Металлургическое производство

Металлургическое производство — это совокупность технологических процессов и производственных операций, направленных на получение металлов и сплавов из руд или других металлсодержащих материалов, а также на придание им заданных свойств и форм. Металлургия является одной из базовых отраслей промышленности, обеспечивающей конструкционными материалами машиностроение, строительство, энергетику, транспорт и оборонный комплекс.

История развития

Металлургическое производство прошло несколько этапов, каждый из которых характеризовался освоением новых металлов и совершенствованием технологий.

Древний мир и Средневековье

Первыми металлами, которые начал обрабатывать человек, были самородные медь, золото и серебро. Около 6—5 тысячелетий до н. э. в регионах Передней Азии и Балкан возникла металлургия меди, основанная на плавке малахитовых руд в примитивных печах-горнах. В бронзовом веке (около 3500—1200 гг. до н. э.) была освоена выплавка бронзы — сплава меди с оловом или мышьяком. Переход к железу произошёл около 1200 г. до н. э. в Анатолии, где была разработана технология сыродутного процесса: получение кричного железа путём восстановления руды древесным углём при температуре около 900—1200 °C.

В Средние века в Европе и на Руси (например, в Устюжне Железнопольской) получили распространение водяные молоты и домницы — предшественники доменных печей. В XIV—XV веках в Западной Европе (в первую очередь в Швеции и Германии) начали применять гидравлическую энергию для привода мехов и молотов, что позволило увеличить производительность.

Промышленная революция

Ключевым событием стало изобретение в 1784 году Генри Кортом пудлингования — способа передела чугуна в ковкое железо в пламенной печи. В 1856 году Генри Бессемер запатентовал конвертерный способ производства стали, основанный на продувке жидкого чугуна воздухом. В 1864 году француз Пьер-Эмиль Мартен и немец Вильгельм Сименс разработали мартеновский процесс, позволивший перерабатывать стальной лом. В 1878 году Сидни Гилкрист Томас усовершенствовал бессемеровский процесс для переработки фосфористых руд.

В России становление крупной металлургии связано с деятельностью Петра I: в 1701—1704 годах были построены Невьянский и Каменский заводы на Урале. К концу XIX века Российская империя вышла на четвёртое место в мире по выплавке чугуна, а крупнейшими центрами стали Урал, Донбасс и Приднестровье.

XX—XXI века

В XX веке металлургическое производство претерпело коренные изменения. В 1950-е годы в СССР и Австрии был внедрён кислородно-конвертерный процесс (LD-процесс), который почти полностью вытеснил мартеновские печи. С 1960-х годов получила развитие непрерывная разливка стали (НРС), позволяющая получать заготовки без промежуточного слитка. В конце XX века в промышленность вошли технологии прямого восстановления железа (DRI — Direct Reduced Iron), например процесс Midrex, и электросталеплавильное производство на базе дуговых печей (ЭСПЦ).

Сырьё и материалы

Основным сырьём для металлургического производства являются железные руды (магнетитовые, гематитовые, сидеритовые), руды цветных металлов (бокситы для алюминия, халькопирит для меди, галенит для свинца и т. д.), а также коксующийся уголь, флюсы (известняк, доломит) и ферросплавы.

Для выплавки стали широко используется металлический лом (скрап), доля которого в шихте в современных электросталеплавильных цехах может достигать 100 %. В России крупнейшими поставщиками сырья являются компании «Металлоинвест», «Евраз», «Северсталь», а также предприятия горно-обогатительных комбинатов (ГОК) Курской магнитной аномалии и Урала.

Технологические этапы

Современное металлургическое производство включает три основных передела: добычу и обогащение руды, получение чугуна или стали, а также обработку давлением и термическую обработку.

Доменное производство

Доменный процесс — основной способ получения чугуна. В шахтную печь (домну) загружают шихту (руда, кокс, флюсы) и подают горячее дутьё (воздух, обогащённый кислородом). При температуре около 2000 °C в горне происходит восстановление железа из оксидов, науглероживание и плавление. Чугун (сплав железа с углеродом, содержащий 2,14—6,67 % C) выпускается через лётку, а шлак — через шлаковую лётку. В России крупнейшие доменные печи работают на Череповецком металлургическом комбинате («Северсталь») и Магнитогорском металлургическом комбинате (ММК).

Сталеплавильное производство

Чугун, полученный в домне, переделывается в сталь (содержание углерода менее 2,14 %) в сталеплавильных агрегатах:

• Кислородно-конвертерный процесс — в конвертер заливают жидкий чугун и загружают лом, после чего через фурму подают кислород под давлением. Окисление углерода, кремния и марганца сопровождается выделением тепла, что позволяет поддерживать температуру. Длительность плавки — 30—50 минут. В России процесс внедрён на комбинатах «НЛМК», «Евраз ЗСМК», «Уральская сталь».
• Электросталеплавильный процесс — в дуговой печи (ДСП) или индукционной печи плавят шихту с использованием электрической дуги. Позволяет получать высококачественные легированные стали, а также перерабатывать 100 % лома. Крупнейшие электросталеплавильные цехи в РФ — на «Оскольском электрометаллургическом комбинате» (ОЭМК) и «Выксунском металлургическом заводе».
• Мартеновский процесс — устаревшая технология, в России практически вытеснена; последние мартеновские печи были остановлены на ММК и «ЗСМК» в 2010-х годах.

