Алексей Смирнов, профессор, д.т.н., Донецкий национальный технический университет

 

В ближайшие годы следует ожидать жесткую дифференциацию металлургических предприятий по технологическому уровню и параметрам энергопотребления. При отсутствии серьезных инвестиций в реконструкцию сталеплавильных цехов произойдет “разлом” ГМК на успешно работающие предприятия и убыточные

 

Проблема потребления природного газа в Украине является едва ли не самой муссируемой на страницах печати и на экранах телевидения. В принципе это вполне объяснимо: газовая проблема как никакая другая совместила в себе как политические и коммерческие, так и чисто технологические аспекты. Сегодня уже практически каждый украинец знает, что природный газ весьма и весьма дорог (и в перспективе будет дороже), а страны, продающие его Украине, имеют дополнительные рычаги давления на экономику и политику нашего государства. Естественное желание наших политических руководителей вполне понятно – необходимо радикально уменьшить потребление экспортируемого природного газа и, в частности, ограничить потребление газа базовыми отраслями промышленности.

 

Черная металлургия является одним из основных потребителей природного газа в промышленном секторе Украине. По данным за 2005г., потребление природного газа предприятиями черной металлургии может быть оценено на уровне 7,2 млрд.м³ ежегодно. Но есть еще и сопряженные производства, которые имеют “скрытую” связь с основным технологическим процессом в металлургии, что добавляет еще 2,0-2,5 млрд.м³ в год. Если сравнить потребление газа та тонну украинской стали с усредненными показателями в мире, то непременно обратит на себя внимание тот факт, что украинский “аппетит” в несколько десятков раз выше. Все это дополнительно привлекает внимание к черной металлургии Украины как к объекту инновационного развития.

 

И все же, для того чтобы решать проблемы реструктуризации черной металлургии Украины в части радикального снижения потребления природного газа, необходимо четко обозначить структуру потребления и генезис его развития в последние несколько десятилетий.

 

Впервые природный газ в черной металлургии Украины начал применяться в 1957г., а примерно к 1963г. закончилась газификация предприятий черной металлургии, получающих природный газ от магистральных газопроводов “Ставрополь-Москва” и “Шебелинка-Днепропетровск”. В результате этого украинские металлургические заводы получили практически неограниченный доступ к природному газу, имеющему в те времена крайне низкую (условную) цену.

 

Газификация черной металлургии внесла значительные изменения в топливно-энергетический баланс предприятий и отрасли в целом. Например, несмотря на относительное снижение ресурсов доменного и коксового газов, доля газообразного топлива из года в год повышалась. При общем увеличении потребления топлива в черной металлургии СССР с 1963г. по 1972г. на 38% потребление природного газа возросло в 2,8 раза, коксового газа на 26,3%, доменного газа на 22,8%. Основными потребителями природного газа явились доменные, мартеновские и нагревательные печи, печи обжига огнеупоров и энергетические установки.

 

Расширение применения природного газа в доменном производстве способствовало повышению производительности доменных печей, сокращению расхода кокса (расход доменного кокса на отдельных предприятиях сократился на 15-20%), повышению коэффициента использования полезного объема печей. В мартеновском производстве применение природного газа привело к упрощению конструкции мартеновских печей, увеличению площади пода, повышению производительности и снижению удельного расхода топлива.

 

В целом же влияние природного газа на экономику доменного и сталеплавильного производства представляется двояким. С одной стороны, затраты на производство 1 тонны стали снижаются при использовании дешевого природного газа (как это было до последнего времени), а с другой – применение природного газа позволяет повысить температуру в печи, интенсифицировать технологический процесс и повысить коэффициент использования топлива. При условии низкой цены на природный газ это приводит к уменьшению удельного расхода топлива, затрат на него, росту производительности агрегатов и экономии постоянных расходов в цехах.

