Учитель. Железо… Недра нашей планеты богаты этим металлом, который по праву называют “фундаментом цивилизации”. Словно для того чтобы не расставаться со своими сокровищами, природа, прочно, связав железо с другими элементами (главным образом с кислородом), спрятала его в разнообразных рудных минералах. Но уже в глубокой древности – во втором тысячелетии до нашей эры – человек научился извлекать нужный ему металл. Вся история металлургии железа, со времени появления первых плавильных ям вплоть до наших дней, - это непрекращающееся совершенствование способов его получения. Несколько столетий назад появилась доменная печь – высокопроизводительный агрегат, в котором железная руда, превращается в чугун – исходный продукт для выплавки стали. Но поиск продолжается и сегодня. Металлургам ряда стран удалось осуществить способ прямого получения железа, – минуя домну. В нашей стране первенцем бездоменной металлургии стал Оскольский электрометаллургический комбинат, которому в этом году исполняется 30 лет.
Историк. В конце семидесятых годов учащиеся Волоконовской средней школы, проводя археологические раскопки недалеко от реки Оскол, обнаружили древний горн для получения железа. Ценность находки проверили и подтвердили при раскопках ученые. Они установили, что действовал он более тысячи лет назад. В то время здесь обитали хазары. Видимо, эти воинствующие кочевники занимались и металлургическим ремеслом, благо железной руды в этих краях немало: ведь именно здесь находится гигантская природная кладовая железа, известная ныне как Курская магнитная аномалия.
С большими предосторожностями горн доставили в Старый Оскол, где тогда строился Оскольский электрометаллургический комбинат. Энтузиасты-металлурги задумали провести любопытный эксперимент: получить железо из руды по технологии своих древних предшественников. Об использовании для этой цели найденного горна не могло быть и речи - время сделало свое дело. Но печь сохранилась, из песка и глины отформовали ее точную копию. Исходным сырьем для опыта стала измельченная железная руда, а топливом, как и в те далекие времена, - дробленный древесный уголь. С четвертой попытки после 12-часовой смены, удалось “приготовить” примерно килограммовый кусок железной крицы – губчатого железа.
Технолог. Процесс извлечения железа из руды в горне вошел в историю металлургии под названием “сыродутный”, поскольку в горн вдувался не подогретый – сырой – воздух. Получавшееся железо порой оказывалось недостаточно прочным и твердым, а изделия из него – ножи, топоры, копья – недолго оставались острыми, гнулись, быстро выходили из строя. На дне горна наряду со сравнительно мягкими комками железа попадались и более твердые – те, что вплотную соприкасались с древесным углем. Подметив эту закономерность, человек начал сознательно увеличивать зону контакта с углем и тем самым науглероживать железо. Это была сталь – важнейший сплав железа, который и по сей день служит основным конструкционным материалом. Спрос на сталь всегда опережал ее производство, а примитивная металлургическая техника на протяжении почти трех тысячелетий никаких принципиальных изменений не претерпела.
Историк. В средние века сыродутный горн обрел вид шахтной печи, достигавшей в высоту нескольких метров. В России эти печи называли домницами – от древнерусского слова “дмение”, означавшего “дутье”. В них загружали уже солидное количество шихтовых материалов – железной руды и древесного угля, да и воздуха требовалось во много раз больше. Теперь печи “дышали” с помощью энергии воды: воздуходувные мехи приводились в движение огромными водяными колесами.
Технолог. В шахтной печи в единицу времени сгорало больше топлива, чем в горне и, ес-тественно, больше выделялось тепла. Именно высокие температуры в печи привели к тому, что часть восстановленного железа, сильно насыщенная углеродом, расплавлялась и вытекала из печи. Застывая, такой железоуглеродистый сплав, содержащий в несколько раз больше углерода, чем сталь, становился очень твердым, но и очень хрупким. Это был чугун. Поскольку никакого применения чугун не находил, его обычно выбрасывали на свалку. Но вот в XIV веке кому-то пришла счастливая мысль загрузить чугун снова в печь и переплавить вместе с рудой. Эта попытка знаменовала собой настоящий переворот в металлургии железа. Увы, история не сохранила для нас имя этого средневекового изобретателя. Так возник двухстадийный способ получения стали из железной руды: руда - чугун, чугун – сталь.
