CC BY
112
irj'Tï^i: ксгмглг'гкр.
I 3 (47), 2008-
И! ^«Щ^иииП
Е. И. МАРУКОВИЧ, директор ИТМ HAH Беларуси, чл.-корр. HAH Беларуси, д-р техн. наук, профессор
СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВА РАЗВИТИЯ МИРОВОЙ МЕТАЛЛУРГИИ
Мировое производство металла постоянно растет и, несмотря на значительные увеличения производства пластмасс, занимает лидирующее положение. Производство стали в 2007 г достигло 1345 млн. т (рис. 1). Ежегодный прирост выпуска стали в последние годы происходит в основном за счет Китая (рис. 2), который ежегодно добавляет около 20%. Сегодня Китай производит 37% мировой стали (рис. 3). Азиатский регион к 2020 г. еще более упрочит свои позиции и по прогнозам займет более 65% рынка (рис. 3).
11345 (2007)
ArceforMJttal ti (Япония) Nippon 2: (Япония) JFE 3; (Корея) Poseo 4 (Китай) Baosteel 5 (Индия) Tata 1 Corus g (США) US Steel I Stelco 7 (Китай) Jiangsu Shagang s (США) Nucor 9 (Италия) Riva ю (Бразилия) Gerdau 11 (Россия) Северсталь 12
Сталь
Алюминий
6,5 J5 Медь
Пластмасса
Рис. 1. Объем мирового производства, млн. т
2007
Всего: 1345 млн тонн
Прогноз на 2020 Всего: -2300 млн. тонн
Северная Америка
Россия
Украина
:тальиые страны Корея 52 145
(11%)
Япония
Китай ювг (47%)
Индия Бразилия
Корея остальные страны
Рис. 3. Страны-производители стали
Несмотря на значительный рост производства стали, мировые цены на металлопродукцию в последнее время растут скачкообразно (рис. 4). Это связано с резким повышением цен на металлургическое сырье (лом, руду, коксующийся уголь) и энергоносители. В мировом производстве, потреблении и торговли сталью можно выделить пять регионов (рис. 5). Регион Юго-Восточной Азии наиболее активно обменивается внутри. Страны СНГ большую часть металлопродукции экспортируют, что говорит о сырьевой направленности экономики.
Рис. 2. Мировой рост производства стали, млн. т
1000
500
5 § 8
О ■«— CN
É 5 i
Рис. 4. Средние мировые цены на сталь, долл./т
Щ Щ Щ
Б. % Ц É. % Щ Ъ È. % 2 Ï ? Ú % Ц % %
лггттг^ г: шяштита
' 3 (47). 2008
/57
Regional steel trade flowe/Mt
NAFTA
r J
Wk У АТЛи
Рис. 5. Особенности мировой торговли сталью
США и Европа, наоборот, импортируют металл для динамично развивающегося производства.
В последние десятилетия металлургическая отрасль достигла значительных успехов (рис. 6). Однако до идеального металлургического процесса еще далеко (рис. 7). В выплавке стали пока доминирует доменный процесс (70% производства) (рис. 8).
Однако заказчики в последнее время к производителям предъявляют противоречивые требования: требуют поставки стали более высокого каче-
ства по более низким ценам, малыми партиями с короткими сроками поставки. Поэтому в странах с развитой промышленностью будет расти доля заводов, переплавляющих лом в электропечах, и сокращаться доля заводов с полным циклом, где сталь получают переделом жидкого чугуна. Ожидают, что к 2020 г. заводы с полным циклом будут выплавлять не более 30% стали.
Идеальный металлургический процесс
1. Вторичная переработка. Объем ежегодной вторичной переработки стали превышает вместе взятые объемы всех остальных материалов, включая алюминий, стекло, бумагу. Например, в прошлом году объем стального лома в произведенной стали составлял более 25%, а в США - более 50%. В ближайшие годы только 10-15% стали будут выплавлять с использованием жидкого чугуна.
2. Уменьшение затрат энергии. Например, в США удельные расходы энергии на 1 т стали уменьшились на 29% по сравнению с 1990 г. Причем удельный расход энергии уменьшается с увеличением объемов производства.