 

Собственно до конца 2005г. для металлургических предприятий Украины сохранялась структура потребления природного газа, которая стимулировалась необоснованно низкой ценой. По данным ПХО “Металлургпром”, средний расход природного газа в 2005г. на металлургических предприятиях Украины составил:

 

-         при производстве чугуна – 98,3 м³/т;

-         при производстве мартеновской стали (слитки) – 72,3 м³/т;

-         при производстве конвертерной стали (слитки) – 3,6 м³/т;

-         при производстве конвертерной стали (непрерывнолитая заготовка) – 7,0 м³/т;

-         при производстве стали в дуговых печах (непрерывнолитая заготовка) – 23,5 м³/т;

-         на прокатное производство – 36,6 м³/т.

 

Для сравнения отметим, что в высокоразвитых в металлургическом отношении странах суммарное потребление природного газа на 1 тонну производимой стальной продукции как минимум на порядок ниже.

 

Хорошо известно, что при производстве стали используется жидкий доменный чугун, составляющий от 85-90% металлической части шихты для конвертеров и 45-55% металлической части шихты для мартеновских печей, работающих скрап-рудным процессом. Следовательно, для условий конвертерного производства стали суммарное потребление природного газа может составить 87-92 м³/т, а для мартеновского производства – 115-126 м³/т. Производство стали в мартеновских печах существует в настоящее время на металлургических комбинатах ОАО “Азовсталь”, ОАО “Mittal Steel Кривой Рог”, ОАО “Запорожсталь”, ОАО “ММК им. Ильича”, ОАО “Макеевский металлургический комбинат”, а также на ОАО “Донецкий металлургический завод” и ОАО “Нижнеднепровский металлургический завод”. Сравнение динамики изменения объемов производства мартеновской стали в Украине и России с общими мировым данными показывает, что Украина единственная из мировых металлургических держав сохраняет (или наращивает) объемы производства мартеновской стали. Уменьшение объемов производства мартеновской стали в России (за последние 14-15 лет более чем в два раза) существенно улучшило показатель энергопотребления при выплавке стали в сравнении с Украиной.

 

Между тем в странах Европы, Китае, Японии природный газ в доменных печах уже давно не используется, поскольку его успешно заменили вдуванием пылеугольного топлива. А еще во всех странах, кроме Украины и России, мартеновское производство стали как таковое давно уже отсутствует.

 

Еще одним стратегическим перекосом в структуре металлургического производства Украины является весьма низкая доля объемов производства стали в дуговых сталеплавильных печах. Эта доля в 2005г. составила около 3,6%. Для сравнения отметим, что примерно треть всей выплавляемой стали в мире производится в дуговых сталеплавильных печах, в том числе в США – 53,6%, Германии – 30,7%, Франции – 38,6%, Италии – 62,5%, Польше – 35,1%, Турции – 71,5%, Индии – 38,9% (по данным за 2004г.). А ведь именно дуговые сталеплавильные печи не требуют применения жидкого чугуна и работают, как правило, на металлическом ломе. Как показывает практика, наиболее рациональным построением электрометаллургического производства являются миниметаллургические заводы, проблематика которых уже не раз освещалась на страницах журнала (см. “Металл” №12, 2005г.). Для Украины, располагающей высоким потенциалом в части производства электроэнергии и запасов металлолома, создание новых миниметаллургических производств представляется достаточно привлекательным. А пока этих производств нет, наш металлолом переплавляется в соседних странах – Турции, Молдавии и прочих.

 

Рассматривая с позиций потребления природного газа динамику развития металлургического комплекса Украины в последние 25-30 лет, нельзя не отметить, что это развитие происходило вопреки общепризнанным в мире концепциям потребления природного газа и энергосбережения, что, в конечном счете, обозначило серьезные признаки технологической депрессии при повышении цен на газ. Дальнейшее повышение цен на природный газ (а это обязательно произойдет в силу развития определенных тенденций на рынках энергоносителей), видимо, может привести к четко выраженному разделению наших металлургических предприятий на эффективные и неэффективные в части энергопотребления. Это разделение может приобрести форму разлома в случае повышения цен на газ до уровня мировых в течение 2-4 лет. Как следствие, только у определенной части металлургических предприятий может получиться быстро и эффективно сократить потребление газа в доменном и сталеплавильном производстве, поскольку это требует достаточно крупных инвестиций.

