Черная металлургия России

Часть третья. Производство стали

Вторая стадия металлургического передела — выплавка стали. Сталь — это деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом (до 2%) и другими элементами. Сталь служит материальной основой машиностроения, строительства и других отраслей хозяйства. Сталь получают главным образом из смеси выплавляемого в доменных печах чугуна со стальным ломом. Основные агрегаты для производства стали — мартеновские печи, конвертеры и электропечи; полученные в них стали называют соответственно мартеновской, конвертерной и электросталью.
Мартеновская сталь образуется в мартеновском процессе в специальной мартеновской печи. Мартеновская печь получила свое название от изобретателя — французского металлурга Пьера Мартена (1824—1915), построившего первую подобную установку на своей родине в 1864 г.
В мартеновскую печь привносят (или, как говорят металлурги, заваливают) чугун (в твердом или жидком виде) и стальной лом, причем доля каждого из этих компонентов может изменяться от 0 до 100% в зависимости от условий производства и марки получаемой стали. Полученная масса (ее, как и в доменном процессе, называют шихтой) расплавляется и доводится до температуры 1600—1650 °С, топливом чаще всего служит газ. В результате мартеновского процесса происходит дальнейшее восстановление железа, снижается содержание в нем углерода и других нежелательных примесей (кремния, марганца, серы, фосфора), проводится легирование стали — в нее добавляются различные металлические сплавы, придающие ей нужные физические и химические свойства. Кислород, необходимый для окисления примесей чугуна и соответственно, восстановления железа, вносят в печь присадкой железной руды или окалины. Для связывания примесей в шлаки в печь добавляют флюсы — известняк или известь — своеобразные катализаторы металлургического процесса.
Конвертерным процессом называют передел жидкого чугуна в сталь продувкой его газами, содержащими кислород, либо технически чистым кислородом в специальной установке — конвертере. В результате окисления примесей чугуна (углерода, кремния, марганца, фосфора и др.) выделяется тепло в количестве, достаточном для поддержания металла в жидком состоянии в течение всего процесса без поступления тепла из других источников. В настоящее время обычно применяется кислородно-конвертерный процесс (продувка жидкого чугуна технически чистым кислородом)*.
Электросталеплавильный процесс — плавка стали в электрических печах. Для плавки чугуна в этих печах используется тепло электрической дуги. Главное достоинство этого способа — возможность достижения высоких температур плавления (до 2500 °С). Первое в нашей стране металлургическое предприятие этого типа было построено у подмосковного полустанка Затишье в 1917 г. (ныне металлургический завод «Электросталь» в городе с тем же названием).

Из всех способов получения стали в настоящее время наиболее прогрессивными и производительными считаются кислородно-конвертерный и электросталеплавильный, позволяющие получать более чистую сталь с меньшим количеством шлаков и отходов. Эти методы меньше загрязняют окружающую среду, нежели мартеновский процесс, считаются более экономными из-за того, что позволяют применять технологии непрерывной разливки стали.
В последние годы в мире усиливается значение альтернативного бездоменного варианта металлургического передела, основанного на прямом восстановлении железа из обогащенной руды. Принципиально иная технология производства металла позволяет исключить такие сильные источники загрязнения, как агломерационная фабрика, коксохимическое производство, доменный цех. Применение этой технологии и использование металлизованных окатышей в качестве основного шихтового материала для производства стали позволяет получать металл высшего качества, особо чистый — с малым содержанием примесей. Выплавка стали из металлизованных окатышей происходит в сверхмощных электродуговых печах с непрерывной разливкой металла. В России с начала 80-х годов действует единственное металлургическое предприятие, использующее технологию прямого восстановления железа, — Оскольский электрометаллургический комбинат (г. Старый Оскол, Белгородская обл.). Это предприятие работает на рудах Курской магнитной аномалии и использует электроэнергию, вырабатываемую на Курской и Нововоронежской АЭС.
По химическому составу стали подразделяют на углеродистые и легированные. Углеродистая сталь наряду с железом и углеродом содержит марганец (до 1%) и кремний (до 0,4%), а также вредные примеси — серу и фосфор. В состав легированных сталей, помимо указанных компонентов, входят так называемые легирующие элементы: хром, никель, молибден, вольфрам, ванадий, титан и другие, которые придают ей стойкость к коррозии, упругость, легкость и другие полезные свойства.
Выделяют конструкционные стали (для создания разнообразных конструкций: машиностроительных, строительных, транспортных и др.), инструментальные стали (для производства металлических инструментов и их рабочих деталей), стали с особыми химическими и физическими свойствами (кислотостойкая, нержавеющая, жаропрочная, электротехническая сталь и др.).

Производство стали имеется не только на комбинатах полного цикла, но и на металлургических предприятиях, получивших название передельных. В их технологическом цикле отсутствует первая стадия металлургического передела — выплавка чугуна, а есть только сталеплавильное производство (часто вместе с прокатным). Эти предприятия в качестве сырья активно используют лом черных металлов.
Металлолом составляет около 2/5 используемого в мировой черной металлургии железосодержащего сырья. Он подразделяется на промышленный (образуемый на разных стадиях металлообработки) и амортизационный (получаемый в связи с износом оборудования). В некоторых странах доля лома в сталеплавильном производстве превышает 50% (например, в Италии, Испании, Швеции, Аргентине, Венесуэле). Крупнейшие страны — экспортеры лома черных металлов: США, Великобритания, Франция, Германия; крупнейшие импортеры — Италия, Испания и Япония.
География выплавки стали в России очень похожа на географию производства чугуна (см. карту в № 27—28/2004). Здесь так же четко выделяются Центральная, Уральская и Сибирская металлургическая базы. Их доли в производстве стали приблизительно соответствуют их распределению в производстве чугуна. Заметно, что основные производители чугуна остались на своих местах и на «стальной» карте. Это комбинаты полного цикла, но к ним присоединился еще и бездоменный Оскольский электрометаллургический комбинат, где чугуна в принципе нет. Ушли с карты некоторые центры исключительно чугунолитейного производства (Тула, Алапаевск, Сатка), зато в гораздо большем количестве добавились сталеплавильные центры. Обратите внимание еще и на то, что суммарная площадь кружков, отмечающих объемы производства, по сравнению с «чугунной» картой, несколько увеличилась. Действительно, стали выплавляется больше чугуна: ведь в сталеплавильном производстве в качестве сырья добавляются значительные объемы металлолома.

Производство стали на основных
металлургических предприятиях России
млн т

По данным интернет-портала «Экономика и финансы»

Распределение произведенной в России стали
по способам выплавки,
%

* В прошлом существовали конверторные бессемеровский процесс (продувка жидкого чугуна сжатым воздухом, что менее производительно, чем предыдущий способ; этот способ назван по имени изобретателя англичанина Генри Бессемера, 1813—1898) и томасовский процесс (сходен с бессемеровским, но в конвертере используется основное, чаще всего доломитовое, огнеупорное покрытие, которое лучше связывает присутствующий в чугуне фосфор; способ изобретен в Англии Сидни Дж. Томасом, 1850—1885).