-разработки и установки нового оборудования;

-установки высокосложных систем автоматизации и управле­ ния процессами;

-более гибкого реагирования на меняющиеся требования рын­

ка;

-коренных изменений в общем характере отношений между поставщиком и производителем стали;

-разработки процессов, не связанных со значительным объё­ мом вредных выбросов, что будет достигаться путем подавления загрязнений окружающей среды непосредственно в источнике их возникновения;

-высокой квалификации и профессиональной подготовки экс­ плуатационников и управленцев.

1.1. Энергоемкость черной металлургии

Суммарное потребление энергии черной металлургией в мире в настоящее время составляет 18... 19 ЕДж при производстве около 770 млн. т стали в год, или 10... 15 % потребления энергии про­ мышленным сектором. По прогнозу на 2020 г. при производстве 1280 млн. т стали потребление энергии отраслью превысит 25 ЕДж. При использовании самых современных технологий расход энер­ гии оценивается в 20 ЕДж, т.е. почти на уровне потребления со­

временной черной металлургией	при	производстве	около
800 млн. т/год.
В настоящее время сталь производят		из железной	руды
(рис. 1.3) по схеме 1: доменная печь -	конвертер на интегрирован­

ных заводах с производительностью 3...5 млн. т/год; по схеме II: прямое получение железа - дуговая сталеплавильная печь на ин­

тегрированных заводах нового	типа с производительностью
1,0...2,0 млн. т/год; по схеме III	из лома в дуговой печи на мини­
заводах с производительностью	0,5... 1,0 млн.т/год. Предприятия

различных типов отличаются по расходу энергии на производство единицы готовой стальной продукции.

Кислород,

топливо

Рис. 1.3. Схемы производства стали и проката и удельные расходы энергии на отдельных стадиях процессов. Цифры в квадратах - удельный расход энергии, ГДж/т

Средний в мире удельный расход энергии на производство 1 т стали составляет 24 ГДж; лучшие показатели при производстве стали из руды - 19 ГДж/т и из лома - 5 ГДж/т.

Минимальный теоретический расход энергии на получение 1 т жидкой стали из железной руды по схеме доменная печь - конвер­ тер равен 6,6 ГДж, что вдвое меньше достигнутого расхода и втрое меньше, чем достигается при получении 1 т проката. Теоретиче­ ский потенциал снижения удельного расхода энергии при произ­ водстве стали по этой схеме составляет 65 %.

Минимальный теоретический удельный расход энергии на по­ лучение стали из лома в дуговых печах равен 1,5 ГДж/т (3,5 ГДж/т первичной энергии топлива). Теоретический потенциал снижения расхода энергии составляет 100 %.

Потери энергии в черной металлургии на переделах связаны с высокой температурой процессов, необходимостью многократного нагрева и охлаждения продуктов передела, потерями энергии в ви­ де излучения, конвекции, физической и химической теплоты тех­ нологических газов и продуктов плавки, необратимостью химиче­ ских реакций и теплообмена при высокой температуре и т.д. По­ этому для уменьшения расхода энергии необходимо снижать тем­ пературу процессов, сокращать количество стадий температурных изменений.

При использовании новых технологий на период до 2020 г. про­ гнозируется снижение удельного расхода энергии до 12,5 ГДж/т жидкой стали при производстве ее из железной руды и дальнейшее его уменьшение на 2,5 ГДж/т в результате использования теплосо­ держания жидкой стали. При производстве стали из лома прогно­ зируется снижение удельного расхода энергии до 3,5 ГДж/т.

1.2. Производство чугуна

Технология производства чугуна в доменных печах за последние годы совершенствовалась, несмотря на развитие альтернативных технологий и ужесточение требований законодательных актов по охране окружающей среды. Шахтный принцип конструкции до­ менной печи с противоточным движением шихты и газа, наличие в

одном агрегате зон твердого, пластичного и жидкого состояний шихтовых материалов, значительный диапазон значений темпера­ туры (20...3500 °С), давления (10...500 кПа), объема и, следова­ тельно, единичной мощности (до 14 тыс. т в сутки), большая про­ должительность кампании печи (10-20 лет), минимальное количе­ ство выбросов в окружающую среду даже с учетом процессов под­ готовки сырья и топлива к плавке - все это обеспечивает неоспо­ римые преимущества доменной печи в будущем.

В последнее время в развитых странах будущее того или иного варианта производства зависит от оценки «жизненного цикла про­ дукции», т.е. подсчета суммарного расходования ресурсов на всем пути создания продукции - от добычи сырья и топлива, их транс­ портировки и подготовки к плавке до получения продукции в до­ менной печи и выбросов в окружающую среду на всех этапах дви­ жения сырья. В США иногда результаты такого расчета показыва­ ют в виде «экобапанса».

