Чёрная металлургия

Чёрная металлургия — это отрасль тяжёлой промышленности, занимающаяся добычей и обогащением рудного сырья, производством чугуна, стали, ферросплавов, а также проката чёрных металлов. К чёрным металлам относят железо и его сплавы (прежде всего с углеродом), а также марганец и хром, которые используются в качестве легирующих добавок. Чёрная металлургия является одной из базовых отраслей экономики, обеспечивающей конструкционными материалами машиностроение, строительство, транспорт, оборонную промышленность и другие сектора.

История

Древний мир и Средневековье

Первые свидетельства получения железа из руды относятся к концу II тысячелетия до н. э. (Хеттское царство, Месопотамия). Сыродутный процесс, при котором железо восстанавливалось из руды в горне при температуре около 900 °C, позволял получать крицу — пористое губчатое железо, которое затем проковывали для удаления шлака. В I тысячелетии до н. э. технология распространилась в Европе, Азии и Северной Африке, положив начало железному веку.

В Средние века в Европе и на Руси получили распространение домницы (предшественники доменных печей), в которых использовался водяной привод для подачи воздуха. В XV—XVI веках в странах Западной Европы (особенно в Германии, Чехии, Швеции) начали строить доменные печи, позволявшие получать чугун — сплав железа с высоким содержанием углерода (2,14—6,67 %). Чугун был хрупким, но его можно было переплавлять в сталь в кричных горнах или пудлинговых печах.

Промышленная революция (XVIII—XIX века)

Ключевым этапом стало изобретение коксования угля (Абрахам Дерби, 1709 год), что позволило заменить древесный уголь каменноугольным коксом и резко увеличить масштабы производства. В 1784 году Генри Корт разработал пудлинговый процесс — способ получения ковкого железа из чугуна в пламенной печи. В 1856 году Генри Бессемер запатентовал конвертерный способ производства стали, при котором через расплавленный чугун продували воздух, выжигая избыток углерода. В 1864 году братья Мартен (Франция) внедрили мартеновскую печь, позволявшую перерабатывать стальной лом.

В России чёрная металлургия начала активно развиваться при Петре I: на Урале были построены казённые заводы (Невьянский, Каменский, Алапаевский). К концу XIX века Россия вышла на четвёртое место в мире по выплавке чугуна (после США, Великобритании и Германии).

XX век и современность

В XX веке технология мартеновского производства стала доминирующей. В 1950-х годах в Австрии был разработан кислородно-конвертерный процесс (LD-процесс), который позволил получать сталь высокого качества за 20—40 минут вместо 6—8 часов в мартеновской печи. В 1960—1970-х годах широкое распространение получила непрерывная разливка стали, заменившая разливку в изложницы. В конце XX века мартеновские печи практически повсеместно вытеснены кислородными конвертерами и электродуговыми печами.

В СССР чёрная металлургия была одной из приоритетных отраслей: построены крупнейшие комбинаты — Магнитогорский, Нижнетагильский, Новолипецкий, Череповецкий, Криворожский. После распада СССР в 1991 году отрасль пережила спад, но к 2000-м годам восстановилась благодаря модернизации и экспорту. В 2020-х годах Россия входит в пятёрку крупнейших производителей стали в мире (после Китая, Индии, Японии и США).

Сырьё и материалы

Основным сырьём для чёрной металлургии служат:

• Железные руды — магнетитовые, гематитовые, лимонитовые, сидеритовые. Содержание железа в промышленных рудах — от 25 до 70 %. Крупнейшие месторождения в России: Курская магнитная аномалия (КМА), Урал (Качканарское, Магнитогорское), Сибирь (Коршуновское, Таёжное).
• Коксующийся уголь — используется для производства кокса, необходимого в доменном процессе. Основные бассейны: Кузнецкий, Печорский, Донецкий (Россия, Украина).
• Флюсы — известняк, доломит, кварцит, применяемые для удаления пустой породы и серы.
• Легирующие элементы — марганец, хром, никель, молибден, ванадий, вольфрам, титан и другие, добавляемые в сталь для придания ей специальных свойств.
• Металлолом — вторичное сырьё, используемое в электродуговых печах и конвертерах (до 30—50 % шихты).

Технологический процесс

Современное производство чёрных металлов включает несколько последовательных переделов:

Добыча и обогащение руды

Руду добывают открытым (карьеры) или подземным (шахты) способом. Затем её дробят, измельчают и обогащают методами магнитной сепарации, флотации или гравитации, получая концентрат с содержанием железа 60—70 %.

Агломерация и окомкование

Мелкий концентрат спекают в агломерат (агломерационные машины) или окатывают в окатыши (шаровые мельницы и обжиговые печи). Окатыши имеют диаметр 10—15 мм и обладают высокой прочностью.

Доменное производство

В доменной печи (высотой до 100 м) загружают кокс, железорудный материал (агломерат, окатыши) и флюсы. При температуре 1400—2000 °C кокс сгорает, восстанавливая железо из оксидов. Расплавленный чугун стекает в горн, а шлак (смесь пустой породы и флюсов) всплывает на поверхность. Чугун выпускается через лётки каждые 3—4 часа. Выход чугуна — до 10 000 тонн в сутки на одной печи.

Сталеплавильное производство

Чугун перерабатывают в сталь в кислородных конвертерах, электродуговых печах или (реже) в мартеновских печах:

• Кислородно-конвертерный процесс — в конвертер заливают жидкий чугун (70—80 %) и лом (20—30 %), затем продувают кислородом через фурму. Углерод, кремний, марганец и фосфор окисляются, выделяя тепло. Время плавки — 20—40 минут.
• Электродуговая печь — используется для переплавки лома (100 % шихты) или для производства высококачественных легированных сталей. Температура достигает 3000 °C. Время плавки — 1—2 часа.
• Мартеновская печь — устаревший процесс, почти полностью вытесненный (в России последняя мартеновская печь закрыта в 2018 году).

