Глава 2. Металлургический комплекс

Металлургический комплекс – совокупность отраслей, производящих металлы. В его состав входят черная и цветная металлургия.

В современном производстве преобладает применение черных металлов (до 90%). Это железо и сплавы, получаемые на его основе.

Число цветных металлов гораздо больше (свыше 70-ти) и они обладают ценными свойствами. Цветная металлургия, поэтому имеет огромное значение для развития отраслей народного хозяйства.

Металлургический комплекс России имеет следующие особенности:

1. В металлургическом комплексе широко применяется такой метод организации производства как комбинирование, т.е объединение на одном предприятии нескольких технологически связанных между собой производств различных отраслей.

В черной металлургии преобладает комбинирование на основе последовательной переработки исходного сырья: руда – чугун – сталь – прокат. В цветной – на основе комплексного использования сырья: например, из полиметаллических руд получают несколько цветных металлов.

2. В металлургическом комплексе России высокий уровень концентрации и монополизации производства. Так 200 крупнейших предприятий (примерно 5% от общего количества) производят 52% продукции черной металлургии и 49% цветной.

3. Металлургия - трудоемкая отрасль. На металлургическом комбинате работает 20-40 тысяч человек. Это градообразующее предприятие. Численность населения возникающего города превышает 100 тысяч человек.

4. Для металлургии характерна большая металлоемкость. На 1 тонну чугуна расходуется до 4 тонн сырья и топлива, а на 1 тонну стали – до 7 тонн. Еще большая металлоемкость при производстве цветных металлов – до 50 – 70 тонн сырья на 1 тонну цветного металла.

5. Металлургический комплекс России – крупнейший загрязнитель окружающей среды. На него приходится 20% всех промышленных выбросов в атмосферу и сбросов сточных вод. Так медеплавильный комбинат, производящий в год 125 тыс. т меди, выбрасывает в атмосферу 2 млрд м³ газов и 43 тыс. т пыли. Именно этим объясняется сложная экологическая обстановка на Южном Урале и ряде других регионах России.

Кроме выбросов и сбросов большой ущерб наносится почвам. При открытой добыче руд из хозяйственного оборота изымаются десятки тысяч гектаров земли. Огромные средства расходуются на рекультивацию нарушенных земель. По приближенным оценкам суммарный ущерб, наносимый металлургическим комплексом окружающей среде в нашей стране оценивается в 500 млрд. рублей в год.

Решение этой проблемы – переход на малоотходные технологии.

2.1 Черная металлургия

Черные металлы – это сплавы в основном железа и углерода, кроме того они содержат химические элементы: кремний, марганец, фосфор, серу.

Главными продуктами черной металлургии являются чугун и сталь. Основные свойства черных металлов определяются главным образом содержанием в них углерода, в зависимости от которого металлы подразделяются на чугун и сталь. Так чугуном называется сплав с содержанием углерода от 2 до 6%.

В прошлом сталь выплавляли непосредственно из железных руд в примитивных горнах. С развитием техники металлургии более выгодной оказалась выплавка из железных руд чугуна с последующей переплавкой чугуна в сталь. Это схема лежит в основе современной металлургии. Основным способом получения чугуна является получение его путем восстановительной плавки железной руды в доменных печах, где одновременно с восстановлением железа из его окислов, содержащихся в руде, происходит процесс его обогащения углеродом и превращение его в чугун.

Исходными материалами для производства чугуна в доменных печах являются железные руды, топливо и флюсы.

Железные руды

Железо является одним из самых распространенных на Земле элементов. Однако вследствие большой химической активности железо в чистом виде в природе не встречается, а входит в состав многих соединений. Кроме соединений железа в железных рудах содержится пустая порода, состоящая из кремнозема (SiO₂), глинозема (Al₂O₃), окислов кальция (CaO_x), фосфора (P₂O₅) и др.

Более 70% железных руд в нашей стране добывается в Белгородской области из железистых кварцитов. Большая их часть поступает по Липецкий металлургический комбинат.

