Что обусловило доминирующий характер мартеновской технологии для черной металлургии Украины
Роль мартена в истории
Алексей Смирнов, Владимир Сафонов (Донецкий национальный технический университет)
Что обусловило доминирующий характер мартеновской технологии для черной металлургии Украины
Обычно рождение мартеновского процесса датируют 28 июля 1865г, когда Пьер Эмиль Мартен получил расширенный патент на изобретение “пудлинговой печи, работающей как печь плавления”. После этого процесс начал активно распространяться по миру. Первые промышленные печи были построены во Франции (1866г), Англии, Австрии и США (1868г), а также в России, Германии и Швеции (1869г).
Универсальность технологии мартеновской плавки позволяла легко адаптировать ее к особенностям конкретного промышленного производства. Чугун мог поступать в печь в жидком виде (если работу организовывали на заводах, выпускающих собственный передельный и относительно дешевый чугун); мартеновские печи (МП) в состоянии работать и скрап-процессом на полностью твердой шихте.
Эта универсальность во многом и поспособствовала тому, что мартеновская выплавка сравнительно быстро заняла господствующее место по отношению к другим технологиям производства стали и сохраняла его за собой вплоть до 60-х годов прошлого столетия. Так, уже к 1920г. в глобальных объемах выплавки стали доля мартеновской составила 60%, а к 1940г. – 75%. Доминировавший ранее бессемеровский процесс производства стали резко сдавал позиции.
ИСТОКИ МАРТЕНОВСКОЙ МЕТАЛЛУРГИИ СТРАНЫ
Структура черной металлургии Украины в годы первых советских пятилеток полностью соответствовала мировым аналогам. Так, в 1940г. на территории УССР было произведено 8,3 млн. т стали. При этом в мартеновских печах выплавили 78,5% от всего объема, в бессемеровских и томасовских конвертерах – 15,6%; в дуговых сталеплавильных печах – 2,3%.
Политэкономическая доктрина СССР того периода презюмировала ускоренное развитие металлургической промышленности, а именно: существенное повышение объемов выплавки стали в короткий исторический срок за счет концентрации производства. Причем, невзирая на идеологические противоречия со странами Запада, новые металлургические заводы оснащали преимущественно передовой на тот момент немецкой и американской техникой и технологией. Скажем, на Макевском меткомбинате, ДМК им. Дзержинского и “Запорожстали” построили мартеновские цехи по так называемому американскому типу – с напольными завалочными машинами, что обеспечивало большие возможности для увеличения их производительности.
В период Второй мировой войны украинская металлургическая промышленность и ее инфраструктура были полностью разрушены. Но уже в 1951г. в сооруженных, по сути, заново сталеплавильных цехах, был превышен довоенный уровень выплавки стали. Необходимость дальнейшего наращивания объемов производства стали в 1950-60-е гг. выдвинула на первый план концепцию развития, которая заключалась в строительстве большегрузных МП.
На основе сопоставительного анализа работы мартеновских печей с различной массой садки (от 70 до 300 т) в одних и тех же цехах нескольких заводов были подробно показаны причины повышения технико-экономических показателей при увеличении вместимости печей. Было установлено, что при удвоении массы садки производительность печи возрастает, по меньшей мере, в полтора раза. При этом значительно снижается удельный расход топлива и капитальные затраты.
В результате за 1951-1955гг. в Украине соорудили 27 мартеновских печей, из которых 12 имели вместимость 350-360 т. В 1956-1958гг. на Алчевском метзаводе построили четыре МП вместимостью 500 т, а в 1959-1962гг. на Криворожском МК и комбинате им. Ильича пустили в эксплуатацию два мартеновских цеха с крупнейшими в мире МП (из них восемь по 600—650т и три по 900 т).
После 1962г. строительство мартеновских мощностей в Украине было прекращено. Однако структура мартеновского производства Украины была сформирована как минимум на 20-25 лет с учетом срока окупаемости металлургического оборудования. В 1965г. в МП вместимостью 300 т и выше отечественные заводы и комбинаты производили около 60% стали. В середине 1970-х в УССР выпускалось порядка 33-34 млн. т мартеновской стали в год, что составляло примерно 2/3 от всего объема этой продукции, производимой в республике. Мартеновский процесс, таким образом, стал превалирующим в сталеплавильной промышленности Украины.
“КОРНИ” СТАГНАЦИИ
Можно ли счесть такой подход к развитию металлургии оправданным, особенно на фоне роста объема выплавки кислородно-конвертерного стали в западных странах? На взгляд авторов – да. Логика сформированной в Украине к 1962г структуры мартеновского производства имеет серьезное обоснование.
Во-первых, мартены (в сравнении с электропечами) с наименьшими затратами позволяли переработать накопления послевоенного стального лома. А рост объемов добычи природного газа, который начали широко применять для отопления мартеновских печей, позволил упростить конструкцию МП и на 20—25% увеличить площадь пода агрегатов в действующих цехах.
Во-вторых, ввод в действие последнего мартеновского цеха в Украине на МК им. Ильича нельзя рассматривать с позиции реалий 1962г. – “мол, в эпоху бурного распространения кислородно-конвертерного способа производства в мире мы продолжали строить мартены”. На самом деле научные, проектные и конструкторские разработки, геологические работы и начало сооружения этого цеха относятся к середине 1950-х. Иными словами – приходятся на период до начала “эпохи бурного распространения кислородно-конвертерного процесса”.
В-третьих, “мартеновская доминанта” в черной металлургии страны совсем не препятствовала распространению того же конвертерного процесса. В 1962г. в Украине уже работали два кислородно-конвертерных цеха, а параллельно с мартеновским на МК им. Ильича строили еще один ККЦ, который был пущен в 1964г. За счет этого доля конвертерной стали в общеукраинском объеме выплавки непрерывно увеличивалась до середины 1970-х, достигнув 27,9% к 1975г. Это вполне соответствовало ведущим тенденциям развития мировой металлургии того времени.
