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)
|
Кислородно-конвертерное |
Электростале-плавильное |
Мартеновское (скрап-рудный процесс) |
Мартеновское (скрап процесс) |
|
|
Доля процесса в выплавке стали (мир) |
6 9,8 % |
29,0 % |
1,2 % |
|
|
Доля процесса в выплавке стали (СНГ) |
6 4 ,6 % |
2 1,1 % |
1 4 ,3 % |
|
|
Типовая шихта, %: |
||||
|
- жидкий чугун |
75-80 |
0-30 |
25-55 |
|
|
- лом черных металлов |
20-25 |
30-100 |
25-75 |
|
|
- чугун чушковый |
0-5 |
5-15 |
||
|
- металлизованное сырье |
0-70 |
|||
|
Максимальная доля лома в металлошихте (технологическое ограничение) |
28% |
100% |
45% |
75% |
|
Заменители лома |
чугун жидкий* |
чугун жидкий* |
чугун жидкий* |
чугун чушковый |
|
чугун чушковый* |
чугун чушковый* |
чугун чушковый* |
||
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)
| 2005 | 2010 |
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.
|
Причина |
Следствие |
|
Восстановление происходит в твёрдом виде без образования жидких продуктов плавки и отделения пустой породы в виде шлака. |
Ограничение по содержанию пустой породы в исходном материале. Для производства DRI требуется высококачественное кусковое железорудное сырьё с минимальным содержанием пустой породы. |
|
Восстановление происходит в твёрдом виде, т.е. проходит без удаления примесей. |
Ограничение по содержанию нежелательных примесей в исходном материале. Природное сырье должно содержать минимум примесей и нежелательных элементов. |
|
Отсутствие крупнокусковых разрыхлителей в агрегате металлизации. |
Необходимость обеспечения нормального газодинамического режима ведёт к необходимости снижения диаметра агрегатов. Негативным результатом этого является снижение удельной производительности агрегатов. |
|
Продуктом является пористое свежевосстановленное железо, находящееся в восстановительной среде внутри агрегата металлизации. |
Возникают условия для сваривания частиц материала внутри агрегата. Для снижения эффекта необходимо снижение температурного уровня процесса, что приводит к снижению удельной производительности. |
|
Продуктом является пористое свежевосстановленное железо, находящееся в окислительной среде вне агрегата металлизации. |
Высокая площадь контакта с кислородом воздуха в малом объёме приводит к пирофорности – возможности самовоспламенения. Для снижения этого негативного эффекта необходима пассивация: обработка нейтральными веществами, хранение и перевозка в нейтральной среде, брикетирование. |
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:
|
Размер брикета, мм |
|
|
Насыпная масса, т/м 3 |
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.
В соответствии с утвержденной Стратегией развития металлургической промышленности России на период до 2020 года главной целью развитияроссийской металлургии является обеспечение растущего спроса на металлопродукцию в необходимых номенклатуре, качестве и объемах поставок металлопотребляющим отраслям на внутренний рынок (с учетом перспектив их развития), на рынок стран СНГ и мировой рынок на основе ускоренного инновационного обновления отрасли, повышения ее экономической эффективности, экологической безопасности, ресурсо- и энергосбережения, конкурентоспособности продукции, импортозамещения и улучшения сырьевого обеспечения.
В целом российская металлургическая промышленность – это успешный в инвестиционном отношении сегмент экономики. Предприятия способны реализовывать крупные проекты, в том числе и за рубежом. На большинстве предприятий реализуются инвестиционные программы развития.
Приоритетный сценарий инновационного развития отрасли, наряду с использованием конкурентных преимуществ в энерго-сырьевом секторе, предполагает прорыв в развитии высоко- и среднетехнологичных производств. Инновационный сценарий выступает в качестве целевого для экономической политики, поскольку только он в полной мере позволяет реализовать стратегические ориентиры развития экономики России.
Реализация данного сценария в развитии металлургической промышленности характеризуется опережающим развитием внутреннего спроса на продукцию с высокой добавленной стоимостью, что, в свою очередь, будет способствовать развитию новых технологий и производства высокотехнологичных видов продукции.
