Виктор Кудрин
Профессор, заслуженный деятель науки и техники

    По оценкам Международного института чугуна и стали, в последние два десятилетия потенциал мировой черной металлургии превысил 1 млрд. т, а ежегодное производство сырой стали стабилизировалось на уровне 730 – 750 млн. т (максимальный уровень 785 млн. т был достигнут в 1989 г.). Очевидно, что относительная стабилизация производства при неизменно положительных темпах развития мировой экономики прежде всего говорит о повышении эффективности использования стали как основного конструкционного материала нынешней цивилизации. Эта тенденция достаточно убедительно, на наш взгляд, подтверждается падающей динамикой сталеемкости ВНП, характерной для большинства стран и для мирового хозяйства в целом (подробно см. «Металлы Евразии». № 6. 1996 г.). Кроме того, важнейшим фактором эффективности использования стали являются крупные усовершенствования технологии, многие из которых сыграли исключительно важную, а по оценкам некоторых специалистов, даже революционную роль в развитии сталеплавильного производства.
    Повышение общественных потребностей и рыночный спрос стимулируют постоянное совершенствование металлургических переделов. За последние десятилетия существенно обновились многие технологии, новые инженерно-технические решения обеспечили возможность задания количественных и качественных параметров производства стали в широких пределах.
    Получивший распространение в 80-е годы метод комбинированной продувки металла в конвертере кислородом сверху и инертным газом снизу позволил существенно улучшить технологические показатели конвертерного процесса, обеспечив: 1) перемешивание ванны, выравнивание состава и температуры, приближение к равновесию между металлом и шлаком; 2) снижение окисленности материала и шлака и уменьшение, соответственно, угара ферросплавов и потерь железа со шлаком; 3) снижение угара марганца; 4) уменьшение содержания газов и неметаллических включений в расплаве в результате воздействия продувки инертным газом; 5) улучшение условий шлакообразования и снижение расхода шлакообразующих; 6) улучшение условий работы верхней фурмы и службы огнеупоров вследствие уменьшения разбрызгивания и снижения степени перегрева верхних слоев ванны и, соответственно, снижение интенсивности пылеобразования; 7) возможность плавки в конвертерах новых марок стали и сплавов со сверхнизким содержанием углерода. Во многих странах созданы новые конвертерные процессы с донным и комбинированным аргонокислородным или азотокислородным дутьем и, наконец, «вакуумные» конвертеры, в которых можно продувать металл газовыми смесями и обрабатывать его вакуумом.
    Одновременное появление сверхмощных печей с высокой удельной мощностью (более 0,7 МВА/т стали) и оборудования для внепечной обработки стали, позволяющего получать металл высокого качества, обеспечило развитие электросталеплавильного производства. Практика показала, что электросталеплавильное производство требует меньших капиталовложений, характеризуется меньшими издержками производства, расходом сырья, быстрее реагирует на требования рынка. В результате мировое производство электростали уже составляет 1/3 общего производства стали. В мире в среднем еженедельно вводится в работу очередная электропечь, и, согласно прогнозам, к 2010 году производство стали в электропечах сравняется с производством стали в конвертерах.
    Основные технологические достоинства современных электропечей: 1) возможность быстрого расплавления шихты (металлолома) в результате высокой эффективности нагрева при погружении в нее электрических дуг; 2) эффективное использование электрооборудования, когда электропечь служит только для получения расплава, а операции рафинирования и доводки переносятся в агрегаты внепечной обработки, что позволяет повысить производительность одной печи емкостью 100 – 150 т до 1 млн. т стали в год; 3) перевод печей на работу с постоянным током позволил снизить расход электроводов и электроэнергии, уменьшить фликкер-эффект, улучшить условия работы футеровки, снизить угар металла и интенсивность пылеобразования, уровень шума и др.; 4) изменение конструкции печи позволило производить выпуск металла (полный или частичный) до выпуска шлака; 5) организация продувки ванны газами (кислородом, аргоном, азотом) снизу, через подину, существенно улучшила условия тепло- и массопереноса в ванне и возможности рафинирования металла. Все это позволило существенно снизить расход энергии.
    Реальностью в ближайшие годы станет работа печи на подогретой шихте или жидком чугуне с использованием методов продувки ванны кислородом с одновременной подачей кислорода и топлива через горизонтальные фурмы с дожиганием окиси углерода. При таком процессе расход электроэнергии становится ниже 200 кВт . ч/т, электродов – около 1 кг/т, производительность печи превышает 1 млн. т/год.
    Более 80 % выплавляемой в мире стали разливается непрерывным способом. Широко используются установки, на которых получают стальные заготовки с профилем, близким к конечной продукции, установки, непосредственно сопряженные с прокатными станами. Современные линии для отливки тонких слябов имеют модификации, позволяющие непрерывно отливать тонкие заготовки различной толщины с обжатием и без обжатия. Ряд модификаций представляют собой одно- и двухвалковые установки с одновременной прокаткой (процессы CSP, ISP, SMS и др.).