3. Защита окружающей среды. За последние 10 лет выбросы в атмосферу и воду уменьшились на 90%. Более 95% воды, используемой для производства стали, возвращается в оборот, причем зачастую в более чистом состоянии, чем та вода, которая была взята первоначально.
Производство
Безопасность
Максимальная производительность Минимальные энерго- и материалопотребление Полная переработка отходов Обеспечение защиты окружающей среды
Продукция
Точная форма Отсутствие дефектов -трещин -включений -пористости Требуемый химический состав Требуемая структура
Рис. 7. Идеальный металлургический процесс
Горячий металл
Лом
Дуговая печь
m
30%
Рис. 6. Достижения в металлургической отрасли
Рис. 8. Традиционные способы производства стали
58/
ГГТТгГ; г:
(47). 2008-
Производство стали : 43.8 млн т
2500
48.5 млн т
£ з:
3
1500
1000
500
1980
2007
Рис. 9. Затраты шихты при производстве стали в Германии в 2007 г. по сравнению с 1980 г.
1980
2000
Год
2020
□ Электросталь ■ Другие
Рис. И. Динамика удельного роста электростали в общем производстве стали в мире
Другая причина строительства электросталеплавильных комплексов связана с экологическими проблемами: выполнение требований по защите окружающей среды приводит к значительным затратам при производстве стали по схеме железная руда - передельный чугун - кислородный конвертер/мартеновская печь. В современных условиях на металлургических заводах с полным циклом
80 70 60 50 % 40
"68
61
2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010
— Кислородно-конвертерное пр-во
— Электросталеплавильное пр-во Мартеновское пр-во
Рис. 10. Выплавка стали в России
не хватает средств на покрытие издержек на охрану окружающей среды при производстве передельного чугуна из руды и кокса в доменной печи. На заводе с годовой производительностью 1— 2 млн. т не удается покрывать все издержки на охрану окружающей среды.
За последние 20 лет удалось значительно снизить расходы шихтовых материалов на производство 1 т стали (рис. 9). Причем уменьшается расход железной руды, угля, а увеличивается потребление лома. Это напрямую связано с увеличением доли электроплавки (рис. 10, 11).
Электродуговые сталеплавильные печи (ДСП) наиболее эффективны и оптимально вписываются в проекты мини-заводов.
Однако они имеют существенные недостатки:
• интенсивные пыле- и газовыбросы, требующие дополнительных затрат на очистку;
• высокий уровень шума и вибрации;
• большой расход электродов и насыщение расплава графитом;
• значительный угар металла и легирующих элементов;
Выдержка
Плавка
Индукционная печь средней частоты
Дуговая печь
постоянного
тока
Производство стали
характеризуется
высокой
энергоемкостью. При этом расходуется на выплавку стали 20005000 кВт ч/т с учетом КПД тепловых электростанций, на нагрев слитков и заготовок 400-700, на прокатку 120-140 кВт ч/т
Рис. 12. Эффективность печей различного типа
-3 (47). 2008/ U«
оксиды железа
Прямо-
восстановленный чугун
Рис. 13. Схема процесса прямого восстановления железа по технологии «МГОЯЕХ»
Доменное производство
Коксующийся Руда уголь
Спекшаяся Кокс.. руда*—.......т
Доменная J печь
FINEX производство
Л
некоксующиися I уголь
J
угольные брикеты
—.
плавильным агрегат
чугун
FINEX -технология прямого восстановления чугуна, разработанная Siemens и POSCO. Расплав чугуна производится непосредственно с использованием измельченной железной руды и некоксующегося угля вместо спекания и создания кокса, характерных для традиционных доменных печей. Расплавленный чугун производится в два этапа, разделяя функции восстановления и плавления.
чугун
Сравнение инвестиций и стоимости производства
доменная печь, % FINEX, %
Инвестиции 100 80
Стоимость производства 100 85
Выброс загрязняющих веществ
доменная печь, % FINEX, %
Оксид серы (SOx) 100 3
Оксид азота (NOx) 100 1
Пыль 100 28
Рис. 14
• ограничение использования мелкой шихты и стружки.
