Багров Н.М., Г.А. Трофимов, В.А. Андреев В.В. Основы отраслевых технологий

Подождите немного. Документ загружается.

была практически перестроена на энергосырьевое обеспечение

промышленно-развитых стран.

В 2007 г. в России было произведено 5% мирового вы-

пуска стали, при этом около половины пошло на экспорт (10%

мировой торговли). Доля России в мировом производстве ос-

новных видов цветных металлов (алюминий, никель, медь, цинк,

свинец, олово) составляет около 8,5%. На экспорт отправляется

около 80% их производства и 70% редких металлов. В экспорте

черных металлов 60% занимают полуфабрикаты (слябы, чугун,

лом, руда и т.д.), в экспорте цветных металлов 80% приходится

на первичные, т.е. не прошедшие обработку, металлы и лишь

10% – на прокат и металлоизделия. Следствием перестройки

металлургии на выпуск первичных металлов стало резкое со-

кращение производства металлопродукции, т.е. металлоизде-

лий и различного вида проката.

Таким образом, в результате спада производства в ме-

таллопотребляющих отраслях, нарушения и разрыва производст-

венно-хозяйственных связей в стране, а также удорожания топли-

ва, перевозок и электроэнергии произошла коренная перестройка

металлургического комплекса на выпуск первичных металлов и

поставку их на экспорт. Основными металлами, поставляемыми

на экспорт, являются черные металлы (10% от общего экспорта),

алюминий, медь, никель, металлы платиновой группы.

Значительную долю в составе экспорта занимает также

металлолом (6-14 млн т в 2000–2007 гг.), вывоз которого в по-

следние годы вызывает острый дефицит в отечественной метал-

лургии.

3.2. Черная металлургия

3.2.1. Общая характеристика отрасли, ее состояние и

роль в народном хозяйстве. Экспортные особенности. Чер-

ные металлы – сталь, чугуны и др. сплавы железа с углеродом

являются основным конструкционным материалом, что обу-

словлено широким спектром их физико-механических свойств и

невысокой, относительно других материалов с аналогичными

свойствами, стоимостью.

Производство черных металлов в СССР выросло за

70 лет более чем в 30 раз. Основными производителями были

РСФСР – 57% и УССР – 35%. После распада СССР началось

падение производства черных металлов.

Динамика производства черных металлов (рис. 3.1) пока-

зывает, что их наибольший выпуск в России был достигнут в 1988

г., затем началось падение производства. В 1992–94 гг. его темпы

достигли 16–17%, однако с 1995 г. предприятия переориентирова-

лись на экспорт и темпы падения снизились: в 1998 г. был достиг-

нут минимум – 52% от 1990 г., с 1999 г. начался восстановитель-

ный рост и в 2007 г. индекс металлургического производства и про-

изводства готовых металлических изделий составил 98,2% к 1992

г.

С 1990 по 2007 год экспорт черных металлов вырос в

несколько раз, отходов и металлолома – с 433 до 9315 тыс. т,

чугуна – с 1931 до 5805 тыс. т, ферросплавов – с 203 до 791

тыс. т, отходов и металлолома – с 433 до 9315, полуфабрикатов

– с 3675 до 144492 тыс. т и т.д., на экспорт идет более 60% вы-

пуска черных металлов.

По общему объему выплавки стали Россия занимает

четвертое место в мире (табл. 3.1), однако по технологическим

параметрам производства металлов и их качеству она уступает

промышленно развитым странам.

Рис. 3.1 см. Аосновы отр техн сбор 2010а граф

Мартеновское производство стали в его общем объёме

составляет в России 17%, в то время как в США – 2,5%, в Япо-

нии – его нет, в Германии сходит на нет. Около 60% стали в

России разливается в слитки, в то время как в США, Японии и

Германии уже более 90% перерабатывается на машинах непре-

рывного литья.

