростали, увеличение доли которой в промышленно развитых странах к концу нынешнего столетия составит в среднем >35%.

Однако количество используемого металлолома должно определяться не формальными соображениями о том, сколько лома необходимо, например, для электросталеплавильного производства, а требованиями к качеству стали. Именно этот подход заставляет производителей металлопродукции принимать самые энергичные меры к подготовке металлолома, особенно в части извлечения из него цветных металлов— меди, олова, свинца и др.

За последние годы классический электросталеплавильный процесс подвергся коренной модернизации. Изменилась его

специализация— наряду с выплавкой легированных и высоколегированных сталей все больший объем выплавки занимают стали массового назначения. Улучшились техникоэкономические и энергетические показатели, а* также технологические возможности за счет увеличения удельной электрической мощности. Этому способствовало также создание печей принципиально нового типа, в том числе работающих на постоянном токе; использование топливнокислородных горелок для плавления лома и кислородных фурм для продувки расплава; применение высокоавтоматизированных систем управления технологическим режимом.

Основным сдерживающим фактором дальнейшего расширения электросталеплавильного производства является высокая стоимость электроэнергии. Непосредственное использование энергии топлива обходится дешевле, чем превращение ее в электрическую.

В последние годы для переплава лома интенсивно разрабатываются и вводятся в эксплуатацию агрегаты шахтного типа, работающие на дешевых видах топлива и позволяющие использовать в шихте до 100% лома. К таким агрегатам можно отнести энергетически оптимизированную печь фирмы "Корф" (ФРГ) или агрегат лом — сталь (ЦНИИчермет, Россия). Капитальные вложения на сооружение таких агрегатов, включая инфраструктуру, ниже на 25% по сравнению с электродуговыми печами. Но главное их преимущество заключается в том, что они легко могут быть встроены в непрерывный технологический поток производства металлопродукции.

Видимо, в будущем шахтные и электрические печи останутся основными агрегатами для передела лома в сталь. Тем более, что существует большое количество доводов о непригодности и неконкурентоспособности кислородного конвертера в качестве агрегата для переплава лома. Максимально, на что можно рассчитывать в кислородном конверте ре, это 27—30% лома в шихте. При увеличении же его доли необходимы специальные меры для повышения тепловых возможностей процесса, но эти меры не всегда экономически и технологически оправдываются. г К технологиям, которые значительно изменяют производственнотехнологический поток производства стали, следует отнести непрерывную разливку стали для получения заготовок, в том числе слябовых, максимально приближающихся по форме и размерам сечения к готовому прокату, а также совмещение процессов разливки стали и прокатки металла в > единый поток разливка — прокатка.

Известно, что непрерывная разливка стали по сравнению с разливкой ее в слитки обеспечивает (в зависимости от ’ вида производимого проката) увеличение выхода годного металла на 10—15%, снижение расхода стали на производство проката в среднем на 60 %, уменьшение на 20—30% расхода электроэнергии и на 20—40 % топливноэнергетических затрат, сокращение металлургического цикла за счет ликвидации обжимных прокатных станов и цехов подготовки разливочных составов, улучшение качества металлопродукции за счет повышения физической и химической однородности металла, улучшение условий труда и экологической ситуации.

Металлопродукция, полученная из непрерывнолитых заготовок, обладает большой

плотностью и однородностью по длине и поперечному сечению, лучшей обрабатываемостью и изотропностью, более высокой пластичностью. В изделиях снижается ликвация элементов, повышается сопротивляемость усталости, увеличивается на 10—15% ударная вязкость при отрицательных температурах. По сравнению с прокатом из обычных слитков в металлопродукции из непрерывнолитой заготовки на ДО 20 % больший запас штампуемости и более узкие пределы в разбросе механических свойств.

Важным преимуществом непрерывной разливки стали в условиях нового строительства и реконструкции является значительное (более чем на 1/3) сокращение производственных площадей.

Разливка же тонких слябов, например, толщиной 25—50 мм, по данным фирмы "Маннес манн Демаг" (ФРГ), обеспечивает сокращение капиталовложений в 6 раз и снижение энергозатрат по сравнению с традиционной технологией прокатки полосы в Зраза. Получение же непрерывнолитой полосы непосредственно для станов холодной прокатки толщиной 2—5 мм и шириной до 1500 мм обеспечивает исключение горячей деформации и дополнительное значительное сокращение капиталовложений и энергозатрат, повышение показателей качества литого металла на 10—20%.

Современный уровень развития техники и технологии непрерывного литья заготовок позволяет с большой уверенностью предположить, что в XXI в. разливка стали в изложницы станет редкостью (очевидно, лишь только для крупных поковок). Уже сейчас в промышленном масштабе непрерывным способом успешно разливают коррозионностойкие стали аустенитного и ферритного классов, автоматные (в том числе свинецсодержащие), ниобий и титансодержащие, подшипниковые высокохромистые, пружинные высокомарганцовистые, а также стали особого назначения с высоким содержанием никеля и др.

Большое будущее принадлежит технологиям, основанным на совмещении процессов разливки стали и прокатки металла в единый поток разливка — прокатка. По оценкам специалистов, например, совмещение разливки тонких слябов (толщиной 25—50 мм) с прокаткой позволяет снизить на 50 % энергозатраты, уменьшить на 3—5% расход металла при сокращении капиталовложений и общей металлоемкости оборудования на 30—40 % в цикле разливка — прокатка.

