Технология металла и конструкционные материалы

Мировой рынок  лома определяется внутри каждой из стран  имеющимися ресурсами в зависимости  от уровня развития хозяйства. Эти ресурсы  лома очень неодинаковы в отдельных  странах, но в целом они весьма велики. Потребности в ломе черных металлов в мире в 1995 г. Достигали 385 млн. т. Из этого вторичного сырья было выплавлено во всех странах 40% стали. Выгоды от переработки лома в электродуговых печах и в кислородных конвертерах увеличивают спрос на него. Поэтому во внешней торговле участвует сравнительно ограниченное количество лома: около 5--7% образующихся его ресурсов.

Производство  металлургического кокса. Получаемый из коксующихся углей кокс является топливом и восстановителем железной руды при выплавке чугуна. Кокс -- первый по затратам компонент в доменном процессе. Его поставляют коксохимические цехи в металлургической или в топливной промышленности. Несмотря на возникновение нового направления получения стали в бескоксовой (или бездоменной) металлургии, абсолютная роль кокса в мире не уменьшается. Его производство вынуждены создавать для своей металлургической промышленности даже лишенные ресурсов коксующихся углей страны, импортируя их в большом количестве.

Достижения НТП  способствовали резкому уменьшению расходных норм кокса на выплавку чугуна. Так, в 1938 г. в мире средний расход кокса на 1 т чугуна составлял более 1,68 т, к 1960 г. он сократился до 1,09 т, а в 1990 г. был всего 0,66 т. Повышение качества железной руды, совершенствование технологии и техники выплавки чугуна позволили уменьшить удельные расходы кокса более чем в два раза. Поэтому выжиг кокса с 70-х гг. в мире стабилизировался на уровне 350-360 млн. т, несмотря на рост выплавки чугуна. В США и ряд стран Западной Европы производство кокса даже снизили в 2--3 раз;

Размещение производства кокса за 1938--1995 гг. претерпело большие изменения. В довоенном 1938 г. располагавшая ресурсами коксующегося угля Западная Европа была ведущей в мире по получение кокса, давая более половины (55%). После Второй мировой войн первенство перешло к богатой углем Северной Америке: в 1950 г. 40% кокса в мире. В 1990 г лидером коксового производства стала Азия 43%, а в 1995 г. ее доля увеличилась до 55%. Значительные сдвиги роли продуцентов кокса произошли по отдельным странам: до Вторе мировой войны выделялась Германия, после войны до 1961 г. США, затем до 1991 г. - СССР, а после 1991 г. - КНР .

Легирующие металлы  необходимы для получения ферросплавов, низколегированных (содержащих до 2,5% легирующих металлов), среднелегированных (2,5-10%) и  высоколегированных (свыше 10^%) сталей. В целом по сравнению с основным металлом -- железом использование легирующих металлов невелико. Среди них лишь марганец, хром и никель производят в мире в количествах более 1 млн. т. каждого. Остальные металлы этой группы используются в гораздо, меньших количествах, иногда только сотнями килограммов. Поэтому объемы добычи руд легирующих металлов и производство самих металлов на размещение черной металлургии воздействия почти не оказывают.

Большинство ведущих  государств по производству продукции черной металлургии не обеспечены всеми видами легирующих металлов, а порой, как например Япония, не имеют их. Как правило, они располагают в достаточном количестве лишь некоторыми из них:

Бразилия и  Украина -- марганцем, Россия и Канада -- никелем, Бра-зилия и Индия -- хромом, КНР -- вольфрамом, США -- молибденом. Зависимость от импорта хрома, марганца и кобальта или сырья для их получения в Западной Европе составляет 100%, никеля 99, вольфрама 70%. В США она достигает 70% по никелю и вольфраму, до хрому 75, кобальту 95 и марганцу 100%. Очень высока обеспеченность этими и некоторыми другими легирующими металлами России и КНР, они являются наряду со странами Африки, Южной Америки экспортерами ряда легирующих металлов.

Производства  металлургического комплекса. Выплавка чугуна -- сплава железа с углеродом -- первая стадия непосредственного получения металла в отрасли. Из выплавляемого в доменных печах чугуна производят около половины всей стали в мире. В зависимости от дальнейшего использования в домнах выплавляют передельный (белый) чугун, применяемый для передела в сталь. На него приходится подавляющая часть чугуна (свыше 85%). Литейный (серый) чугун -- важный конструкционный металл, идущий на изготовление всевозможных фасонных отливок. Продуктами доменного производства являются также некоторые ферросплавы, например, чугун с большим содержанием кремния, марганца (ферросилиций, ферромарганец и др.).

