Новейшие технологии в металлургии. Результаты внедрения инноваций в металлургии Новые методы в черной металлургии

Процесс Consteel является инновационным решением в электросталеплавильном производстве, которое позволяет значительно экономить энергоресурсы и повышает эффективность и экологичность производства стали в электропечах.

Рис. 47. Схема установки Consteel: 1 – загрузка металлолома; 2 – конвейер; 3 – подогрев шихты горелками; 4 – отвод отходящих газов на установку газоочистки; 5 – подогрев шихты отходящими газами; 6 – электросталеплавильная печь; 7 – фурма для продувки ванны кислородом и углеродом

Особенностью этой технологии является непрерывная подача металлолома по конвейеру в электросталеплавильную печь (рис 47). Таким образом, процесс плавки становится фактически непрерывным. При этом обеспечивается постоянное плоское зеркало металла, над которым горят электроды, а расплавление поступающего металлолома происходит в ванне жидкого металла, что приводит к повышению стабильности процесса. Емкость таких печей составляет от 40 до 320 т. Внешний вид установки приведен на рис. 48.

В соответствии с технологией, шихта, с помощью электромагнитного крана, из вагонов подается на загрузочный конвейер, подогреваемый отходящими печными газами, который транспортирует ее к ДСП. Существует вариант технологии с дополнительными горелками, установленными над конвейером. Преимуществом процесса является отсутствие необходимости окускования металлолома, возможно использование даже стружки.

Подогретая шихта загружается в ДСП, где происходит ее расплавление в ванне жидкого металла. Отходящие с ДСП печные газы подогревают движущуюся по конвейеру шихту, после чего направляются на станцию газоочистки.

В отличие от загрузки, выпуск стали из печи осуществляется периодически, а для автоматического обнаружения шлака при выпуске используется устройство на основе инфракрасного датчика.

В печь также можно заливать жидкий чугун, который непрерывно подается в рабочее пространство печи по специальному футерованному желобу.

Преимущества технологии Consteel:

• сокращение расхода электроэнергии на 80…120 кВт·ч/т и электродов за счет повышения стабильности процесса и подогрева шихты;
• повышение производительности печи за счет непрерывности процесса;
• лучшие условия для шлакообразования и более благоприятная атмосфера в печи.
• повышение стойкости футеровки печи;
• снижение более чем на 40% затрат на материально-техническое обеспечение, персонал и обработку отходов производства.
• пониженное содержание FeO в шлаке, снижение содержания азота, фосфора и водорода в стали;
• снижение уровня шума и повышение экологичности производства.

Двухкорпусные печи

Двухкорпусные печи в первую очередь характеризуются повышенной производительностью. Такая печь состоит из двух ванн (корпусов) и одной системы питания с одним (печь постоянного тока) или тремя (печь переменного тока) электродами, которые переставляются с одной ванны на другую. Схема расположения оборудования двухкорпусной печи постоянного тока приведена на рис. 49, а внешний вид на рис. 50.

Пока в одном корпусе идет плавка металла с помощью электродов в другом корпусе происходит подогрев шихты отходящими газами из первого корпуса или газовыми горелками. При этом время плавки сокращается на 40%, а за счет подогрева шихты достигается снижение расхода электроэнергии на 40…60 кВт·ч/т. Встречаются печи, в которых электроды установлены на двух ваннах, однако в этом случае теряется экономический эффект от сокращения капитальных затрат на строительство агрегата.

Еще одним вариантом реализации двухкорпусных печей является агрегат CONARC (СONverter + electric ARC furnance). Этот агрегат также имеет два корпуса печи, но помимо одного комплекта электродов на нем установлена и фурма для подачи кислорода (как в конвертере). Внешний вид агрегата приведен на рис. 51. Преимуществом данного агрегата является возможность выплавки стали из жидкого чугуна и металлолома (или DRI) практически в любых пропорциях.

Процесс выплавки стали разделен на две стадии (рис. 52). Вначале в один корпус заливают чугун, в печь устанавливают фурму и начинают продувку кислородом. На этой стадии производится обезуглероживание металла.

Во избежание перегрева ванны из-за происходящих во время продувки процессов окисления углерода, кремния, марганца и фосфора, в печь добавляют охладители в виде металлолома или DRI. После завершения продувки, кислородную фурму переставляют на второй корпус (или отводят в сторону), а на первый корпус устанавливают электроды. На этой стадии в печь добавляют оставшееся количество твердой шихты и начинают ее расплавление с помощью электродов.

После достижения необходимой температуры металл выпускают в ковш. Затем процесс циклически повторяется снова. Таким образом, выплавка стали идет одновременно в двух корпусах печи, а электроды и фурма переставляются на них поочередно, что обеспечивает высокую производительность агрегата, которая на 30 % выше чем у двух обособленных агрегатов аналогичной емкости). Время плавки составляет от 40 до 60 мин.

Аналогичный принцип использован и в агрегате «Arcon-процесс», разработанном компанией «Concast Standard AG». Отличием является то, агрегат питается постоянным током и корпус агрегата фактически соответствует корпусу конвертера. Поскольку используется постоянный ток, то на агрегате установлено не три, а два электрода – один верхний графитовый и один донный пластинчатый медный электрод (см. рис. 49).

Агрегат «Arcon» имеет производительность 1,6 млн.т/год. В качестве металлошихты используют жидкий чугун (40%), гранулированный чугун (5%) и HBI (55%). Масса выпускаемой плавки — 170 т. Цикл работы каждого корпуса агрегата составляет 92 мин.

В целом, комбинация конвертера и дуговой печи в одном агрегате дает следующие преимущества по сравнению с обычной дуговой печью:

• широкий выбор металлошихты;
• высокая производительность;
• низкий расход электроэнергии в результате использования химической энергии окисления примесей металлошихты;
• уменьшение требуемой электрической мощности;
• снижение удельного расхода электродов;
• меньшее влияние на токоподводящие сети, возможность работы при маломощных электросетях;
• снижение затрат на электрооборудование.

Шахтные электросталеплавильные печи

Особенностью конструкции шахтной электросталеплавильной печи является наличие шахты, в которой производится подогрев металлолома перед загрузкой его в печь. Такая шахта устанавливается сверху над сводом обычной дуговой печи. Шахт может быть одна или две. Температура до которой можно подогреть металлолом составляет 800 °С. Экономия электроэнергии за счет такого предварительного подогрева металлолома составляет 70…100 кВт·ч/т. Через шахту загружается до 60% металлолома, остальной (например крупногабаритный) загружается в саму ванну печи, для этого шахта отодвигается в сторону. Цикл плавки составляет 35…50 минут от выпуска до выпуска. Кроме экономии электроэнергии обеспечивается также сокращение расхода электродов на 30% и повышение производительности на 40%.

Данный процесс появился сравнительно недавно (в конце 80-х годов 20 века), поэтому поиск оптимальных конструкции такой печи продолжается. Рассмотрим два наиболее современных варианта.

SIMETAL EAF Quantum – самое современное конструкторское решение печи с подогревом металлома. На настоящий момент установлена только одна печь на заводе мексиканской сталелитейной компании Talleres y Aceros S.A. de C.V. (г. Тиаса).

Масса плавки по выпуску составляет 100 т, но при этом масса болота (металл и шлак, оставленный после предыдущего выпуска) составляет 70 т. Схема печи приведена на рис 53.

Металлолом краном загружается в бадью и перегружается в подъемник, который поднимается на верх шахты и после открытия люка высыпается вовнутрь, где происходит его подогрев. В этой печи применена новая конструкция шахты, с удерживающими металлолом водоохлаждаемыми пальцами (рис. 54).

После подогрева пальцы разводятся в стороны и металлолом высыпается в ванну печи. Всего за цикл плавки, продолжительность которого составляет 33 мин, предусмотрена подача трех порций металлолома. Продолжительность нагрева каждой порции – 9 минут. Выпуск металла осуществляется через канал в виде сифона (рис. 55) что позволяет наклонять печь всего на 4° и отсекать полностью шлак.

Еще одним инновационным решением, которое совмещает в себе преимущество шахтных печей и печей с непрерывной загрузкой является система EPC (Environmental Preheating and Continuous Charging), которую разработали компании CVS MAKINA и KR Tec GmbH (Турция).

Схема печи с установкой EPC приведена на рис. 56.

Система ЕРС работает следующим образом (рис. 57). С помощью завалочной корзины шихта загружается в завалочную камеру системы EPС, через отрытую крышку (рис. 57, а).

В этой позиции передняя стенка завалочной камеры закрывает шахту (камеру предварительного нагрева) в которой уже подогревается первая порция шихты. Во время загрузки шихты в завалочную камеру процесс плавления в ДСП и процесс предварительного нагрева шихты не останавливаются.

После загрузки шихты из корзины в завалочную камеру крышка закрывается и с помощью гидравлических цилиндров завалочная камера помещается сверху шахты, в которую высыпается шихта для ее предварительного нагрева (рис. 57, б).

