2. Черная металлургия – основа промышленного производства Украины

Украина является одним из центров металлургии. Металлургия в Украине является главный поставщик валютных ресурсов. В металлургии основная конкурентоспособность — ценовая.

Сравнительные технико-экономические показатели черной металлургии Украины и некоторых стран мира.

Показатели	Россия	США	Япония	Украина
Структура сталеплавильного производства, %
Кислородно-конвертерный способ	61,9	51,1	73,6	48,9
Электросталь	15,9	48,9	26,4	4,2
Мартеновский способ	22,2			46,9
Доля непрерывного литья	57,7	97,0	97,7	23,1
Расход стали на 1 т проката, кГ/т
Средний расходный коэффициент стали на 1 т проката, кГ/т	1200	1150	1095	1250
Усредненный сквозной коэффициент на производство 1 т проката, кГ/т
Железорудные материалы	1480	1010	1070	1640
Кокс	425	267	293	519
Чугун	865	642	726	866
Лом	446	677	488	490
Выплавка стали на 1 работающего, т/чел.
Усредненный показатель выплавки стали на 1 работающего, т/чел.	150	400	630	100
Средняя оплата труда, долл./чел.-час
Средняя оплата труда, долл./чел.-час	3,8	32	34	0,8

Основные рынки сбыта Украины находятся в Азии, в Россию попадает немного.

3. Этапы развития технологии производства стали

Вся история металлургии характеризуется непрерывным совершенствованием технологии. Процесс непрерывного совершенствования методов и технологии производства стали можно разделить на ряд этапов.

Первый этап. Прямое получение железа из руды. Получение железа непосредственно из руды — наиболее древний способ производства железа. В глубокой древности железо получали восстановлением его из руды в примитивных горнах. Поскольку в этом процессе использовался неподогретый воздух (сырое дутье), способ получил название сыродутный процесс - получение тестообразного железа непосредственно из руды в сыродутных горнах или небольших печах шахтного типа.

Сыродутный процесс - древнейший способ производства железа, возникший во 2-м тысячелетии до н. э. и просуществовавший до начала 20 в. Первоначально Сыродутный процесс осуществлялся в так называемых сыродутных горнах (яма, футерованная огнеупорной глиной, или каменный очаг), работавших на естественной тяге, для чего в нижней части устраивалась открытая фурма. Сущность сыродутного способа получения железа заключается в следующем:

- в горн загружают древесный уголь и железную руду. Общее количество загружаемой руды достигало 20 кг;

- уголь разжигают и начинают подавать дутье. Температура в рабочем пространстве горна (1100-1350 °С) была недостаточной для расплавления малоуглеродистого железа.;

- по мере сгорания и оседания угля руда опускается, подвергаясь непрерывному контакту с восстановительными газами и раскаленным углем и постепенно при этом восстанавливаясь. В результате процесса получали раскаленный ком (крицу¹) восстановленного железа (с прожилками шлака), который вытаскивали из горна и обрабатывали под молотами, уплотняя крицу и выдавливая из нее шлак.

Сильно железистый шлак выпускали из горна по жёлобу в жидком виде. При таких температурах шлак образовывался в жидком виде. Поскольку шлак в основном состоял из оксидов железа, то значительная часть железа руды переходила в шлак и терялась и только 2/3 восстанавливалось до железа. Состав металла зависел от состава пустой породы руды, а также от температуры процесса и продолжительности пребывания крицы в горне.

В некоторых установках получали за одну операцию, длившуюся 6—7 ч, до 200 кг железа.

Недостатки сыродутного способа производства (малая производительность, большой расход топлива, значительные потери железа со шлаком, высокая трудоемкость процесса и низкое качество металла) определили повсеместное исчезновение этого способа к концу XIX в. (в XX в. сыродутные горны еще можно было встретить в Африке).

Второй этап. Получение кричного (сварочного) железа из чугуна.