Доменный процесс -- самый материалоемкий в основном металлур-гическом цикле. На выплавку 1 т чугуна расходуется не менее 3 т железорудного сырья, топлива, известняков, до 30 м³ воды, природный газ, кислород. Для повышения эффективности производства чугуна, уменьшения расходов материалов и топлива первоочередной проблемой было и остается применение высококачественной железной руды. Экономический эффект достигается также за счет увеличения объема доменных печей. Это позволяет значительно уменьшить инвестиции на сооружение домны, снизить себестоимость чугуна, улучшить технологический процесс, сократить расходы топлива. За послевоенные годы максимальные объемы домен в мире возросли с 1500 до 5000 м³. Современная домна способна за один год дать 4-4,5 млн. т чугуна, что сопоставимо с выплавкой чугуна в одной из таких стран, как Австрия, Турция или Мексика.

Сложные экономические, и особенно экологические проблемы обусловили большие изменения в географии доменного производства. Наряду с локальными сдвигами в размещении заводов с доменными Цехами (перемещение их из старых районов черной металлургии на пути поступления импортного сырья в прибрежных пунктах приморских стран) произошли и крупные межрегиональные изменения. Главный результат таких миграционных процессов в отдельных частях света -- уменьшение роли старых промышленно развитых стран в получении чугуна. За 1950--1995 гг. суммарная доля Западной Европы и Северной Америки уменьшилась (несмотря на организацию этого производства в новых странах данных регионов) с 75 до 31 % в мире .

Выплавка чугуна в 60--70-е гг. все в большей степени  росла в процессе индустриализации стран Восточной Европы, а в 80-90-е гг. в Азии. Суммарная доля этих регионов в мире за те же годы увеличилась с 20 до 60%. Это обусловило глобальные изменения в географии черной металлургии. Коренные изменения произошли в выплавке чугуна по отдельным странам: в 1970-1990 гг. лидером был СССР, а в 90-е гг. им стала КНР. На фоне этих кардинальных сдвигов мало менялась роль остальных регионов мира -- Африки, Южной Америки и Австралии. За 45 лет их доля в производстве чугуна в мире возросла всего лишь с 3,6 до 9%, хотя они дают 31% добываемой в мире железной руды и более 10% коксующихся каменных углей.

Производство  стали -- промежуточная стадия металлургического  цикла. Сталь всего лишь полупродукт, предназначенный для дальнейшего  передела в прокат, идущий непосредственно в другие отрасли хозяйства. Каждый из потребителей предъявляет свои технические требования к качеству прокатных изделий из разных сортов стали. Различают обыкновенную (рядовую), качественную и высококачественную сталь. Технические свойства стали определяются содержанием в ней легирующих добавок и углерода: низкоуглеродистая, высокоуглеродистая (инструментальная). Объемы их получения разные, но непрерывно растет выпуск качественных сталей. Так, мировое производство нержавеющей стали за 1960--1995 гг. увеличилось с 2 до 15 млн. т, т.е. росло в 3,5 раза быстрее выплавки всей стали.

Технический прогресс постоянно менял методы получения  стали. В XIX в. и первой половине XX в. последовательно сменили друг друга  бессемеровский, томасовский и мартеновский процессы. Внедрение двух первых определялось составом руд и получаемого из них чугуна для передела в сталь. Возникший во второй половине XIX в. мартеновский метод был универсальным, независимым от, качества чугуна и позволял выплавлять сталь разного качества (в СССР в годы индустриализации он был основным и все еще остается таковым на ряде предприятий России).

С развертыванием НТР наиболее эффективными в сталеплавильном  переделе оказались два процесса. При кислородно-конвертерном способе  из расплавленного чугуна и лома сталь получают за 30-35 мин вместо 6--8 ч плавки в мартеновской печи. В дуговых электро-печах из лома и чугуна процесс плавки требует 50--70 мин. Поэтому в середине XX в. началось быстрое и широкое внедрение кислородно-конвертерного способа. К 1997 г. его доля в производстве стали в мире достигла 60%. Мартеновские печи теперь дают в мире всего 7% стали, и их быстро выводят из эксплуатации.

Сооружение кислородно-конвертерных цехов с одновременным демонтажем мартеновских требует больших капитальных  затрат. Поэтому, даже промышленно развитые страны с мощной металлургией вели реконструкцию на протяжении четверти века: Япония завершила переход на конвертерный способ получения стали в начале 70-х гг., ФРГ, Великобритания и Франция -- к началу 80-х, а США только к 90-м гг. В России и КНР он все еще продолжается. Конвертерный способ коренным образом изменил всю структуру сталелитейной промышленности мира в целом и отдельных стран. В США на него приходится 61% выплавляемой стали, во Франции -- 64, Японии -- 68. Великобритании -- 74, ФРГ -- 76, а в Люксембурге -- 100%.