Проведенные расчеты экобалансов разных вариантов получе­ ния первичного металла наиболее освоенными в технике способа­ ми - доменная печь, шахтная печь металлизации, технология Согех показали, что наилучшие ресурсо-экологические характеристики соответствуют процессу получения металлизованных окатышей в шахтных печах. Однако этот процесс при высоких показателях ре­ сурсосбережения и минимальных выбросах в окружающую среду не позволяет перерабатывать рудные минералы, имеющие примес­ ные элементы, и комплексные полиметаллические руды, таюке требуется большой расход природного газа. Агрегатом, удовлетво­ ряющим всем основным условиям металлургического процесса будущего с максимальным к.п.д., является доменная печь. Специа­ листы сомневаются в том, что использование альтернативных про­ цессов производства чугуна позволит снизить себестоимость стали.

Самой перспективной считается работа доменных печей с вду­ ванием дополнительного топлива с обогащенным кислородным дутьем. На доменной печи № 3 объемом 3223 м3 завода фирмы NKK в Фукуяма установлен мировой рекорд по вдуванию угольно­ го порошка - 266 кг/т чугуна; расход кокса при этом составил 289 кг/т. Превзойден «теоретический» предел удельного расхода угля, считавшийся равным 250 кг/т.

Другое направление - вдувание отработанных пластмасс - раз­ рабатывается германской фирмой Stahlwerke в Бремене и японской фирмой NKK на заводе в Кейхине, где вдувают пластик в количе­ стве 30 тыс. т/год. Также совершенствуют методы управления на основе компьютерных технологий; проводят реконструкцию печей, построенных еще в 50-е годы, на основе новых технических реше­ ний.

Весьма перспективно использование доменной печи для произ­ водства попутной продукции, которая в ряде ситуаций может пере­ ходить в разряд основной. Это прежде всего работа «на шлаке». В таком режиме основными показателями становятся параметры ка­ чества шлака (состав, плотность, поверхностные свойства и т. д.). В дальнейшем, видимо, часть доменных печей будет экономически выгодно переориентировать на газификацию твердого топлива с получением конечного продукта - горючего газа.

В мире в 90-е годы производство чугуна в доменных печах ус­ тойчиво поддерживалось на уровне 520...540 млн. т/год. По прогнозу на XXI век объем производства чугуна будет возрас­ тать в основном за счет стран Азии, развивающих металлургию (см. табл. 1.5).

Т а б л и ц а 1.5. Прогноз объема производства чугуна (млн. т) до 2015 г.

Страна, регион	2000	2005	2010	2015
Западная Европа	106	104	99,1	94,9
Северная Америка	52,7	60,4	58,1	58,4
Китай	111	123	147,4	157,1
Индия	21,6	25,7	30,1	41,2
Япония	73,9	/1,6	69,1	68,4
Южная Корея	21,5	26,1	28,1	30,1
Тайвань	9,3	9,1	9,1	9
Всего в мире	530,3	566,6	599,9	629,4

В настоящее время в мире работают более 750 доменных печей, из которых более 550 печей имеют объем > 1000 м3 Объем боль­ шей части вновь построенных и реконструированных доменных печей стабилизировался в пределах 3000...5000 м3 По-видимому, дальнейшего заметного роста объема доменной печи ожидать не приходится, причем это характерно как для стран с традиционно развитой металлургией, так и для интенсивно развивающихся в по­ следние годы.

Второе направление производства чугуна - бескоксовые про­ цессы его выплавки. Несмотря на обилие разработанных техноло­ гий, в промышленном варианте работают только Согех-агрегаты. Первым был агрегат фирмы Iscor в ЮАР производительностью 300 тыс. т/год. В настоящее время в мире работают шесть устано­ вок Согех; максимальная производительность такой установки - 1,36 млн. т/год. Проектируют установки производительностью 2,2 млн. т/год, однако вряд ли к 2010 г. их количество будет более 12-15 единиц, так как по технико-экономическим показателям ра­ боты они пока еще уступают доменным печам.

Близки к промышленному использованию двухстадийные тех­ нологии выплавки чугуна - Redsmelt и Fastmelt. На первой стадии путем восстановления железорудных окатышей в роторной печи получают металлизованные окатыши, которые на второй стадии расплавляют в электропечи с погружными дугами и получают чу­ гун. Перспективны процессы Ромелт (МИСиС, Россия) и Dios (NKK, Япония), однако их работа в промышленном масштабе про­ гнозируется на период после 2010 г.

Агрегаты восстановительной плавки в настоящее время имеют меньшую производительность, чем современные доменные печи и требуют относительно больших инвестиций. Поэтому к 2010 г. не менее 90 % чугуна будет выплавляться в доменных печах с приме­ нением кокса.

Доменные мини-печи объемом 100...350 м3 - временное реше­ ние проблемы получения первородного сырья для электростале­ плавильного производства, как, например, в Индии, где работают 24 печи.