 

В рамках государственного развития черная металлургия выполняет функцию обеспечения материальной основы современной индустрии широким спектром конструкционных материалов и металлопродукции. В Украине эта функция уже давно и успешно выполняется, а большая часть металлопродукции экспортируется на мировые рынки. Такая ситуация делает актуальным вопрос оптимизации объемов производства чугуна и стали в ракурсе глобализации рынков и повышения конкуренции. Сегодня уже вполне очевидно, что сохранение “любой ценой” прежних объемов и технологических схем производства металлопродукции не может рассматриваться в качестве эффективной стратегической схемы. В рамках перехода к экономике постиндустриального типа высокое энергопотребление в металлургии может служить существенным “тормозом” в ее развитии. Следовательно, поиск рациональных технологических систем в черной металлургии Украины представляется едва ли не важнейшей и первоочередной задачей. Более того, украинская металлургия имеет уникальные возможности по реструктуризации, поскольку сейчас оказывается возможным использование самых последних достижений начала XXI века.

 

Конкурентоспособность металлопродукции во многом зависит от ее стоимости, в которую значительной частью входят энергозатраты, в т.ч. на природный газ. В условиях, когда структурная перестройка металлургической отрасли не завершена, энергоемкость производств остается более высокой, чем у западных производителей. Дальнейший опережающий рост цен на энергию и газ неизбежно превратит подавляющее число предприятий металлургической отрасли в убыточные и приведет к резкому сокращению поставок металлопродукции на экспорт, значительному снижению объемов производства, увольнению десятков тысяч трудящихся и осложнению социальной обстановки в стране.

 

О степени отставания черной металлургии Украины от ведущих производителей стали можно судить, проанализировав основные технологические процессы.

 

Выплавка стали как технологический процесс требует радикального сокращения объемов выплавки мартеновской стали в пользу кислородно-конвертерного и электросталеплавильного процессов. В этом плане Украина располагает колоссальным потенциалом. Но такая реструктуризация сталеплавильного производства требует колоссальных инвестиций, которые очень скромно можно оценивать из расчета $400-600 США на тонну годового производства стали.

 

Между тем исключение из технологической цепи мартеновских цехов не просто кардинально уменьшит объемы потребления природного газа, но также обеспечит общую экономию энергии примерно в 2-2,5 раза (без учета замены слитков на непрерывнолитую заготовку). Кроме того, дополнительный эффект будет достигнут от сокращения численности обслуживающего персонала (особенно в сравнении с мини-заводами).

 

Замена мартеновских печей на конвертеры или электродуговые печи представляется не такой простой задачей по целому ряду соображений. Мартеновские цеха обычно предполагают работу со сталеразливочными ковшами большой емкости (150-250 т), что в системе современных технологий не считается столь уж оптимальным решением. Достаточно сказать, что в настоящее время в мире эксплуатируется около 260 кислородно-конвертерных цехов, имеющих в своем составе около 660 конвертеров, но только 19 цехов из них имеют в своем составе конвертеры емкостью 290-300 т и более (6 таких цехов функционирует на территории бывшего СССР и построены они в эпоху гигантомании). Дело в том, что построение конвертеров большой единичной емкости предопределяет высокую производительность конвертерного цеха (даже для двух крупных конвертеров это составляет 4,5-5,5 млн.т стали в год). Но для украинских мартеновских цехов подобная цифра представляется запредельной, особенно в ракурсе обеспечения такого цеха жидким чугуном. К этому не готовы ни имеющиеся доменные цеха, ни сопряженные с ними аглофабрики. Следовательно, путь создания крупных конвертеров взамен действующих мартенов требует дополнительных инвестиций в части расширения аглофабрик и доменных цехов со всеми вытекающими отсюда последствиями, главными из которых, видимо, будут колоссальные дополнительные инвестиции.