Совмещение процесса разливки стали с прокаткой неразрывно связано с созданием принципиально новых агрегатов по разливке и по прокатке. Такие агрегаты должны быть модульного типа и легко вписываться в новые прогрессивные технологические схемы, такие, как, например, непрерывная разливка— горячий всад, непрерывная разливка — прямая прокатка. В первом случае разлитые на МНЛЗ слябы с температурой ~800 °С поступают в нагревательную печь, а затем на прокатку, что позволяет сократить расход энергии по сравнению с холодным всадом в 1,5 раза. Во втором случае слябы с температурой ИЗО— 1150 °С поступают непосредственно в прокатную группу, что сокращает расход энергии в 23 раза.

Для реализации технологии совмещения процессов получают развитие МНЛЗ, работающие по новому принципу,— роторные, роторно и горизонтальноленточные, конвейерные, наклонные и др.

Будут созданы МНЛЗ для получения биметаллических заготовок, в том числе с коррозионностойким плакирующим слоем, а также полых трубных заготовок большого поперечного сечения из высоколегированных сталей.

Освоение промышленных образцов МНЛЗ нового поколения, например, роторных для отливки сортовых заготовок и ленточных для отливки тонких слябов позволит создать литейнопрокатные комплексы непрерывного действия для получения непосредственно из расплава заготовок, близких по размерам и геометрическим формам к готовой продукции. Такие комплексы коренным образом изменят схему и организацию производства заготовок и готового проката за счет исключения ряда энергоемких и трудоемких технологических операций металлургического производства.

Экономичность и эффективность сталеплавильного производства, конечно же, будут обеспечиваться комбинированными способами внепечной обработки, представляющими собой различные сочетания обработки металла порошкообразными реагентами, вакуумом, инертными газами, шлаками.

Существенное развитие в будущем столетии должна получить поточная внепечная обработка стали (в том числе поточное вакуумирова *ние), которая обеспечивает технологические и экономические преимущества при непрерывной разливке стали. Такая обработка стали не требует увеличения технологической паузы между выпуском и разливкой плавки, исключает необходимость в специальном подогреве металла в ковше или его перегрев в плавильном агрегате, снижает задалживание производственных площадей цехов и кранового оборудования.

Наряду с широким распространением традиционных процессов внепечной обработки стали будут разработаны и освоены роботизированные непрерывноциклические процессы внепечной обработки стали, обеспечивающие по за 164 данной программе выполнение комплекса рафи нировочнодоводочных операций и достижение заданных показателей качества стали различного назначения.

Непрерывноциклическая внепечная обработка стали позволит более широко использовать автоматизацию и робототехнику, изменять объемнопланировочные решения сталеплавильных цехов в направлении снижения капиталовложений, повысить производительность труда, К9ренным образом улучшить качество и стабильность свойств металлопродукции, снизить расход электроэнергии и топлива.

Необходимо отметить, что в XXI в. черная металлургия мира и особенно металлургия стран СНГ окончательно "распрощается" с тенденцией гигантизма, направленной на создание агрегатов сверхбольшой единичной мощности в составе гигантских заводов, с огромной концентрацией производств в крупных металлургических центрах. Такой подход в прошлом приводил к необходимости создания большого количества сложных вспомогательных производств, цехов, служб, энергетических агрегатов и транспортных коммуникаций, как правило, снижающих рентабельность производства металлопродукции. Гигантские металлургические комплексы явились причиной возникновения в металлопроизводящих центрах чрезвычайно тяжелой экологической ситуации.

Альтернативой крупным интегрированным заводам с полным металлургическим циклом в течение последних лет стали минизаводы мощностью до 0,50,7 млн.т проката в год. Более чем 30летний мировой опыт эксплуатации таких заводов позволил выявить их преимущества по сравнению с заводами полного металлургического цикла: организационная

структура и схема управления производством минизаводов простые; сооружение завода в большинстве случаев не сопровождается затратами на развитие инфраструктуры; удельные капиталовложения на 1т готовой продукции в 510 раз ниже; на 50—100 % меньше расходы на обслуживание и модернизацию оборудования; на 70—75 % выше производительность; на 6065% ниже трудозатраты и наконец в 2—Зраза меньше затраты на защиту окружающей среды.

В настоящее время только в США действует 65 минизаводов суммарной мощностью 22,5 млн.т стали в год, что составляет более 30% объема поставок всей стали на рынок.

Однако минизаводы, конечно, не в состоянии полностью заменить заводы с полным металлургическим циклом. Главная причина этому— ограниченный сортамент выпускаемой металлопродукции (мелкосортный прокат и катанка), тогда как промышленность предъявляет повышенный спрос на технологически сложный, с высокой степенью подготовки к применению готовый прокат. В 80х годах некоторыми фирмами были предприняты попытки расширить сортамент за счет увеличения объемов производства более трудоемкой и сложной металлопродукции. Но эти попытки обычно приводили к частичной или полной утрате экономических преимуществ минизаводов. Об этом свидетельствует опыт США, где были построены (либо расширены) так называемые минизаводы мощностью 1,0— 1,2 млн.т стали в год, выпускающие лист и трубы. Однако в последнее время изза быстрых изменений в технологии производства тонкого листа некоторые фирмы, устанавливая МНЛЗ для отливки тонких слябов, активно переходят к выпуску высококачественного автомобильного листа.

Таким образом, перспективность минизаводов очевидна. Они продолжают на рынке металлов служить эффективным дополнением к крупным металлургическим предприятиям.

Мировой опыт эксплуатации минизаводов убедительно подтверждает необходимость серьезного изучения возможности создания таких заводов в странах СНГ.

Таким образом, прогресс в металлургическом производстве неразрывно связан с развитием металлургии как науки, обеспечивающей комплексное решение задач повышения общественного производства, создание новейших технологий и защиты окружающей среды.

СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке. Т о м 2, Москва 1994