Сергей Крамаренко, Леонид Шпилевой, начальник горно-обогатительного и гидрометаллургического бюро Мариупольского МК им. Ильича, Юрий Трубицын, доктор технических наук, главный ученый специалист Института титана (г. Запорожье)

 

Создание собственной базы металлургического сырья ММК им. Ильича может стать основой для возрождения и развития украинского производства поликремния

 

На сегодняшний день развитие электроники в мире просто немыслимо без эффективно функционирующего производства поликристаллического кремния – “железной руды” электронной промышленности. Вместе с тем только немногие наиболее индустриально развитые страны способны на создание и поддержание подобного производства.

 

Сегодня такими странами являются Германия, США, Япония и Италия. Но еще в 1997г. в число этих стран входила и Украина. В начале 90-х годов прошлого столетия 2 украинских предприятия – Запорожский титано-магниевый комбинат и Донецкий химико-металлургический завод (ДХМЗ; ныне – Химико-металлургическая фабрика Мариупольского МК им. Ильича) – обеспечивали выпуск 85% всего поликристаллического кремния, производимого в СССР, и 4-5% мирового производства. В настоящее же время мощности по его выпуску сохранились и законсервированы лишь на ХМФ ММК им. Ильича. Причина простаивания мощностей – неконкурентоспособность продукции на внутренних и внешних рынках из-за высокой себестоимости производства. Бурное развитие в последние годы как электронной техники, так и технологии фотогальванического получения энергии (солнечных батарей), что особенно актуально для Украины, требует утверждения на государственном уровне программы возрождения и дальнейшего прогресса отечественного производства чистого кремния. Особенно – поликристаллического.

 

 

Основное количество поликремния в мире – до 80% – получают водородным восстановлением трихлорсилана (ТХС) так называемым “Cименс-процессом”. Такое производство характеризуется высокой материало- и энергоемкостью. В “Сименс-процессе” доля сырья в себестоимости продукции составляет примерно 35-40%. До 30-35% затрат приходится на энергоресурсы – электроэнергию и пар. Еще 8-10% затрат составляет водород, который получают электролизом, -также достаточно энергоемким процессом.

 

И хотя сегодня цена на поликремний на мировых рынках достигла 60-80 $/кг, специалисты понимают, что это временное явление. Изготовители поликремния стремятся найти технологические методы, позволяющие резко удешевить производство. Особенно это важно в случае солнечной энергетики, дальнейшие перспективы широкого развития которой напрямую зависят от стоимости элементов солнечных батарей, изготавливаемых из полупроводникового кремния. Поиски новых технологий направлены прежде всего на достижение удельного расхода электроэнергии 50 кВт-ч за 1 кг поликремния, снижение себестоимости поликристаллического кремния электронной (полупроводниковой) чистоты до 15-20 $/кг и поликремния солнечного сорта до 5-10 $/кг.

 

Зарубежные компании содержат в данных целях cпециальные исследовательские центры и вкладывают в их работу десятки миллионов долларов США, но пока им не удалось достичь существенного прорыва как в создании новых технологий производства поликремния солнечного качества, так и в совершенствовании традиционного “Сименс-процесса”. При этом удельные расходы электроэнергии в “Сименс-процессе” давно снижены до 200-250 кВт-ч/кг поликремния и фактически достигли предела.

 

Основные направления снижения себестоимости производства поликремния – это поиски источников дешевых электроэнергии и сырья, эффективное использование попутных продуктов и отходов, в первую очередь тетрахлорида кремния и хлористого водорода. Последнее возможно при создании замкнутого цикла производства на одной промплощадке и заслуживает отдельного и детального обсуждения.

 

Дальнейшее снижение доли энергетических затрат в себестоимости производства поликремния и обеспечение его конкурентоспособности достигается за рубежом системой скидок со стороны энергогенериру-ющих компаний или дотациями его производителей со стороны правительства, а также строительством собственных электростанций, выработка электроэнергии на которых обходится дешевле.

 

По этому же пути пошли и в России: создание производства российского поликремния там поручили Министерству атомной энергетики. Сегодня строительство предприятия по выпуску полупроводникового кремния в Красноярском крае осуществляется на одном из предприятий этого ведомства, в состав которого входит атомная электростанция.

 

Сообщается также об использовании за рубежом альтернативных источников дешевого сырья для изготовления поликремния. Так, некоторые производители – в первую очередь крупные химические концерны – получают ТХС в качестве побочного продукта при выпуске полиметилсилоксана. Известно также об использовании ТХС, получаемого попутно при хлорировании редкоме-талльного сырья.