    Внепечная обработка металла вакуумом, инертными газами, различными реагентами и т. п. стала неотъемлемым звеном технологической цепочки. Это позволяет получать очищенный от вредных примесей металл высокого качества и дает возможность «освободить» от проведения операций рафинирования основной сталеплавильный агрегат (конвертер, электропечь), сокращая тем самым продолжительность плавки и увеличивая производительность агрегата. Например, перенос процессов рафинирования в агрегаты внепечной обработки позволил существенно повысить часовую производительность конвертера.
    Кроме того, результатом развития некоторых методов внепечной обработки (например, одновременной обработки металла вакуумом, различными реагентами и продувкой его кислородом) стало появление новых классов стали, таких как IF-Steels (Interstitial Free Steels – свободные от несплошностей стали), содержащих лишь следы примесей (углерода, азота и др.) с недостижимыми ранее пластическими свойствами.
    Применение внепечной обработки дало начало так называемой «ковшовой металлургии», в которой основные операции рафинирования и доводки перенесены в соответствующий вспомогательный агрегат (ковш).
    Особенно возрастает эффективность новых технологий при их комплексном использовании. Например, вся сталь, разливаемая интенсивным способом, в обязательном порядке подвергается внепечной обработке, так как это обеспечивает необходимую стабилизацию и единообразие свойств и химического состава стали и, следовательно, стабильную работу машины непрерывного литья. Повышение химической чистоты и свойств металла за счет внепечной обработки позволяет в ряде случаев экономить дорогостоящие легирующие добавки.
    Внедрение ноу-хау существенно изменило количественные соотношения на всех стадиях металлургического цикла. При этом усложнение технологии и кажущееся ее удорожание с лихвой оправдываются достигаемыми результатами. Например, известно, что при обычной разливке стали в слитки основная причина потерь металла – «головная» и «хвостовая» обрезь от каждого слитка. Средний расчетный расходный коэффициент от слитка к годному прокату принят равным 1,33. Это значит, что на каждые 100 млн. т жидкой стали, разлитой в слитки, приходится около 75 млн. т.
    Расходный коэффициент в машиностроении от проката к готовому изделию в среднем близок к 0,8 (т. е. около 20 % проката уходит в стружку, обрезь и другие отходы). В результате суммарная масса готовых изделий, полученных из 100 млн. т жидкой стали, составит 60 млн. т (75 млн. т х 0,8).
    Обычная технология не позволяет в достаточной мере очистить сталь от таких вредных примесей, как сера и фосфор, неметаллические включения и газы. Кроме того, при разливке стали в слитки неизбежно протекание ликвационных процессов, возникновение местных нарушений сплошности металла вследствие усадочных явлений и т.п. Все эти нежелательные явления проявляются тем резче, чем крупнее слиток. При этом средняя масса одного слитка из года в год непрерывно возрастает, так как чем крупнее слиток, тем выше производительность прокатных цехов.
    Вследствие этого конструкторы уже на стадии проектирования закладывают в свои проекты определенный коэффициент запаса прочности, принимаемый в зависимости от характера нагрузки (статическая, ударная, знакопеременная и т.п.) от 1,5 до 3,0 с целью скомпенсировать дефекты металла.
    Если принять коэффициент запаса прочности равным 2, то масса конструкции возрастает вдвое и оказывается, что из 60 млн. т эффективно используется только 30. В целом получается, что из каждых 100 млн. т жидкой стали эффективно используется не более 30 млн. т.
    Ситуация меняется коренным образом, если традиционную разливку стали в слитки заменить непрерывной разливкой. Выход проката возрастает при этом с 75 до 85 – 98 %. Замена сортового проката (с обработкой его на металлорежущих станках) прокатом сложных профилей и листовым прокатом с последующей штамповкой, сваркой и т.п. позволяет довести массу готовых изделий до 85 млн. т на каждые 100 млн. т жидкой стали.
    И наконец, современные методы внепечной обработки (вакуумом, инертными газами, шлаковыми смесями и др.) позволяют получать сталь с ничтожно малым содержанием вредных примесей, что, в свою очередь, позволяет исключить основные дефекты, связанные с образованием газовых пузырей, трещин, ликвацией и т.п. Высокое качество металла позволяет приблизить величину коэффициента запаса прочности к 1.
    Таким образом, комплекс современных технологий позволяет добиться того, что из каждых 100 млн. т выплавленной стали эффективно используется не 1/3, а по крайней мере вдвое больше.
    Исторически сложилось так, что структура производства черных металлов, созданная в России еще в 60-е годы, мало изменилась и в настоящее время не может быть признана рациональной, так как не отвечает современным требованиям экологии, ресурсосбережения, экономики.
    Слабое развитие процессов непрерывного литья, внепечной обработки, конвертеров с комбинированным дутьем, электропечей заметно снижает основные показатели эффективности металлургического производства и сопряженных отраслей. Условно можно сказать, что мы производили огромное «излишнее» количество стали (соответственно добывали «излишнее» количество руды, коксующегося угля), имели «излишнее» количество аглофабрик, доменных печей, заводов для производства огнеупорных материалов и т.д.
