Как возник мини-формат в мировой металлургии, и что определяло его развитие

Концепция металлургического мини-завода, как таковая, известна достаточно давно. Еще до второй мировой войны существовала большая группа компактных специализированных металлургических заводов, производивших в мартеновских (скрап-процесс) и дуговых сталеплавильных печах качественную сталь, которая затем использовалась при производстве труб и определенной линейки машиностроительных профилей. (С начала 1960-х годов эти заводы претерпели серьезную реконструкцию, в ходе которой мартеновские печи были заменены на дуговые сталеплавильные печи. Исключение составили разве что некоторые металлургические предприятия Украины и России.)

А бурное развитие мини-заводов в мире было предопределено, прежде всего, достаточно высокими темпами прогресса в области создания нового металлургического оборудования.

В начале прогресса

Дуговая сталеплавильная печь (ДСП) уже к началу 1940-х годов сформировалась как эффективный промышленный сталеплавильный агрегат, обеспечивающий работу мини-металлургического завода по переработке металлолома. Однако в то время процесс выплавки металла в ДСП не мог экономически конкурировать с мартеновским способом производства стали в части массового сортамента. Поэтому возникло своеобразное “разделение труда”, и в дуговых электропечах выплавляли только легированные и высоколегированные марки стали.

Максимальная удельная тепловая мощность первых дуговых сталеплавильных печей вместимостью 5-30 тн не намного превышала мартеновские и составляла 190-300 против 150-230 кВт/т, хотя тепловой КПД электропечей был существенно выше, а удельный расход тепла на выплавку стали равнялся 500-1000 против 930-2900 кВт•ч/т соответственно. Однако из-за малой вместимости производительность ДСП в сравнении с 30-200-тонными лучшими мартеновскими печами составляла, как правило, 1-3 против 4-19 т/ч соответственно.

Наиболее активно производство стали в дуговых печах развивалось в Соединенных Штатах, где к завершению второй мировой войны годовая выплавка электростали достигла 5 млн.т. Объясняется это тем, что в США уже в 1941г. было введено в эксплуатацию 17 и находились в стадии завершения строительства 11 дуговых печей. Доля электростали в общеамериканском производстве стали, составлявшая накануне войны 1,7-1,8%, достигла 5,2% в 1943г. и 6,5%. в 1951г.

Средняя вместимость американских ДСП значительно увеличилась. Так, в 1951г. доля печей вместимостью 60 т и более составляла около 30%. В послевоенное время в США вообще наблюдается тенденция к повышению средней вместимости электросталеплавильной печи. Это достигается как за счет строительства 51 ДСП средней вместимостью около 30 т, так и путем ликвидации или консервации 58 электропечей средней вместимостью 6,1 т.

Тогда же наметилась еще одна устойчивая тенденция – сокращение разрыва между удельными расходами на топливо для мартеновских печей и на электроэнергию. Уже не только оценка специалистов, но и опыт работы ряда заводов демонстрировал возможность выплавки стали массового сортамента в крупных дуговых печах с одинаковыми или даже несколько меньшими затратами, чем в работающих скрап-процессом мартенах. (В США доля углеродистой стали, выплавленной в ДСП, составила в 1951-1953гг. около 54,2% всего объема произведенной электростали.)

Наращивание американского производства углеродистой стали в электропечах происходило и за счет реконструкции мартеновских цехов мини-металлургических заводов того времени. В 1951г. на заводе Tirnken Roller Bering демонтировали три 120-тонные мартеновские печи и вместо них установили три ДСП вместимостью по 70 т с мощностью печного трансформатора 20 МВА. Каждая из этих электропечей обеспечивала производительность 14-16 т/ч и выплавляла 85 тыс.т стали в год. Естественно, что такой подход создавал условия для разработки крупных электропечей, вместимость которых была бы соизмерима с данным показателем для мартенов.

Набирая форму

В 1950-х гг. после восстановления промышленности подобное развитие происходит в странах Западной Европы и Японии. Печестроительные компании Великобритании, Бельгии, Италии, Франции и Японии заимствуют и развивают конструктивные принципы американской печи Lectromelt и производят электропечи большой вместимости. Так, например из 117 ДСП, построенных компанией Mannesman Demag, шесть имели вместимость 150 т и мощность трансформатора 40 МВА. В Европе и Японии также наступает этап развития мини-заводов, который характеризуется заменой мартеновских печей дуговыми электропечами вместимостью 50-150 т.

В этот же период в США начинают строить ориентированные на выпуск стали массового сортамента крупные электрометаллургические заводы. Одной из первых на этом пути была компания Florida Steel, образовавшаяся в 1956г. путем слияния предприятий, занимавшихся металлообработкой. В 1958г. она ввела в строй свой первый мини-завод в г. Тампа с двумя 30-35 т дуговыми печами и прокатными станами мощностью в 280 тыс.т арматурной стали. В начале 1960-х гг. в США работало 12 мини-миллов, обеспечивающих около 2% потребления черных металлов в стране.

С 1970-х гг. стартует этап серьезной структурной перестройки в черной металлургии Соединенных Штатов Америки и ряда стран Западной Европы, в процессе чего постепенно уменьшается роль крупных металлургических фирм и заводов с полным циклом. Например, в период 1977-1985гг. десять крупнейших металлургических фирм США закрыли и продали 20 заводов в разных частях страны. При этом главной причиной спада в американской черной металлургии признаются растущая конкуренция импортной продукции с проявлением все большего отставания ведущих “стальных фирм” США от их зарубежных конкурентов в области внедрения в производство новейших достижений.