После подогрева шихты, с помощью толкателя часть ее ссыпается в пространство печи (рис 57, в), а затем происходит загрузка новой порции металлолома (рис 57, г).

Время плавки в печи, оснащенной системой ЕРС составляет 36 мин, масса плавки по выпуску – 100 т, температура подогрева шихты 800 °С.

Преимущества системы EPС:

• энергосбережение до 100 кВт·ч/т;
• увеличение производительности на 20%;
• независимая завалка лома;
• минимальный выброс пыли;
• быстрая окупаемость (около 12 месяцев).

А. Б.Коростелев, А. В. Тарасов, Парецкий В. М.

ГНЦ РФ ФГУП “Институт “ГИНЦВЕТМЕТ”

ПРОБЛЕМЫ, ИННОВАЦИИ И НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ЦВЕТНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ РОССИИ

Цветная металлургия имеет в последние годы один из самых высоких темпов роста производства. Показано, что повышение технологического уровня производства в рыночных условиях определяется ускоренным переводом отрасли на инновационный путь развития. Даются основные технологические тенденции в развитии производства цветных металлов.

В последние годы металлургия была одним из лидеров по показателям роста производства в отраслях промышленности России. Однако к началу

2001 г. факторы, обеспечивающие поступательное развитие отрасли в период 1999÷2000 гг., в основном были исчерпаны, что привело к замедлению темпов роста производства. В I квартале 2002 г. в ряде подотраслей металлургии наметились негативные тенденции, например, производство меди снизилось на 4%.

Металлургическая промышленность России столкнулась с рядом новых вызовов, связанных, прежде всего, с недостаточной емкостью внутреннего рынка и осложнением ситуации на внешних рынках.

Перспективы развития российской металлургии в период до 2010 г. связаны, в первую очередь, с расширением спроса на ее продукцию на отечественном рынке. При прогнозируемом росте валового внутреннего продукта (ВВП) на 4÷6 % в год, темп роста потребления цветных металлов составит 6÷9 %.

Технологический уровень металлургических производств в России низок в сравнении с промышленно развитыми странами. Средний износ активной части (машин и оборудования) в металлургической промышленности достиг 70%. Только 30% применяемых технологических схем соответствуют современному мировому уровню, а 28% являются устаревшими и не имеют резервов для модернизации. Недостаточно высокий технологический уровень производств обусловливает значительное отставание по ряду основных технико-экономических показателей российской металлургии от металлургии развитых стран (США, ЕС, Японии): средняя энергоемкость производства алюминия выше на 20÷30%; количество отходов при выпуске проката выше в 2 раза; средняя производительность труда ниже в 2,5÷3 раза; суммарное удельное негативное воздействие на окружающую среду выше в 2 раза. В этих условиях основным направление развития металлургии является широкое и ускоренное внедрение инноваций на основе активизации инвестиционной деятельности на всех производственных переделах. При этом государство должно создать условия для перехода металлургической промышленности на инновационный путь развития, что потребует реализации мер по развитию отраслевой научной сферы, предусматривающих, в частности, создание Федерального центра науки и высоких технологий (ФЦНВТ) в области металлургии. Эти меры определены Постановлением Правительства РФ от 16 мая 2002 г.

В создаваемом ФЦНВТ основным научным предприятием в области цветной металлургии будет Государственный научный центр (ГНЦ) РФ “ГИНЦВЕТМЕТ”. Это единственный в цветной металлургии комплексный, многопрофильный научно-исследовательский институт, выполняющий фундаментальные, поисковые и прикладные исследования, направленные на создание научно-технической базы в металлургии цветных и сопутствующих, в том числе благородных металлов, разработку новых высокоэффективных технологий и оборудования.

К основным направлениям деятельности ГНЦ РФ “ГИНЦВЕТМЕТ” относятся:

Металлургическая переработка сульфидного и оксидного сырья тяжелых цветных металлов;

Переработка отходящих газов металлургических производств и экология металлургических процессов;

Разработка высокоэффективного оборудования для процессов обогащения руд и переработки различного сырья с получением цветных и благородных металлов;

Технологии обогащения руд различного состава, новые флотационные реагенты;

Гидрометаллургическая переработка руд, концентратов, продуктов пирометаллургической переработки, шламов с использованием современных физико-химических методов;

Пирометаллургические процессы переработки исходного сырья и шлаков, исследование и разработка различных видов плавок;

Очистка металлургических газов, производство из них серы и серной кислоты;

Переработка твердых бытовых, промышленных и токсичных отходов с полным извлечением из них ценных компонентов и обеспечением экологической безопасности;

Разработка методов анализа различных продуктов металлургического производства;

Осуществление стандартизации и сертификации минерального сырья, продуктов его переработки, промышленных отходов и вторичного сырья цветной металлургии;

Разработка государственных и отраслевых стандартов на получение, переработку и поставку минерального сырья, металлургической продукции, методы анализа минерального сырья и продуктов его переработки, на обеспечение охраны окружающей среды в металлургическом производстве;

Подготовка кадров высшей квалификации для металлургии через аспирантуру и докторантуру.

Фундаментальные, поисковые и прикладные работы, выполняемые в Центре, соответствуют “Приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники Российской Федерации”, утвержденным Президентом Российской Федерации распоряжением № ПР-577 от 30 марта 2002 года.

В 2001-2003 гг. ГНЦ РФ “ГИНЦВЕТМЕТ” участвовал в реализации федеральной целевой научно-технической программы “Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения” (1999-2001 гг.), а также федеральной целевой научно-технической программы “Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники” на 2002-2006 годы.

К важнейшим научным направлениям, разрабатываемым Гинцветметом относятся:

Разработка физико-химических и математических моделей, алгоритмов информационного обеспечения и управления высокоинтенсивными технологическими процессами глубокой переработки горно-рудного и техногенного сырья с использованием нетрадиционных пирометаллургических методов, открывающие возможности автоматизации и управления пирометаллургическими процессами;

Выполнение термодинамических и экспериментальных исследований взаимодействия компонентов в многофазных средах систем Ме-О-S-СаО-SiO2 с целью разработки новых методов пирометаллургической экстракции тяжелых цветных и благородных металлов;

Изучение поведения при электролизе новых электрокаталитических электродных покрытий, показано, что покрытия из оксидов кобальта могут быть успешно применены при электролизе нейтральных и щелочных растворов солей тяжелых цветных металлов в присутствии поверхностно-активных веществ;

Изучение процессов получения металлов высокой чистоты кристаллизационными методами в электромагнитном поле в сочетании с электропереносом.

За 2001-2003 гг. в рамках этих направлений в области фундаментальных исследований достигнуты следующие новые практически значимые для цветной металлургии результаты:

Впервые экспериментально определены термодинамические и кинетические параметры восстановления паров трехокиси сурьмы и конденсации паров металлической сурьмы при различной ее концентрации в газах, определена точка росы их паров, позволившие разработать технологию прямого получения металлической сурьмы и золотосурьмяного сплава из золотосурьмяного сырья;

Получены новые экспериментальные данные о механизме экстракционной очистки кобальтсодержащих растворов от никеля с получением высокочистых соединений кобальта и никеля, определены основные факторы, влияющие на разделение близких по свойствам металлов;

Определены параметры электропереноса примесных металлов в жидких металлических системах, необходимые для разработки методов получения высокочистых металлов, оценки и прогнозирования эффективности процесса;

Изучены особенности физико-химических процессов плавки полиметаллического сырья в руднотермических печах постоянного тока и вращающихся печах при парооксидировании, полученные результаты позволили определить диапазон использования постоянного тока в электротермии техногенного сырья и научно обосновать конструктивно-технологические варианты его переработки, обеспечивающие повышение извлечения целевых металлов;

Получены новые данные по кинетике химических реакций и фазовых превращений, протекающих в газовом потоке, позволяющие выбрать рациональные режимы и оборудование для осуществления процесса очистки газов в промышленных условиях до ПДК;

Разработаны новые флотационные реагенты на основе S, N-содержащих органических соединений и соединений класса диалкилсульфидов, позволяющие существенно повысить селективность извлечения ценных компонентов из медно-никелевых и медно-молибденовых руд при повышении степени их извлечения;

Разработан эффективный атомно-абсорбционный метод с применением высокотемпературной плазмы для определения химического состава сырья, содержащего цветные и драгоценные металлы, позволяющий повысить предел обнаружения этих элементов в продуктах обогащения, повысить качество продукции цветной металлургии за счет улучшения метрологических характеристик метода анализа.