 

Следующий этап в сталеплавильном производстве – разливка стали. И здесь контраст Украины и других металлургических стран поистине велик. Превалирующей в мире технологией разливки стали является технология непрерывной разливки на заготовки квадратного, прямоугольного, круглого и плоского сечения. Сегодня машины непрерывной разливки стали работают более чем в 90 государствах. При этом в большинстве стран мира доля стали, разливаемой на МНЛЗ, превышает 90-95% и более. В Украине же доля непрерывно разлитой стали в 2005г. составила лишь 29,5%. Динамика увеличения объемов стали, разливаемой на МНЛЗ в последние годы, в целом весьма положительна.

 

Прямым технологическим преимуществом технологии непрерывной разливки стали является повышение выхода годного до 99,0-99,5% (известно, что при разливке стали в слитки этот показатель колеблется в пределах 80-88%). Между тем непрерывная разливка стали позволяет получать заготовку, которая имеет сечение, максимально приближенное к сечению металлопродукции (с учетом требуемого уровня пластической деформации). Это полностью исключает из технологического процесса обжимные (блюминги и слябинги) и непрерывнозаготовочные станы. Соответственно, это существенно уменьшает затраты природного газа на отопление нагревательных и термических печей, которые применяются для нагревания заготовки. В целом затраты природного газа в этих производствах могут быть оценены на уровне 4-7 м³/т.

 

Научно-технологический прогресс в области непрерывной разливки стали создал дополнительный спектр ее преимуществ за счет приближения профиля заготовки к профилю конечной продукции. Так, в области производства длинномерного проката производство обеспечивается непрерывнолитой заготовкой, начиная с сечения 100х100 мм, что в большинстве случаев оказывается достаточным для многих видов мелкого проката (арматура, проволока, пруток и пр.). Энергетические преимущества такой заготовки вполне очевидны. Однако в настоящее время в Украине такая технологическая схема успешно используется лишь в конвертерном цехе ОАО “Енакиевский металлургический завод”, обеспечивая двумя 6-ручьевыми высокоскоростными сортовыми МНЛЗ разливку около 200 тыс.т стали в месяц.

 

Разумеется, для более крупных профилей используется более крупная заготовка. Максимальное сечение непрерывнолитой заготовки может быть оценено на уровне 500х500 мм или 600х600 мм. Например, на австралийском заводе “БХР Стил” размер блюма составляет 400х630 мм при производительности 400 тыс.т стали в год на один ручей. Выбор сечения блюма, вероятно, во многом определяется условиями литья стали и требованиями к исходной заготовке в зависимости от конечной (прокатанной продукции). В Украине две 6-ручьевые блюмовые МНЛЗ функционируют в конвертерном цехе ОАО “Днепровский металлургический завод”, обеспечивая производство стали на уровне 1,3 млн.т в год.

 

Наиболее перспективным направлением при производстве широкополочных балок является применение фасонных двутавровых заготовок, получаемых на машинах непрерывного литья. Применение непрерывной разливки стали для получения фасонной заготовки позволяет заметно сократить расход металла на производство 1 т широкополочных балок, исключить обжатие слитков на дорогостоящих обжимных станках, что существенно снижает энергозатраты и себестоимость готового проката. Тип фасонной заготовки определяется минимальным числом проходов при прокатке, необходимым для получения заданной микроструктуры. В настоящее время разливка балочных фасонных заготовок получила широкое распространение в мире. При этом наиболее эффективным оказывается технологическое построение, в котором МНЛЗ для литья балочных заготовок совмещена непосредственно с прокатным станом. Основные преимущества разливки балочных фасонных заготовок достигаются в следующем: экономия производственных расходов для нового балочного стана до 25-30% (исключение черновой клети); повышение производительности на 15% (за счет исключения черновой клети и связанных с ней черновых проходов); снижение потребности в природном газе и электроэнергии на 50% (за счет уменьшения числа обжатий); повышение выхода годного на 1-1,5%. В России такая МНЛЗ сооружена в 2001г. в конвертерном цехе Нижнетагильского металлургического комбината (сечение заготовки 530x355x165 мм и 1050x450x130 мм). Отечественные металлургические предприятия такими МНЛЗ не располагают.

