Цветков Ю.В., Николаев А.А., Кирпичев Д.Е. - Системные факторы индустриального развития, определяющие перспективу металлургии будущего.

Ввведение

Основная масса стали на современном этапе развития металлургии производится на заводах полного цикла, включающих три основных передела: восстановительный, сталеплавильный и прокатный. Главным потребителем энергии и источником вредных выбросов является восстановительный передел, осуществляемый агло-доменным производством. На восстановление железа расходуется около 80% всех энергоресурсов, потребляемых при изготовлении стального металлопродукта. Вредные выбросы восстановительного передела составляют около 90% от суммарных выбросов. Поэтому особого внимания требует решение энергетических и экологических проблем восстановительного передела.

Получение первородного железа (чугуна) из минерального сырья по традиционной агло-доменной технологии в настоящее время достигло практически предельного совершенства. Тем не менее оно все же обладает рядом существенных недостатков, а именно:

высокой энергоемкостью – 25 - 30 ГДж/т чугуна, а с учетом расхода энергии на добычу угля, его обогащение и транспорт - 30 - 40 ГДж/т, что в несколько раз превышает теоретическую энергоемкость производства чугуна (~10 ГДж/т);
низкой степенью утилизации вторичных энергоресурсов (ВЭР), составляющей 10 – 20%, обусловленной сложной инфраструктурой производственного цикла;
неудовлетворительными экологическими показателями. Выброс парникового газа СО2 от производства стали составляет около 18 % его глобальной антропогенной эмиссии в атмосферу.

Системные факторы индустриального развития

Главным системным фактором, определявшим индустриальное развития предыдущего ХХ столетия, являлся фактор экстенсивного промышленного производства. Характерной особенностью промышленной революции этого периода являлся бурный количественный рост выпускаемой продукции. Так мировое производство стали в ХХ веке возросло от 80 до 800 млн. т в год, т.е. в 10 раз. Основными производителями стали были страны ЕС, США, СССР, Япония. К концу века потребление стали в этих странах стабилизировался на уровне 400 – 500 кг/душу в год (средний мировой уровень потребления составлял 120 кг/душу) [1].

Бурный промышленный рост вызвал в конце ХХ века 1-ый глобальный энергетический кризис. Отчетливо обозначились нехватка сырьевых ресурсов (нефти, газа, доступных и качественных коксующихся углей) и экологические проблемы. Кроме того, бурное развитие промышленного производства в Китае, Индии, Бразилии усугубило энергетический кризис.

Начало ХХ1 века охарактеризовалось значительным ростом цен на энергоресурсы – газ, нефть, доменный кокс и обострением экологических проблем, связанных с промышленным производством. К этому времени человечество израсходовало 70% природного газ и 90% нефти. Добыча коксующихся углей требовало больших затрат и было небезопасным. В настоящее время мировые цены энергии составляют для газа ~ 14, для нефти ~ 12, для электроэнергии ~ 16 $США/ГДж. Стоимость энергии кокса колеблется в пределах 5 – 20 $США/ГДж (150 - 600 $США/т). Наиболее дешевая энергия - это энергия энергетических углей: 2 – 3 $США/ГДж, запасы которых израсходованы на уровне 2% [2,3].

Явно происходит глобальное изменение климата, одной из причин которого может быть промышленная деятельность человека - массированная эмиссия парниковых газов, в частности СО2. Антропогенная эмиссия СО2 составляет около 8• 109 т/год, из которых ~18% обусловлена производством стали.

Главными системными факторами, определяющими индустриальное развитие в ХХ1 веке, становятся энергетический и экологический факторы. Выдвигаются жесткие требования по снижению энергоемкости ВВП (в России в несколько раз) и сокращению выбросов парниковых газов (в России к 2020 году снизить на 20%).

В первой половине ХХ1 века произойдет глобальная структурная перестройка энергетического комплекса. Главными первичными источниками энергии станут энергетический уголь (Россия обладает 20% мировых запасов), уран (его израсходовано 10% мировых запасов, в России урана мало) и ВИЭ (энергия Солнца, ветра, воды и пр.). В этих условиях степень электрификации первичной энергии резко возрастет. Уже в конце ХХ века степень электрификации природных энергетических ресурсов в США составляла 25%. Наиболее динамичной отраслью металлургии во второй половине ХХ века (период научно-технической революции) и в начале ХХ1 века становится электрометаллургия. Большие работы в мире проводятся по разработке прямого способа производства стали. Промышленное применение получили процессы Мидрекс, Корекс, Ромелт.