Важнейшие технологические и аппаратурные разработки института за последние несколько лет могут быть представлены следующими инновационными проектами:

Производство по переработке оксисульфатной свинцовой аккумуляторной пасты;

Технология комплексной очистки сбросных газов предприятий теплоэнергетики, цветной и черной металлургии от SO2, NOx и органических веществ в одном аппарате с использованием импульсно-частотного стримерного разряда;

Способ очистки промышленных стоков от тяжелых металлов до санитарно-бытовых и рыбохозяйственных норм;

Технология факельно-барботажной плавки медьсодержащего сырья и промпродуктов с получением в одном агрегате белого матта (черновой меди), отвального по цветным металлам шлака и полной утилизацией диоксида серы отходящих газов;

Технология производства сурьмы с извлечением золота из золотосурьмяных концентратов;

Технология переработки аккумуляторного лома и других видов вторичного сырья с использованием бессодовой электроплавки;

Завод по переработке твердых бытовых и промышленных отходов в барботируемом расплаве шлака с использованием топок со шлаковым расплавом;

Экологически безопасная, бесцианидная технология селективной флотации свинцово-цинковых руд;

Технология селективного извлечения пентландита в процессе флотационного обогащения медно-никелевых руд;

Переработка дезактивированных алюмо-платино-палладиево-рениевых катализаторов;

Обжигово-сорбционный способ переработки молибденитовых ренийсодержащих концентратов.

В развитие приведенных инновационных направлений в 2001-2003 гг. были реализованы следующие конкретные разработки.

В области важнейших прикладных исследований:

Разработаны и приняты к внедрению на АО “Челябинский цинковый завод” технология и оборудование для получения свинца из продуктов вельцевания цинковых кеков, обеспечившая повышение извлечения свинца на 0,8%, цинка – на 0,7%, серебра – на 2,5%, индия – на 5-7%;

Разработана и внедрена на АО “Челябинский цинковый завод” флотационная технология извлечения серебра из кеков цинкового производства, позволившая повысить комплексность использования сырья, обеспечив извлечение серебра в сульфидный флотоконцентрат до 98%;

Разработана технология очистки промышленных стоков до требований хозбытовых норм; технология предложена к внедрению на ОАО “Комбинат “Североникель” и АО “Челябинский цинковый завод;

Обоснована и отработана в опытно-промышленных условиях технология извлечения рения из вторичного сырья; показана принципиальная возможность пополнения отечественной сырьевой базы рения за счет вовлечения в переработку вторичного сырья (отходы получения суперсплавов и прочие отходы авиа – и моторостроительной промышленности). Разработанная технология обеспечивает извлечение рения в товарную продукцию до 98,5%, молибдена – до 99%;

Разработана экологически чистая технология утилизации твердых бытовых и промышленных отходов для ГП “Пятигорский теплоэнергетический комплекс”;

Разработана и внедрена безотходная технология переработки чернового сплава аккумуляторного лома на АО “Рязцветмет” с целью получения из него товарной продукции – свинцово-сурьмяного сплава (УС-1, УС-1С, модифицированного селеном) для ЗАО “Подольский АЗ”;

Применительно к РАО “Норильский никель” разработан и внедрен новый технологический режим с применением модифицированного диметилдитиокарбамата (ДМДК), обеспечивший повышение извлечения никеля в одноименный концентрат на 10-12% и содержания никеля с 7,5до 10%. Разработан и предложен к внедрению на РАО “Норильский никель” сульфонатный аполярный собиратель, обеспечивающий повышение попутного извлечения золота и платиновых металлов на 1,5-2%;

Разработана и внедрена беспропарочная технология флотации медно-молибденовых руд с использованием нового флотационного реагента “Берафлот” на МРСП “Эрдэнэт” (Монголия), обеспечившая снижение энергопотребления на 20-30% при сохранении высоких технологических показателях.

В области природоохранных социально востребованных технологий:

Разработана технология очистки и утилизации сбросных газов от SO2 и NOx с использованием импульсно-частотного (стримерного разряда, обеспечивающая степень очистки газов не менее 95% и перевод диоксида серы в серную кислоту до 90%, оксида азота – в азотную кислоту до 80%;

Разработана мембранная технология переработки сложных по составу растворов металлургического производства, обеспечивающая степень очистки растворов от сульфатов тяжелых цветных металлов на 98-99%, от органических веществ – на 85%, позволяющая создать на предприятиях замкнутый водооборот;

Разработана технология переработки серосодержащих металлургических газов с получением комковой серы для производства эффективного дорожного покрытия – сероасфальта и строительного материала – серобетона.

В качестве примеров технологических решений рассмотрим некоторые новые процессы.

Обогащение руд цветных металлов

Основой разработанных комбинированных схем переработки труднообогатимых руд цветных металлов является получение на переделе обогащения высококачественных селективных концентратов, в которых сосредотачиваются легкообогатимые минералы, и коллективных промежуточных продуктов, которые перерабатывают по химико-металлургическим технологиям. По существу решение сложных задач повышения эффективности переработки рудного сырья переходит в сферу более тесной интеграции процессов обогащения и металлургии, способных не только повысить комплексность использования сырья, но и решить проблемы охраны окружающей среды и сохранения природных ресурсов. Такой подход к переработке рудного сырья обеспечивает как эффективную концентрацию ценных компонентов на стадии обогащения, так и экологически безопасное производство цветных металлов.

В институте разработаны и апробированы несколько комбинированных схем для различных типов руд с использованием новых реагентных режимов флотации.

Например, молибденсодержащие руды достаточно легко и с высоким извлечением металлов обогащаются с получением коллективного концентрата. Однако селективная флотация идет неэффективно, с высокими затратами, по сложной схеме. Установлено, что молибденсодержащие промпродукты (от 5 до 20% молибдена) могут экономически выгодно перерабатываться по схеме: автоклавное окислительное выщелачивание (с дофлотацией кека) – фильтрация – очистка – селективная сорбция молибдена и рения.

Сквозное извлечение этих металлов не менее 98%, медь остается в кеках и перерабатывается как медный концентрат.

Основной проблемой обогащения медно-цинковых руд является трудность отделения медных минералов от остальных сульфидов в силу их тонкого прорастания. Разработанная схема включает получение на этапе обогащения высококачественных медных концентратов и промпродуктов, подвергаемых окислительному автоклавному выщелачиванию отработанным цинковым электролитом. Извлечение цинка в раствор составляет 93-96%. Разработано несколько способов выделения меди из раствора применительно к различному соотношению металлов в нем.

При обогащении медно-никелевых руд получают медный и никелевый концентраты и пирротиновый продукт, содержащий железо, никель, медь и благородные металлы. Для переработки этого продукта используют химическое обогащение, в основу которого положено окисление пирротина в водной пульпе в автоклавах, осаждение перешедших в раствор цветных металлов, флотационное отделение сульфидов и элементной серы от оксидов железа с последующей селекцией пенного продукта с получением богатого сульфидного концентрата и товарной серы.

Технология позволяет извлечь из бедного продукта 85-92% никеля, меди и благородных металлов и утилизировать серу. За счет перевода в промпродукт трудноразделяемых минералов удалось существенно повысить качество медного и никелевого концентратов на стадии первичного обогащения.

Полиметаллические руды представляют собой наиболее сложное сырье для обогащения, так как необходимо получить не менее трех товарных концентратов. Разработанная для этих руд комбинированная схема включает коллективную флотацию сульфидов (при отсутствии цикла селекции суммарное извлечение трех металлов составило 270%), автоклавное окислительное выщелачивание (до сульфатов), фильтрация, флотация из кеков благородных металлов и свинца. Извлечение из концентрата меди и цинка в раствор составило 98%, свинца в ценный продукт флотации 85%. Медно-цинковый раствор может быть переработан известными способами. Аналогичные результаты получены и на свинцово-цинковых труднообогатимых рудах.

Пирометаллургические процессы

Наиболее перспективным и приоритетным направлением в развитии автогенных процессов в первую очередь в металлургии меди является плавка с получением в одну стадию “белого матта” (черновой меди).

Новым высокоэффективным процессом является усовершенствованная кислородно-факельная плавка:

Кислородно-факельная плавка (КФП) в агрегатах с вертикальными шихтово-кислородными горелками с наведением высокоосновных саморассыпающихся ферритно-кальциевых шлаков, которые затем подвергаются глубокому флотационному обезмеживанию (рис. 1). Для данного варианта технологии на основе специальных исследований тщательно подобран новый состав шихты для КФП при определенном соотношении Fe: SiO2: CaO. Шлак успешно флотируется с извлечением более 87% меди в концентрат и получением отвальных хвостов с содержанием менее 0, 29% Сu. Технология внедряется на заводе “Ковогуты Кромпахи” (Словакия);

Факельно-барботажная плавка (ФБП) (рис. 2). Это принципиально новые способ плавки и агрегат для его реализации, сочетающий в полной мере все достоинства как факельных, так и барботажных процессов.

Технология базируется на следующих вновь предложенных и исследованных приемах: разделение реакционного объема на последовательные зоны с индивидуальным подводом газообразного окислителя, бесфлюсовое окисление сульфидов до штейна в головной факельной зоне, доокисление расплава до “белого матта” (черновой меди) в следующей барботажной зоне с подачей в нее флюсов и формированием комбинированного силикатно-кальциевого шлака, который подвергается внутрипечному барботажному обеднению в специальной зоне. Технология внедряется на Алмалыкском комбинате (Узбекистан), где сооружается печь ФБП мощностью до 120 тыс. т меди в год.