В соответствии с данным сценарием, к 2020 году прирост потребления готового проката на внутреннем рынке по сравнению с 2007 годом может составить 16-24 млн.тонн (до 53 - 61 млн.тонн). При этом вследствие опережающих темпов роста производства продукции с высокой добавленной стоимостью потребление готового проката в металлургическом комплексе вырастет примерно в 1,7 раза, а доля готового проката, потребляемого металлургическим переделом вырастет до 54-55% по сравнению с 47% в 2007 году.
Основными факторами, определяющими рост спроса внутреннего рынка в период до 2020 года будут являться:
§ реализация проектов утвержденных отраслевых стратегий развития промышленности;
§ развитие инфраструктурных проектов (Сочи-2014, АТЭС-2012, национальные проекты, реформирование ЖКХ);
§ развитие оборонно-промышленного отрасли;
§ освоение новых проектов топливно-энергетического отрасли.
Также ожидается рост спроса со стороны наиболее металлоемких подотраслей машиностроительного комплекса – железнодорожного, подъемно-транспортного, сельскохозяйственного, строительно-дорожного машиностроения, автомобильной промышленности, оборонно-промышленного отрасли, энергетического и атомного машиностроения. Потенциально высоким может быть спрос на металлопродукцию для железнодорожного транспорта, в том числе на рельсы для высокоскоростных магистралей.
Прогнозируется повышение спроса на прокат из легированных сталей –инструментальных, подшипниковых, нержавеющих. В связи с прогнозируемым развитием листоемких производств опережающими темпами будет расти потребление листового проката (25-31 млн.тонн по сравнению с 18,5 млн.тонн в 2007 году). Потребление холоднокатаного листового проката в 2020 году может составить 8,6-12,1 млн.тонн по сравнению с 5,8 млн.тонн в 2007 году, что будет определяться, в первую очередь, развитием производства листа с защитными покрытиями.
Достаточно мощный инновационный потенциал, созданный в металлургическом комплексе, особенно благодаря резкому увеличению инвестиций в период после 2003 года, является надежной базой для значительного наращивания производства. В 2004-2008 гг. среднегодовой объем инвестиций по металлургическому комплексу составил более 6 млрд. долл. и превысил аналогичный показатель за период 2000 - 2003 гг. в 2,4 раза. В расчете на 1 т выплавленной стали инвестиции по предприятиям черной металлургической промышленности России в 2004- 2008 гг. составили 45 - 48 долл., что почти в 1,5 раза превышало уровень, соответствующий практике высокоразвитых стран.
За последние годы введены в действие ряд крупных современных агрегатов в черной и цветной металлургической промышленности. Создание новых мощностей на металлургических предприятиях России осуществлялось в основном на базе передового импортного оборудования, что создало достаточно прочную техническую базу для успешной конкуренции на рынках металлопродукции.
В результате ускорения темпов внедрения инноваций прогнозируется улучшение производственной структуры металлургической промышленности – в первую очередь, за счет повышения доли конкурентоспособных мощностей (на всех переделах), а также за счет увеличения доли мощностей для выпуска продукции более глубокой степени переработки, доли импортозамещающих и новых производств. Все это позволит улучшить структуру товарной продукции металлургической промышленности, повысить ее конкурентоспособность и адекватность требованиям рынков.
Реализация крупных инвестиционных проектов обеспечит:
· снижение ресурсоемкости производства металлопродукции за счет увеличения объемов разливки стали на машинах непрерывного литья заготовок, практически полного прекращения производства мартеновской стали (к 2020 годам), увеличения объемов производства алюминия в электролизерах с повышенной силой тока, роста объемов производства тяжелых цветных металлов с использованием автогенных процессов;
· снижение вредного воздействия предприятий на окружающую среду (комплекс мероприятий по охране окружающей среды в аглодоменном и коксохимическом производствах черной металлургической промышленности; на предприятиях алюминиевой и медно-никелевой подотраслей);
· повышение качества и увеличение добавленной стоимости продукции за счет увеличения объемов выплавки стали в электропечах; доли стали, подвергнутой внепечному вакуумированию, роста объемов производства проката тяжелых цветных металлов на машинах непрерывной разливки и отделки; расширения номенклатуры и увеличения доли продукции глубокой переработки металлов;
· увеличение производства высокотехнологичных эффективных видов металлопродукции, в том числе для нужд оборонно-промышленного отрасли: толстого широкого листа, холоднокатаного проката и изделий из него с различными видами покрытий, термообработанных длинномерных рельсов.