Требования к концепции металлургии будущего

В настоящее время имеется объективная необходимость сформулировать концепцию построения металлургии будущего. Основные требования, выдвигаемые при её создании следующие:

в 1,5 – 2 раза снизить энергоемкость производства целевого металлопродукта из оксидного рудного сырья;
отказаться от использования в восстановительном процессе доменного кокса;
отказаться от окускования дисперсного оксидного сырья (агломерации, окомкования);
использовать в качестве главного источника энергии в восстановительном процессе электричество;
использовать в качестве восстановителя энергетический уголь (непосредственно или через газификацию);
иметь возможность без существенной перестройки процесса использовать в качестве восстановителя водород, что позволит в перспективе отказаться от угольной технологии и создать экологически чистое производство стали.

Средства осуществления поставленных задач. Снижение энергоемкости достигается созданием энергометаллургического комплекса Э(МК), объединяющего энергоматериальные потоки электрометаллургического восстановительного и энергетического (ТЭЦ) блоков, что обеспечивает утилизацию ВЭР с эффективностью 80 – 90%. В качестве источника энергии металлургического блока используется высококонцентрированный источник теплоты – плазменная дуга, что позволяет создать замкнутый энергетический цикл в системе, объединяющей металлургический и энергетический блоки.

Использование в металлургическом блоке жидкофазного восстановления позволит применять дисперсное рудное сырьё, отказавшись от его окускования, и использовать в качестве восстановителей энергетический уголь и водород [44].

Улучшение экологических характеристик производства стали по технологии ЭМК достигается за счет снижения энергоемкости восстановительного процесса и ликвидации коксохимического, агломерационного, конвертерного производств. При использовании водородного восстановления будет создана экологически чистая электроводородная металлургия стали.

Состояние работ по созданию ЭМК. Уровень состояния работ характеризуется следующим:

в ИМЕТ РАН создан лабораторный металлургический стенд мощностью 100 кВт для исследования энергофизических, физико-химических и металлургических характеристик плазменного жидкофазного восстановления железа из дисперсного оксидного сырья с использованием в качестве восстановителей различных газов (метана, водорода) и дисперсного углерода (табл.1);
получены данные, необходимые для составления технического задания на проектирование пилотного восстановительного металлургического модуля мощностью 5 МВт как составного элемента ЭМК (рис.1);
дополнительные НИР необходимо провести по оптимизации структуры ЭМК и по созданию металлургического блока, производящего пар высоких параметров как рабочего тела энергетического блока комплекса;
создание энергетического блока (ТЭЦ) не требует проведения специальных исследований.

Рис.1 Плазменная восстановительная печь мощность 5 МВт

Таблица 1. Химически состав исходного оксидного материала и металла полученного слитка при использовании в качестве восстановителя метана

Элемент	Al	Ca	Si	S	C	Ti	Cr	Mg	V	Fe_об
Железная руда	0,13	0,32	0,1	0,12	-	-	-	-	-	69
Сталь	0,005	0,02	0,002	0,006	-	-	-	-	-	99
Титаномагнетитовый концентрат	2,6	1,3	6	0,5	-	9,14	0,15	3,5	0,62	55
Сталь	0,67	-	0,59	0,005	1,75	2,77	0,042	0,004	0,46	94

Заключение

Мировая энергетика вступает в период структурной перестройки: доли газа и нефти в энергетическом балансе сокращаются, а доли энергетического угля, атомной и возобновляемой энергий увеличиваются. Степень электрификации первичных источников энергии существенно возрастёт. В этих условиях для металлургии, как одной из главных энергопотребляющих отраслей (~10% от всего ТЭК), необходимо создать технологию производства стали, основанную на использовании энергетических углей и электричества.

В условиях налаженного современного производства стали, принимая во внимание перестроечные процессы энергетического комплекса и возрастающие экологические требования, необходимо создать опытно-промышленную базу, которая обеспечит плавный переход отрасли на новую энергетическую основу, базирующуюся на использовании энергетических углей и электричества.

Литература

Н.П. Лякишев, А.В. Николаев. Металлургия стали на пороге третьего тысячелетия, Электрометаллургия. №1. 2002. С. 2- 13
Ю.В. Цветков, А.А. Николаев, А.В. Николаев, Д.Е. Кирпичев. Плазменное жидкофазное восстановление дисперсного железорудного сырья, Сб. научн.тр. «Институту металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова 70 лет», М. Интерконтакт Наука, 2008. С. 72 – 85
А.В. Николаев. Структурные изменения топлевно-энергетического комплекса и их влияние на производство стали, Сталь. №8. 2008. С.116 – 122
Д.Е. Кирпичев, А.А. Николаев, А.В. Николаев, Ю.В. Цветков. Морфологические и химические характеристики железа, полученного плазменно-дуговым жидкофазным восстановлением, Сталь. №7. 2007. С. 41 - 44