На комбинате “Североникель” сульфидные концентраты, полученные при разделении файнштейна, обжигают в печах кипящего слоя (КС). На трубчатой печи для восстановления огарка в интервале температур 850÷1100°С используется разработанная технология получения высокоактивного никеля с суммарной степенью металлизации по Ni и Со 90 %. В производстве анодов получаемого чернового никелевого порошка методом дуговой электроплавки за счет увеличения степени металлизации и активности порошка удалось снизить на 7 % удельный расход электроэнергии и на 9,3 % расход электродов.

Впервые на Рязцветмете внедрена технология переработки сурьмянистых концентратов. Извлечение золота из сырья в сплав составило 95,7 %. Получаемая на производстве металлическая сурьма соответствует марке Су-О.

В производстве свинца разработана и используется на упомянутом заводе технология переработки аккумуляторного лома в электропечах мощностью

1,8 МВА и с площадью пода 13 и 15 м2. Схема безотходной электротермической технологии переработки отработавших аккумуляторов включает: механизированную разделку аккумуляторного лома, плавку, рафинирование чернового свинца и переработку оборотов с получением товарных продуктов. На сепарационной установке дробленный аккумуляторный лом подвергается разделению на пять фракций (металлическую, оксисульфатную, полипропилен, поливинилхлорид и эбонит). Плавка ведется без образования штейна, количество шлака сокращено до минимума.

В полупромышленном масштабе отработана принципиально новая, экологичная, малоотходная технология переработки некондиционных полиметаллических концентратов, содержащих свинец, медь и цинк, и промежуточных продуктов с получением товарных продуктов: чернового свинца, содержащего благородные металлы, штейна; шлака, с содержанием более 15 % оксида цинка, его перерабатывают вельцеванием или шлаковозгонкой. Технологическая схема включает окислительный обжиг в прокалочной печи и плавку в электротермической печи с небольшим объемом отходящих газов.

Для переработки различного металлургического техногенного сырья разработана печь постоянного тока с поляризацией жидкометалльной донной фазы (штейна, металла) ПДФ (рис. 3).

Печь ПДФ позволяет перерабатывать экологически безопасным способом металлургическое техногенное сырье – забалансовые и труднообогатимые полиметаллические руды, текущие и накопленные нецелевые промпродукты с достаточно высоким содержанием ценных металлов (шлаки, шламы, кеки, клинкеры и др.), а также вторичное сырье и практически любые отходы при температуре до 1800°С с отгонкой летучих и переводом нелетучих ценных металлов и серы в донную фазу.

Технология впервые в указанной области позволяет реализовать в промышленном масштабе преимущества электролиза расплавленных сред, включая электрохимическое восстановление металлов, интенсификацию их осаждения в донную фазу и отгонки летучих компонентов, резко повысить извлечение ценных металлов, решить проблему избыточного настылеобразования в шлаковых электропечах.

Для переработки бедных окисленных никелевых руд Урала разработана хлоридовозгоночная технология. Она осуществляется во вращающейся печи, отапливаемой пылеуглем, при температуре 1050-1100°С, уголь сгорает в нагретом до 300-400°С воздушном дутье, при этом в факел вдувается хлористый водород и водяной пар. Получаемые оксиды железа, никеля и кобальта могут быть переработаны в различные виды товарной продукции.

Переработка потерявших активность катализаторов

Катализаторы, используемые в нефтеперерабатывающей промышленности, содержат такие ценные компоненты как рений, платина, палладий, молибден, кобальт, никель.

Технологическая схема переработки катализаторов, содержащих молибден, никель, кобальт включает удаление органических веществ из сырья, селективный перевод молибдена в раствор на первичной операции с последующим сорбционным извлечением, концентрированием и очисткой от примесей, получением товарной молибденовой продукции.

На комбинате “Североникель” освоена технология переработки платинорениевых катализаторов, по которой получают платиновый концентрат и перренат аммония. Извлечение рения в перренат аммония составляет 93-94 %. Технология включает перевод рения в жидкую фазу пульпы и сорбционную переработку растворов с использованием ионитов высокой сорбционной емкости.

Разработаны новые технологии извлечения платины, палладия, родия из дезактивированных катализаторов. Эти технологии позволяют извлекать платиновые металлы совместно и раздельно в виде металлических порошков. Получение порошков платины и палладия основано на процессах реагентного восстановления солей этих металлов в условиях гетерогенной реакции. Содержание основных компонентов в порошке составляет 99,80-99,99 %. Извлечение платины – 96-99,2 %.

Гидрометаллургия

Новым направлением в гидрометаллургии является использование экстракции и сорбции для извлечения и разделения редких и рассеянных элементов, а также тугоплавких металлов.

Экстракция индия из цинковых растворов внедрена на всех цинковых заводах, а также на Чимкентском свинцовом заводе. Аналогов такой технологии в мировой практике не имеется. Внедрение экстракции индия позволило повысить его извлечение в товарную продукцию на 10-30 %.

На Джезказганском горно-металлургическом комбинате экстракция рения используется для его извлечения из промывной серной кислоты. На Чимкентском свинцовом заводе сорбция рения применяется при переработке свинцовых пылей. Экстракционный способ извлечения рения использовался на Скопинском гидрометаллургическом заводе при переработке молибденовых ренийсодержащих концентратов. На Усть-Каменогорском свинцово-цинковом комбинате теллур полупроводниковой чистоты получают с применением жидкостной экстракции

В более крупных масштабах экстракция используется при получении вольфрамового ангидрида. На Нальчикском гидрометаллургическом заводе объем переработки вольфрамовых растворов экстракцией составлял 165000 м3 в год; в настоящее время объем переработки снизился до 45000 тыс. м3.

На Норильском горно-металлургическом комбинате и комбинате “Североникель” действуют экстракционные установки по получению кобальта повышенной чистоты. Ведутся проектные работы по переходу на этих комбинатах к гидрометаллургии никеля с использованием экстракции для разделения металлов.

На Челябинском цинковом заводе нашли применение новые флокулянты для повышения степени очистки сточных вод до требований санитарно-бытового и рыбохозяйственного водопользования.

Технологии очистки газов

Эти технологии предназначены для очистки газов металлургических и химических производств от оксидов серы.

Для переработки отходящих газов металлургических печей разработана технология получения серы, основанная на восстановлении сернистого ангидрида природным газом или углем. После конденсации серы восстановленные газы, содержащие сероводород, дорабатываются методом Клауса. Технология отработана на Норильском горно-металлургическом комбинате.

Разработаны принципиально новые методы очистки газов с помощью пучка ускоренных электронов и высокочастотного стримерного разряда (рис. 4).

Подавление выделения аэрозолей в электролизных цехах

Разработаны специальные добавки к растворам электролитов для получения катодных меди, никеля, цинка. Они подавляют выделение из ванн аэрозолей электролитов, а также способствуют улучшению качества катодных металлов. Промышленное применение данного метода, в частности, осуществлено в производстве электрорафинированного никеля на Норильском горно-металлургическом комбинате.

Среди работ направленных на решение экологических проблем можно отметить перевод соединений мышьяка в труднорастворимые соединения. Предложен новый способ глубокой очистки растворов от мышьяка, обеспечивающий ПДК. Он основан на получении арсената гидроксижелеза, растворимость которого 0,03 мг/л.

Получение высокочистых металлов

При получении металлов высокой чистоты используют, как правило, сочетание различных методов: дистилляцию в вакууме, зонную перекристаллизацию, переосаждение, фракционированное восстановление восстановительными газами, перегонку в токе водорода, электрорафинирование в расплавах и др. Контроль чистоты полученных металлов осуществляют атомно-эмиссионной спектроскопией с индуктивно связанной плазмой.

Разработанные методы обеспечивают получение металлов высокой чистоты: цинка (99,998), теллура (99,9999), индия (99,9999), висмута (99,999), сурьмы (99,99) и др.

Заключение

1. Цветная металлургия продолжает оставаться в числе базовых отраслей промышленности, имея в последние годы один из самых высоких темпов роста производства.

2. Перспективы развития отрасли в период до 2010 г. связаны, в первую очередь, с расширением спроса на цветные металлы на внутреннем рынке. Повышение технологического уровня производства в рыночных условиях определяется ускоренным переводом отрасли на инновационный путь развития.

3. Основные тенденции в развитии производства цветных металлов следующие:

Удовлетворение возрастающих требований к качеству концентратов;

Более полное извлечение сопутствующих элементов в товарную продукцию;

Развитие непрерывных технологических линий на основе автогенных, ресурсосберегающих и экологически безопасных процессов;

Использование комбинированных технологий, включая пирометаллургические, гидрометаллургические и обогатительные процессы;

Расширение области применения цветных металлов и сплавов.

4. Одним из основным мероприятий по внедрению инноваций является развитие отраслевой научной сферы, предусматривающее создание на базе ЦНИИчертмета и Гинцветмета Федерального центра науки и высоких технологий (ФЦНВТ) в области металлургии, что определено соответствующим постановлением правительства РФ.