    Классический пример – строительство двухванных мартеновских агрегатов, когда во всем мире осуществлялся массовый переход к кислородно-конвертерной плавке и электропечам. В 1989 году в СССР из общего количества в конвертерах и электропечах было выплавлено стали 46,5 %; в мартеновских и двухванных печах – 53,3 %; удельный вес непрерывной разливки составлял всего 18,2 %. И сегодня почти половина российской стали выплавляется в мартеновских печах.
    На металлургических заводах России действует 65 электропечей емкостью от 6 до 150 т большей частью устаревших конструкций. Их суммарная мощность составляет 13 – 14 млн. т/год. Большинство из них нуждается в реконструкции или замене, лишь цехи в Волжском и Новом Осколе могут быть названы современными.
    Особенно заметно отставание отрасли в непрерывной разливке стали. Хотя в последние годы удельный вес этой технологии в общем объеме сталеплавильного производства увеличился до 40 %, на среднемировом фоне – более 82 % – это выглядит довольно слабым показателем.
    Существенно отставание и по масштабам развития внепечной обработки металла, хотя в прошлом многие теоретические разработки и первые практические опыты освоения этой технологии были сделаны в нашей стране. По-видимому, темпы развития внепечной обработки будут определяться скоростью освоения гибких процессов сталеплавильного производства – конвертерного и электроплавки.
    Среди наиболее актуальных задач сталеплавильного производства, с которыми сталкивается сегодня мировая металлургия, можно выделить проблемы подготовки шихты, коренной реорганизации схемы плавки в дуговых печах и организации непрерывного производства металлопродукции в виде технологической цепочки «непрерывная плавка – непрерывная разливка – непрерывная прокатка». Эта технология в определенной степени реализуется в производственной схеме современных мини-заводов.
    Для отечественной металлургии, пожалуй, наибольшую важность сегодня представляют комплексные работы по подготовке шихты, основные составляющие которой, как известно, – металлолом и чугун. В условиях заметного снижения ресурсов вторичного металла вследствие сокращения поступлений оборотного и амортизационного лома особую значимость приобретают альтернативные пути получения сталеплавильного сырья: во-первых, внедрение внедоменной обработки жидкого чугуна с целью его рафинирования и, во-вторых, разработка экономичных технологий получения металлошихты непосредственно из железной руды.
    Сегодня почти две трети мирового производства стали выплавляется в конвертерах, использующих в качестве шихты жидкий чугун. Чугун (который, как правило, дороже лома) не содержит примесей цветных металлов, но обычно имеет примеси фосфора и серы, удаление которых из металла представляет одну из важнейших задач металлургии. Удаление этих примесей (десульфурация и дефосфорация) обычно осуществляется при помощи введения в жидкий металл специальных реагентов и их интенсивного перемешивания в сочетании с некоторыми вспомогательными операциями (например, предварительное удаление кремния).
    Современное развитие методов внепечной обработки чугуна и стали позволяет для каждой группы марок стали выбирать технологию комплексной обработки, включающую одну или несколько операций одновременно (в зависимости от требуемой чистоты стали по фосфору, сере, содержанию газов, примесей цветных металлов, а также в зависимости от затрат на проведение отдельных операций в конкретных местных условиях). Комплексная внепечная обработка чугуна и стали уже сегодня позволяет, при необходимости, получать весьма чистый металл с содержанием не более 0,0010 % S; 0,0015 % O; 0,0020 % P и 0,0015 % H.
    К сожалению, комплексные технологии внедоменной обработки чугуна, включающие десульфурацию, обескремнивание и дефосфорацию, на российских заводах пока не используются.
    Что касается прямого получения сталеплавильного сырья (железорудных окатышей) из руды, минуя энергоемкий и экологически небезопасный коксодоменный передел, то здесь и в мировой, и в отечественной практике можно отметить существенные технологические достижения. На Оскольском электрометаллургическом комбинате работают промышленные установки, использующие восстановление железа из руды газообразными восстановителями. Получаемые при этом материалы незаменимы при выплавке сталей ответственного назначения, требующих высокой чистоты по примесям цветных металлов.
    В России этой проблемой заняты специалисты Москвы (МИСиС, ЦНИИЧМ, ВНИИМЕТмаш, ГИПРОМЕЗ), Магнитогорска, Новокузнецка.
    Процесс преодоления технического отставания российской черной металлургии от уровня стран с развитой рыночной экономикой, очевидно, связан с решением сложнейшего комплекса проблем, в том числе социально-экономического характера, и потребует длительного времени. Свою задачу автор видит прежде всего в том, чтобы дать анализ главных научно-технологических ориентиров развития одного из основных производственных переделов и реально оценить возможности российской металлургии в их достижении, несмотря на всю сложность нынешней экономической ситуации. Нет никаких сомнений в том, что черная металлургия России, имеющая почти полный набор сырьевых ресурсов, огромные технологические традиции, хорошую научную базу, развитую систему подготовки кадров, сумеет удовлетворить все потребности реформируемой экономики и займет в ней достойное место.