По мере усовершенствования конструкции сыродутного горна для футеровки стен начали применять кирпич и естественный огнеупорный камень, увеличились поперечные размеры и высота горна, который постепенно превратился в низкошахтную домницу. Начали применять искусственное дутьё с помощью мехов, что приводило к повышению температуры в горне и к более продолжительному пребыванию шихтовых материалов в зоне высоких температур. В происходило науглероживание железа. В этом случае продуктом процесса оказывалось не низкоуглеродистое губчатое железо, а высокоуглеродистое, т.е. чугун. Поскольку чугун не обладает пластическими свойствами, то его считали нежелательным продуктом и выбрасывали. Позже было замечено, что при загрузке в горн чугуна вместо железной руды (или при оставлении в горне высокоуглеродистой крицы и продолжении операции) также получается низкоуглеродистая железная крица. Такой двустадийный процесс (вначале получение чугуна, а потом получение из чугуна низкоуглеродистого металла) оказался более производительным. Так возник более совершенный способ получения железа - так называемый кричный процесс. Дата появления кричного процесса, так же как сыродутного, неизвестна, но уже в XII—XIII вв. кричный способ был распространен.

Сущность кричного способа переработки чугуна в железо и сталь заключается в расплавлении чугуна в горне на древесном угле и окислении углерода, кремния, марганца и других примесей кислородом дутья и действием шлаков, богатых оксидами железа.

Выложенный огнеупорными материалами или водоохлаждаемыми чугунными плитами горн наполняют древесным углем, разжигают его и подают дутье. После того как уголь хорошо разгорелся, присаживают чугун и богатые оксидами железа шлаки (или окалину, или богатую железную руду). Чугун помешают обычно на уровне фурмы или несколько выше ее, он постепенно плавится и капельками стекает вниз. Одновременно с этим под действием кислорода дутья и оксидов железа шлака происходит окисление (выгорание) примесей чугуна. По мере окисления примесей чугуна (в частности, углерода) повышается температура его плавления (температура плавления чугуна 1100—1200 °С, низкоуглеродистого железа ~1500°С). Температура в горне достигает 1300-1400 °С, т.е. достаточна для расплавления чугуна, но недостаточна для поддержания в жидком виде образующегося низкоуглеродистого сплава. По мере окисления примесей металл становится все более тугоплавким и все более вязким. В результате на дне горна получается зернистая тестообразная железистая масса, которую собирают в один ком, или крицу, извлекают из горна и подвергают обработке под молотом для удаления из металла шлака и образования возможно более плотного и однородного куска железа.

В связи с тем, что горючие материалы, применяющиеся в кричном производстве, находятся в тесном соприкосновении с металлом, они должны быть чистыми от золы и вредных примесей (главным образом, серы). Таким требованиям лучше всего удовлетворяет древесный уголь. Готовая крица содержит, %: С 0,03-0,05; Si 0,01-0,02; Мп 0,08; Р 0,01-0,04; S 0,004—0,006. Кричный способ производства имеет целый ряд существенных недостатков: низкую производительность, высокий угар железа (до 20 %), большой расход топлива, значительную трудоемкость процесса и др.

В большинстве промышленных стран кричный процесс как крайне непроизводительный и дорогой исчез в конце XIX— начале XX вв. Низкая производительность и высокая стоимость кричного передела, а также массовое уничтожение лесов вокруг промышленных центров, вызванное необходимостью получения больших количеств древесного угля, — все это заставляло искать более производительный способ производства кричного железа, причем такой, при котором можно было заменить чистый древесный уголь другим топливом - более дешевым и менее дефицитным. Такой способ был предложен в 1784 г. Г.Кортом (Англия).

Способ заключался в получении стали окислительным плавлением чугуна на поду отражательной печи. Печь получила название пудлинговой².