Сб. трудов Международной конференции «Медный всадник 2005. Анализ и прогноз развития рынка цветных металлов» 27 апреля 2005г., Москва, с. 8

Достижения отечественной науки в металлургии и металлообработке составляют надёжный задел для масштабной модернизации промышленности.

Обосновывая необходимость ускоренной индустриализации страны, Сталин сказал в 1931 году: "Мы отстали от передовых стран на 50-100 лет. Мы должны пробежать это расстояние в десять лет. Либо мы сделаем это, либо нас сомнут".

Индустриализация была ориентирована на создание мощной и самой современной металлургии. Ведь металл, особенно качественные стали - это основа любого производства.

Было бы неверно говорить, что передовая советская металлургия создавалась на пустом месте. Уральские заводы некогда поставляли чугун и сталь всей Европе. Сабли из златоустовской стали не уступали знаменитым булатным. Златоуст сравнивали с Золингеном. А на стыке 19-го и 20-го веков на базе высококачественной криворожской железной руды и лучшего в мире донецкого угля возникла современная южнорусская металлургия.

Было чем гордиться и российской металлургической науке и изобретательству. Говоря о научно-технических достижениях нашей страны, нужно вспомнить о Ползунове, который еще в 18-м веке первым в мире построил доменную воздуходувку, приводившуюся в движение силой пара. Нужно сказать об Аносове, создавшем металлургию легированных сталей, о Чернове, который основал науку металловедения и разработал теорию и технологию термической обработки металлов. Нужно назвать Соболевского, создавшего порошковую металлургию, в которой так преуспела потом Россия, братьев Горяиновых, разработавших и внедривших в производство передовую технологию мартеновской плавки на жидком чугуне. Перечень можно было бы расширить.

В считанные годы индустриализации самоотверженным трудом советского народа были воздвигнуты гигантские и самые современные по тому времени металлургические комбинаты - Магнитогорский, Кузнецкий, был построен Челябинский завод легированных сталей.

Легированным сталям придавали особое значение. Это сторицей оправдалось в годы второй мировой войны.

* Знаменитая "тридцатьчетверка" - советский средний танк Т-34, по общему признанию, лучший танк времен войны - обладал исключительной маневренностью. Маневренность же объяснялась тем, что "тридцатьчетверка" была гораздо меньше весом, чем немецкие боевые машины. Броня советского танка была тоньше, но в то же время много прочнее - за счет легированной стали.

* Легированная броня спасла жизнь тысячам и тысячам танкистов. Броня немецких танков от попадания снарядов раскалывалась - нехватка в стали легирующих металлов. В броне "тридцатьчетверки" снаряд оставлял только вмятину - сталь была "мягкой" именно благодаря легирующим металлам.

После войны металлургия СССР продолжала бурно развиваться. Уже с акцентом на качественную сторону. Один за другим вступали в строй заводы всевозможных специальных сталей и сплавов. Особенно титановых, обладающих исключительной прочностью. Металлургия Советской России вырвалась вперед и до сих пор не сдает своих позиций.

После войны СССР стал мировым лидером и в разработке передовых технологий в металлургии. Базой для проведения научных исследований и опытно-конструкторских разработок в отрасли был Новотульский металлургический завод.

* Факт. Из 13 крупнейших нововведений в металлургии послевоенного периода 8 принадлежали СССР.

* Факт. Ученые и инженеры на Новотульском заводе разработали и внедрили в производство технологию непрерывной разливки стали, которая революционизировала сталелитейную промышленность. Сегодня по этой технологии производят свыше 90% всей стали в мире.

* Факт. "Переворотом в литейном производстве" назвали в Японии изобретенные советскими социалистами так называемые самотвердеющие формовочные смеси. Принципиально новая технология на порядок повысила качество отливок, что резко подняло производительность труда. Кроме того, новшество свело к минимуму ручной труд, шум и запыленность в литейных цехах.

* Факт. Именно в СССР были впервые применены в доменных, конверторных, электрических печах методы поддува кислорода. Они тоже, по общему признанию специалистов, революционизировали металлургическое производство.

РОССИЙСКИЕ ПАТЕНТЫ И ЛИЦЕНЗИИ

В числе советских приоритетов Джон Кайзер, советник президента США Рейгана по проблемам науки и техники, называл "технологии обработки металлов и материалов".

В перечне крупнейших российских научно-технических достижений - термическая обработка металлов, в которой преуспел наш выдающийся металлург Чернов. Он вел свои научные исследования и опытно-конструкторские разработки в первой половине 19-го века. Дело Чернова продолжала плеяда его талантливых учеников. Российские "термисты" первенствовали в своей сфере.

Но основательных успехов в металлообработке Россия стала добиваться позднее - когда заработали ее современные машиностроительные заводы в Петербурге, Нижнем Новгороде, Брянске, других промышленных центрах. На этих заводах присущая русским мастеровым сметка сочеталась с современной европейской техникой и технологией.

В СССР парк металлообрабатывающего оборудования стал самым многочисленным в мире. Заводы Ивановского станкостроительного объединения выпускали высокоточные металлообрабатывающие станки с программным управлением, пользовавшиеся исключительным спросом на мировом рынке. Иностранные заказчики стояли за ними в очереди.

Россия - признанный лидер в производстве тяжелого металлообрабатывающего оборудования. В Японии, США, ФРГ, Франции, Англии, Италии и других странах, например, работают гигантские токарно-карусельные станки, изготовленные Коломенским заводом тяжелого машиностроения. Эти 20-метровые станки обрабатывают заготовки в сотни тонн с микронной точностью.

Особенно преуспела Россия в изготовлении тяжелых прессов. Пожалуй, в этой сфере у нее вообще нет серьезных конкурентов. Один конкретный пример. В 1977 году из СССР во Францию был поставлен гигантский гидравлический пресс усилием 65 тысяч тонн. Французские специалисты и инженеры отзываются о российском прессе самым лестным образом. Прошло уже почти полвека, а этот пресс остается самым мощным в Европе.

А недавно, в 1999 году, Россия поставила тяжелый пресс в США. Его усилие гораздо меньше - 15 тыс. тонн. Тем не менее, и он поразил американцев своей мощью. Они прозвали его "Большим медведем".

Область обработки металлов и других материалов чрезвычайно широка и многогранна. И чем дальше развиваются высокие технологии, в частности, в электронике, тем важнее становится для промышленности миниатюризация обработки.

Среди крупнейших научно-технических достижений России значится одно из великих открытий современности - .

совершили переворот в обработке металлов и материалов. Один только факт. Сверление лазером алмазов сокращает время обработки с 48 часов до... 2 минут, т.е. в 1500 раз!

Среди научно-технических достижений России - ряд открытий в физике и химии. Казалось бы, как могут быть связаны чисто теоретические работы в ядерной физике с практикой промышленности. Но жизнь еще и еще раз подтверждает парадоксальную мысль: нет ничего практичнее хорошей теории.

Приоритетные исследования наших ученых в области физики плазмы закономерно привели к разработке промышленных технологий плазменной обработки металлов и материалов. В этой области СССР и Россия тоже добились впечатляющих результатов.

Россия до сих пор лидирует в сфере плазменной обработки металлов. Чтобы закрепить лидерство, был создан специальный межотраслевой научно-технический комплекс, была разработана программа ускоренного внедрения плазменных технологий в промышленность. Главное же - построили мощный завод по производству плазменного оборудования.

Успехи не замедлили появиться. К примеру, на Электростальском заводе тяжелого машиностроения обработка всех крупных и особо ответственных деталей связана уже с давних пор с плазменной технологией. Экономический эффект оказался огромным. Качество обработки улучшилось на порядок. Экономится очень много электроэнергии, высокосортной стали, а главное - человеческого труда.

Давнее признание Джоном Кайзером, советником президента США, лидерства нашей страны в обработке металлов и материалов стократно подтверждалось потом другими иностранными отзывами. В частности, отзывами из США.

Американская компания "Малти Арк" в свое время приобрела право на выпуск советской вакуумно-плазменной установки "Булат" для упрочняющего покрытия инструментов. Руководители компании дали такую оценку установке: "Это не просто усовершенствование. Это технологическая революция. Это технология завтрашнего дня для сегодняшней промышленности".

Подобных примеров - множество. И сегодня потенциал российской экономики остается очень высоким. У России находится крупнейший "портфель идей", определяющих развитие высоких технологий и самой передовой техники, они станут востребованы тогда, когда в стране начнётся реальная модернизация промышленности.

На сегодняшний день почти каждая отрасль промышленности, так или иначе, потребляет стали и сплавы на их основе. В этой связи черная металлургия является одной из ключевых в промышленности, ее инновационное развитие стимулирует развитие в таких отраслях, как: машиностроение, строительство, мостостроение, судостроение и т.д.