Созданный за последние годы производственно-технический потенциал металлургической промышленности (разнообразный объем основных фондов предприятий, развитая инфраструктура большинства предприятий, включающая объекты электроэнергетики и транспорта, достаточно высокий технико-технологический уровень производства большинства металлов, наличие крупного банка разработанных и готовых к внедрению технологий мирового и выше мирового уровня), а также инвестиционные возможности предприятий способны обеспечить инновационное обновление и повысить конкурентоспособность отрасли.
Приоритетными являются инновации, связанные с выпуском новых видов продукции, развитием производства продукции более высокой технической готовности, прокатной продукции из легких и тяжелых цветных металлов, электродной, углеграфитовой, твердосплавной, полупроводниковой продукции, а также инновации, направленные на совершенствование технологий, улучшение экологической ситуации, снижение расходов всех видов ресурсов, поскольку в настоящее время ресурсоемкость российских производств в основном выше, чем за рубежом. Активизация инновационной деятельности ослабит негативное влияние факторов, создающих угрозу развитию металлургической промышленности. Технический прогресс в металлургической промышленности, включая создание прорывных технологий и отрасли перспективных материалов, будет обеспечен, прежде всего, работами отраслевых научных учреждений. Будут модернизированы все сферы производственной деятельности.
На перспективу до 2020 года металлургическая промышленность будет в целом соответствовать мировому уровню. В результате ввода в действие новых современных агрегатов и реконструкции действующих коэффициент обновления основных фондов вырастет до 4-5% против существующих сегодня 2,5%-3%. Снизится ресурсоемкость производства на 13-15% к 2015 году и на 15-17% к 2020 году.
По отдельным металлургическим переделам в результате инновационного развития будет обеспечено:
в доменном производстве:
строительство на ряде металлургических комбинатов установок по вдуванию угольной пыли, с выплавкой с применением этого вида топлива до 15-20% чугуна и сокращением потребления природного газа;
в сталеплавильном производстве:
Увеличение доли стали, полученной с МНЛЗ до 98 –99% против 71% в 2008 г.;
Ликвидация мартеновского производства стали;
Снижение расхода металла на прокат с 1142 кг/т до 1088 кг/т в 2020 г;
Ввод в действие сверхмощных электропечей, что обеспечит расход электроэнергии на уровне 350-380 кВт-ч/т против 500 кВт-ч/т в настоящее время на крупных электропечах металлургических предприятий России;
Увеличение доли выплавки стали в электропечах с 27,1% до 39%;
Увеличение доли стали, подвергнутой внепечному вакуумированию в общем объеме производства стали с 4,4% в 2007 г. до 15% в 2020 г.;
в прокатном производстве:
Рост доли листового металла в общем производстве листового и сортового проката до 62-65%, что соответствует современному уровню промышленно-развитых зарубежных стран, доли холоднокатаного листа в общем выпуске листового проката до 36%
В результате совершенствования техники и технологии к 2020 году на каждую тонну готового проката будет производиться меньше (против уровня 2007 года): железной руды – на 211 кг, кокса –на 107 кг, чугуна – на 124 кг, стали – на 125 кг.; труб- больше на 23%, металла с покрытием и жести- больше в 2 раза. Энергоемкость 1 т стали снизится на 265 кг. условного топлива.
в производстве цветных металлов:
Увеличение доли производства алюминия в электролизерах с повышенной силой тока к 2020 г. до 90%;
Увеличение объемов производства тяжелых цветных металлов с использованием автогенных процессов, рост их доли в общем выпуске к 2020 г. до 95%-97%.