Более кардинальным решением проблемы получения «чистой» шихты для дуговых печей, снижения расхода электроэнергии при плавке и повышения производительности электропечей и конку­ рентоспособности мини-заводов по качеству и сортаменту продук­ ции является ввод на таких заводах так называемых «компактных» доменных печей. Такая печь конструкции SMS (Германия) в отли­ чие от классической доменной печи оборудована медными холо­ дильниками, конусным засыпным аппаратом, вертикальным подъ­ емником шихты (вместо наклонного скипового или конвейерного), имеет два компактных воздухонагревателя, отличается высокой степенью автоматизации.

Ввод компактных доменных печей в состав основного оборудо­ вания мини-заводов «смыкает» их с интегрированными заводами. Сочетание доменной печи с дуговой может служить качественным скачком в совершенствовании технологий черной металлургии, так как при этом обеспечиваются низкие капитальные и производст­ венные затраты и возможность производства качественной рулон­ ной стали.

Процесс и профиль доменной печи претерпят изменения, по­ зволяющие резко снизить удельный расход кокса, а в дальнейшем (среднесрочная перспектива) исключить его использование.

1.3. Прямое получение железа

Повышение качества проката, особенно листового, достигается при прокатке электростали, выплавленной при использовании в шихте первородных материалов. При выводе из эксплуатации устаревших коксовых батарей также изыскиваются возможности использова­ ния бескоксовых процессов, на которые требуются меньшие капи­ тальные затраты. Доля железа прямого получения (губчатое желе­ зо, карбид железа, горячебрикетированное железо) в шихте стале­ плавильных агрегатов в настоящее время мала. В 1999 г. было ис­ пользовано около 38 млн. т железа прямого получения; ожидается, что в 2000 г. его объем увеличится до 45 млн. т. Прогнозируемый рост мощностей по производству железа прямого получения по регионам приведен в табл. 1.6.

Таблица 1.6. Производственные мощности прямого получения железа (млн. т) в 1998-2010 гг.

Страна, регион	1998	2005	2010
Европа и Россия	2,00	2,1	4,3
Северная Америка	2,99	5,9	10,3
Южная Америка	13,87	17,6	22,9
Средний Восток	9,28	9,8	11,8
Африка	1,05	2,2	2,2
Азия, Австралия	7,91	28,3	35,3
Всего в мире	37,10	65,9	86,8

В современных условиях установки прямого получения железа строятся на основе процессов Midrex или HyL с использованием в качестве восстановителя реформированных углеводородов, глав­ ным образом природного или попутного газа. Промышленные про­ цессы с применением твердого восстановителя практически не раз­ вивают. Это объясняется следующим:

1. Прямое получение железа с применением газовых восстано­ вителей прогрессирует в развивающихся странах, имеющих место­ рождения нефти, попутного и природного газа. Ресурсы газа в этих странах иногда столь велики, что при затруднении их транспорти­ ровки через моря и океаны и невозможности использовать на месте попутный газ выбрасывается в атмосферу. Так, в Саудовской Ара­ вин количество выбрасываемого попутного газа достаточно для производства 250 млн. т стали в год. Развитие прямого получения железа в таких условиях дает возможность утилизировать попут­ ный газ и даже экспортировать его через моря «в виде» метаплизованного продукта.

2. В странах, не имеющих указанных топливных ресурсов, ис­ пользование газовых восстановителей в ближайшем будущем бес­ перспективно. В этих условиях прямое получение железа экономи­ чески не эффективно. И производство чугуна в доменных печах,

например в Германии, экономически выгоднее, чем производство губчатого железа.

3. Прямое получение железа с применением твердых восстано­ вителей экономически не эффективно из-за несовершенства суще­ ствующих технологий.

Таким образом, прямое получение железа не представляет в ближайшем будущем какой-либо «угрозы» для производства чугу­ на, и скорее всего объем его производства не достигнет прогнози­ руемого.

1.4. Поставки лома

Основными источниками лома являются, как известно, отходы, об­ разующиеся при производстве стали (собственные ресурсы), при потреблении металлопроката (отходы металлообработки) и амор­ тизационный лом.

Собственные ресурсы определяются в основном технологией разливки стали на предприятии. Их объем с развитием непрерыв­ ной разливки постоянно сокращается. Можно предположить, что в ближайшем будущем объем внутреннего лома в мире составит ме­ нее 100 млн.т. Доля отходов металлообработки определенно не возрастает. Амортизационный лом определяется металлофондом страны и это единственный источник лома, количество которого возрастает.

Однако с увеличением оборота амортизационного лома содер­ жание загрязняющих элементов в готовой стали и соответственно в ломе повышается до предельных концентраций, исключающих возможность дальнейшего использования лома.

Накопление неиспользуемого лома приведет к дефициту каче­ ственного лома. Расчеты показывают, что дефицит металло-шихты составит 48 млн. т в 2005 г. и 111 млн. т в 2010 г. Это отвечает тем­ пам роста производства стали, равным 2,3 % в 2001-2005 гг. и 2,75 % в 2005-2010 гг. Прогнозируемый рост производства замени­ телей лома не компенсирует этот дефицит. Проблема может быть решена при условии солидных инвестиций на разработку промыш­ ленных способов очистки и подготовки лома.