Николай Лякишев
Директор Института металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН, член президиума РАН
Юрий Цветков
Член-корреспондент РАН, заведующий лабораторией института
 Металлургия как область науки, техники и отрасль промышленности, связанная с производством металлов и сплавов из различных видов сырья и обработкой для придания им необходимых форморазмеров, зародилась в глубокой древности. Об этом свидетельствует античное происхождение самого термина (metallurgeo), да и история человечества по определяющему материалу подразделялась, как известно, на медный, бронзовый и железный века. Металлургия в своем развитии прошла путь от использования самородного металла до современного массового производства, использующего различное природное сырье и промышленные отходы при сравнительно низком исходном содержании полезных компонентов. Агрегаты железоделательного производства претерпели эволюцию от сыродутного плавильного горна до современной доменной печи. Проблема переработки чугуна в сталь была разрешена лишь в середине прошлого века путем создания бессемеровского (1856 г.), томасовского (1879 г.) и мартеновского (1863 г.) процессов. В последующий период мировое производство стали росло практически экспоненциально и достигло в 90-х годах XX столетия около 800 млн. т в год. Сегодня в технологическом цикле преобладает двухстадийная схема "доменная печь – кислородный конвертер" при нарастающей роли электрометаллургии.
Нам есть чем гордиться
По свидетельству археологических изысканий, на территории России кустарное железоделательное производство существовало с незапамятных времен. Возникновение заводской металлургии можно отнести к созданию близ Тулы городищенских заводов (1632 г.). В результате петровских реформ Россия завоевала мировое лидерство как в технологии, так и по масштабам производства черных металлов. Вплоть до конца XVIII столетия Россия занимала первое место в мире по выплавке чугуна. Однако отсталая крепостная общественная система существенно тормозила экономическое развитие страны. Реформы 60-х годов XIX века привели к ускорению промышленного роста, и в 1913 году уровень производства металлургической промышленности превзошел уровень 70-х годов более чем в 10 раз. Россия перед Первой мировой войной занимала пятое место в мире по производству чугуна и шестое по стали (4,2 млн. т чугуна, 4,2 млн. т стали и 3,5 млн. т проката), но существенно уступала ведущим державам по душевому потреблению металла.
История выдвинула ряд выдающихся ученых и инженеров-металлургов. В канун 275-летия Российской академии наук уместно вспомнить первого русского академика – основоположника отечественной металлургической науки Михаила Васильевича Ломоносова, который впервые сформулировал фундаментальный закон сохранения вещества, установил роль воздуха в окислении элементов, разработал теорию движения технологических газов в пламенных печах и создал первый российский капитальный труд по металлургии "Первые основания металлургии или рудных дел" (1763 г.), где он дал образное определение металлов: "Металлом называется светлое тело, которое ковать можно". Основой современной термохимии является закон о независимости теплового эффекта процесса от пути его протекания, сформулированный академиком Г.И. Гессом. Начало развитию электрометаллургии положило открытое академиком В.В. Петровым явление электрической дуги. Гениальный Д.И. Менделеев открыл периодический закон и составил Периодическую систему элементов. Основоположником теории производства литой высококачественной стали является Н.П. Аносов. Н.Н. Бекетов и К.И. Байер разработали основы промышленного производства алюминия. Создание научного материаловедения во многом обязано Д.К. Чернову.
 Советский период, несмотря на разруху из-за гражданской войны и интервенции и огромные разрушения, вызванные Великой Отечественной войной, в результате которой около половины мощности черной металлургии было потеряно, ознаменовался выдающимися успехами в развитии отечественной металлургии. Создание крупного металлургического производства при достаточно высоком техническом уровне позволило Советскому Союзу занять ведущее место в мире по выпуску металлопродукции. В 1986 году СССР, занимая первое место в мире, произвел 161 млн. т стали (22,4 % мирового производства). Металлургия страны была представлена рядом крупнейших заводов, оснащенных мощными агрегатами с передовой технологией. Благодаря самоотверженному труду ученых и инженеров были разработаны и внедрены технологические процессы выплавки чугуна и стали. Широко внедрена выплавка чугуна с повышенным давлением газа под колошником. Разработаны и реализованы способы интенсификации и повышения технико-экономических показателей доменной плавки путем вдувания в горн доменной печи природного газа, кислорода и угольной пыли. Созданы крупнейшие в мире доменные печи объемом 5000 и 5480 м3. Разработан и в настоящее время является преобладающим метод конвертерного передела чугуна в сталь с применением кислорода, а также непрерывная разливка стали. Цветная и редкометалльная промышленность СССР производила практически все элементы Периодической системы в количествах, удовлетворяющих потребности экономики. Очевидно, что выдающиеся свершения в ракетно-космической и оборонной отраслях не могли быть достигнуты без соответствующего развития металлургии и материаловедения.