При этом способе можно сжигать в топке любое топливо, причем чистота его не играла такой роли, как при кричном переделе, так как непосредственного контакта топлива с металлом не было. Впервые отражательная печь для получения ковкого железа использовали в 1766 англичане братья Т. и Д. Кранедж, применив в качестве топлива каменный уголь. В 1784 способ был усовершенствован Г. Кортом, сыгравшим большую роль в практическом распространении пудлингово процесса. Сущность процесса заключается в следующем. На под пудлинговой печи загружают чушки чугуна. Расплавившийся металл и находящийся в печи шлак для увеличения поверхности контакта подвергают перемешиванию (пудлингованию) металлическими штангами. Поскольку температура в печи не превосходила 1400—1450 °С, обезуглероженный металл становился все более и более вязким. Сгущающийся сплав перемешивали, добиваясь однородности его состава, и затем "накатывали" из него куски — так называемые "крицы" массой 30—50 кг. Получаемые крицы представляли собой комья сварившихся между собой зерен металла. Окончательная сварка зерен происходила при последующих нагревах и обработке металла давлением, поэтому продукты и кричного, и пудлингового процессов часто называют сварочным железом.

На обычных печах (садкой около 0,5 т) проводили 10—12 плавок в сутки; расход топлива при этом составлял 0,7—1 т на 1 т металла; угар железа 12—15 %.

Усовершенствованные регенеративные пудлинговые печи со сдвоенным рабочим пространством позволяли получать в сутки ~ 15 т металла при расходе угля ~ 9 т. В начале XX в. стоимость пудлингового железа ненамного превышала стоимость мартеновской стали

Недостатками пудлингового процесса являются: высокий расход топлива, низкая производительность, низкий выход годного, невозможность получения литой стали; этот процесс также не выдержал конкуренции с появившимися конвертерным, а затем мартеновским.

Третий этап. Возникновение способа получения жидкой (литой) стали.

Наиболее древним из всех существующих способов получения стали в жидком, расплавленном виде, т.е. так называемой литой стали, является тигельный процесс³. Точная дата появления этого способа неизвестна.

Выплавка стали в тиглях производится следующим образом: в тигли вместимостью обычно 25—35 кг загружают металлическую шихту, по составу близкую к стали, которую необходимо получить. Закрытые крышками тигли помещают в горны или пламенные регенеративные печи (передача тепла металлу осуществляется через стенки тигля).

Тигельная сталь характеризуется очень высокими механическими свойствами как вдоль, так и поперек направления прокатки или ковки. Отсутствие окислительной атмосферы и раскисляющее действие материала тигля, а также сравнительно невысокие температуры процесса, не позволяющие перегреть металл, дают возможность получать плотную сталь с ничтожным количеством неметаллических включений и низким содержанием газов.

Однако тигельный процесс также, имеет ряд существенных недостатков, к ним относятся низкая производительность труда, высокие требования к чистоте исходных материалов, малая стойкость тиглей (до трех плавок), высокий расход топлива и другие.

Четвертый этап. Возникновение относительно простых и дешевых способов массового производства литого металла.

Простой и дешевый способ получения литой стали в больших количествах путем продувки жидкого чугуна воздухом был предложен в 1855 г. английским механиком Генри Бессемером⁴. Продувку чугуна проводили в специальном агрегате — конвертере с кислой футеровкой. Способ получил название конвертерного (бессемеровского).

В 1878—1879 гг. Томасом⁵ (Англия) был разработан вариант конвертерного процесса, при котором футеровку конвертера выполняли из доломита (материала, обладающего основными свойствами). Этот процесс получил название томасовского или основного конвертерного.

В 1865 г. во Франции Эмиль и Пьер Мартены⁶ успешно осуществили выплавку стали из чугуна и железного лома в регенеративных пламенных печах. Получение в этих печах высокой температуры, достаточной для расплавления стали, стало возможным благодаря подаче в печь подогретых газа и воздуха.

Принцип использования тепла отходящих газов для подогрева топлива и воздуха в так называемых регенераторах был разработан Ф.Сименсом⁷, поэтому в ряде стран процесс называют сименс-мартеновским.

Конвертерный и мартеновский способы явились базой, обеспечивающей бурный рост индустриальной мощи промышленно развитых стран. Менее, чем за 150 лет мировое производство стали возросло более чем в три тысячи раз (с 330 тыс.т в 1868г. до 1 млрд. т в 2005г.).

Пятый этап. Развитие электрометаллургии стали.