Внепечная обработка

Для рафинирования стали (удаления серы, фосфора, газов) применяют вакуумирование, продувку аргоном, обработку синтетическими шлаками. В агрегатах «печь-ковш» корректируют химический состав и температуру.

Разливка и прокатка

Сталь разливают в слитки (изложницы) или на машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ), получая слябы (плоские заготовки), блюмы (квадратные заготовки) или круглые заготовки. Затем заготовки нагревают в методических печах и прокатывают на станах: листовых (толстый и тонкий лист, рулон), сортовых (арматура, балка, швеллер, уголок, круг), трубных (бесшовные и сварные трубы). Прокат является конечной товарной продукцией.

Классификация продукции

Чёрная металлургия выпускает широкий ассортимент продукции:

• Чугун — передельный (для дальнейшей переработки в сталь), литейный (для фасонного литья), специальный (ферросплавы).
• Сталь — углеродистая (обыкновенного качества, качественная, высококачественная) и легированная (низколегированная, среднелегированная, высоколегированная). По назначению: конструкционная, инструментальная, нержавеющая, жаростойкая, электротехническая.
• Прокат — листовой (горячекатаный, холоднокатаный, оцинкованный, с полимерным покрытием), сортовой (круг, квадрат, шестигранник), фасонный (балка, швеллер, уголок), трубный (бесшовные, электросварные), специальные профили (рельсы, шпунт, проволока).
• Ферросплавы — ферромарганец, ферросилиций, феррохром, ферровольфрам, ферромолибден и другие, используемые для легирования стали.
• Метизы — гвозди, болты, гайки, шайбы, проволока, канаты, сетка.

Крупнейшие производители

В мире

По данным World Steel Association, в 2023 году мировое производство стали составило около 1,89 млрд тонн. Крупнейшие страны-производители:

• Китай — 1,02 млрд тонн (54 % мирового производства).
• Индия — 140 млн тонн.
• Япония — 87 млн тонн.
• США — 81 млн тонн.
• Россия — 76 млн тонн.
• Южная Корея — 67 млн тонн.

Крупнейшие металлургические компании мира: ArcelorMittal (Люксембург), China Baowu Steel Group (Китай), Nippon Steel (Япония), POSCO (Южная Корея), Tata Steel (Индия).

В России

Основные производители стали (по данным на 2023 год):

• ПАО «Новолипецкий металлургический комбинат» (НЛМК) — около 17 млн тонн стали в год.
• ПАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ММК) — около 13 млн тонн.
• ПАО «Северсталь» (Череповецкий металлургический комбинат) — около 11 млн тонн.
• ПАО «Евраз» (Нижнетагильский, Западно-Сибирский комбинаты) — около 12 млн тонн.
• ПАО «Мечел» (Челябинский металлургический комбинат) — около 4 млн тонн.
• АО «ОМК» (Выксунский, Чусовской заводы) — специализация на трубной продукции.

Экологические аспекты

Чёрная металлургия является одним из крупнейших источников промышленных выбросов. Основные экологические проблемы:

• Выбросы в атмосферу — диоксид углерода (CO₂), оксиды серы (SOₓ), оксиды азота (NOₓ), пыль, бенз(а)пирен. Доменные и сталеплавильные печи выделяют до 2 тонн CO₂ на тонну стали.
• Сточные воды — содержат взвешенные вещества, масла, фенолы, цианиды, тяжёлые металлы.
• Твёрдые отходы — шлаки (до 200—300 кг на тонну чугуна), шламы, окалина, пыль.
• Землепользование — карьеры и отвалы занимают значительные площади.

Для снижения воздействия применяются: системы газоочистки (электрофильтры, рукавные фильтры), замкнутые циклы водоснабжения, переработка шлаков (в дорожное строительство, цементную промышленность), утилизация тепла. В 2020-х годах активно внедряются технологии «зелёной» металлургии: использование водорода вместо кокса (проект HYBRIT в Швеции), улавливание и хранение углерода (CCS).

Экономическое значение

Чёрная металлургия является системообразующей отраслью для многих стран. В России на долю отрасли приходится около 2—3 % ВВП, около 10 % промышленного производства и до 15 % экспорта. Продукция чёрной металлургии используется в:

• строительстве (арматура, балки, листовой прокат, трубы);
• машиностроении (автомобилестроение, станкостроение, судостроение, авиастроение);
• топливно-энергетическом комплексе (трубы для нефте- и газопроводов, оборудование);
• оборонной промышленности (броня, стволы, корпуса);
• транспортной инфраструктуре (рельсы, мостовые конструкции).

Цены на сталь и чугун подвержены циклическим колебаниям, зависящим от спроса в Китае, стоимости сырья (железная руда, коксующийся уголь) и энергоносителей. В 2020—2022 годах наблюдался резкий рост цен из-за постпандемийного восстановления спроса и санкционных ограничений.

Источники

• World Steel Association. «World Steel in Figures 2023».
• Федеральная служба государственной статистики РФ. «Промышленное производство России. 2023».
• Лебедев В. И. «Металлургия чёрных металлов». — М.: Металлургия, 2015.
• Кудрин В. А. «Технология производства стали». — М.: МИСиС, 2018.
• Шабанов В. А. «Экология металлургического производства». — Екатеринбург: УрФУ, 2020.