Огромная роль в становлении советской металлургии принадлежит металлургической науке. Достаточно напомнить имена таких корифеев, как академики И.П. Бардин, А.А. Байков, М.А. Павлов, Н.С. Курнаков, А.А. Бочвар, А.Н. Вольский, А.М. Самарин, Н.П. Сажин, Н.Н. Рыкалин, А.И. Целиков.
В стране были созданы крупные научно-исследовательские центры: ЦНИИчермет, ЦНИИМЕТМАШ, ВАМИ, ВИЛС, Гинцветмет, Гиредмет, ВИАМ, которые совместно с проектными организациями, заводскими лабораториями и опытными производствами на промышленных предприятиях были призваны реализовать результаты фундаментальных и поисковых исследований в промышленности. Заметна была и роль вузовской науки, которая, помимо подготовки квалифицированных специалистов для промышленности, выполняла работы, вносящие серьезный вклад не только в теорию металлургических процессов, но и в создание новых перспективных технических решений, как, например, процессы и аппараты жидкой ванны.
Форпост фундаментальной науки
В Академии наук СССР центром фундаментальных исследований в области металлургии и металловедении явился созданный в 1938 году Институт металлургии – ныне Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова, который за свою 60-летнюю историю внес заметный вклад как в теорию металлургических процессов и в целом в науку о металлическом состоянии, так и в определение направлений научно-технического прогресса в металлургии. Во многом это являлось следствием высокого научного потенциала коллектива, в котором работали крупные ученые – металлурги и материаловеды – академики А.А. Байков, И.П. Бардин, А.А. Бочвар, Э.В. Брицке, А.Н. Вольский, Н.Т. Гудцов, М.А. Павлов, А.М. Самарин, Н.В. Агеев, Н.Н. Рыкалин; члены-корреспонденты АН СССР И.А. Одинг, И.М. Павлов, Д.М. Чижиков, Е.М. Савицкий, А.И. Манохин. В настоящее время в ИМЕТе работают шесть действительных членов и членов-корреспондентов РАН.
Становление Института металлургии проходило под руководством академика И.П. Бардина, сочетавшего в себе качества выдающегося ученого-генератора идей и инженера-организатора производства, что во многом определило и дальнейшее развитие ИМЕТ. Идеи Бардина в области применения кислорода в металлургии, непрерывной разливки, прямого восстановления железа легли в основу прикладных разработок Института металлургии. К их числу следует отнести разработку технологии получения металлизованных окатышей; выработку рекомендаций по оптимальному применению кислорода в доменном производстве; определяющий вклад в создание металлургии титана от комплексной переработки титаномагнетитов через получение титановых шлаков, диоксида титана, тетрахлорида титана, титановой губки до металлического титана и сплавов на его основе. Процесс вакуумирования стали, основы которого заложены работами ИМЕТ, является неотъемлемой частью современной технологии. Теоретические и пилотные исследования института легли в основу промышленной технологии продувки ванадийсодержащих чугунов на Нижнетагильском металлургическом комбинате. В результате совместных работ с отраслевыми институтами создан ряд новых сталей и сплавов для авиации, теплоэнергетики, атомной энергетики, газопроводных систем и других областей техники. Существенный вклад внесен в разработку процессов деформации жаропрочных материалов, тугоплавких металлов и сплавов, порошковых и композиционных материалов. Велика роль ученых-технологов института в становлении и развитии нового научно-технического направления – плазменной металлургии: разработаны и нашли практическую реализацию способы плазменного рафинирующего и легирующего переплава, восстановительной плавки оксидного сырья, получения пигментного диоксида титана, плазменно-водородного восстановления оксидов тугоплавких металлов с получением высокодисперсных порошков.