Таблица 3.1

Динамика производства стали в мире

2000

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

ВСЕГО 847,7

850 904 969 1067

1146

1250

1344

Китай 127

151 182 222 280 355 423 489

Япония 106

102 107 110 113 112 116 120

США 102

90 92 94 100 95 99 98

Россия 59 59 60 61 66 66 71 72

Германия 46 45 46 45 46 45 47 48

Ю.Корея 43 44 45 46 47 48 48 51

Украина 31 33 34 37 39 39 40 42

Бразилия 28 27 30 31 32 31 31 34

Индия 27 27 29 32 33 46 49 53

Италия 27 26 26 27 29 29 32 32

Франция 21 20 20 20 21 19 20 29

Тайвань 17 17 18 19 19 19 20 20

Канада 17 16 15 16 16 15 15 16

Испания 16 16 16 16 18 18 18 19

Мексика 16 13 14 15 17 16 16 18

Великобритания 15 13 12 13 14 13 14 14

Турция 14 15 16 18 20 21 23 26

Др. страны 135

135 140 146 158 157 165 171

Ист.: http//www.promwest.info/3543464

Доля сортовой металлопродукции в прокате составляет

около 60%, листового проката с покрытиями – 4% (в названных

странах, соответственно, 39,7, 39,6, 31,2 и 31,3, 16, 15,2%). Тру-

дозатраты изготовления 1 т проката составляют 8–16 чел./час, а

в США на интегрированных предприятиях – 6–12, на мини-

заводах – 1–2 чел./часа

. Удельный вес электростали в мире

составляет 33,9% (1998), ее среднегодовой рост составляет

3%, в то время как в России, занимающей 4 место по производ-

Молотилов Б., Бродов А., Маторин В. Тенденции развития черной металлургии

// Экономист.– 1997.– № 3.

ству электроэнергии в мире после США, Китая и Японии, элек-

тросталь занимает лишь 26%

В последние годы технологическая система черной ме-

таллургии несколько улучшилась – доля кислородно-конвертер-

ного производства увеличилась до 57%, непрерывное литье в

общем объеме выплавки стали увеличилось до 68%. Переклю-

чение предприятий черной металлургии и металлообработки на

экспорт помогло сохранить отрасль, хотя и с упрощением техно-

логии, на уровне, обеспечивающем России четвертое место по

производству стали в мире.

Крупнейшим потребителем железной руды является

Азия: три основные страны-импортеры железной руды – Китай,

Япония и Республика Корея. Крупнейшим поставщиком желез-

ной руды является Бразилия

. Россия импортирует концентраты

и руду преимущественно из стран СНГ (11 млн т в 2006 г.), экс-

порт железных руд и концентратов в дальнее зарубежье состав-

ляет более 10 млн т.

Недостаток инвестиций ограничивает возможности от-

расли перейти на более современные технологии, которые

обеспечили бы расширение сегмента рынка, рост дополнитель-

ных доходов и конкурентоспособность на мировом рынке. Уста-

ревшие технологии делают продукцию неконкурентоспособной

не только на внешнем, но и, в присутствие импорта, на внутрен-

нем рынке. Поэтому важнейшей задачей комплекса является

повышение уровня технологического обеспечения отрасли.

3.2.2. Чугун. Производство, классификация и приме-

нение. Железоуглеродистые сплавы делятся на стали – с со-

держанием углерода менее 2,14% и чугуны – с содержанием

углерода более 2,14%. Чугуны отличаются большей твердостью,

хрупкостью, хорошо льются, плохо обрабатываются резанием,

не обрабатываются давлением.

Основным способом производства чугуна является до-

менный процесс, суть которого состоит в восстановлении же-

леза из оксидов, в превращении в шлак и сливе пустой породы.

При этом углерод кокса растворяется в железе и его науглеро-

живает. Исходными материалами для производства чугуна яв-

ляются железные руды, топливо и флюсы. Смесь, составлен-

ная из перечисленных материалов, называется шихтой.

Наиболее применимы руды с содержанием железа не

менее 40% – бурый, шпатовый, красный и магнитный железняки,

представляющие собой различные виды соединения железа с

БИКИ. – 1999. – 9 дек.; Россия в цифрах... 2008.– 224 с.

БИКИ.–1999.– 18 мая.– С.14–15.

кислородом, поэтому сущность доменного процесса состоит в

восстановлении железа углеродом.

Топливом служит кокс и природный газ. Кокс пред-

ставляет собой продукт высокотемпературной перегонки камен-

ного угля без доступа воздуха, при которой выплавляются смо-

лы и содержание углерода повышается до 95–99%.

Флюсы. В железных рудах и в золе, получающейся при

сгорании кокса, содержится глинозем, кремнезем и другие эле-

менты, которые могут создать в чугуне вредные примеси. Для их

удаления в шихту добавляется флюс – материал, реагирующий

с примесями и превращающий их в шлак. Как правило, для этой

цели используется известняк.