В целях удовлетворения перспективного спроса основных отраслей-потребителей металлопродукции, на период до 2020 года необходимо реализовать ряд научно-исследовательских разработок, в том числе:
1. Для использования в строительстве, автомобильной промышленности, коммунальном хозяйстве и других отраслях:
· Разработка технологии и освоение производства микро- и низколегированных хладостойких сталей с высокими показателями стойкости к процессам локальной коррозии в водных средах, для нефтепромысловых сетей, систем тепло- и водоснабжения, водоводов, тяжело нагруженных строительных конструкций и других назначений;
· Разработка и освоение технологий производства автолистовых сталей с уникальным сочетанием показателей прочности и пластичности при использовании нетрадиционных схем достижения указанных характеристик;
· Разработка технологии производства коррозионностойкого покрытия сплавом ZN, Al, Mg для строительной, автомобильной и других отраслей экономики;
· Освоение производства новых высокопрочных сталей с цинковым покрытием для кузовных деталей автомобилей;
· Разработка технологии токопроводящей грунтовки для цинкования автомобильного листа;
· Создание нового класса огнестойких строительных сталей, отвечающих требованиям пожароустойчивой эксплуатации до 700-800 0 С;
· Разработка технологических основ получения наноструктурированных диффузионных промежуточных и поверхностных слоев металлических покрытий, обеспечивающих получение принципиально новых качественных показателей металлопродукции массового производства (жесть, оцинкованных лист и др.);
· Разработка технологии получения наноструктурированных покрытий методом вакуумного нанесения на углеродистые стали;
· Разработка технологии производства нового поколения коррозионно-стойких биметалловдля увеличения ресурса работы металлоконструкций в 1,5-2 раза.
2.Для использования в нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, автомобильной, машиностроительной, коммунальном хозяйстве и других отраслях промышленности :
· Разработка и освоение прорывных технологий производства прогрессивных видов биметаллического проката и труб с предельно высокой прочностью (не менее 350 Н/см 2) и сплошностью (0-1 класс по результатам УЗК) соединения слоев, плакированных коррозионностойкими и другими типами стали, титаном, цветными металлами;
· Разработка нового поколения сталей и сплавов устойчивых к разрушению в активных водород и углеродсодержащих газовых средах для установок производства и переработки синтез-газа, каталитического синтеза, термообработки в восстановительных и контролируемых атмосферах, цементации, глубокой переработки нефти и каменного угля, нового технологического оборудования производства водорода в промышленных масштабах;
· Создание нового поколения наноструктурированных нержавеющих сталей на основе комплексного метода криогенно-деформационной и термической обработок;
· Создание нетрадиционно легированных суперэкономичных коррозионностойких сталей с 9-14 % хрома, обладающих повышенной стойкостью в агрессивных средах на уровне хромоникелевых сталей для систем трубопроводного транспорта газо - и нефтепродуктов.
3. Для изучения и освоения континентального шельфа Российской Федерации :
· Разработка стратегических принципов и новых научных подходов к выбору технологий производства сталей, толстолистового проката и плит для морских платформ. Освоение производства металлопродукции, обеспечивающей наиболее высокий комплекс потребительских свойств и экологической безопасности платформ при эксплуатации в условиях континентального шельфа РФ на базе новейших достижений науки и металлургических технологий;
· Разработка комплексных технологий производства качественно новых видов металлопродукции для оборудования нефтегазовой промышленности, эксплуатирующегося в условиях континентального шельфа РФ. Освоение производства сталей для насосно-компрессорных, обсадных, холоднокатаных труб, фонтанной арматуры, скважинного и устьевого оборудования с уникальным сочетанием коррозионной стойкости, износостойкости и других потребительских свойств;
· Разработка концепции и внедрение на отечественных предприятиях нового поколения высокопрочных экономно-легированных конструкционных сталей для ТЭК, в том числе трубных сталей, с повышенными эксплуатационными характеристиками, производимых по инновационным комплексным металлургическим технологиям на основе получения ультра-мелкодисперсных микроструктур, альтернативных вариантов термо-механической обработки стали и использования элементов наноструктурирования, и обеспечивающих высокотехнологичными отечественными материалами освоение континентального шельфа - строительство морских буровых платформ, подводных трубопроводов, емкостей для сжиженного природного газа;
· Разработка состава высокопрочной стали типа Х120 для труб и сварных конструкций с улучшенной свариваемостью и эксплуатационными свойствами.
4. Для использования в машиностроении:
· Разработка методов получения наноструктурного перлита в массивных изделиях, а также наноразмерных фаз в безникелевых высокопрочных, конструкционных сталях и создание на их основе технологий производства перспективных экономнолегированных материалов с высоким запасом прочности и вязкости;
· Разработка научных основ и технологии поверхностной обработки промышленных сталей и сплавов с помощью высокоэнергетических воздействий и гомогенно-гетерогенных катализаторов для создания суперпрочных нанокристаллических слоев, стойких к истиранию;
· Разработка технологии ультразвуковой обработки поверхности для создания упрочненных поверхностных слоев с нанокристаллической структурой в аустенитных и мартенситных сталях;
· Разработка самоорганизующихся (адаптирующихся) наноструктурированных, в т.ч. многослойных наноламинатных покрытий для экстремальных условий эксплуатации в различных областях машиностроения;
· Создание опытно-промышленных установок для получения перспективных наноматериалов методами закалки из расплава и интенсивной пластической деформации;
· Создание сверхвысокопрочных свариваемых сталей повышенной износостойкости с пределом текучести до 1600 Н/мм 2 , взамен используемых сталей с пределом текучести не более 800 Н/мм 2 .