В последнее время исследования Института металлургии и материаловедения РАН в значительной степени нацелены на разработку проблем металлургии будущего.
Для современной металлургии, как и промышленности в целом, характерна ориентация на невозобновляемое органическое топливо в качестве первичного источника энергии. Следствием этого является загрязнение окружающей среды выбросами промышленной деятельности, что приводит в ряде случаев к критическому для нормальной жизнедеятельности человека состоянию атмосферы и водного бассейна. Для энергетики первопричиной является сжигание органического топлива на тепловых электростанциях; для металлургии – несовершенство существующего способа производства металлов. Так, наиболее масштабное производство стали по традиционной схеме "доменная печь – конвертер" имеет ряд существенных недостатков, затрудняющих его развитие в будущем. Неоптимальное сочетание в доменной печи окислительных и восстановительных процессов и высокие требования к подготовке шихты приводят к тому, что из-за необходимости коксохимического и агломерационного производств черная металлургия по загрязнению окружающей среды разделяет ведущее место с энергетикой. Многостадийность процессов для достижения необходимого качества продукции приводит, наряду с увеличением числа отходов, к выделению значительных количеств низкопотенциальной энергии с малой степенью утилизации. Энергоемкость традиционного производства стали в два раза превышает технологический и в десять раз расчетный термодинамический минимум. Металлургическое производство развивалось преимущественно по экстенсивному пути без должной связи с другими отраслями промышленного производства, что, в частности, привело к завышенному минимально необходимому уровню рентабельного производства и его инерционности.
 Поэтому обоснован поиск возможностей улучшения технико-экономических показателей производства стали путем создания новых металлургических систем. К их числу относятся различные варианты бескоксовой металлургии: процессы в жидкой ванне; прямое газовое восстановление и т.п.; развитие электротермии, имеющей ряд достоинств по сравнению с традиционными топливными процессами, в том числе возможность сочетания с гибкими технологическими системами, например при создании мини-заводов.
Хотя кардинального устранения отмеченных недостатков следует ожидать от радикального изменения энергетической базы и структуры отрасли, не следует, по-видимому, пренебрегать и эволюционным путем совершенствования существующих процессов.
Контуры металлургии будущего века
Основные направления совершенствования традиционной металлургии состоят в следующем.
В рудоподготовительном переделе необходимо развивать комплексное использование сырья и промышленных отходов горного и металлургического производства, например отходов магнитной сепарации, цинксодержащих шламов; совершенствование подготовки шихты, в том числе путем окомкования с последующим упрочнением на обжиговых машинах.
В области доменного производства сохраняют свое приоритетное значение горячее дутье, замена кокса пылевидным угольным топливом, использование колошникового газа, отмытого от диоксида углерода. В целом увеличение до определенного предела газовой составляющей в шахтном восстановительном процессе также следует рассматривать как перспективную тенденцию.
Кислородный конвертер и осуществляемый в нем процесс передела чугуна в основном отвечают высоким современным требованиям. Однако представляется целесообразным перевод конвертеров, как правило, на комбинированное дутье, повышение использования отходящих газов, шлаков и пылей. Универсализации конвертера при этом для переработки различных шихтовых материалов может способствовать применение плазменного нагрева.
В структуре сталеплавильного передела продолжится рост доли электростали при расширении использования высокомощных электродуговых печей, печей постоянного тока, плазменно-дуговых печей. Экологичность электросталеплавильного передела повышается при переходе на постоянный ток или плазменный нагрев. Для повышения технико-экономических показателей всех переделов большое значение имеет максимальное использование теплоты отходящих газов.
Сталеплавильное производство развивается по пути функционального разделения получения полупродукта и доводки стали в агрегатах внепечной обработки, которая может быть совмещена с непрерывной разливкой. Существенные преимущества имеет применение для этих печей в качестве источника технологического тепла электрической дуги постоянного тока, в том числе и в плазменном варианте. При высоких требованиях к качеству получаемой продукции следует предусмотреть в составе металлургического завода цехи специальной электрометаллургии, оснащенные вакуумными печами, электронно-лучевыми и плазменными установками, обеспечивающими глубокую степень рафинирования и необходимую кристаллическую структуру конечного продукта.
