Чёрная металлургия

Добыча железа началась, по крайней мере, за два тысячелетия до нашей эры. Получение чистого железа, его сплавов стало возможным благодаря опыту, накопленному древними металлургами по выплавке меди и её сплавов с оловом, серебром, свинцом и другими легкоплавкими металлами.

Плавку железа в древности производили в ямах-горнах, обмазанных глиной или выложенных камнем. В горн загружали дрова и древесный уголь. Через отверстие в нижней части горна нагнетали с помощью кожаных мехов воздух. На смесь древесного угля и дров засыпали измельчённую железную руду. Сгорание дров и угля проходило интенсивно. Внутри горна достигалась относительно высокая температура[2].

Благодаря взаимодействию угля и оксида углерода СО, образовавшегося при сгорании угля, с оксидами железа, содержавшимися в руде, железо восстанавливалось и в виде тестообразных кусков накапливалось на дне горна. Куски были загрязнены золой, шлаком, выплавлявшимся из составляющих руды. Такое железо называли сыродутным. Из него необходимо было удалить примеси прежде, чем приступить к изготовлению изделий. Разогретый металл ковали и на наковальне выжимали остатки шлака, примесей и др. Отдельные куски железа сваривали в единое целое. Такой способ существовал вплоть до XII—XIII веков.

Когда стали использовать энергию падающей воды и приводить в движение меха механическим способом, удалось увеличить объём воздуха, подаваемого в горн. Горн сделали больше, стенки его выросли из земли, он стал прообразом доменной печи — домницей. Домницы имели высоту в несколько метров и сужались кверху. Сначала они были квадратными, потом стали круглыми. Подачу воздуха производили через несколько фурм. В нижней части домницы имелось отверстие, замазываемое глиной, через которое после окончания плавки вынимали готовое железо. Улучшение технологии плавки, обкладки стенок домницы природным огнеупорным камнем позволили значительно повысить температуру в горне. На дне печи образовывался жидкий сплав железа с углеродом — чугун. Вначале чугун считали отходом производства, так как он был хрупким (отсюда появилось английское название чугуна — pig iron, свиное железо). Позже заметили, что чугун обладает хорошими литейными свойствами и из него стали отливать пушки, ядра, архитектурные украшения[3].

В начале XIV в. из чугуна научились приготовлять ковкое железо, появился двухступенчатый способ производства металла. Куски чугуна переплавляли в небольших тиглях — горнах, в которых удавалось получать высокую температуру и создавать окислительные условия в области фурм. Благодаря окислению из чугуна выжигали большую часть углерода, марганца, кремния. На дне тигля собирался слой железной массы — крица. Масса была загрязнена остатками шлака. Её извлекали из тигля клещами или ломом и тут же в разогретом состоянии подвергали ковке для выдавливания загрязнений и сваривания в один прочный кусок. Такие горны назывались кричными. Они обладали большей производительностью, чем сыродутные, и давали металл более высокого качества. Поэтому со временем получение сыродутного железа было прекращено. Выгоднее было получать железо из чугуна, чем непосредственно из руды. По мере улучшения качества железа возрастали и потребности в нём в сельском хозяйстве, военном деле, строительстве, промышленности. Возрастало производство чугуна, домницы увеличивались в размерах, постепенно превращаясь в доменные печи. В XIV веке высота доменных печей достигала уже 8 метров.

Ускоренное развитие металлургии началось после замены древесного угля коксом. Вырубка лесов для получения древесного угля привела к тому, что уже в XV веке в Англии было запрещено использовать древесный уголь в металлургии. Применение кокса не только удачно решило проблему топлива, но и благоприятствовало росту производительности доменных печей. Благодаря повышенной прочности и хорошей теплотворной способности кокса стало возможным увеличение диаметра и высоты печей. Позднее были успешно проведены опыты по использованию доменного колошникового газа для подогрева дутья. Раньше все газы выбрасывались в атмосферу, теперь колошник стали делать закрытым и улавливали отходящие газы.