5. Для использования в нефтегазовом комплексе, энергетике и других отраслях промышленности:
· Разработка технологии производства крупных слитков (140-650 тонн) из конструкционных высокопрочных сталей и сплавов;
· Создание азотсодержащих низко- и высоколегированных сталей нового поколения и промышленных технологий их производства с увеличенными на 30-40% ресурсом и надежностью эксплуатации оборудования, работающего в экстремальных условиях и средах особо высокой агрессивности;
· Разработка технологии производства трубных заготовок из теплоустойчивых сталей для труб теплоэнергетики с повышенными в 1,5 раза эксплуатационными характеристиками;
· Создание нового класса сплавов, обладающих уникальным сочетанием служебных высокотемпературных характеристик, включающим высокую стойкость к абразивному износу, сопротивление окислению и жаропрочностью для деталей установок переработки газового конденсата;
· Создание модульной технологической линии и разработка карботермической технологии получения кремния сорта SoG-Si («солнечного качества»), для солнечных преобразователей.
6. Для железных дорог:
· Разработка и запуск в серийное производство длинномерных рельс всех типов с востребованными качественными и ценовыми характеристиками;
· Разработка рельсовых и шпальных креплений, позволяющих длительно держать колею в соответствующих параметрах;
· Разработка и освоение производства высокопрочных железнодорожных колес, в том числе из легированных сталей, для грузовых вагонов нового поколения с нагрузкой на ось 30 т.
Несмотря на недавний кризис, металлургическая промышленность сохраняет инвестиционный потенциал благодаря предыдущим крупным вложениям частных капиталовНесмотря на недавний кризис, металлургическая промышленность сохраняет инвестиционный потенциал благодаря предыдущим крупным вложениям частных капиталов в развитие отрасли и активной поддержке государства. Еще в мае 2014 года Минпромторг утвердил «Стратегию развития черной и цветной металлургии России на 2014-2020 годы и на перспективу до 2030 года», в которой предусмотрено развитие индустрии на новом качественном уровне. В апреле 2015 года были согласованы планы мероприятий по импортозамещению в отраслях черной и цветной металлургии, скорректированные на текущую экономическую ситуацию. При этом в металлургической промышленности полным ходом идут инновационные проекты и модернизация предприятий.
Металлургия — одна из базовых отраслей мировой экономики, в нее вложена огромная масса ресурсов и инвестиций, в ней задействовано большое число людей, от ее продукции зависят многие другие направления бизнеса, и именно она влияет на развитие технологий в экономике той или иной страны.
Доля продукции металлургов в российском ВВП составляет порядка 5%, в промышленности — более 17%. Кроме того, металлургия является экспортно ориентированной отраслью, она составляет порядка 14% в совокупном экспортном объеме страны.
Господдержка и частные инвестиции
Поэтому увеличение конкурентоспособности продукции металлургической индустрии, расширение поставок такой продукции становятся стратегическими задачами федерального уровня. Так, в сентябре 2015 года глава российского правительства Дмитрий Медведев заявлял: «Сегодня металлургическая промышленность в целом работает неплохо, несмотря на непростую ситуацию в экономике. Конечно, мы будем всячески вас (металлургов. — Прим. ред.) поддерживать». Он также отмечал, что положение отрасли более-менее приличное, что связано с рыночной конъюнктурой, модернизированными мощностями и ослаблением отечественной валюты, что дает возможность наращивать экспорт. Только в первом полугодии текущего года, по оценкам экспертов, прибыль металлургов достигла 600 млрд рублей. Легко подсчитать, что металлургические предприятия — крупные и важные налогоплательщики, формирующие львиную долю бюджетных поступлений.