Существующие сталеплавильные процессы имеют циклический прерывный характер. Это затрудняет автоматизацию процесса, получение металлов стабильного состава и свойств и создание единого цикла металлургического производства, построенного на принципе сочетания последовательно протекающих непрерывных стадий, начиная с подготовки руд и заканчивая выпуском готового проката. Создан и опробован в полупромышленных масштабах ряд непрерывных сталеплавильных процессов, продемонстрировавших значительную технико-экономическую эффективность. Однако остается сомнение в целесообразности создания различных видов агрегатов непрерывного действия (САНД), когда плавка в 400-тонном конвертере идет несколько десятков минут, а дуговые электропечи с эксцентричным выпуском металла работают практически непрерывно.
Дефицитность кокса и экологические последствия коксохимического производства вызвали к жизни бескоксовую металлургию или прямое восстановление железа. В настоящее время существуют четыре основных варианта прямого получения железа: восстановление конвертированным природным газом, углем, газом от газификации угля и бездоменная выплавка чугуна. Практическое воплощение получила двухстадийная схема, сочетающая газовое восстановление богатого железорудного сырья и электроплавку твердого металлизованного продукта в электропечах. Высокая цена на природный газ и электроэнергию в большинстве развитых стран привела к торможению развития данной схемы и ее перемещению в развивающиеся страны, располагающие богатыми запасами природного газа (Мексика, Венесуэла и т.п.).
Будущее прямого восстановления определяется длительно действующими факторами, что в конечном счете должно обеспечить перспективность и объективную необходимость развития и широкого распространения этой технологии. Перечислим эти факторы:
– необходимость развития металлургии в регионах, не располагающих запасами коксующихся углей при значительных ресурсах природного и попутного газа;
– проблема расширения энергетической базы металлургии путем газификации некоксующихся углей и биомассы;
– нарастающее загрязнение металлического лома примесями и проблема обеспечения высококачественной металлургии чистой металлизованной шихтой;
– ликвидация основных источников загрязнения окружающей среды – коксохимического и агломерационного переделов.
Дополнительным аргументом в пользу процессов прямого восстановления является их сочетание с мини-заводами – непременным компонентом металлургии будущего. Наглядным и убедительным примером является успешная работа Оскольского электрометаллургического комбината, обеспечивающего получение конструкционных сталей с содержанием серы и фосфата менее 0,01 %, а олова, сурьмы, свинца и мышьяка менее 0,001 % каждого примесного элемента.
Процессы твердофазного восстановления с использованием низкосортного твердого топлива, на наш взгляд, не имеют существенных перспектив. Представляется целесообразным газифицировать угли, а газ использовать как восстановитель для прямого получения железа. Для успешного использования газ должен иметь температуру 800 – 900 ОС, содержание СО2 +Н2О до 5 %, около 3 % углеводородов и не содержать серы. Существующие промышленные способы газификации углей не обеспечивают получение газа, отвечающего этим требованиям. Однако чистый газ-восстановитель, практически не содержащий окислителей, может быть получен путем плазменной конверсии углеродного топлива.
Другим направлением использования угля как восстановителя является полный или частичный перевод процессов в жидкую фазу. Достигаемая при этом гомогенизация процесса и возможность использования высокой реакционной способности растворенного углерода обеспечивают высокие скорости и полноту восстановления металлов. Среди наиболее продвинутых в прикладном плане следует отметить процесс "Корекс", а также отечественный, в печи жидкофазного восстановления – "Ромелт".
Однако эти процессы не лишены существенных недостатков, основной из которых – низкий тепловой КПД, который может быть повышен за счет применения плазменного нагрева. Об этом свидетельствует как зарубежный опыт (ЮАР, Швеция), так и отечественный успешный опыт промышленного осуществления плазменной восстановительной плавки оксидного сырья.
Принципиальные изменения в будущем должен претерпеть и третий передел – формообразование металла. Акцент должен быть сделан на фактор структуры металла, обеспечивающий резкое повышение свойств за счет величины зерна и фазовых составляющих и т.д.
В самом общем плане деформация металла должна осуществляться в регламентированных режимах термомеханической обработки при высоких степенях обжатий и пониженных температурах. Это – экструдирование, контролируемая прокатка, ковка, протяжка и т.д., работающие в непрерывном режиме. В связи с требованием повышения степеней деформации при пониженных температурах резко возрастают силовые параметры оборудования. Развитие третьего передела в указанном направлении позволит избежать использования для повышения свойств металла различных дефицитных легирующих элементов.