Одновременно совершенствовался и способ получения стали. Кричный способ уже не мог удовлетворить потребности в железе. Прочность сталям придавал углерод. Науглероживание кричного железа производили либо в твёрдом состоянии, либо сплавлением с чугуном в маленьких тиглях. Но такие методы не могли дать много стали. В конце XVIII века на металлургических заводах появился новый процесс — пудлингование. Сущность процесса пудлингования заключалась в том, что топка была отделена от ванны, в которой расплавляют чугун. По мере окисления примесей из жидкого чугуна выпадали кристаллы твёрдого железа, которые накапливались на поду ванны. Ванну перемешивали ломом, намораживали на него тестообразную железную массу (до 50 кг) и вытаскивали из печи. Эту массу — крицу обжимали под молотом и получали железо.

В 1856 году Генри Бессемер в Англии разработал наиболее производительный способ получения стали из чугуна — продувкой воздухом жидкого чугуна в конвертере, выложенном изнутри кремнезёмистым кирпичом. В бессемеровских конвертерах перерабатывали чугуны с повышенным содержанием кремния. Процесс шёл быстро: 15-18 т чугуна превращались в сталь в течение 15-20 мин. Для переработки чугуна с повышенным содержанием фосфора Томасом был предложен конвертер с футеровкой из оксидов кальция и магния[4].

В 1864 году в Европе появились первые мартеновские печи, в которых расплавление чугуна, окисление его примесей производили в подовых (отражательных) печах. Печи работали на жидком и газообразном топливе. Газ и воздух подогревали теплом отходящих газов. Благодаря этому в печи развивались настолько высокие температуры, что стало возможным на поду ванны иметь не только жидкий чугун, но и поддерживать в жидком состоянии более тугоплавкое железо и его сплавы. В мартеновских печах начали получать из чугуна сталь любого состава и использовать для переплава стальной и чугунный лом. В начале XX века появились электрические дуговые и индукционные печи. В этих печах выплавляли легированные высококачественные стали и ферросплавы. В 50-х годах XX века начали использовать процесс передела чугуна в сталь в кислородном конвертере продувкой чугуна кислородом через фурму сверху. Сегодня это наиболее производительный метод получения стали. В последние годы появились значительно усовершенствованные по сравнению с прошлым процессы прямого получения железа из руды.

Развитие сталеплавильного производства повлекло за собой и развитие нового оборудования для горячей и холодней обработки стали. В конце XVIII века появились прокатные станы для обжатия слитков и проката готовых изделий. В первой половине XIX века начали применять крупные паровые и воздушные молоты для ковки тяжёлых слитков. Последняя четверть XIX века ознаменовалась появлением крупных прокатных станов и станов для непрерывной прокатки с электрическими приводами.

Скиповый подъёмник и конструкции доменной печи Нижнетагильского металлургического комбината

В состав чёрной металлургии входят следующие основные подотрасли:

• добыча и обогащение руд чёрных металлов (железная, хромовая и марганцевая руда);
• добыча и обогащение нерудного сырья для чёрной металлургии (флюсовых известняков, огнеупорных глин и т. п.);
• подготовка сырья к доменной плавке (окускование);
• производство чёрных металлов (чугуна, углеродистой стали, проката, металлических порошков чёрных металлов);
• производство стальных и чугунных труб;
• коксохимическая промышленность (производство кокса, коксового газа и пр.);
• вторичная обработка чёрных металлов (разделка лома и отходов чёрных металлов).

Предприятие чёрной металлургии — завод Algoma Steel, Онтарио, Канада

Собственно металлургическим циклом является:

• чугунно-доменное производство;
• производство стали (мартеновское, кислородноконвертерное и электросталеплавильное) + непрерывная разливка;
• производство проката (прокатное производство).
• иногда добавляют четвёртый предел : производство труб, автомобильных листов.