Во второй половине XIX в. появился ряд предложений по использованию для плавки стали электрической энергии. В конце XIX—начале XX вв. были созданы и начали работать электропечи различных конструкций. Появились дуговые сталеплавильные печи вместимостью 200—350т. Развитие электрометаллургии стимулируется также возможностью переплава больших количеств такой дешевой шихты, как металлический лом. К настоящему времени уже большое число промышленно развитых стран выплавляют в электродуговых печах более 40 % всей стали.

Шестой этап. Интенсификация сталеплавильного процесса кислородом. Замена воздуха, используемого в сталеплавильных агрегатах для сжигания топлива или окисления примесей чугуна, чистым кислородом существенно изменяет тепловой баланс процессов (исключаются потери тепла вследствие нагрева балластного азота, поступающего вместе с кислородом воздуха), а также облегчает решение проблемы повышения качества металла. Однако высокая стоимость кислорода длительное время препятствовала осуществлению этой замены. Лишь в послевоенные годы появившиеся относительно дешевые способы получения кислорода позволили начать в широких масштабах разработку соответствующей технологии. Одной из первых стран, где были развернуты эти работы, был СССР. Исследования проводили во второй половине 40-х годов под общим руководством акад. И.П.Бардина⁸.

Первые же опыты подтвердили теоретические расчеты, однако потребовалось несколько лет, прежде чем были отработаны оптимальные приемы работы и конструкции агрегатов, фурм, горелок и т.п. К концу 50-х годов использование кислорода в сталеплавильном производстве стало обычной практикой, которая оказала существенное влияние на масштабы выплавки стали в мире. В результате только за 10 лет (с 1960 по 1970 г.) мировое производство стали возросло с 346 до 603 млн т. Основная масса стали, производимой в настоящее время в мире, выплавляется в агрегатах, где роль окислителя выполняет технически чистый кислород.

Седьмой этап. Появление и распространение переплавных процессов. На процессы удаления из стали вредных примесей влияют такие факторы, как изменение давления, увеличение поверхностей контакта взаимодействующих фаз, ускорение процесса охлаждения металла, использование плазменной и электронно-лучевой технологии и др. В результате появились и получили за последние годы значительное распространение такие способы переплава стали, как вакуумный индукционный (ВИП), вакуумный дуговой (ВДП), электрошлаковый (ЭШП), электроннолучевой, плазменный и др. Поскольку в этих процессах осуществляется переплав стали, предварительно выплавленной в "обычном" агрегате (конвертерах, мартеновской печи, электродуговой печи), такие процессы называют переплавными. Эти способы сравнительно дорогостоящие и малопроизводительные, но обеспечивают получение металла очень высокого качества с особыми свойствами.

Восьмой этап. Появление и развитие внепечной, вторичной или ковшевой металлургии. Многие технологические операции, проводимые для уменьшения содержания вредных примесей в металле и повышения его качества, можно перенести из плавильного агрегата в ковш (или иной агрегат, заменяющий ковш), специально оборудованный устройствами для соответствующей обработки жидкого металла. Производительность плавильного агрегата при этом возрастает, одновременно обеспечивается повышение качества стали. Для удаления из металла вредных примесей, усреднения состава и регулирования температуры металл в ковше подвергают вакуумированию, продувают инертными газами, обрабатывают жидкими или порошкообразными смесями или специальной лигатурой, подвергают электромагнитному перемешиванию и т.п. Эти методы получили название ковшевой (или вторичной) металлургии, внепечной обработки или внепечного рафинирования.

Девятый этап. Развитие методов непрерывной разливки.

Создание работоспособных агрегатов непрерывной разливки стали позволило:

а) существенно снизить расход жидкой стали для получения 1 т проката;

б) улучшить условия для повышения качества стали;

в) обеспечить реальное начало нового этапа в металлургии: получение готового стального продукта или полупродукта непосредственно из жидкого металла ("прямая прокатка");

г) повысить производительность труда металлургов.

В настоящее время в промышленно развитых странах практически вся выплавляемая сталь разливается на установках непрерывной разливки.