Поэтому получает развитие разумный компромисс - «дуплекс-процесс», когда низкокачественная шихта переплавляется в дуговых печах, а затем металл доводится в индукционных.
Индукционные печи более экономичны, особенно на стадии выдержки металла (рис. 12) и доведения химического состава, но требуют более качественной шихты.
В индукционных печах можно выплавлять чугун и сталь со 100%-ным содержанием стального
сп /лггггГ: г: глггггтпл^ггггг?
и и / 3 (47), 2008-
скрапа и стружки (самого дешевого шихтового материала) благодаря минимальному угару и хорошей возможности легирования. В дуговых печах использование стружки строго лимитировано из-за большого угара.
Развитие электросталеплавильного производства в направлении энергосбережения связано с идеей утилизации тепла отходящих печных газов для подогрева лома перед плавкой (газы уносят до 25% вводимой в печь энергии).
Развитие металлургии на базе процессов прямого восстановления железа является основной альтернативой металлургии полного цикла (рис. 13, 14). Для ускоренного развития данного производства имеются все необходимые предпосылки. В настоящее время эффективность технологий прямого восстановления выше, чем на большинстве предприятий с доменносталеплавильным переделом. Продукцию прямого восстановления можно эффективно использовать в доменном (окатыши) и электросталеплавильном (окатыши, брикеты
и паллеты) производствах. По качеству металла (содержанию примесей) эта продукция во много раз превосходит лом и чугун.
Успехи развития плавки напрямую связаны с совершенствованием методов контроля температуры (рис. 15, 16).
Один из путей снижения расхода энергоносителей - широкое освоение непрерывного литья (НЛ) стали (рис. 17). В настоящее время таким методом ведут разливку стали в Японии - 95%, США - 80, странах СНГ - менее 50%.
Перспективное развитие - переход от традиционной непрерывной разливки листовой и сортовой заготовки с последующей многостадийной прокаткой на непрерывную разливку литых заготовок с размерами, близкими к конечным, и на совмещение непрерывной разливки и прокатки тонких слябов и тонкой полосы с использованием литейно-прокатных модулей, в том числе и в валковые кристаллизаторы (так называемая бесслитковая прокатка) (рис. 18). Технология осно-
СТ-технологии
Классические технологии оптической термометрии (КОТ) обладают следующими недостатками:
> неприменимы при случайно изменяющихся параметрах излучательной способности контролируемого объекта
и пропускания промежуточной среды
> не обеспечивают термоконтроль закрытых объектов.
Световодные технологии (СТ) основаны на формировании и передаче через световодное устройство излучения, термометрические параметры которого однозначно связаны с температурой контролируемого объекта.
Непрерывный световодный контроль температуры металла в индукционных плавильных, миксерных и раздаточных печах обеспечит:
• снижение расхода электроэнергии на 10-40%;
• снижение угара шихтовых материалов на 10-20%;
• снижение брака «по температуре» на 20-60%;
• повышение ресурса футеровки на 20-90%;
• увеличение производительности плавильных печей на 20-30%.
Рис. 15. Непрерывный контроль температуры
Рис. 16. Световодный контроль температуры в металлургических и нагревательных печах
лгггггГ: г: ггшггтгггггг / ci
-3 (47), 2008 / III
Установка непрерывного литья сляба
W
ЧН» 250 mm
^^ л-.
3 -в mm
4
Энергосбережение
ЦЬгЯИИ1* €г|
_
Установка литья тонкого сляба
1—Г
60 mm
А
2-6 mm
4
1
Установка литья полосы
Рис. 17. Процесс разливки 3-го тысячелетия
49%
83%
Промежуточный ковш с жидким металлом
Дозатор ^
Охлаждение ленты
Литейное кольцо
Вертикальная клеть
Стальная лента
Направляющие и гибочные ролики Охлаждение разбрызгиванием
Рис. 18. Литейно-прокатный агрегат колесо-лента
Сварной шов после соединения заготовок
LONG PRODUCT TECHNOLOGIES
Сварной шов после обработки
Рис. 19. Сварка заготовок при бесконечной прокатке
62/
ШШ111ШШШ11
3 (47), 2008-
вана на совмещении процессов затвердевания и деформации сляба с жидкой сердцевиной и последующей прокатки сляба с высокой температурой непосредственно после полного затвердевания:
• капитальные затраты снижаются на 30 %;
• текущие - на 50%;
• себестоимость - на 25%.