 

При этом Украина имеет высокий производственный потенциал для производства катаных труб различного диаметра. Вместе с тем исходной заготовкой для трубопрокатного производства по-прежнему служит слиток. В то же время исследованиями, проведенными в ФРГ, США, Японии и бывшем СССР, установлено, что использование круглой заготовки по сравнению с использованием слитков и непрерывнолитых блюмов при производстве труб имеет определенные преимущества: круглая форма заготовки способствует рассредоточению возникающей в осевой зоне центральной пористости и ликвации; поверхность заготовки имеет более высокое, чем у квадратной, качество (нет продольных и угловых трещин); в результате этого качество труб, изготовленных из круглой непрерывнолитой заготовки, обычно выше, чем из квадратной; повышенная плотность равноосной структуры в осевой зоне заготовок обеспечивает снижение количества микродефектов, образующихся обычно на внутренней поверхности трубы из-за наличия центральной пористости. Непрерывная отливка круглых заготовок, предназначенных для производства бесшовных труб, железнодорожных колес, бандажей, колец различных назначений и катанки, получила широкое распространение в ряде зарубежных стран. Размерный сортамент литых круглых трубных и колесных заготовок довольно широк: от 120 до 500 мм. При этом круглые заготовки отливают практически на МНЛЗ всех типов (возможности энергосбережения при непрерывной разливке стали на заготовки для плоского проката подробно рассмотрены нами в журнале “Металл” №5, 2005г.). В Украине наибольшее распространение получила технологическая схема: выплавка стали в конвертере – доводка стали в ковше (продувка инертным газом) – разливка стали на слябовой МНЛЗ (толщина сляба 200-300 мм) – горячая прокатка слябов до листа заданной толщины и т.д. (металлургические комбинаты ОАО “Азовсталь”, ОАО “ММК им. Ильича”, ОАО “Алчевский металлургический комбинат”). Тем не менее, технология получения плоского проката из слитка сохранилась на комбинате ОАО “Запорожсталь” и ОАО “ММК им. Ильича”. Рассматривая дальнейшую перспективу, необходимо отметить, что существенную экономию топливно-энергетических ресурсов (примерно 1-1,2 ГДж) обеспечивает технологическая схема получения плоского проката при использовании литейно-прокатных модулей с разливкой стали на тонкий сляб и передачей его на прокатку в горячем виде. Такая технологическая схема позволяет коренным образом изменить построение современного металлургического завода.

 

В большинстве стран мира широкое распространение получило производство стали в электродуговых сталеплавильных печах на базе концепции так называемых металлургических мини-заводов. Только за последние десять лет производство стали в электродуговых печах возросло в 1,5 раза и составило 348 млн.т в 2004г. Прогнозируемое производство электростали в 2010г. оценивается на уровне 450-460 млн.т. Напомним, что современное содержание понятия “мини-завод”(mini-mill) включает в себя: относительно небольшие затраты на производство, минимальные выбросы технологических отходов в окружающую среду, минимальные простои оборудования и агрегатов, минимальный производственный цикл при максимальной производительности, продажах и рентабельности (подробнее см. “Металл” №9, 2005г.). По сравнению с металлургическим комбинатом полного цикла мини-заводы имеют более высокую прибыль на единицу продукции (несмотря на более высокие издержки производства), получаемую благодаря более низким удельным капиталовложениям, простоте и высокой степени автоматизации производственных процессов, оптимальному использованию производственного оборудования, гибкости технологических схем, исключению нерациональных энергозатрат и дорогостоящих перевозок. Мини-заводы реализовали идею так называемого “квазибезлюдного производства” в металлургии, т.е. когда персонал находится в безопасных условиях пультов управления, в то время как отдельные переделы и вся производственная линия управляются автоматизированными компьютерными системами. Все это обеспечивает опережающее развитие тем технологиям, которые направлены на создание новых высокоэффективных технологических построений в рамках концепции “мини-завод”. Концепция высокоэффективного мини-завода успешно реализована на ЗАО “Миниметаллургический завод “ИСТИЛ (Украина)” (г. Донецк). В электросталеплавильном цехе этого предприятия в 2005г. произведено более 0,81 млн.т стали, из которой 0,64 млн.т разлито на 6-ручьевой сортовой МНЛЗ.