В состав черной металлургии входят следующие основные подотрасли:

Добыча и обогащение руд черных металлов;

Добыча и обогащение нерудного сырья для черной металлургии (флюсовых известняков, огнеупорных глин, добавочных материалов и т. п.);

Производство черных металлов (чугуна, сталей и сплавов, проката, металлических порошков черных металлов); - производство стальных и чугунных труб;

Коксохимическая промышленность;

Вторичная переработка черных металлов (лома и отходов).

В последнее время в развитии черной металлургии наблюдаются негативные тенденции. Развитие общемировой отрасли черной металлургии до настоящего времени во многом было обусловлено интенсивным развитием экономики Китая. На фоне замедления развития экономики за период с 2012 по 2014 годы наблюдалось стагнация развития мировой отрасли черной металлургии. Если данная тенденция сохранится, то возникнет проблема глобального уровня, связанная со снижением темпов развития мировой черной металлургии.

Как же бороться с негативными тенденциями в черной металлургии, как повысить конкурентоспособность данного конкретного сталелитейного предприятия?

Дерево эволюции.

Основным видом производственной деятельности предприятий черной металлургии является производство металла, остальные виды деятельности можно отнести к вспомогательным. Прежде всего, давайте рассмотрим, какую продукцию производят предприятия черной металлургии, для чего построим дерево эволюции выпускаемой продукции (рис. 1).

Самый простой и дешевый продукт - это сляб, огромный кусок стали, который требует дальнейшей обработки перед отправкой потребителю.

Какие тенденции развития просматриваются здесь?

Прежде всего - дробление одного большого куска металла на несколько более мелких частей. При этом толстые и более тонкие листы металла, полоса, рулонная лента и фольга. То есть, мы здесь наблюдаем дробление материала при сохранении его формы, разделение сляба по его толщине.

Дробление сляба может быть выполнено путем разделения его по ширине. В таком случае мы получаем квадратный профиль, что-то вроде толстых металлических стержней. Следующий шаг - разделение на большее количество частей, получение прутков, толстой и тонкой проволоки.

Рис.1. Дерево эволюции сталелитейной продукции (исходный вариант)

Финальным шагом по линии дробления будет жидкий металл, то есть расплав, который без дальнейшей переработки используется для изготовления нужных деталей путем литья в формы.

Это основная часть, ствол дерева продукции черной металлургии.

Линии эволюции можно проследить практически для каждого из вариантов производимой продукции.

Так, для полосы можно построить линию геометрической эволюции , описывающую усложнение формы полосы и получение новых геометрических структур (рис.2). Это структуры, которые могут быть получены простым сгибанием: уголок, швеллер, различные желоба и S-образные профили и другие изделия, имеющие в сечении самый разный профиль. Развитием этого направления могут служить замкнутые структуры: квадратные и круглые трубы, трубы со сложным профилем в сечении и т.п. Следующий этап развития плоской полосы - это трехмерные оболочковые конструкции, из которых могут быть получены самые различные изделия, например, колена для трубопроводов, тройники, корпуса запорной и регулирующей арматуры и т.п.

Рис.2. Геометрическая эволюция изделий из листовой стали

Следующая линия - моно-би-поли (рис.3). Если посмотреть на главный и основной продукт черной металлургии - сляб, то можно заметить, что при его производстве получаются дополнительные продукты, которые могут быть использованы как товар. Это, прежде всего, шлак. При производстве тонны стали получается около ХХХ килограмм шлака, который может быть использован для самых разных целей. Кроме того, получается большое количество воды, которая широко используется в производственном процессе для охлаждения обрабатываемого металла. Сбросовые воды имеют высокую температуру и несут в себе прибавочную стоимость, которая может быть использована для получения прибыли. То есть, здесь мы видим линию развития моно-би-поли различных компонентов, согласно которой можно проследить развертывание количества полезных продуктов, получаемых при производстве стали.

Рис.3. Моно-би-поли полезных продуктов при производстве стали

Еще одну линию, эволюция внутренней структуры , можно построить, если рассмотреть микроструктуру производимой стали. Это зерна кристаллов, как правило, разных размеров, расположенные хаотично в толще материала (рис.4).

Один из вариантов этой линии показывает упорядочивание размеров и расположения зерен микрокристаллов. Такое упорядочивание может происходить в двух направлениях - как в сторону равномерного, изотропного, распределения атомов вещества, так и в сторону повышения анизотропии материала, когда кристаллы распределяются в определенном порядке, а их форма повышает механическую прочность стали.

Изотропная, так называемая «стеклянная», сталь имеет аморфную структуру. В отличие от стандартных металлов, где атомы находятся в определенном порядке, в твердых аморфных веществах, к примеру, стекле, атомы размещаются хаотично. Такое расположение атомов дает «стеклянной стали» необыкновенную прочность при любых нагрузках.

Рис.4. Эволюция внутренней структуры стали

Другое направление структуризации заключается в упорядочивании кристаллов стали. Например, аустенитные стали имеют не только более упорядоченную микроструктуру, но и сохраняют ее неизменной в большом диапазоне температур, что придает аустенитной стали особые прочностные и антикоррозионные свойства.

Это направление развивается в сторону дополнительного ориентирования микрокристаллов, то есть в придании материалу свойства анизотропии. Так в стали для формования лопаток турбин самолетных двигателей предусмотрено ориентирование продолговатых кристаллов вдоль некоторой оси. Такая сталь, как любой анизотропный материал, исключительно хорошо работает при определенных нагрузках, например, при изгибе и растяжении вдоль оси ориентации кристаллов.

Наиболее подходящая структура для лопаток турбин - это монокристалл, то есть когда вся лопатка представляет собой молекулярную структуру с кристаллической решеткой.

На рисунке 5 представлены различные варианты лопаток: из обычной стали, с продольно ориентированными кристаллами и монокристаллическая. Очевидно, что лопатка с ориентированными кристаллами и монокристаллическая имеют гораздо большую прочность по сравнению с обычной.

Рис. 5. Лопатки турбины

Еще одно направление структуризации стальных изделий заключается в том, что материалу придают разные свойства в его глубине и слое, приближенном к поверхности. Для этого применяются разные способы: закалка, науглероживание поверхностного слоя, механический наклёп и т.п. Упрочненная сталь, мягкая внутри, имеет высокую твердость поверхностных слоёв.

Обратный пример - режущий элемент экскаваторного ковша выполняют так, что внутри расположена твердая сталь, а по бокам - более мягкая. Такой зуб, выполненный по образцу резцов бобра, имеет свойство самозатачиваться (рис.6).

Рис.6. Самозатачивающийся зуб

Что касается листовой стали, то структуризация материала происходит путем добавления слоев. Здесь прослеживается линия моно-би-поли различных компонентов , которая заключается, прежде всего, в том, что на поверхность листа наносят различные покрытия (рис.7). Самое простое покрытие - это воронение поверхности листа или иной детали, при котором на поверхности стали образуется слой окислов железа.

Рис.7. Моно-би-поли слоёв покрытия

Наиболее распространенное покрытие - слой цинка, который создает преграду коррозии. Слой цинка может быть модифицирован, прежде всего, добавкой магния и алюминия, что значительно повышает его антикоррозионные свойства.

Вдобавок к нанесению покрытия слой цинка часто пассивируется, то есть, на его поверхности формируется дополнительный защитный слой из пленки оксидов, получаемых при действии окислителей на основе хрома. Этот процесс называется хроматированием.

Рис.8. Многослойный оцинкованный лист с полимерным покрытием

В дополнение к металлическим на лист наносятся и полимерные покрытия. Так для производства металлочерепицы и профилированного листа на цинковое покрытие наносят последовательно слой грунта, полимерный слой и покрывают многослойный лист специальным защитным лаком.

Такой многослойный лист находит большой спрос при строительных работах и изготовлении конструкций, работающих в агрессивной среде.

При производстве металлических изделий активно преобразуется такой атрибут, как их поверхность. Например, при производстве строительной арматуры можно проследить линию эволюция поверхности (рис.9). Винтовые нарезки, ортогональные выступы, наклонные выступы, звездочки, чередование выступов и впадин - различная форма поверхности дает возможность выбрать самый подходящий тип арматуры.

Рис.9. Эволюция поверхности прутка (на примере арматуры)

Конечно, мы не охватили в нашем дереве всё разнообразие выпускаемых металлургическими комбинатами стальных изделий. Это далеко выходит за рамки данной статьи. Но давайте попробуем провести простой анализ нашего дерева и поискать интересные направления развития сталелитейной промышленности.

Получается следующее:

• Металлургические комбинаты выпускают изделия давно устоявшейся номенклатуры, которые, тем не менее, находят спрос у потребителя.
• В тоже время ведется выпуск и новых, инновационных изделий, спрос на которые еще не сформировался полностью, и находится в режиме ожидания.

Традиционная продукция.

Если говорить о выпуске привычных, стандартных изделий, то здесь стоит две задачи - снижение затрат на производство единицы продукции и повышение качества выпускаемой продукции. Как первая, так и вторая проблема требуют решения большого количества изобретательских задач, создания инновационных технологических процессов. Здесь открывается широкое поле деятельности для специалистов по решению изобретательских задач на основе методик ТРИЗ.