Развитие металлургической индустрии и инноваций в отрасли происходит не только при государственной поддержке, но и при участии частных инвестиций. При этом, согласно последним отраслевым новостям, сегодня инвестиционная активность в индустрии находится на довольно высоком уровне. Топливно-энергетические гиганты воплощают в жизнь масштабные инфраструктурные проекты, требующие металлургических мощностей и технологичной продукции, машиностроительные компании создают собственные цеха порошковой металлургии, региональные предприятия возводят современные заводы вторичной металлургии.
Инновационные трубы
Российские металлургические компании активно внедряют технологии, инновационные разработки, строят современные цеха, применяют новое оборудование и так далее.
Так, только за последний год ЧТПЗ неоднократно представлял на профильных мероприятиях модифицированную продукцию, соответствующую самым высоким стандартам качества. Например, трубы, предназначенные для строительства скважин и транспортировки нефти и газа на шельфе, в частности обсадные и насосно-компрессорные трубы с резьбовыми соединениями класса премиум, нефтегазопроводные трубы повышенной эксплуатационной надежности с содержанием коррозионно-активных компонентов, трубы в коррозионно-стойком исполнении для сред с повышенным содержание сероводорода и углекислого газа, хладостойкие обсадные и насосно-компрессорные трубы для эксплуатации при температурах до −60 °С и многое другое. Это трубы с повышенной коррозийной стойкостью, которые можно эксплуатировать даже в сложных климатических условиях Арктики. Они, например, применяются для добычи газа и нефти в скважинах с осложняющими факторами, такими как высокое давление газа, скважины с наклонными, горизонтальными участками и другими, не позволяющими использовать стандартные резьбовые соединения.
Вообще трубы повышенной надежности и износоустойчивости ранее практически не производились в России, а только импортировались. Сегодня в рамках курсах страны на импортозамещение металлурги освоили и успешно создают надежные трубы, которые уже востребованы не только крупнейшими компаниями ТЭК, но и иностранными предприятиями. Так, в августе 2015 года Первоуральский новотрубный завод выполнил первый клиентский заказ на поставку термообработанных прецизионных труб в Германию. Данный вид продукции предназначен для автомобильной промышленности.
Модернизированные мощности
В последние годы российские металлургические предприятия также модернизируют и обновляют свои рабочие площадки. И это позволяет не только производить технологичную продукцию, но и заметно влияет на ситуацию в регионах, городах, где данные компании работают. Они создают рабочие места, платят налоги, инвестируют в социальную жизнь регионов: спонсируют мероприятия, оказывают поддержку образовательным учреждениям и даже создают собственные программы обучения и т. д.
В 2010 году был запущен новый современный цех ЧТПЗ по производству труб большого диаметра «Высота 239». В него было инвестировано около 900 млн долларов США, а сегодня он обеспечивает работой более 1000 человек и выпускает высококачественную продукцию — трубы с наружным и внутренним покрытием, которые могут использоваться в суровых климатических условиях (например, в Восточной Сибири, где увеличивается объем разведки и разработки нефтяных и газовых месторождений), при повышенной сейсмоактивности и при прокладке трубопроводов по дну морей. В этом же году компания ЧТПЗ запустила в эксплуатацию новый современный электросталеплавильный комплекс «Железный Озон 32» на Первоуральском новотрубном заводе. В него было инвестировано 570 млн долларов. Он способен обеспечить 75% требуемых группе ЧТПЗ объемов заготовки для производства бесшовных труб, его мощность — 950 000 тонн в год.
В 2015 году стартовал еще один инновационный проект — завод «Этерно», который является совместной работой ЧТПЗ и «Роснано». «Этерно» — предприятие, которое будет выпускать соединительные детали трубопроводов с использованием наноструктурированных материалов. Продукция завода — штампосварные детали трубопроводов (ШСДТ), в первую очередь — отводы для поворота трубопровода в нужном направлении и тройники для сооружения ответвлений, а также детали для герметизации трубопровода и перехода с одного диаметра трубопровода на другой.
Помимо высококвалифицированного персонала, обучением которого занимается сам ЧТПЗ, завод обладает уникальными технологическими преимуществами, которые позволяют обеспечить мировые стандарты качества при конкурентоспособной себестоимости и минимальных сроках поставки. Мощность «Этерно» — 10 000 тонн штампосварных деталей трубопроводов в год. По оценкам экспертов, качество продукции завода позволяет говорить о том, что она также будет востребована не только на российском рынке, но и в других странах.