Электросталеплавильный -- второй по значению процесс в производстве стали. Его развитию способствовали сравнительно небольшие затраты  даже на крупные электродуговые печи, быстрый их ввод в строй, широкое использование лома. Росту получения электростали благоприятствовало сооружение многих миди- и минизаводов. Это обусловило экономические выгоды от внедрения данного процесса (доля электростали в мире -- 33%). Значительное влияние оказывает и величина стоимости электроэнергии, особенно на ГЭС. В странах молодой черной металлургии (о. Тайвань, Республика Корея, Бразилия и др.) на электросталь приходится от 50 до 100% выплавки металла, а в основных странах -- продуцентах стали (Япония, США, государства Западной Европы) от 24 до 40% (Италия -- 58%).

В сталеплавильном  производстве особое значение приобрел эко-номически эффективный метод  непрерывной разливки стали. Его  установки впервые были разработаны  и внедрены в СССР и получили широкое  распространение в мире. Они сокращают отходы производства («обрези») на 20-30%, уменьшая затраты на их переплавку В 1995 г этим методом в мире разливалось 76% всей стали. В Японии, Франции, ФРГ, Италии на установках непрерывной разливки стали (унрс) разливали всю выплавленную сталь.

Новой технологией  революционного значения для черной металлургии является получение  стали непосредственно из металлизированных  окатышей, минуя выплавку чугуна. Экономические  и экологические преимущества этого  процесса (прямого восстановления железа -- ПВЖ) очевидны. Темпы роста производства способом ПВЖ значительно выше, чем доменного: в 1995 г. в мире было получено 31 млн. т металла. Установки ПВЖ требуют значительного количества энергии (преимущественно природного газа). Это стимулировало размещение их в избыточных по топливу странах и регионах. На Азию приходится 40% полученного по этой технологии металла, Южную Америку -35%. В крупных продуцентах стали в Северной Америке, Западной Европе, а также в России возникли лишь отдельные опытные заводы.

Как и в производстве чугуна, в мировой географии получения стали произошли большие изменения. Новые технологии выплавки стали, особенно на малых предприятиях, позволили размещать их вне старых традиционных центров и районов металлургической промышленности развитых стран мира. Очень сильное влияние они оказала на создание сталеплавильных предприятий в новых индустриальных странах, где их сооружали в малоосвоенных в промышленном отношении местностях, зачастую не располагавших первичным сырьем для металлургического производства. Так, значительное количестве стали (до 2,5 млн. т в 1995 г.) дает Саудовская Аравия.

За 1950-- 1995 гг. главным  результатом сдвигов в географии  миро-вой сталеплавильной промышленности был ее мощный рост в странах Восточной  Европы и Азии. Их суммарная доля в выплавке стали увеличилась с 22 до 55%. Однако темпы роста были меньше, чем в получении чугуна в этих регионах, что объясняется более узким рыночным спросом на сталь в условиях недостаточно развитого машиностроения. Одновременно более чем вдвое снизился удельный вес западных регионов -- с 77 до 37%. В Южной Америке, Африке и в Австралии выплавка стали росла быстрее, чем чугуна: там появились также крупные продуценты металла. Существенные сдвиги произошли в получении стали среди стран мира. Длительное лидерство США завершилось в середине 70-х гг., когда первенство перешло к СССР и удерживалось им до 1991 г. С распадом СССР вперед вышла Япония, а с 1997 г. - КНР.

Прокат -- конечный (выходной) продукт заключительной стадии всего цикла черной металлургии. Его стоимость в 2-5 и более раз превышает стоимость стали, он идет непосредственно потребителям во все отрасли народного хозяйства. Прокат -- главный товар внешней торговли продукцией черной металлургии. Мировая статистика не приводит стоимостных показателей выпущенного про-ката, ограничиваясь только его весом. Изделия из проката очень разнообразны, их состав -- сортамент -- в странах развитого машиностроения достигает 20--30 тыс. наименований и продолжает расти и обновляться в зависимости от требований рынка.

Главные виды прокатного производства следующие:

1) листовой металл (особенно ценен тонкий лист  до 3 мм --до 30-45% всего проката в  разных странах);

2) сортовой металл -- круглый, фасонный и т.д. (10-30% прокатной продукции);

3) заготовки для сварных труб и сами трубы -- цельнокатаные и др. (5-10%);

4) катанка -- горячекатаная  проволока (3-8%);

5) железнодорожный  прокат -- рельсы и др. (4--5%).

В настоящее  время исключительное значение для  ряда отраслей машиностроения, прежде всего электронной, приборостроительной и других, приобрел прецизионный прокат, отличающийся очень высокой точностью размеров.

Трубопрокатное  производство в связи с развитием  трубопроводного транспорта очень  крупное: в 90-е гг. изготовляли ежегодно 66-- 70 млн. т, из которых 1/2 приходилась на сварные (15% большого диаметра), а 1/3 -- цельнотянутые. Главные продуценты труб в 1990 г. -- СССР (более 1/4 в мире), Япония (1/6), КНР, ФРГ и США. Создание мощного трубного производства в СССР было вызвано большой потребностью в них для перекачки нефти и газа в 60--70-е гг. и отказом западных стран в условиях холодной войны поставлять их нашей стране.