 

Значительное внимание иностранные производители поликремния уделяют и использованию побочных продуктов своего производства, прежде всего тетрахлорида кремния (ТХК). Учитывая, что на каждую тонну поликремния в “Сименс-процессе” образуется 11т ТХК, его переработка в различные виды продукции позволяет существенно снизить себестоимость основной продукции. Так, из ТХК известные международные компании изготовляют различные виды достаточно дорогой продукции – аэросил, дымчатый и оптический кварц, световоды для оптических линий связи, силикагель, кремнийорганические полимеры.

 

В Украине же, кроме технологии производства аэросила, практически отсутствуют апробированные технологии переработки отходов поликремниевого производства в высокотехнологичные продукты. В стране установлены высокие внутренние цены на электроэнергию, а государственная и отраслевая система льгот для крупных энергопотребляющих предприятий отсутствует. Так, сквозная норма расхода, учитывающая затраты электроэнергии и на вспомогательные процессы, достигала на профильных отечественных предприятиях 600-700 кВт-ч/кг ($15-17 в цене 1 кг поликремния). Кроме того, в Украине сегодня отсутствует дешевое собственное сырье – ТХС. Мощности по производству поликремния на ХМФ ММК им. Ильича также, к сожалению, по основным технико-экономическим показателям значительно уступают зарубежным аналогам. Соответственно, отечественный производитель поликремния особенно нуждается в решении проблемы дешевого сырья и энергоресурсов, эффективного использования отходов производства.

 

 

ММК им. Ильича, в состав которого ныне практически вошел бывший ДХМЗ, объективно заинтересован в реанимации выпуска поликремния. Однако как негосударственное предприятие оно вряд ли согласится с убыточностью данного производства. Забота об эффективном и стабильном развитии основного направления деятельности – сталелитейного – вынуждает руководство комбината инвестировать средства в развитие собственной сырьевой базы. Так, руководство ММК им. Ильича ведет активную деятельность по подготовке к освоению одного из железорудных месторождений в Запорожской области и Мазуровского редкометалльного месторождения, находящегося вблизи ХМФ и в настоящее время законсервированного. Другой актуальной для комбината проблемой является обеспечение коксом, вследствие чего рассматриваются варианты инвестирования средств в создание собственного производства кокса.

 

И как раз развитие комбинатом собственной сырьевой базы для металлопроизводства принципиально важно для восстановления и дальнейшего развития выпуска чистого кремния на ХМФ. Так как именно новые сырьевые предприятия комбината могут стать источником дешевого сырья и электроэнергии для изготовления на ХМФ поликристалического кремния.

 

В частности, возобновление разработки Мазуровского редкометалльного месторождения создает предпосылки для обеспечения кремниевого производства дешевым сырьем – ТХК. При комплексной переработке руд этого месторождения могут быть получены полевошпатовые концентраты, являющиеся сырьем для производства стекла и керамики, цирконовый и пирохлоровый концентраты, либо комплексный пирохлорцирконовый (редкометалльный) промпродукт.

 

Экономическая оценка показывает: с учетом того, что выход нефелин-полевошпатовых продуктов составит 70-80%, затраты на обогащение руды могут быть перераспределены таким образом, что цирконовый и пирохлоровый концентраты будут получены с условно нулевой стоимостью. Реализация всего объема нефелин-полевошпатовой продукции обеспечит низкий уровень цен в целом на редкометалльную продукцию и ТХК, получаемый при дополнительной переработке цирконового и/или пирохлорового концентратов.

 

Наибольший интерес для редкометалльного производства ММК им. Ильича представляет пирохлоровый концентрат (или редкометалльный промпродукт). При его переработке применяемым в промышленности методом хлорирования в качестве попутной продукции получают ТХК, который в зависимости от качества и чистоты может использоваться в дальнейшем производстве ряда продуктов. Подобный подход уже реализован на отечественном Вольногорском ГМК, где осуществляется хлорирование цирконового концентрата с попутным получением ТХК.

 

Для ММК им. Ильича наибольший интерес ТХК представляет как сырье для производства поликристаллического кремния. На возможность использования соединений кремния, полученных попутно при хлорировании редкометалльных концентратов, в качестве сырья для производства полупроводниковых материалов электронной чистоты указывалось давно. В последнее время специалисты российского Подольского химико-металлургического завода на практике доказали справедливость таких утверждений, освоив получение трихлорсилана гидрированием ТХК, производимого Вольногорским комбинатом.

