Несообразности металлургического цикла. Их устранение (стр. 18 )

9.4. 19-й век

…и как бы тяжко не было здесь мне,

но будет много чугуна и стали

на душу населения в стране.

В. Высоцкий, песня зэка

19-й век и начало 20-го века стали временем огромного количественного роста черной металлургии в связи с индустриализацией хозяйства передовых стран. За период с 1800 г. до 1913 г. мировое производство чугуна и стали выросло примерно в 100 раз, по чугуну – с 0,8 до 80 млн тонн в год. За следующее столетие производство металла выросло уже не в 100, но примерно лишь в 10 раз. В передовых странах производство черного металла в ряде случаев даже сокращается за счет перенесения его в развивающиеся страны.

Отметим, что основные труды классиков марксизма создавались именно в эпоху бурного роста металлургии, и данные о производстве металла часто были в этих трудах основным показателем развития страны. Поэтому в СССР стройки металлургических заводов пользовались особым вниманием; вплоть до распада СССР основными показателями планов было производство чугуна и стали, хотя передовые страны уже вступали в эпоху постиндустриального информационного общества, а металлургические производства переносили в страны третьего мира. Здесь также видно влияние идеологии на металлургию – в данном случае уже влияние социальной идеологии.

С начала 19-го века применяются мощные воздуходувки с паровыми машинами, а затем – с электродвигателями, это позволяет резко увеличить размер доменных печей. С древесного угля печи переходят на каменноугольный кокс (начиная с 1709 г.). Сталеплавильное производство быстро прогрессирует в связи с появлением бессемеровских (1856 г.), затем томасовских конверторов воздушного дутья, а также мартеновских печей (1864 г.). Формируется единый индустриальный металлургический цикл, общий для всего мира, местные особенные процессы получения металла, существовавшие в ремесленном производстве, не выдерживают конкуренции и исчезают.

9.5. Обеспечение газопроницаемости шихты

Почти все деньги уходят на приготовление прочных кусков топлива и руды, на обеспечение продувки!

Из дискуссий

В начале 20-го века получили распространение железорудные концентраты, агломерация, производство окатышей (с 1912 г.). Как и при появлении чугуна, металлургия не отошла от древних принципов, от продувки смеси кусков при избытке топлива. Вместо того, чтобы отлаживать металлизацию порошка концентрата или вдувать его в печь, металлурги предпочли превращать этот порошок в куски агломерата или окатыши, в комки, подобные привычным кускам руды. Ради сохранения традиционной схемы процесса в металлургический цикл был введен еще один дополнительный передел – агломерация или производство окатышей, чтобы приспособить новое сырье (порошок концентрата) к прежней доменной плавке.

Производство прочного кокса и прочных окатышей обеспечивает сохранение кусков шихты при прохождении ими длинного пути в шахте печи, обеспечивает высокую газопроницаемость шихты.

Чтобы сделать доменный процесс более эффективным, чтобы сберечь дорогое тепло доменной печи, вводятся также и другие высокотемпературные процессы подготовки сырья. Сидеритовые руды подвергают предварительному обжигу для разложения карбонатов железа FеСО3. Применяется окислительный обжиг окатышей с целью перевести окислы железа в легковосстановимый гематит Fе2О3 и др. Чтобы гематитовые руды перевести в магнетит, пригодный для магнитной сепарации, вводят еще магнетизирующий обжиг руды и др. Сейчас материалы от руды и топлива до готового изделия проходят, например, 4-8 циклов нагрева–охлаждения. Растет энергоемкость производства металлоизделий, ухудшается этот показатель эффективности цикла, очень важный при современных высоких ценах на энергоресурсы.

Если в агрегате типа «угольный Мидрекс» (см. рис. 3.1) будет обилие дешевого тепла, то нецелесообразно будет проводить подобные процессы обжига в отдельных печах, разумнее будет совместить их с основной плавкой.

Большое значение приобретают экологические факторы, которые часто являются основной причиной перенесения металлургических производств из передовых стран в развивающиеся. Сейчас по производству черного металла лидирует Китай. Металлургия является одной из самых грязных отраслей хозяйства и дает огромное количество газообразных, твердых и жидких загрязнений окружающей среды. Для нашей темы важен тот факт, что количество вредных выбросов примерно пропорционально количеству сожженного топлива, примерно пропорционально энергоемкости производства. Если предлагаемые процессы будут в 5-10 раз более энерго-экономичны, то они дадут также намного меньше и экологических вредностей.

9.6. Пороки металлургического цикла

На уровне принципов и схем легко рассуждать! Бумага терпит! А вы на деле попробуйте!