Предприятия, выпускающие чугун, углеродистую сталь и прокат, относятся к металлургическим предприятиям полного цикла. Предприятия без выплавки чугуна относят к так называемой передельной металлургии. «Малая металлургия» представляет собой выпуск стали и проката на машиностроительных заводах. Основным типом предприятий чёрной металлургии являются комбинаты. В размещении чёрной металлургии полного цикла большую роль играет сырьё и топливо, особенно велика роль сочетаний железных руд и коксующихся углей. С середины XX века в металлургии начинает применяться прямое восстановление железа.

Все металлургические переделы являются источниками загрязнения пылью, оксидами углерода и серы[8]

Металлургический комбинат в Кванъяне

По данным на 2007 год, на страны Азии (без стран СНГ) приходилось 59 % мирового выпуска стали. При этом 36 % мировой выплавки стали приходилось на КНР (больше, чем на Северную Америку, Европу и Японию, вместе взятые)[9]. Интенсивный рост чёрной металлургии в Китае в начале ХХI века вызвал появление десятков новых крупных центров выплавки стали мирового значения. В частности, гигантский узел чёрной металлургии сложился вокруг Таншаня[10]. В одной провинции Хэбэй выплавляется больше стали, чем в США[11]. Япония занимала второе после Китая место по производству стали (9 %). Практически весь остальной выпуск стали в Восточной Азии приходился на Южную Корею и Тайвань[9]. Крупнейшим сталеплавильным предприятием в мире и самым большим заводом с доменным металлургическим циклом является металлургический комбинат компании «POSCO» в южнокорейском городе Кванъян[11]. На прочие регионы Азии приходилось 8,5 % мировой выплавки стали[9].

На страны Европы и СНГ в 2007 году приходилось 25 % мирового производства стали.

На США и Канаду в 2007 году приходилось 8,5 % мирового выпуска стали, из них 7,5 % приходилось на США. На Латинскую Америку приходилось 5 % производства стали в мире.

Доля Африки в мировом производстве стали составляла в 2007 году менее 1,5 %, Австралии и Новой Зеландии — 1 %.

Доля комбинатов полного цикла в мировой выплавке стали в 2007 году составляла 70 %. Около 97 % выплавки стали из чугуна производилось кислородно-конверторным способом. Мартеновские печи продолжали использовать только на Украине, в России, Индии, Узбекистане и Латвии.

Крупнейший в мире район производства стали из лома существует на юге США. На базе металлолома существует чёрная металлургия многих европейских государств, некоторых стран Центральной и Южной Америки, Юго-Западной Азии и Северной Африки, а также стран Африки южней Сахары (кроме ЮАР и Зимбабве).

Около 15 % мировой выплавки стали в электропечах в 2007 году было основано на технологии прямого восстановления железа. Оно было сосредоточено в основном, в Латинской Америке, Южной Азии, Юго-Западной Азии и Северной Африке. В Латинской Америке 98 % выпуска продуктов прямого восстановления железа осуществлялось в четырёх странах (Венесуэла, Мексика, Тринидад и Тобаго, Аргентина) с использованием местного природного газа. Все производство этих продуктов в Юго-Западной Азии и Северной Африке также было основано на восстановлении железа природным газом и было сосредоточено в пяти странах (Иран, Саудовская Аравия, Катар, Египет, Ливия). На Индию приходилось 28 % мирового выпуска продуктов прямого восстановления железа), в основном, в результате восстановления металла из руды некоксующимися марками угля[9].

Основными мировыми транснациональными компаниями чёрной металлургии являются Arcelor Mittal, Tata Steel, Gerdau, U.S. Steel, «Северсталь», «Евраз», Techint[10].