 Ключевое звено – снижение энергоемкости
Как известно, современное производство стали отличается высокой энергоемкостью. Сквозной удельный расход энергии составляет почти 1,2 т условного топлива на тонну готового проката.
Одним из путей обеспечения принципиально нового уровня расхода энергии является радикальная трансформация всего технологического маршрута производства стали. Научно-техническая идеология заключается в исключении затрат тепла на проведение расплавления и высокотемпературных физико-химических процессов в жидком состоянии. При осуществлении процессов восстановления и формообразования в твердой фазе можно ожидать снижения расхода энергии в 1,5 – 2 раза, а при непрерывном осуществлении процесса – до 2,5 раза. При этом можно использовать имеющийся опыт твердофазного газового прямого восстановления железа, регулирования содержания углерода в железной губке, ее компактирования и деформации. Естественно, решение этой проблемы требует серьезных технологических и конструктивных изысканий, призванных обеспечить глубокое обогащение железных руд для устойчивого и масштабного получения железорудных концентратов с содержанием примесей не более 0,1 %, т.е. сопоставимого с уровнем содержания неметаллических включений в конструкционной стали. При этом необходимо обеспечить достаточно простое и надежное регулирование содержания кислорода и углерода в губке, а также разработку эффективной конструкции агрегата и технологии деформации губки для получения металлопродукции заданных профилей. При реализации данного предложения, помимо значительного снижения энергоемкости, исключается применение кокса и одновременно решаются основные экологические проблемы, в том числе выделение вредных газов, пылей и шлаков, упрощается решение задач автоматизации, существенно снижаются требования к технологии и аппаратуре вследствие сравнительно низкой температуры процессов (820 – 850 ОС для стадии восстановления и не более 1100 ОС на стадии обработки давлением).
Наиболее радикальное решение, согласно развиваемой нами научно-технической концепции, должно обеспечить объединение производства энергии и технологии получения металла. Реальной альтернативой традиционным металлургическим технологиям представляется создание энерготехнологического комплекса, в котором объединяющим фактором является электроэнергия. На начальной стадии разработки этой идеи планировалось применение в качестве первичной – энергии атома, а вторичного энергоносителя – электроэнергии и водорода. В дальнейшем в качестве энергетического блока комплекса разрабатывалась схема экологически чистой ТЭЦ, использующей для производства электрической и тепловой энергии синтез-газ, получаемый газификацией низкосортного топлива и биомассы и применяемый также для побочных химических производств (например, синтеза метанола) и восстановителя в металлургическом блоке комплекса. Оптимальное технологическое использование электроэнергии должна обеспечить плазменная техника как на стадии получения не содержащего окислителей высококачественного синтез-газа, так и непосредственно в металлургическом производстве. При этом универсальность плазмы (способность эффективно перерабатывать вещества любых форморазмеров в любых агрегатных состояниях) дает возможность отказаться от высоких требований к подготовке металлургического сырья.
На передний план выходит плазма
Достоинства термической плазмы как источника технологической тепловой энергии и среды для осуществления процессов тепло-массообмена, установленные многочисленными фундаментальными исследованиями взаимодействия нейтральной и химически активной плазмы с веществом и успешной промышленной реализацией процессов плазменной металлургии, нашли дальнейшее отражение при сопоставлении энергетических характеристик традиционных и плазменных источников теплоты и энергоматериальной структуры базовых металлургических процессов при традиционном и плазменном нагреве обрабатываемого вещества. Анализ фактических данных свидетельствует, что удельная производительность металлургических агрегатов пропорциональна удельной мощности. Для агрегатов, функционирующих с использованием органического топлива (доменная печь), удельная мощность составляет не более 0,3 МВт/т загрузки, в то время как для дуговых плазменных печей с керамической футеровкой характерна величина порядка 1 МВт/т, а для гарнисажных конструкций энергонапряженность может на два – три порядка превзойти максимальную для агрегатов с топливными источниками теплоты. Плазменные источники имеют и наиболее широкий диапазон изменения величины массового параметра 10-6 – 102 кг/Гдж.