Череповецкий металлургический комбинат использует магнетитовые руды Ковдорского и Оленегорского месторождений. Здесь добывается 15% руды.

В настоящее время России не хватает товарных железных руд: для Урала дефицит составляет 21 млн.т в год, для Кемеровской области – 9 млн. т. [3].

В связи с истощением богатых типов железных руд стоит задача освоения месторождений титаномагнетитовых руд. Их запасы велики на Урале, в Восточной Сибири, на Дальнем Востоке.

Перед плавкой производят агломерацию руды (спекание). Руда проходит через печь с t = 1000 ⁰ С. Эта процедура делает руду более удобной для плавки.

Для отделения пустой породы и повышения содержания железа применяют обогащение руды при помощи магнитов (магнитная сепарация). Это происходит путем подачи руды на вращающиеся латунные барабаны, внутри которых расположены магниты. Пустая порода не притягивается и отпадает.

Руда подвергается также обжигу, вследствие чего из нее удаляется вода, углекислота и сера. Руда становится чище и богаче железом.

Топливо

В металлургическом производстве используется высококалорийное и малозольное топливо. С этой целью может применяться древесный уголь, антрацит и кокс.

Флюсы

Они используются для расплавления тугоплавких пустых пород. Соединившись с пустой породой и золой кокса, флюсы образуют шлаки, удаляемые из доменной печи.

Нормальный ход доменной плавки требует строго определенного соотношения руды, топлива и шихты. Эта заранее рассчитанная оптимальная смесь называется шихтой.

Вода

Металлургические заводы потребляют колоссальное количество воды для охлаждения печей и механизмов. Расход воды составляет до 200 м³ на одну тонну продукции. Поэтому металлургические комбинаты располагают вблизи полноводных водоемов (примеру - «Азовсталь» на Азовском море, Череповецкий металлургический комбинат на Рыбинском водохранилище).

Легирующие элементы

Марганец, хром, ванадий, молибден, никель, титан применяют главным образом в виде сплавов с железом (ферросплавы). За счет этого получают высококачественные (легированные) стали.

Расход руды составляет 1.7-1.8 т на 1 тонну чугуна. Флюсов до 1 тонны на тонну чугуна. И до одной тонны уходит топлива. Таким образом, на 1 тонну чугуна расходуется до 3-4 тонн исходного материала.

Влияние сырьевого фактора на размещение объектов черной металлургии все более возрастает в связи с увеличением использования все более бедных руд и необходимостью их обогащения.

Технология выплавки чугуна и стали

Доменные печи работают непрерывно в течение 4-5 лет (иногда 8-10 лет) до постановки их на капитальный ремонт. Выпуск чугуна из доменной печи производят 4 - 6 раз в сутки. Для этого из доменной печи чугун выпускают в специальный ковш, из которого его разливают в движущиеся на конвейере формы. В формах чугун застывает и при обороте форм на переломе конвейера чушки вываливаются на ж.д. платформы. Современные металлургические комбинаты производят до 3 млн. тонн чугуна в год.

Если чугун используется для выплавки стали, то его не превращают в чушки, а сливают в специальный металлоприемник – миксер и доставляют в сталелитейный цех. Как правило на металлургических комбинатах ведется и доменное и сталеплавильное производство, т.к экономически это более выгодно.

Основное отличие стали от чугуна – меньшее содержание в ней углерода (< 2%). Поэтому при переработке чугуна в сталь из него удаляют излишек углерода. Это достигается путем выжигания в чугуне избытка углерода и других элементов. Технологически это осуществляется подачей кислорода на раскаленный чугун. При этом часть углерода превращается в окись углерода (СО) и удаляется в виде газа.

Сталь производят в мартеновских печах (до 80%). Годовая выработка одной мартеновской печи составляет 120 тысяч тонн стали. Современные металлургические гиганты (например Магнитогорский металлургический комбинат) выпускают до 12 млн тонн стали в год. В перспективе этот комбинат будет выпускать 16 млн т. стали.

Снижение себестоимости мартеновской стали может быть за счет увеличения в перерабатываемом сырье удельного веса вторичного сырья (лома).