 

В развитие концепции мини-заводов можно утверждать, что эти предприятия для получения листовой продукции могут быть достаточно привлекательными для инвесторов в силу целого ряда экономических и технологических преимуществ. Особенно широкие перспективы для использования в технологических системах современных мини-заводов могут иметь литейно-прокатные модули на базе тонкослябовых и двухвалковых МНЛЗ. При этом технология прямой отливки тонкого листа на двухвалковой МНЛЗ исключает такие операции традиционного процесса, как отливка и зачистка слябов, их повторный нагрев и прокатка. В результате этого значительно сокращаются капитальные вложения, связанные с оборудованием, и уменьшаются энергозатраты.

 

Обобщая рассмотренные технологические схемы с непрерывной разливкой стали следует отметить, что их максимально высокая эффективность достигается при создании совмещенной системы, в которой выплавка стали совмещается с непрерывной разливкой путем применения универсальных агрегатов для доводки стали в ковше (установки “ковш-печь”), обеспечивающих не только требуемые качественные показатели, но и регулирование (подогрев) температуры стали. Развитием такой совмещенной системы следует считать сочетание непрерывной разливки с непрерывной прокаткой (например, литейно-прокатные модули), что существенно повысит энергосбережение и производительность всей системы, так как металл без охлаждения после разливки будет подаваться для прокатки.

 

Украинские металлургические заводы находятся в крайне уязвимом положении в сравнении с конкурентами из других металлургических стран. При этом в качестве потенциальной угрозы экономическому благополучию ряда металлургических заводов может служить дальнейшее повышение цен на газ, а также дальнейшая глобализация рынка металлопродукции, связанная с выходом на мировой рынок металлопродукции из КНР. Собственно эти тенденции проявляются уже сегодня. Например, в 2005г. мировой годовой прирост производства стали составил 71 млн.т, а прирост в КНР – 77 млн.т. При этом в США и странах ЕС объем производства сократился на 16 млн.т.

 

В ближайшие годы следует ожидать жесткую дифференциацию металлургических предприятий по технологическому уровню и параметрам энергопотребления (в частности, природного газа). При отсутствии серьезных инвестиций в реконструкцию сталеплавильных цехов произойдет “разлом” горно-металлургического комплекса на успешно работающие предприятия и убыточные. При этом граница разлома пройдет по следующим технологиям: использование пылеугольного топлива вместо природного газа в доменных печах – исключение из технологического процесса мартеновских цехов – разливка стали на современных высокопроизводительных МНЛЗ. Сохранение мартеновского производства и разливку стали в слитки следует рассматривать как депрессивный путь развития предприятия, который приведет к его закрытию со всеми вытекающими отсюда социальными последствиями.

 

Основной проблемой при этом является то, что многие из сталеплавильных циклов в большей или меньшей степени морально и физически устарели. Крупнейшим комбинатам – ОАО “Азовсталь”, ОАО “ММК им. Ильича”, ОАО “Алчевский металлургический комбинат”, а также ОАО “Енакиевский металлургический завод” – вполне по силам завершить в ближайшие годы приведение основных технологических процессов к мировому уровню. В то же время сталеплавильное производство комбинатов ОАО “Запорожсталь”, ОАО “Mittal Steel Кривой Рог” и, в некоторой степени, ОАО “Днепровский металлургический комбинат им. Дзержинского” и ОАО “Нижнеднепровский металлургический завод”, а также ОАО “Днепроспецсталь” морально устарели. При этом стоит иметь в виду, что комбинаты “Mittal Steel Кривой Рог” и ОАО “Запорожсталь” являются крупнейшими потребителями природного газа. А ЗАО “Макеевский металлургический завод”, ОАО “Донецкий металлургический завод”, “Днепропетровский металлургический завод им. Петровского” и ОАО “Краматорский металлургический завод им. Куйбышева” с точки зрения современных технологий выглядят еще хуже. Их перспектива – полная перестройка, включающая замену мартеновских печей на электродуговые по схеме мини-завода.