Металлургический комбинат в городе Паньчжихуа, КНР

Предприятие чёрной металлургии — Нижнетагильский металлургический комбинат, Россия

Особенность промышленности России заключается в больших расстояниях между производствами различных циклов. Металлургические комбинаты, производящие чугун и сталь из руды, традиционно располагались около месторождений железных руд в районах, богатых лесом, так как для восстановления железа использовали древесный уголь. И в настоящее время металлургические комбинаты металлургической отрасли России расположены вблизи месторождений железной руды: Новолипецкий и Оскольский — около месторождений центральной России, Череповецкий («Северсталь») — около Карельского и Костомукшского, Магнитогорский — около горы Магнитная (уже выработанное месторождение) и в 300 км от Соколовско-Сарбайского в Казахстане, бывший Орско-Халиловский комбинат (в настоящее время «Уральская сталь») около месторождений природнолегированных руд, Нижнетагильский — вблизи Качканарского ГОКа, Новокузнецкий и Западно-Сибирский — около месторождений Кузбасса. Все комбинаты России расположены в местах, где ещё в XVIII веке и ранее существовало производство железа и изделий из него с использованием древесного угля. Месторождения коксующегося угля расположены чаще всего вдали от комбинатов именно по этой причине. Только Новокузнецкий и Западно-Сибирский металлургические комбинаты расположены непосредственно на месторождениях каменного угля Кузбасса. Череповецкий металлургический комбинат снабжается углём, добываемом в Печорском угольном бассейне.

В центральной части России большая часть железорудного сырья добывается в районе Курской аномалии. В промышленных масштабах железорудное сырьё производится также в Карелии и на Урале, а также в Сибири (добыча ведётся в Кузбассе, Красноярском крае, Хакасии и близких им районах). Большие запасы железной руды в Восточной Сибири практически не осваиваются из-за отсутствия инфраструктуры (железных дорог для вывоза сырья).

Два основных района производства коксующегося угля в России — Печорский и Кузнецкий угольные бассейны. Крупные угольные поля есть также в Восточной Сибири; они отчасти разрабатываются, однако промышленное их освоение упирается в отсутствие транспортной инфраструктуры.

Центральная часть России, в частности Воронеж, Тула не богаты металлами, поэтому в основном для внутренних нужд все сырьё привозится из других регионов. Крупнейшими поставщиками металла в центральный регион являются общероссийские компании, такие как ЕВРАЗ Металл Инпром, и местные, такие как ПРОТЭК и Союзметаллкомплект.

При строительстве всех крупных металлургических комбинатов России (в советское время) одновременно велось и строительство ориентированного на каждый завод горно-обогатительного комбината. Однако, после распада СССР, некоторые комплексы оказались разбросанными по территории СНГ. Например, Соколовско-Сарбайское ГПО, поставщик руды на Магнитогорский меткомбинат, теперь находится в Казахстане. Железорудные предприятия Сибири ориентированы на Западно-Сибирский и Новокузнецкий меткомбинаты. Качканарский ГОК поставляет руду на Нижнетагильский меткомбинат. Костомукшский ГОК поставляет руду в основном на Череповецкий металлургический комбинат.
При размещении предприятий учитывалось также обеспечение водой, электроэнергией, природным газом.

В России созданы три металлургические базы:

• Уральская металлургическая база
• Центральная металлургическая база
• Сибирская металлургическая база

• Линчевский Б. В., Соболевский А. Л., Кальменев А. А. Металлургия чёрных металлов: Учебник для техникумов — 2-е издание, перераб. и дополн. — Металлургия, 1986. — 360 с. — 12700 экз.
• Татарченко Д. М. Металлургия чугуна, железа и стали в общедоступном изложении. — 3-е. — ГТТИ, 1932. — 492 с.
• Юсфин Ю. С., Пашков Н. Ф. Металлургия железа: Учебник для вузов. — Москва: Академкнига, 2007. — 464 с. — ISBN 978-5-94628-246-8.
• Карабасов Ю. С., Черноусов П. И., Коротченко Н. А., Голубев О. В. Металлургия и время : Энциклопедия : в 6 т. — М. : Издательский Дом МИСиС, 2014. — Т. 6 : Металлургия и социум. Взаимное влияние и развитие. — 224 с. — 1000 экз. — ISBN 978-5-87623-760-6 (т. 6).

• «Чёрные металлы» — производственный журнал по вопросам чёрной металлургии Архивная копия от 24 марта 2016 на Wayback Machine (rudmet.ru)
• Металлургические мировые рекорды Архивная копия от 20 августа 2021 на Wayback Machine