Из дискуссий

Из истории металлургии видно, что при каждом радикальном изменении условий производства торжествовала приверженность металлургов упомянутой идеологии, основному доменному принципу – получению металла продувкой рудотопливной смеси кусков при избытке топлива. Как отмечено выше, металлурги «не могли поступиться принципами», и при изменении условий каждый раз скорее соглашались ввести целое новое добавочное производство, новый передел, доводочный или подготовительный, но не соглашались видоизменить схему процесса восстановления руды до металла соответственно новым условиям, не соглашались изменить принцип процесса. В результате современный металлургический цикл выглядит теперь уже как сложное нагромождение многих накопившихся со временем разновременных добавок и пристроек, добавочных подготовительных и доводочных производств, основных и вспомогательных. Теперь цена самого процесса получения металла, то есть цена самого доменного передела, стала уже незначительной частью общей стоимости производства, общей цены всего цикла, однако доменный принцип продувки смеси по-прежнему определяет всю структуру цикла. Со временем быстро изменяются доводочные сталеплавильные процессы, пудлинговые печи сменились мартеновскими, затем воздушными и кислородными конверторами, электропечами. Быстро изменяются и подготовительные процессы подготовки сырья к доменной плавке. Быстро изменяются производства, стоящие до доменного процесса и после него, но принцип самого доменного процесса – продувка смеси – остается неизменным от сотворения мира.

Приведем характеристику недостатков металлургического цикла, данную профессором : [15]. «Доменное производство – во всех отношениях очень тяжелое производство. Температура внизу домны достигает 2000 оС. Чтобы получить 1 т чугуна, в нее нагнетают 4 т воздуха (или до 1 т кислорода). При этом в атмосферу выбрасывается огромное количество углекислого газа, окиси углерода и тепла. Получив жидкий чугун, его охлаждают, выбрасывая в окружающую среду дополнительное количество теплоты. Отвердевший же чугун в процессе передела его в сталь расплавляют и нагревают до температуры не ниже 1700 оС. Главная задача сталеварения – очистить металл от избытка углерода, а также серы, фосфора и других вредных примесей, которых нет в руде, но которыми металл насыщается в процессе получения чугуна. Эти несообразности – врожденный порок плавильной металлургии, приобретенный ею в процессе многовекового стихийного развития, скованного жесткой схемой: руда – чугун – сталь – металлобработка – изделие….». Можно вполне согласиться с тем, что у современной металлургии имеется ряд отмеченных врожденных пороков, или несообразностей. Мы заимствуем отсюда эти термины. Отметим, что в приведенной цитате основная критика направлена на недостатки металлургии расплавов по сравнению с твердотельной металлургией. Как и во многих других случаях, здесь не отмечается явно важная несообразность 1 - невозможность полного сжигания топлива в доменной печи.

9.7. Бездоменная металлургия

Мужик – что бык. Втемяшится в башку

какая блажь, колом ее оттудова не выбьешь.

Упираются, всяк на своем стоит.

Конечно, за несколько столетий господства доменного процесса на него была уже не одна атака, не одна попытка повалить домны. Известно множество изобретений и патентов (не реализованных) по прямому получению железа и стали. Некоторая часть этих изобретений была доведена до создания агрегатов; часто процесс и агрегат бросали из-за того, что не хватало уверенности, времени, денег для преодоления выявляющихся технических трудностей.

В частности, доменные печи пытались объявить вымирающими мамонтами в 60-х годах 20-го века, когда ожидалось бурное развитие получения металла за счет продувки рудных окатышей природным газом. Тогда в СССР был построен Старо-Оскольский электрометаллургический комбинат на газе, работающий по схеме «Мидрекс – электропечь». Однако упоминавшаяся атака на домны 60-х годов быстро захлебнулась, а надежды на металлизацию газом вскоре померкли. В 70-е годы во время известного мирового энергетического кризиса газ (как и нефть) резко подорожал. Как металлургическое топливо, газ стал, в эквивалентном выражении, дороже кокса. Металлизация окатышей газом стала выгодной в основном лишь там, где газ определенного источника было желательно потребить на месте, без транспортировки. Вышли из моды и поиски методов металлизации порошка концентрата природным газом.

Надежды на металлизацию природным газом возобновились в период низких цен на нефть 90-х годов, и снова померкли при последующем росте цен после 2000-го года. В России это производство стимулировали низкие внутренние цены на газ, которые и сейчас еще намного ниже мировых, однако уже постепенно приближаются к мировым ценам. Для радикального и долговременного решения вопроса необходимо отрабатывать альтернативное производство металла на угле, в частности, на генераторном газе.

9.8. Подходы физхимиков и доменщиков

Физхимики, вы хоть на экскурсию к домне сьезди-

те, прежде чем предлагать план ее реконструкции!

Вы же домну только на картинке видели!!

Из дискуссий

В начале 20-го века был отлажен термодинамический анализ равновесия основных металлургических реакций, определены их теплоты, константы равновесия. К 1950 году были известны все термодинамические данные, использованные в этой книге.

К середине 20-го века были накоплены и собраны также данные по кинетике ряда реакций и по константам их скорости. Сформированы курсы «Теории металлургических процессов» в России в книгах [9], – [8], и в ряде последующих книг. Правда, это скорее термодинамический и кинетический анализ отдельных металлургических реакций, скорее «Физическая химия пирометаллургических процессов» [8]. Таких специалистов в металлургии обычно называют физхимиками.