Впрочем без негативов мартеновская металлургия не оставляла Украину и в “советское время”, когда природный газ был дешевым, а его обязательное использование в доменном и сталеплавильном производстве регламентировалось чуть ли не директивами высшего руководства СССР. И негативы эти проявились именно в ходе разработки и внедрения новых технологий.
Так, до 1966г. основным способом применения кислорода для интенсификации мартеновского процесса являлась подача его в факел, что было вызвано простотой данного метода. Его применение, например, на мартеновских печах Макеевского метзавода позволило увеличить их производительность на 12% при сокращении расхода условного топлива на 16%. Но уже в 1963г. появилась альтернативная технология использования кислорода в мартеновском производстве. На тех же печах того же завода внедрили продувку ванны кислородом через сводовые фурмы. В масштабе цеха это мероприятие увеличило производительность на 10-25%, а расход топлива снизился на 10—30% в сравнении с подачей кислорода в факел.
Понятно, что эти преимущества прямо обусловили полную деградацию концепции работы мартенов в качестве пламенных агрегатов. Вместе с тем новый способ использования кислорода в мартеновском процессе имел заметные недостатки. При существенном увеличении производительности мартеновской печи (до 150 т/ч при массе плавки 200-300 т) наблюдалось резкое ухудшение качества поверхности слитка. Последнее было обусловлено разливкой
стали сверху – в связи с необходимостью повышения пропускной способности разливочных пролетов и дворов изложниц действующих мартеновских цехов.
В последующем процесс “интенсификации” и “модернизации” мартеновского процесса шел как бы по замкнутому кругу. Неуклонный рост объемов выплавляемого в МП металла в отсутствии стимулов к освоению высокотехнологичных марок стали и снижения металлоемкости порождал новый виток повышения производительности. К примеру, с 1960г по 1975г в Украине доля выплавки кипящей и полуспокойной стали уменьшилась лишь на 2,5% (с 54,8 до 52,3% соответственно) при физическом увеличении производства более чем в два раза (с 12,8 до 26,2 млн. т в год).
Однако наиболее “сильный удар” по мартеновской металлургии нанесла все таки технология непрерывного литья стальных заготовок, внедрение которой быстро распространилось в середине 1970-х. Мартен как агрегат оказался “слабо совместимым” с МНЛЗ. Здесь преимущество было за конверторами и дуговыми сталеплавильными печами.
СОВЕТСКАЯ ЛОГИКА И УКРАИНСКОЕ НАСЛЕДИЕ
Как раз в середине 1970-х в мире начали массово прорабатывать различные варианты замены мартеновских печей конверторами с донной продувкой при использовании существующих зданий цехов. К 1978г. уже действовало пять цехов, оборудованных большегрузными конверторами с донным дутьем и вместимостью от 150 до 230 т. В двух из них конверторы располагались именно на месте мартеновских печей. Общая мощность таких цехов оценивалась в 13—15 млн. т стали в год (вместе с реконструированными томасовскими сталеплавильными производствами в 25 млн. т.), что составляло около 6-7% производительности конверторов с верхней продувкой.
В СССР в тот период также озаботились вопросом замены мартенов на альтернативные агрегаты по выплавке стали. И даже вывели затраты на соответствующие мероприятия. По расчетам советских экономистов выходило, что общая стоимость замены мартеновских печей конверторами на металлургическом заводе средней мощности по состоянию на конец 1970-х начало 1980-х составляла порядка 100—110 млн. руб., включая затраты на переделку главного здания цеха в сумме 40—45 млн. руб. После этого активность в деле “замены мартенов” пошла на спад.
Впрочем, соображения финансового характера здесь были совсем не главенствующими. Генеральный аргумент “против” происходил от природы административно-
плановой экономики советской Украины. Одним из главных ее постулатов применительно к металлургической отрасли являлся следующий – для выплавки заданного количества стали по отрасли должен быть использован весь образующийся металлолом. Недопустимо было превышать количество потребляемого чугуна, предусмотренное плановым заданием. Каждому из метпред-приятий вменялось в обязанность израсходовать выделенное ему количество чугуна и лома. Причем независимо от того, сохраняется ли на этом предприятии мартеновский процесс или он заменяется конверторным. Но, как известно, при конверторном процессе расход чугуна выше, чем при мартеновском, а расход лома – ниже. В такой ситуации замена мартеновских печей конверторами приводит, с одной стороны, к образованию избытков лома, с другой — к нехватке чугуна и снижению возможного объема производства стали.
С учетом этих соображений перестройка сравнительно новых крупных мартеновских цехов в конверторные в реалиях СССР считалась экономически неоправданной. Помимо указанной (основной) причины приводились еще и такие аргументы “против”: ввод в эксплуатацию конверторов в мартеновском цехе не давал необходимого экономического эффекта, но сопровождался потерями производства в период длительной реконструкции, большими капиталовложениями при незначительном приросте годовой выплавки стали и возрастанием ее себестоимости.
При всем том устойчивое поддержание высоких объемов производства мартеновской стали уже в постсоветской Украине убедительно подтверждает “живучесть” этой технологии как таковой – даже в динамически изменяющейся внешней среде, определяющей эффективность процессов выплавки стали в целом. Другой вопрос, что в скором будущем эта внешняя среда сведется исключительно к территории нашей страны, т.к. в мире практически повсеместно отказались от использования мартеновского процесса при выплавке стали. И сомнительно, что Украина обеспечит условия хотя бы для выживания этой своеобразной “мартеновской резервации”. Особенно с учетом правил стремительно глобализирующейся экономики.