 Как известно, физическая природа используемого источника теплоты имеет определяющее значение для состава газовой среды металлургических процессов и аппаратов. При этом отношение топлива и окислителя определяет химический потенциал рабочей среды. Примеси, содержащиеся в органическом топливе и окислителе, в ряде случаев оказывают негативное влияние как на металлургический передел и свойства его продуктов, так и на состав выбросов в окружающую среду. Использование плазменных источников теплоты позволяет в широком диапазоне варьировать параметры рабочей среды по химическому составу, температуре и давлению.
Структурный энергетический анализ современного металлургического производства свидетельствует, что высокая энергоемкость производства стали обуславливается многостадийностью переделов, низкими энергетическими показателями основных агрегатов, высоким выходом вторичных энергоресурсов при низкой степени их утилизации. Энерготехнические показатели могут быть существенно улучшены при сокращении числа технологических звеньев и взаимодействии материальных и энергетических потоков в объединенном производстве энергии и металлопродукции. Данное обстоятельство является дополнительным аргументом в пользу создания энергометаллургического комплекса как перспективного альтернативного варианта нынешнему доменно-конвертерному производству стали. Сравнительные расчеты энергетического баланса показывают, что при условии, когда электрическая мощность, потребляемая металлургическим модулем, составляет менее 26 Гдж/т (что имеет место при применении плазменной печи с керамическим тиглем), энергоемкость комплекса примерно в 1,7 раза ниже энергоемкости доменно-конвертерного производства. Коэффициент полезного использования энергии топлива составляет 0,78 – 0,84, что существенно превосходит КПИ энергии для доменного процесса (0,57).
Этому не стоит особенно удивляться: практика промышленной реализации плазменных процессов свидетельствует, что при правильном конструктивно-технологическом оформлении плазменные процессы являются наиболее энерго- и ресурсосберегающими, как это было убедительно продемонстрировано на примере плазменно-водородного восстановления оксидов тугоплавких металлов, плазменной восстановительной плавки оксидов кобальта и никеля. Плазменный агрегат с полым графитовым катодом, использованный в этой технологии, является одним из перспективных для оснащения восстановительного модуля комплекса. Помимо осуществления восстановительной плавки он может использоваться как плавильный агрегат, реактор для переработки различных отходов, в том числе пылей и шламов черной металлургии, содержащих цветные металлы.
В целом проблема переработки промышленных и бытовых отходов является одной из актуальнейших проблем современности, и она, несомненно, сохранится в следующем тысячелетии. Одним из возможных путей ее решения является использование выводимых из эксплуатации металлургических агрегатов. Безусловно, дополнительное оснащение их плазменными источниками нагрева существенно расширит их эксплуатационные возможности. На повестке дня стоит создание конвертера с плазменным обогревом для переработки широкой номенклатуры твердых отходов.
Таким образом, следует отметить определенную научную и теоретическую проработанность концепции энерготехнологического комплекса, ориентированного на использование высокообогащенного железорудного сырья с выпуском высококачественной металлопродукции. Однако ввиду трудности реализации этого предложения в нынешних экономических условиях целесообразно сконцентрировать внимание на отработке конструктивно-технологического оформления ключевого элемента металлургического блока комплекса – восстановительного модуля на базе непрерывных плазменных агрегатов с текущим слоем расплава, в перспективе совмещающих восстановление, рафинирующий и легирующий переплав и формообразование.
В рамках концепции энергометаллургического комплекса возможно включение в его состав различных вариантов новых технических решений, в том числе и предлагаемой твердофазной схемы производства стали. В этом случае восстановителем железорудного суперконцентрата послужит не содержащий окислителей высокочистый синтез-газ, производимый из низкосортного угля или биомассы в плазменном газификаторе, что обеспечит высокую скорость и полноту восстановления. Производимые на экологически чистой ТЭЦ электроэнергия и низкопотенциальное тепло могут быть эффективно использованы на различных стадиях металлургического передела и обработки.
В заключение следует отметить, что хотя современные металлургические процессы обладают значительным резервом для совершенствования, определяющего их использование в XXI веке, обеспечить устойчивое развитие промышленности и общества призвана поэтапная радикальная трансформация традиционных технологий и агрегатов, в том числе путем создания экологически чистых, ресурсосберегающих энерготехнологических комплексов. 
|
назад