К рубежу 1980-х гг. в 42 странах мира эксплуатировалось более 240 мини-заводов, суммарная мощность которых по выплавке стали достигала 42 млн.т/год, что составляло в то время около 6% всех имеющихся в наличии мощностей. При этом одновременно с возведением новых электрометаллургических заводов в мире проводили модернизацию старых. А важнейшим технологическим новшеством, завершившим формирование концепции мини-металлургии, стал способ непрерывной разливки стали.

Так, в 1965г. компания Florida Steel реконструировала мини-завод в г. Тампа путем оснащения его двумя двухручьевыми машинами непрерывного литья заготовок (МНЛЗ), а в 1974г. – завод в г. Шарлотт аналогичным образом. После 1974г. все пять мини-миллов Florida Steel разливали сталь на МНЛЗ и выпускали около 1,5 млн.т проката. Строительство мини-завода с аналогичной схемой производства было начато в 1970г. и в Великобритании. Первая очередь, в состав которой входили 80-тонная дуговая электропечь с трансформатором мощностью 27 МВА, четырехручьевая МНЛЗ и 19-клетевой стан 455, была завершена в 1972г. Мощность завода составляла 180 тыс.т жидкой стали в год, а по прокату – 160 тыс.т.

Рост количества мини-миллов ( к примеру, к середине 1980-х гг. количество мини-металлургических заводов в США превышает 50, и на их долю приходится уже около 20% американского рынка металлопродукции) и их высокая конкурентоспособность объясняются несколькими факторами. Среди них и то, что владельцы таких производств не затрачивают средства на добычу и/или приобретение дорогостоящего сырья, а также разнообразного оборудования для его переработки. А на самих мини-заводах эксплуатируются новейшие ДСП с автоматизированным управлением плавкой, позволяющим точно регулировать подводимую мощность.

В результате с 1960г. по 1984г. доля мирового производства стали, выплавляемой в электропечах, выросла более чем в 4,5 раза и составляла 163 млн.т, количество мини-заводов во всем мире достигло 330 с общим объемом производства 61 млн.т стали в год. Производительность дуговой сталеплавильной печи практически удвоилась и достигла 91-93 т/ч, при этом количество выпускаемых в год плавок увеличилось с 2500 до 5000.

В массовом исполнении

К середине 1980-х гг. в черной металлургии мира уже четко проявили себя основные тенденции в техническом и технологическом построениях мини-милла, а именно:

Опыт эксплуатации дуговых печей в этот период показал, что сверхмощная ДСП не требует больших расходов по переделу. В результате эта печь наряду с конвертером становится одним из основных плавильных агрегатов в сфере производства стали массового сортамента.

Однако со второй половины 1980-х темпы прогресса в черной металлургии задаются развитием мирового энергетического кризиса. Эти процессы сопровождаются снижением динамики роста, некоторым сокращением объемов производства в основных промышленно развитых странах, заметными колебаниями потребности мирового рынка в стали и ужесточением требований к качеству металлопродукции в условиях снижения ее себестоимости. Под воздействием данных факторов мини-завод превращается в единую производственную систему, в которой несогласованность или даже напряженность в работе одного технологического звена приводит к немалым потерям энергии. На первый план выходит задача гармоничного совмещения цикла выплавки стали в ДСП с процессом ее разливки на МНЛЗ.

Практически всю сталь, получаемую на мини-металлургических заводах, разливают на машинах непрерывного литья заготовок. При этом большая часть МНЛЗ предназначается для получения блюмов малого сечения и сортовых заготовок. Крайне важным аспектом увеличения производительности блюмовых и сортовых МНЛЗ становится повышение скорости вытяжки заготовки из кристаллизатора. При этом для обеспечения стабильности процесса разливки в максимальной степени используется комплексная система автоматики, обеспечивающая регулирование расхода стали из промковша и контролирующая температуру поверхности заготовки в зоне вторичного охлаждения.

Массовое распространение получает также применение т.н. “параболических” кристаллизаторов. (Существенной предпосылкой создания такого типа кристаллизаторов стало стремление обеспечить формирование прочной корочки непрерывного слитка на выходе из кристаллизатора, что должно быть достигнуто увеличением интенсивности охлаждения. Следовательно, геометрия внутренней поверхности кристаллизатора в виде параболического профиля необходима для того, чтобы сделать поправку на естественную усадку непрерывнолитой заготовки. Как показывает практика, такие кристаллизаторы обеспечивают скорость разливки сортовой заготовки на уровне 4,5-6,5 м/мин.).

По прогнозам института IISI (Брюссель, Бельгия), уже в 2010г. производство электростали составит 450-460 млн.т. С учетом этого тем более очевидным является многолетнее системное отставание Украины в части развития электросталеплавильного производства. Хотя в условиях неоправданно высокой доли энергоемкого мартеновского производства стали (44% от общего объема производства стали в 2004г.) создание новых мини-металлургических заводов и комплексов для украинской металлургии представляется сверх актуальной задачей.

Выход из сложившегося положения необходимо искать уже сейчас, ориентируясь на замену мартеновского производства конвертерным и электросталеплавильным (в необходимой пропорции – с целью оптимизации загрузки прокатных мощностей действующих предприятий). Стартовые возможности для этого у нашей страны довольно высокие. Обеспечивает их, прежде всего, наличие группы машиностроительных заводов, преимущества которых как отечественных разработчиков и изготовителей металлургического оборудования вполне понятны.