В этой связи интересен опыт южнокорейской металлургической компании ПОСКО. 4-я в мире компания-производитель стали начала применять ТРИЗ в 2006 году. Была сформирована команда специалистов, имеющих опыт решения изобретательских задач. В течение нескольких лет команда показала принципиальную возможность и высокую результативность решения неразрешимых на первый взгляд задач в области металлургии.

Это были задачи, связанные со следующими процессами:

• Устранение проблем при выплавке стали и повышение надежности технологического процесса.
• Повышение качества проката при непрерывной разливке стали.
• Производство проката, в первую очередь тонколистового, соединение заготовок, устранение проблем с охлаждением и деформацией листа.
• Хранение и транспортировка руды и угля.
• Утилизация и переработка шлака.
• Разработка новых продуктов, прогнозирование развития технологий.

Только в 2010 году использование ТРИЗ принесло компании ПОСКО 277 млн. долларов США. Для примера, в 2010 было получено в 2,4 раза больше патентов, чем в 2009.

На основе накопленного опыта ПОСКО создала методологию разработки новой продукции и снижения затрат «PRIZM», основанную на ТРИЗ. В компании был организован корпоративный университет ТРИЗ, где прошли обучение 1800 сотрудников (10% всей численности).

Именно ТРИЗ выбрана в качестве основного инструмента для осуществления новой инновационной концепции POSCO 3.0.

Как выразился СЕО компании:

“TRIZ is a tool that allows you to leap forward to become a true global leader, and the POSCO Family is also gathering its efforts to fully utilize TRIZ since last year.”

Повседневная инновационная работа, основанная на ТРИЗ, позволяет устранить актуальные технологические проблемы. Что еще важнее, именно систематизация изобретательства дает возможность выявить скрытые проблемы компании, решение которых позволяет повысить качество продукции, поднять производительность и снизить затраты на производство.

Инновационная продукция.

Выпуск новой, инновационной продукции, прежде всего, предусматривает новые рынки сбыта. Глобальной проблемой сейчас можно считать переизбыток производственных мощностей в мировой черной металлургии, что до предела обостряет конкурентную борьбу за потребителя. Успеха в конкуренции можно достичь, увеличивая долю производства стальной продукции глубокой степени переработки (высших переделов). Успех будет иметь компания, которая не только спрогнозирует новые рынки сбыта, но и будет активно работать над их созданием.

Давайте проанализируем дерево эволюции и посмотрим, какие направления развития продукции черной металлургии оно показывает.

Одно из направлений развития получается, если продолжить линию структуризации материала. Развивая технологию направленной кристаллизации можно предположить, что управление ориентированием и формой кристаллов стали даёт новые возможности для повышения прочности и снижения массы стальных деталей. Технология, применяемая для создания лопаток турбин, может и должна быть распространена на другие виды инновационной продукции. Это позволить снизить материалоемкость изделий при повышении их надежности.

Еще одно направление - производство специальных сталей для интенсивно развивающихся отраслей промышленности.

Например, сейчас в мире активно развивается солнечная и ветровая энергетика. Можно предвидеть повышенный спрос на материалы, применяемые для производства солнечных батарей и ветродвигателей. Конечно, это могут быть сравнительно простые конструкционные стали, но этого однозначно недостаточно для обеспечения устойчивого сбыта. Гораздо больший эффект может дать применение продукции черной металлургии для создания самих солнечных батарей или ветродвигателей. Замена дефицитных и дорогих материалов сталями и сплавами позволяет не только найти новые рынки сбыта, но и удешевить сами изделия. Это, в свою очередь, даёт дополнительное расширение рынков.

Батареи из аморфного кремния производят напылением множества тончайших слоев материала на гибкую основу, обычно стальную ленту-фольгу. Потом её режут на отдельные фотоэлементы, выводят электроды и далее, готовые фотоэлементы спаивают в батарею и ламинируют с двух сторон гибкими пластиковыми пленками. Готовое изделие легко гнется и не боится ударов (рис.10).

Рис.10. Гибкая солнечная батарея на основе стальной фольги

Ряд компаний уже сейчас активно работает над созданием и усовершенствованием солнечных батарей на основе стальной фольги. Это та же корейские компании САМСУНГ, LG, SK. Интересно, что к разработке солнечных батарей на стальной основе активно подключилась и сталелитейная компания ПОСКО. Казалось бы, разработка батарей лежит в стороне от главной деятельности компании, но широкое внедрение в их конструкцию стали открывает дополнительный рынок сбыта для продукции.

Развитие солнечной энергетики открывает широкий спектр возможностей для продукции черной металлургии. Мы уже говорили о замене в солнечных батареях дефицитных и дорогих металлов сталями и сплавами. Еще одно перспективное направление - создание солнечных термальных электростанций (гелиоконцентраторов). Такая станция представляет собой колонну с емкостью, в которой находится трубка-коллектор с жидким теплоносителем (дистиллированная вода, масло или солевой расплав). Колонна окружена большим количеством зеркал, которые концентрируют солнечный свет на емкости, нагревая находящееся там вещество до высокой температуры. В линии фокуса параболы под воздействием отраженных лучей коллектор нагревается до 350 - 700°С, а теплоноситель «смывает» тепловую энергию с его стенок на теплообменник ТЭС или в тепловой аккумулятор (рис.11).

Здесь просматривается возможность изготовления зеркал из стальных пластин с полированной поверхностью. Солнечные термальные станции уже достаточно эффективны, и изготовление элементов их конструкций может стать новым рынком для сталелитейных компаний.

Рис.11. Гелиотермальная электростанция

Дерево эволюции показывает, что повышение спроса на продукцию черной металлургии может быть обеспечено повышением согласования номенклатуры выпускаемой продукции с запросами конечных потребителей. Например, для кораблестроительных компаний можно поставлять плоские стальные листы, а можно, по согласованию с формой будущего корабля, сразу формовать панели, которые останется только приварить по месту. Сейчас, в эпоху компьютеризации конструкторской работы, формовку криволинейных панелей корпуса корабля гораздо проще сделать на сталелитейной компании, чем разрабатывать для этого дополнительную технологию. То есть, речь идет о максимально полной переработке исходного сырья, что позволит компании получить дополнительную прибыль.

Здесь может возникнуть вопрос: самое дорогое при прессовании - это изготовление пресс-форм. А для изготовления различных изделий требуются детали самой разной формы, так что, металлургическая компания должна иметь бесконечное множество пресс-форм?

Это задача, изобретательская задача, которая может быть поставлена и решена при помощи методик ТРИЗ.

Если посмотреть линии структуризации материала и моно-би-поли слоев металла, можно сделать следующий вывод. Потребители продукции черной металлургии все активнее используют структурированные материалы, проблема заключается лишь в сложности их получения.

Здесь можно использовать такую технологию, как сварка взрывом, которая дает возможность соединять на молекулярном уровне самые разные материалы: сталь и медь, сталь и алюминий и т.п., получая структурированный материал с уникальными свойствами (рис.12).

Рис.12. Сварка взрывом

Сварка взрывом - очень эффективный способ обработки металла, эта технология хорошо проработана для соединения плоских листов. Применительно к черной металлургии просматривается возможность применение сварки взрывом для получения объемных деталей со сложной структурой. При этом дополнительные слои материала могут размещаться как на внешней стороне детали, так и в ее полостях. Например, таким образом можно изготавливать двух или многослойные трубопроводы для перекачки агрессивных жидкостей, детали из дешевого алюминиевого сплава, покрытые высокопрочной сталью, стальные электрические проводники с медным наружным слоем и т.п.

Компания, которая хочет получить прибыль, должна исследовать рынок и прорабатывать потенциальные возможности замены существующей продукции, особенно цветных металлов, сталями и их сплавами. Например, на изготовление тех же проводников тратится гигантское количество дефицитной меди. А ведь делать сплошной медный проводник нет никакого смысла - ведь ток идет только по его поверхностному слою. Если же заместить хотя бы часть рынка сплошных медных проводников стальными проводниками с медным покрытием, это даст огромный рынок сбыта продукции металлургических компаний.

Кроме более агрессивного выхода на уже существующие рынки сбыта, сталелитейная компания должна отслеживать появление новых перспективных технологий и понимать тенденции их развития. Так, одно из перспективных направлений развития черной металлургии - порошковая металлургия. Производство порошков для формования деталей - важный рынок сбыта. Однако недостаточно только следовать запросам рынка при производстве и продаже порошков. Металлургическая компания может активно влиять на развитие этого рынка, если будет вкладываться в совершенствование этой технологии. Увеличения прибылей сталелитейной компании можно ожидать, если объединить в ее рамках, как изготовление порошков, так и производство деталей из них, поставляя на рынок сразу готовые изделия. Конечно, это предполагает более тесное согласование с потребителями конечной продукции и непосредственное участие в разработке новых технологий.