Для повышения эффективности доменного процесса про-

водят подготовку руды к плавке – дробление крупных кусков,

промывку – при содержании песчаноглинистых пород, агломера-

цию (спекание мелкой руды, смешанной с топливом), окатыва-

ние (обработку рудного концентрата известью и связующим ма-

териалом с последующей сушкой и обжигом получившихся ком-

ков – окатышей), магнитное и другие виды обогащения. Для

магнитного обогащения используют магнитные сепараторы (рис.

3.2) – оборудование, в котором измельченная руда перемещается

в электромагнитном поле. Железосодержащие мелкие куски при-

тягиваются электромагнитом, пустая порода по инерции отсеива-

ется. Производство чугуна осуществляется в доменной печи –

непрерывно действующем агрегате шахтного типа (рис. 3.3). Ших-

та подается в доменную печь сверху с помощью наклонного

подъемника.

Рис. 3.2. Электромагнитный сепаратор

Воздух поступает в печь через фурмы (устройства для

дутья) 8, расположенные в фурменной части горна 5. Шахта пе-

чи 2 имеет вид усеченного конуса, поэтому шихта свободно

опускается от колошника 1 в более горячие зоны 2, 3, 4, где по-

следовательно идут процессы удаления влаги, подсушки, раз-

ложение гидратов, карбонатов и т.д.

Руда

Пустая

порода

Расплавленная пустая порода

вместе с флюсами образует

шлак. Так как его плотность

меньше чугуна, то он располага-

ется выше чугуна и сливается

через верхнюю летку (отверстие)

7, а более тяжелый расплавлен-

ный чугун сливается через ниж-

нюю летку 6.

Чугуны подразделяются

на передельные

(около 80%

выпуска) – идут на переплавку в

сталь, литейные (около 20%) –

используются для производства

отливок и специальные – с

высоким содержанием кремния и

марганца, иначе называемые

ферросплавами. По назначению

чугуны подразделяются:

1) на серые – с высокими

механическими свойствами, ши-

роко применяются для производ-

Рис. 3.3. Доменная печь

ства станин, зубчатых колес, корпусов и т.д. Маркируются бук-

вами СЧ, затем следует число, показывающее предел проч-

ности на разрыв, например, СЧ15 – имеет предел прочности 15

кгс/мм

;

2) на ковкие – с лучшими механическими свойствами,

применяют для изготовления деталей автомобилей, тракторов

и т.д. Маркируются буквами КЧ, затем следует число, показы-

вающее предел прочности на разрыв, второе число показывает

относительное удлинение образца в % к первоначальной длине,

например, КЧ 30–6 – выдерживает нагрузку 30 кгс/мм

и может

увеличиваться по длине на 6%.;

3) на высокопрочные – получаются с добавлением

модификаторов или присадок, например, магния, что повышает

их прочность. Маркируются словом ВЧ, далее так же, как в

предыдущем случае. Пример: ВЧ–60–2;.

4) на различные специальные чугуны, легированные

другими металлами и используемые для легирования и рас-

кисления стали.

Чугуны широко поставляются на экспорт: в среднем

300 – 400 тыс. т в месяц по цене 120 долл. за тонну. В 1994 г. на

российский чугун была введена антидемпинговая пошлина в ви-

де разницы цены товара и минимальной цены 149 экю за тонну.

3.2.3. Сталь, ее свойства, производство и примене-

ние. Сталь по сравнению с чугуном имеет более высокие ме-

ханические и технологические свойства – обрабатывается дав-

лением, резанием, хорошо льется. Она является основным ви-

дом конструкционных материалов в промышленности и строи-

тельстве. На рис. 3.4 представлена схема сталеплавильного

производства.

Максимум производства стали – 89,7 млн т был достиг-

нут в 1990 г., затем началось падение производства – до 43,7

млн т в 1998 г., с 1999 г. начался подъем и в 2007 г. ее произ-

водство составило 62,8 млн т или 70% от 1990 г., в том числе

производство кислородно-конвертерной стали –165%, электро-

стали – 75%. Выпуск готового проката составил 70%, стальных

труб – 51%.