Внепечная обработка и разливка

После выплавки сталь подвергается внепечной обработке (вакуумирование, десульфурация, модифицирование) в агрегатах «ковш-печь» и вакууматорах. Затем жидкий металл разливается на машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) в слябы, блюмы или заготовки квадратного сечения. В России установлены МНЛЗ на всех крупных комбинатах; доля непрерывной разливки превышает 95 %.

Прокатное производство

Заготовки нагреваются до температуры 1100—1250 °C и подвергаются пластической деформации на прокатных станах. Различают:

• Листовой прокат — толстый лист (стана 2800, 5000), тонкий лист (стана горячей и холодной прокатки);
• Сортовой прокат — балки, швеллеры, уголки, арматура, катанка;
• Трубный прокат — бесшовные трубы (на трубопрокатных агрегатах) и сварные трубы (из штрипса).

Крупнейшие прокатные мощности в РФ сосредоточены на «ММК», «НЛМК», «Северстали» и «Евраз НТМК».

Термическая и механическая обработка

Для придания металлу требуемых свойств применяют отжиг, нормализацию, закалку и отпуск. В ряде случаев используют термомеханическую обработку (ТМО), совмещающую деформацию с закалкой. На некоторых предприятиях (например, «Ижсталь») развито производство холоднотянутого калиброванного проката и проволоки.

Классификация металлургических производств

По типу получаемого металла выделяют:

• Чёрная металлургия — производство чугуна, стали и ферросплавов. Составляет около 90 % мирового объёма металлургической продукции.
• Цветная металлургия — производство алюминия, меди, цинка, свинца, никеля, титана, магния и других металлов. В России крупнейшие предприятия — «РУСАЛ» (алюминий), «Норникель» (никель, медь), «Уралэлектромедь» (медь).
• Порошковая металлургия — получение деталей из металлических порошков методом прессования и спекания. Применяется для изготовления твёрдосплавного инструмента, фильтров, подшипников.
• Специальная металлургия — включает вакуумную, электрошлаковую, плазменную и электронно-лучевую плавку для получения особо чистых и жаропрочных сплавов.

Основные центры металлургии в России

Россия занимает пятое место в мире по производству стали (после Китая, Индии, Японии и США). Ключевые регионы:

• Урал — Челябинская (ММК, ЧМК), Свердловская (НТМК, ВСМПО-Ависма) и Оренбургская области;
• Центральная Россия — Липецкая (НЛМК), Белгородская (ОЭМК), Курская (КМА);
• Сибирь — Кемеровская (ЗСМК, Кузнецкие ферросплавы), Иркутская (Братский алюминиевый завод), Красноярский край (Красноярский алюминиевый завод);
• Северо-Запад — Вологодская область (Череповецкий меткомбинат), Ленинградская область (Кировский завод, Ижорские заводы).

Экологические аспекты

Металлургическое производство относится к отраслям с высокой антропогенной нагрузкой. Основные виды воздействия:

• выбросы в атмосферу оксидов углерода, серы, азота, пыли и тяжёлых металлов;
• сбросы сточных вод, содержащих взвешенные вещества, нефтепродукты, фенолы;
• образование твёрдых отходов (шлаки, шламы, окалина).

В России с 2019 года действует программа «Чистый воздух», в рамках которой предприятия «НЛМК», «Северсталь», «ММК» реализуют проекты по модернизации газоочистки и переходу на замкнутые циклы водоснабжения. Шлаки чёрной металлургии используются в производстве строительных материалов (щебень, цемент), а шламы — в агломерационном производстве.

Экономическое значение

Металлургия обеспечивает около 10 % ВВП России и порядка 15 % промышленного производства. В отрасли занято свыше 600 тысяч человек. Крупнейшие металлургические холдинги — «Северсталь», «НЛМК», «ММК», «Евраз», «Мечел», «РУСАЛ» — входят в число ведущих налогоплательщиков и экспортёров. Основные рынки сбыта — строительство (арматура, балка, лист), машиностроение (прокат для автопрома, судостроения, вагоностроения), трубная промышленность и оборонно-промышленный комплекс.

Перспективы развития

Современные тенденции в металлургическом производстве включают:

• цифровизацию и внедрение «Индустрии 4.0» (цифровые двойники, машинное зрение, прогнозная аналитика);
• снижение углеродного следа (переход на водородное восстановление железа, улавливание и хранение CO₂);
• развитие рециклинга — увеличение доли лома в шихте до 50—70 %;
• создание материалов с заданными свойствами (наноструктурированные стали, сплавы с памятью формы, сверхпрочные высоколегированные стали).

В России стратегия развития металлургии до 2035 года предусматривает модернизацию доменных печей, строительство новых электросталеплавильных цехов и внедрение технологий «зелёной» металлургии.

Источники

1. Металлургическое производство // Большая российская энциклопедия, том 19, 2012.
2. Технология металлов и металлургия / под ред. А. М. Дальского. — М.: Машиностроение, 2005.
3. Чёрная металлургия России: состояние и перспективы // Институт экономики УрО РАН, 2020.
4. Стратегия развития металлургической промышленности РФ до 2035 года (утв. распоряжением Правительства РФ от 28.12.2021 № 3927-р).
5. Экологическая безопасность в металлургии / под ред. В. А. Крылова. — М.: Металлургия, 2018.