Вопрос экологии
Еще одна технологичная тенденция металлургической отрасли — забота о вопросах экологичности производимой продукции. До недавнего времени принято было считать металлургию, особенно черную, устаревшей отраслью. Но сегодня, как и во многих других отраслях промышленности, в металлургической индустрии большое значение приобретают экологичность и энергетическая эффективность. И решение этих вопросов также невозможно без развития новых технологий, внедрения современного оборудования. Разрабатываются целевые программы, проекты, изобретаются новые виды сплавов с экологичными характеристиками. Возводятся заводы, где объемы загрязняющих выбросов в атмосферу сокращены до минимума. И, опять же, это происходит и при государственном субсидировании, и самостоятельно металлургическими корпорациями.
Тенденции в металлургической отрасли перемещаются и в смежные индустрии: машиностроение, станкостроение и др. В свою очередь, они также начинают модернизироваться, осваивать технологические разработки, новое оборудование — не только иностранное, но и производимое в России и соответствующее мировым стандартам.
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.
Рис. 48. Внешний вид установки Consteel
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.
Рис. 49. Схема двухкорпусной электросталеплавильной печи: 1 – корпус, в котором происходит подогрев шихты.; 2 –корпус, в котором происходит выплавка стали; 3 – канал для отходящих газов; 4 – канал к системе газоочистки; 5 – электрод с держателем; 6 – положение электрода на второй стадии; 7 — электрические кабеля к верхнему электроду; 8 — электрические кабеля к нижнему электроду
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.
Рис. 50. Двухкорпусная сталеплавильная печь постоянного тока
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.
Рис. 51. Агрегат CONARC
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.
Рис. 52. Схема агрегата CONARC: 1, 2 – корпуса печи; 3 – кислородная фурма; 4 – электроды; 5 — газоотвод
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.
Рис. 53. Схема расположения оборудования печи SIMETAL EAF Quantum: 1 –бадья с металлоломом; 2 – загрузочный лоток; 3 – наклонный подъемник; 4 – система газоочистки; 5 — загрузочное устройство; 6 – шахта для подогрева шихты; 7 – ДСП; 8 – сталеразливочный ковш; 9 – держатель с электродами; 10 – трансформатор
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).
Рис. 54. Конструкция шахты печи SIMETAL EAF Quantum (а) и конструкция водоохлаждаемых пальцев (б)
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.
Рис. 55. Выпуск стали в печи SIMETAL EAF Quantum
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.
Рис. 56. Дуговая печь с системой ЕРС: 1 — ДСП; 2 — система ЕРС; 3 – завалочная камера; 4 – система газоотвода; 5 – шахта для подогрева шихты; 6 – телескопический толкатель
Система ЕРС работает следующим образом (рис. 57). С помощью завалочной корзины шихта загружается в завалочную камеру системы EPС, через отрытую крышку (рис. 57, а).
Рис. 57. Схема работы установки ЕРС: а – загрузка шихты; б – нагрев; в – выгрузка шихты в печь; г – окончание выгрузки нагретой шихты и загрузка новой порции
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).
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:
- Дерево эволюции показывает, что увеличение прибыли компании обеспечивается снижением затрат на производство традиционной продукции и повышением ее качества.
- Для повышения качества продукции и снижения затрат передовые сталелитейные компании, например, ПОСКО, активно и эффективно применяют ТРИЗ.
- Важным направлением развития выпускаемой продукции является более полное согласование параметров выпускаемой продукции и требований конечного потребителя.
- Для более полного согласования металлургическая компания должна добиваться высокой степени переработки исходного сырья, в идеале поставляя потребителю готовые изделия, не требующие дальнейшей обработки.
- Металлургическая компания должна отслеживать появление новых технологий получения изделий из металла, и активно участвовать в создании перспективных технологий и в совершенствовании традиционных.
- Ключевым направлением развития металлургии станет разработка, патентование и производство материалов для 3D-печати.
- Для решения изобретательских задач, возникающих при работе с новыми материалами и технологиями большой эффект дает применение ТРИЗ.
- Для конкуренции на международном рынке металлургическая компания должна занимать агрессивную патентную политику, т.е. патентовать как создаваемые материалы, так и новые технологии.
Загрузка...