Еще одно направление, которое активно развивается в последнее время, это трёхмерная печать готовых деталей. З-D принтеры обеспечивают недостижимую другими способами точность, сводя к минимуму дополнительную обработку деталей (рис.13). Сейчас для трехмерной печати применяются, в основном, пластики и металлы с низкой температурой плавления. Однако в печати появляются сообщения о том, что для трехмерной печати может применяться и сталь. Технологии развиваются очень быстро, и не успеем оглянуться, как трехмерная печать сталью станет привычным способом получения деталей машин.

Рис.13. Напечатанная стальная структура

Уже сейчас успешно развивается технология 3D-печати SLM (Selective Laser Melting или метод селективного лазерного плавления). В процессе 3D-печати гранулированный стальной порошок распределяется тонким слоем (от 20 μm — 75 μm и до 100 μm) на платформе, которая опускается по вертикали, а печать изделия производится с использованием двойного лазерного луча, расплавляющего порошок слой за слоем, превращая его в однородную металлическую массу. Процедура происходит в закрытой камере с инертными газами (рис. 14).

Рис. 14. Схема принтера 3D-печати по SLM технологии

Маленький трехмерный принтер может стать тем локомотивом, который вытянет к новым рыночным нишам те компании, которые вовремя увидят появление новой технологии и поймут ее возможности для расширения собственного бизнеса.

Вообще, более полное согласование с запросами конечного потребителя - это эффективный путь повышения прибыли предприятий черной металлургии.

Еще один источник дохода сталелитейной компании можно найти, если принять во внимание, что кроме стали и сплавов при производстве стальных изделий образуются и другие продукты, например, шлак и горячая вода.

Шлак широко применяется в строительстве: гранулированный шлак используют для получения шлако-портландцемента, в качестве заполнителя для бетонов, в дорожном строительстве, из шлаковых расплавов вырабатывают минеральную вату, шлаковую пемзу, стекло и стеклокристаллические материалы (шлакоситаллы). Многообещающе использование шлака для получения отливок деталей машин, строительных элементов и т.п. Высокие физико-механические свойства литых каменных и шлаковых изделий позволяют применять их для ответственных конструкций, работающих в тяжелых условиях интенсивного истирания, воздействия агрессивных сред, многократного замораживания и оттаивания.

Представляется целесообразным проведение исследовательских работ по повышению прочности шлакового литья. Например, армирование объемных деталей или покрытие их сталью позволит получить недорогие изделия с высокими прочностными характеристиками.

Шлаки имеют сложный и разнообразный химический состав (встречается до 30-ти химических элементов), что дает возможность добывать полезные элементы для получения дополнительной прибыли.

Горячая вода также может быть использована для растениеводства и рыбоводства в условиях низких температур, получения электроэнергии из бросового тепла и других целей. Интересно, что в некоторых минералогических условиях вода после охлаждения шлака приобретает целебные свойства и может быть использована для лечения различных заболеваний.

Разумеется, в короткой статье невозможно описать все перспективные направления развития продукции черной металлургии. Это большая работа, которую должна проводить сама компания, если она хочет стать лидером в мировой конкуренции.

Один из главных постулатов ТРИЗ гласит:

«Количество ресурсов не ограничено, нужно только увидеть их и правильно использовать».

Это в полной мере справедливо и для черной металлургии.

Важность патентования.

Отслеживать появление новых инновационных технологий, осваивать выпуск новой, инновационной продукции очень важно для металлургической компании, но совершенно недостаточно. Если компания рассчитывает выходить на международные рынки и закрепиться на них, то необходима серьезная работа по созданию, усовершенствованию и патентной защите новых материалов и технологий.

Лучший подход для металлургической компании - как консолидация с другими производителями стали, образование консорциумов, позволяющих концентрировать средства на исследования. Такой консорциум уже может организовывать тесное сотрудничество с компаниями, разработчиками новых технологий.

Важно организовать научно-исследовательскую работу, а также выявление и решение изобретательских задач на всех этапах разработки и производства новых продуктов и инновационных технологий. Это значит, что должна быть организована систематическая работа по решению возникающих задач и созданию новых технологических процессов. Здесь можно вспомнить так называемую «стеклянную сталь», совершенно новый материал с уникальными свойствами. Понадобилось несколько лет, чтобы специалисты нашли путь к широкому производству. Временной отрезок, который заняли исследования, мог бы быть гораздо короче, если бы в металлургической отрасли модернизация в целом и наука в честности занимали достойное место в планируемом бюджете.

Здесь важную помощь может оказать ТРИЗ, поскольку применение ее методик дает возможность систематично организовать инновационный процесс и обеспечить устранение возникающих проблем.

Какие выводы мы сделаем из нашего краткого анализа:

1. Дерево эволюции показывает, что увеличение прибыли компании обеспечивается снижением затрат на производство традиционной продукции и повышением ее качества.
2. Для повышения качества продукции и снижения затрат передовые сталелитейные компании, например, ПОСКО, активно и эффективно применяют ТРИЗ.
3. Важным направлением развития выпускаемой продукции является более полное согласование параметров выпускаемой продукции и требований конечного потребителя.
4. Для более полного согласования металлургическая компания должна добиваться высокой степени переработки исходного сырья, в идеале поставляя потребителю готовые изделия, не требующие дальнейшей обработки.
5. Металлургическая компания должна отслеживать появление новых технологий получения изделий из металла, и активно участвовать в создании перспективных технологий и в совершенствовании традиционных.
6. Ключевым направлением развития металлургии станет разработка, патентование и производство материалов для 3D-печати.
7. Для решения изобретательских задач, возникающих при работе с новыми материалами и технологиями большой эффект дает применение ТРИЗ.
8. Для конкуренции на международном рынке металлургическая компания должна занимать агрессивную патентную политику, т.е. патентовать как создаваемые материалы, так и новые технологии.

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)

Примечание:

* – ограниченное применение

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.

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.

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

Качество металлизованного сырья, новый металлизованный продукт - HBI

Производимые DRI отличаются высокими качественными характеристиками:

Выше отмечалось, что губчатое железо ввиду большой площади поверхности склонно к пирофорности в результате окисления на открытом воздухе. Даже если не происходит самовозгорания, то в результате окисления активного свежевосстановленного железа происходит снижение содержания железа и потеря металлургической ценности DRI. Динамика изменения содержание Fe в губчатом железе, хранящемся на открытом воздухе, приведена на диаграмме.

Для снижения пирофорности и улучшения насыпных и утилизационных характеристик DRI применяют технологию брикетирования в горячем состоянии. В результате брикетирования улучшаются физические (насыпной вес), логистические (хранение, транспортировка) и технологические (удобство использования в электропечах) характеристики DRI. Характеристики брикета:

Эффекты брикетирования:

• увеличение насыпного веса в 1,3...1,8 раза;
• увеличение плотности в 1,4...1,6 раза;
• снижение химической активности (пирофорности) на порядок;
• удобство использования в ДСП (снижение времени загрузки, расположение на границе шлак-металл).

Мировое производство и перевозки металлизованного полупродукта

Динамика производства DRI с 1970 г. приведена на диаграмме.

Мировое производство DR

Преимущества и недостатки использования DRI в EAF

Основным потребителем DRI является электросталеплавильное производство – доля DRI в металлошихте может достигать 70%. При этом DRI обладает определёнными преимуществами относительно других компонентов шихты:

• стабильность химсостава;
• низкое содержание нежелательных примесей (сера, фосфор);
• отсутствие сопутствующих элементов (свинец, медь);
• простота хранения, погрузки/выгрузки, транспортировки;
• высокая насыпная плотность;
• возможность подачи в электропечь без остановки процесса плавления;
• габаритное сырье гарантирует сохранность электродов от механических повреждений.

Но использование DRI в электропечах имеет свои недостатки:

• увеличение расхода электроэнергии (каждые 10% DRI: +15 кВт ч/т стали);
• увеличение удельного расхода электродов (каждые 10% DRI: +0,2 кг/т стали);
• снижение выхода годного (каждые 10% DRI: –0,4 % объёма производства);
• увеличение времени плавки и снижение производительности (каждые 10% DRI: +2,5 минуты);
• увеличение тепловой нагрузки на футеровку в начале процесса.

Эти особенности применения DRI в качестве компонента шихты электрометаллургического производства находят отражение в стоимости DRI.

Справедливая цена DRI

При замещении 30% лома на DRI с аналогичной стоимостью удельные затраты при производстве стали растут на $8/т (см. диаграмму).

Для выполнения условия равенства затрат на 1 т выплавляемой стали цена DRI должна быть меньше цены высококачественного лома на 7%.

Эта оценка подтверждается фактическими данными – исторически цена DRI ниже цены металлолома в среднем на 5% (максимальное отклонение -13%):

Следует отметить, что DRI является прямой альтернативой только для высококачественного лома сравнимого качества и типоразмера. При отсутствии достаточного количества высококачественного лома производство стали сравнимого качества возможно только при условии вовлечения металлизованного сырья.