В области прокатки развитие идет в направлении увеличения массы сляба (до 40 т) и снижения конечной толщины листа до 1,5-1,0 мм.
Создаются высокопроизводительные трехкле-тьевые станы горячей прокатки, обеспечивающие прокатку сверхтонкой полосы (толщиной до 1 мм) со свойствами холоднокатаного металла.
Защита поверхностей от окисления
Нагрев и проката I под защитой от атмосферы
Удаление окалины без образования оксидов
Рис. 20. Разливка с защитой от образования оксидов
Трещины Включения
Рис. 21. Автоматический контроль качества
Рентгеновская система измерения толщины стенок труб имеет точность
- измерения толщины: ±0.001 мм
• измерения концентричности: ±0,1%
- диаметра и эллиптичности: ±0>05мм
Системы измерения
- профиля
- плоскостности
- толщины и ширины
- параметров труб
- оптическое и радиометрическое измерение толщины покрытия
- скорости движения
Рис. 22. Автоматический контроль качества параметров готовой продукции
Наиболее выгодна бесконечная прокатка, основанная на последовательной стыковке заготовок сваркой плавлением (рис. 19), которая позволяет обеспечить непрерывную подачу металла в прокатный стан, рост производительности, повышение выхода годного, уменьшение износа деталей стана, сократить затраты.
Повышение качества металлопродукции - это в первую очередь борьба с образованием оксидов на всех переделах (рис. 20) и непрерывный, автоматический контроль и управление качеством (рис. 21-23).
лгг-ггге г: гглгмтггг.р, Iм
-3 (47), 2008/ 1111
Особое важное место занимают исследования и разработки, направленные на повышение производительности и стабильности процесса разливки стали на МНЛЗ (рис. 24).
Повышение качества стального слитка тесно связано с разработкой новых эффективных процессов модифицирования (рис. 25).
Современные тенденции развития мировой металлургии имеют ряд интегральных критериев (рис. 26).
Измерительный лазер
Фотоприемник
/::г
Лазерный луч
Рис. 23. Скоростная система измерения шероховатости поверхности
УВЕЛИЧЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ И СТАБИЛЬНОСТИ ПРОЦЕССА РАЗЛИВКИ СТАЛИ НА МНЛЗ
Увеличение производительности процесса разливки стали на МНЛЗ более чем на 20%. Повышение качества слитка по геометрии поверхности, однородности структуры по сечению и длине слитка
Рис. 24.
ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА СТАЛЬНОГО СЛИТКА [
УЛУЧШЕНИЕ МАКРО- И МИКРОСТРУКТУРЫ
X
Повышение эффективности процесса
Существенное увеличение структурной дисперсности модификаторов
I
Литье закалочным затвердеванием
I
Литье в струйный кристаллизатор с затопленно-струйным вторичным охлаждением
Повышение структурной дисперсности литых м од и ф и като ров в 4...6 раза
Улучшение макроструктуры стальных слитков в 1,5...2 раза. Измельчение микроструктуры стальных слитков в 2-3 раза
Рис. 25.
М/шштшштпгтггщк
I 3 (47), 2008-
> Глобализация потребления, производства и торговли стали
> Усиление роли азиатского региона
> Интеграция науки, образования и производителей
> Переход к более эффективным способам производства стали
• Снижение доли доменного процесса
• Увеличение производства прямого восстановления железа
• Экспансия электроплавки
• Совмещение процессов непрерывной разливки и бесконечной прокатки
> Тенденции
Снижение затрат
Экологическая безопасность
Полная переработка отходов
Автоматизация производства
Непрерывный контроль и управление качеством
Рис. 26. Интегральные критерии