 

Наличие дешевого ТХК позволяет в перспективе освоить производство новых видов продукции, в частности, аэросила, технология производства которого разработана и освоена в Украине МНТК “Химия поверхности”. Технико-экономические расчеты показывают, что получение ТХС гидрированием ТХК в условиях химико-металлургической фабрики при условно нулевой стоимости последнего возможно с себестоимостью, не превышающей 650-700 $/т.

 

 

Кроме того, серьезно содействовать стабильной работе различных производств ММК им. Ильича, в том числе кремниевого, способно появление в составе комбината собственного выпуска кокса, которое может решить проблему дешевой электроэнергии. Так, в целом обеспечение ХМФ дешевой электроэнергией возможно:

 

-         в случае создания совместного предприятия с зарубежными компаниями, обладающими доступом к источникам дешевой электроэнергии, или совместного предприятия с одной из украинских атомных электростанций;

-         в случае строительства собственнойатомной электростанции, например, с использованием ядерного реактора подводной лодки;

-         в случае строительства коксовых батарей с когенерацией электричества.

 

Последний вариант представляется наиболее интересным, учитывая то, что ММК им. Ильича является крупным потребителем кокса и нуждается в надежных источниках его поставки. Технологии безотходного производства кокса в комбинации с когенерацией электричества вызывают сейчас особый интерес во всем мире. Основные преимущества данных технологий заключаются в экологичности, отсутствии необходимости в строительстве заводов по переработке коксового газа, простоте работы, ликвидации проблем, возникающих из-за повышения давления в коксовых печах.

 

Существует несколько основных факторов, стимулирующих строительство коксохимических заводов без газоперерабатывающих мощностей, т.е. с получением двух продуктов – кокса и газа.

 

Во-первых, прибыль от реализации побочных продуктов коксовых производств (смола, бензол, аммиак, сера и т.п.) уже не покрывает расходы на их производство.

 

Во-вторых, коксовый газ все меньше используется интегрированными металлургическими предприятиями из-за прогресса технологий производства стали (непрерывное литье, литье тонких слябов и т.д.). Понемногу исчезает необходимость в разогревающих печах, что приводит к снижению потребления коксового газа.

 

В-третьих, это ужесточение законов по охране окружающей среды, а также большие затраты труда и капитала, необходимые для строительства газоперерабатывающих заводов, что существенно влияет на привлекательность подобных проектов в глазах акционеров и инвесторов.

 

Наиболее простой путь решения перечисленных проблем – безотходная технология производства кокса, в которой весь неочищенный газ сжигается внутри печи, а избыточное тепло направляется на получение технологического пара и впоследствии электроэнергии.

 

При коксовании угля выход коксового газа составляет 400-450 м³ на 1т полученного кокса. Обычно из такого газа на азотнотуковых заводах извлекают водород, который после соответствующей очистки можно использовать и при выпуске поликремния в качестве восстановителя.

 

После извлечения водорода теплота сгорания коксового газа существенно увеличивается – до 5500-5700 ккал/кг. Две коксовые батареи, каждая из которых состоит из 70 печей объемом по 90 м³, позволяют получить 2,6 млн.т кокса в год. Попутно получается примерно 120 тыс.м³/ч коксового газа, что обеспечивает работу утилизационной ТЭЦ. В паровых котлах-утилизаторах в таком случае будет выработано до 900 т/ч пара высокого давления за счет использования теплоты сжигания коксового газа.

 

Отметим, что первый промышленный коксо-энергетический комплекс производительностью 1,2 мл н.т/год доменного кокса с энергоутилизационной установкой мощностью 94 МВт введен в эксплуатацию в 1998г. на заводе в г. Индиана Хабор (США). В Украине опытом проектирования подобных комплексов обладает ГИПРОКОКС, г. Харьков.

 

Экономические оценки показывают, что в условиях роста цен на энергоносители использование коксового газа вместо природного или попутное получение из него электроэнергии позволит значительно снизить энергетические затраты всего предприятия. Особенно актуальным такое замещение становится в свете последних событий вокруг цен на импортируемый в Украину природный газ.

 

Выполненные технико-экономические расчеты себестоимости производства поликремния в условиях ХМФ для случая, когда себестоимость собственного сырья (ТХС) не превышает 700 $/т, себестоимость производства электроэнергии за счет использования коксового газа не превышает 10 копеек за 1 кВт-ч, а весь ТХК, образующийся при выпуске поликремния, используется для изготовления аэросила, показывают, что в итоге себестоимость выпуска поликремния не превысит 22 $/кг.

 

Тем самым, создание горно-металлургического комплекса ММК им. Ильича на базе Ма-зуровского месторождения, а также собственного производства кокса с когенерацией электричества могло бы решить одновременно проблему возобновления и устойчивого развития отечественного выпуска поликремния.