Исходными материалами для производства стали слу-

жат: передельный чугун, металлолом (скрап), отходы металлур-

гического производства, при этом в промышленно развитых

странах Запада использование металлолома носит более при-

оритетный характер, чем чугуна, так как это приносит меньше

экологических убытков, дает более дешевую продукцию и воз-

можность получения сразу легированных сталей.

Задача плавки состоит в удалении углерода и примесей

– фосфора, серы, кремния и др. Процесс плавки состоит из трех

этапов:

1. В расплавленной шихте под воздействием вдуваемо-

го кислорода или кислорода добавляемой руды окисляются и

всплывают в виде шлака примеси.

2. Углерод окисляется кислородом и удаляется с по-

верхности, при этом сталь как бы кипит.

Рис. 3.4 . Передел чугуна в сталь. Новолипецкий

металлургический зав

см. Аосновы отр техн сбор 2010а граф

3. Так как при продувании часть кислорода соединилась с

железом, производится ее раскисление путем ввода ферромар-

ганца, ферросилиция и ферроалюминия. Раскисленная сталь при

разливке не кипит и обозначается при маркировке как сп, нерас-

кисленная сталь после застывания содержит пузырьки газа и на-

зывается кипящей (кп), промежуточная – полуспокойная (пс). Ос-

новными способами получения стали являются мартеновский,

кислородно-конвертерный и электротермический с постепенным

уменьшением доли мартена. На Ново-Оскольском комбинате

применена схема прямого восстановления железа из руд, при

которой сталь производится из руды, минуя стадию получения

чугуна.

Производство стали в кислородных конвертерах.

В кислородных конвертерах выплавляется большая часть стали.

Сущность кислородно-конвертерного способа плавки стали со-

стоит в том, что через расплавленный и залитый в конвертер

чугун продувается технически чистый кислород, который вступа-

ет в реакцию с углеродом чугуна и примесями, переводит их в

шлак и отходящие газы.

Конвертер (рис. 3.5) представляет собой стальной сосуд

грушевидной формы. Наружная часть – кожух изготавливается

из толстолистовой стали. Внутренняя часть футерована (выло-

жена) огнеупорным материалом. Конвертер опирается на стой-

ки и может поворачиваться при сливке стали и шлака.

Подвод кислорода под давлением осуществляется с по-

мощью фурмы. Сначала в конвертер загружают холодные мате-

риалы: стальной скрап (металлолом), известь, железную руду,

затем заливают расплавленный чугун. После заливки, через ох-

лаждаемую медную трубку (фурму) подается под давлением

кислород. Необходимая температура плавки при этом достига-

ется за счет сгорания углерода чугуна и примесей.

Завершающей стадией является раскисление стали, ко-

торое производится для удаления из расплава кислорода, при-

сутствующего в нем в виде оксидов железа. Для раскисления

стали в ее расплав загружают ферромарганец, ферросилиций

или алюминий.

По сравнению с мартеновским конвертерный способ

производства стали отличается высокой производительностью

(процесс длится 50–60 мин., в то время как мартеновский –

до 12 час.), лучшими экологическими свойствами, так как не ис-

пользуется топливо, и требует меньше капвложений. Сталь по-

лучается несколько хуже мартеновской.

Рис. 3.5. Кислородный конвертер

Мартеновский способ получения стали. Мартенов-

ская печь представляет собой пламенную печь (рис. 3.6), в кото-

рой над плавильным пространством достигается необходи-

мая температура за счет сгорания газа, предварительно нагре-

того в регенераторах-теплообменниках

Газ и обогащенный кислородом воздух проходят через

регенераторы – массивные конструкции из огнеупорного кирпича

(на рис. 3.6 – справа) и по каналам 2 поступают в плавильное

пространство печи. Здесь газ и воздух смешиваются и сгорают,

образуя пламя высокой температуры. Продукты сгорания по ка-

налам 1 поступают во вторую пару регенераторов (на рис. 3.6 –

слева), нагревают их и выходят в дымовую трубу. Затем клапа-

ны переключаются, кислород и газ направляются через нагре-

тые регенераторы, нагреваются и поступают в плавильное про-

странство. По мере охлаждения регенераторов направление

газа и воздуха снова меняют на обратное, и процесс повторяет-

ся. Таким образом, газ и воздух при работе печи попеременно

переходят через нагреваемые то левые, то правые регенерато-

ры, что дает возможность достичь необходимой температуры

плавки за счет предварительного нагрева вдуваемых газа и воз-

духа за счет отходящих газов.