Прокатное производство

Сталеплавильные цеха выдают свою продукцию в виде стальных болванок, которые поступают в прокатные цеха. Здесь из них вырабатывают прокат – сортовые и фасонные профили, трубы и др.

Для придания металлу соответствующей формы его в нагретом или холодном состоянии прокатывают, т.е пропускают между вращающимися валками на специальных машинах – прокатных станах. Крупнейшими прокатными станами являются блюминг и слябинг.

На блюмингах производят первую прокатку стальных болванок весом до 20 тонн, превращая их в заготовки (блюмы) сечением 400 * 400 мм.

Слябинги служат для проката листовых заготовок (слябей) толщиной до 225 мм и длинной до 5 метров.

Скорость проката достигает до 35 м/с, а производительность 200 тонн в час и выше. Листовую сталь после проката обжигают в печи при температуре 780 ⁰ С. Лист после этой операции становится более мягким и эластичным. После обжига лист окунают в ванну с жидким цинком, и он становится оцинкованным. Это предохраняет его от коррозии и расширяет спектр применения. Потребителю листовую сталь поставляют в рулонах.

Кроме прокатных, есть волочильные станы. В них заготовки протягиваются через отверстие (обычно в холодном состоянии). Таким образом производят проволоку (от 4 до сотых долей мм), тонкие трубы, пруты и др.

Прокатные цеха громадные сооружения. Например, на Магнитогорском металлургическом комбинате в 2010 году началось строительство прокатного цеха длиной 2.5 км. Цех предназначен для выпуска высококачественной автомобильной стали для сборочных заводов «BMW» и «Мерседес» на территории России. В целом Магнитогорский металлургический комбинат около 75% продукции реализует на внутреннем рынке. Завод «Северсталь» (г. Череповец) до 65%.

Крупнейшим потребителем холоднокатанного автолиста в России является АвтоВАЗ. С 2012 года главными поставщиками автоконцерна стали Новолипецкий металлургический комбинат и Магнитогорский металлургический комбинат, на которые приходится 95% потребностей автозавода (соответственно 15 и 30 тыс. т в месяц). Базовая стоимость поставок определяется по формуле цены, привязанной, в том числе к мировым котировкам на сталь.

Другим крупным потребителем проката является ОАО «Российские железные дороги». Кроме строительства новых железных дорог в планах РЖД обновление 30 тыс. км изношенных рельсов. 70% рельсов производит Новокузнецкий металлургический комбинат и 30% Нижнетагильский.

Другая широко распространенная продукция сталепрокатного производства приведена в таблице 2.1. Данная продукция очень востребована в строительстве.

Таблица 2.1

Продукция сталепрокатного производства

Наименование продукции	ГОСТ
Сталь прокатная угловая равнобокая	ГОСТ 8509-86
Сталь прокатная угловая неравнобокая	ГОСТ 8510-86
Сталь прокатная. Швеллер	ГОСТ 8240-89
Сталь прокатная. Балки двутавровые	ГОСТ 8239-89

Экономические показатели сталепрокатного производства

Себестоимость выпуска слябов в России составляет 400-500 долларов за тонну. Для сравнения у европейского сталелитейного концерна Arcelor Mittal - 700 долларов за тонну стали. Российская эффективность объясняется рядом причин: собственная руда и уголь, современная производственная база, невысокие переменные издержки (в том числе зарплата рабочих).

На мировых рынках тонна стали (горячий прокат) стоит от 860 до 710 долларов за тонну. При дальнейшем падении цен европейское производство стали может стать не рентабельным.

Внутренние цены на автолист в России традиционно повторяют динамику мировых цен с некоторым временным лагом. В начале января 2011 года стоимость холоднокатаного проката составляла 25,984 тыс. рублей за тонну с учетом НДС. В марте цена подскочила до 31,516 тыс. рублей и затем стала плавно снижаться. В ноябре стоимость проката уже не превышала 29,9 тыс. рублей, а по состоянию на 6 января 2012 года снизилась до 27,4 тыс. рублей за тонну.