Историк. Теперь спрос на чугун, прежде всего как на полупродукт, превращаемый затем в сталь, резко увеличился. И доменные печи вырастали повсюду, как грибы после дождя. Но поскольку для доменной плавки требовалось много древесного угля, вскоре в тех странах, которые не были богаты лесами, начал остро ощущаться его недостаток, и металлургия, лишившись топлива, пошла на убыль. Но в 1735 году англичанину Абрахаму Дерби удалось осуществить доменный процесс на коксе – топливе, полученном из коксующегося каменного угля при его нагревании без доступа воздуха до высоких температур (950-1050 градусов), при этом уголь не измельчался, а спекался в куски.
Технолог. XVIII и XIX века внесли немало нового в конструкцию доменной печи: были изобретены первые воздуходувные машины, а рядом с домной вырос “почетный караул” – огромные тупоносые сигары воздухонагревателей, благодаря которым в печь теперь подается горячий воздух. А во второй половине XIX века были созданы более производительные сталеплавильные агрегаты – конвертер и мартеновская печь. В них чугун превращался уже не в тестообразную массу – крицу, а в жидкую сталь. Затем в историю металлургии была вписана еще одна важная страница: сконструирована дуговая сталеплавильная печь, позволявшая получать металл высокого качества. У пламени, тысячелетиями монопольно владевшего всеми правами на плавку металлов, появился серьезный конкурент - электрический ток.
Историк. В последние десятилетия в металлургии наблюдается своеобразная “акселерация”: размеры всевозможных печей растут из года в год. В течение еще длительного периода домны, несомненно, сохранят свое значение. Тем не менее судьбу их вряд ли можно считать безоблачной. В чем же дело?
Технолог. У доменной печи есть серьезный недостаток: непременное “блюдо” в ее рационе – кокс. В природе кокса, как известно, нет. Его получают из каменных углей, но не из любых, а лишь из тех, что имеют склонность к коксованию (спеканию). Таких углей в мире не очень много, поэтому год от года они становятся все дефицитнее и дороже. Да и уголь еще нужно превратить в кокс. Процесс этот довольно сложный и трудоемкий, сопровождающийся выделением вредных побочных продуктов с отнюдь не парфюмерными ароматами. Чтобы по возможности избавить от них атмосферу, воду, почву, приходится сооружать дорогостоящие очистные устройства. Удорожание кокса привело к тому, что он оказался самой солидной статьей в себестоимости чугуна: на его долю приходится примерно половина всех затрат. Поэтому доменщики стремятся сократить расход кокса, частично заменяя его природным газом, пылевидным углем, мазутом, и здесь уже достигнуты немалые успехи. Проблемами бескоксовой металлургии занимался еще основоположник современного металловедения Д.К.Чернов. Он предложил оригинальную конструкцию шахтной печи, которая выплавляла бы не чугун, а железо и сталь. К сожалению, его идее не суждено было воплатиться в жизнь.
Историк. Сторонником бездоменного производства был и Д.И.Менделеев. “Я полагаю, - писал он на рубеже столетий, - что придет со временем опять пора искать способы прямого получения железа и стали из руд, минуя чугун.”
Технолог. Первая удачная промышленная установка для прямого получения железа была сооружена в 1911 году в Швеции по проекту инженера Э. Сьерина. Достоинством этой технологии было то, что восстановителем, отбирающим у железа кислород, служили отходы угольного и коксового производства, а сама печь отапливалась дешевыми сортами угля. В 1918 году шведский инженер М. Виберг предложил вести процесс восстановления в шахтной печи, используя для этой цели горючий газ, содержащий окись углерода и водород. Способ позволял превращать руду в 95-процентное железо.
Историк. В нашей стране большим энтузиастом бездоменной технологии был доцент Сибирского института В.П. Ремин, который еще в конце 30-х годов разработал конструкцию электропечи. В те годы металлургии, несмотря на многочисленные попытки разработать способы получения железа непосредственно из руды, не удавалось найти решение, которое бы удовлетворяло: либо несовершенной была технологическая схема, либо оставляло желать лучшего качество получаемого металла, кроме того, не оправдывались экономически: металл получался очень дорогим. Трудной задачей оставался и выбор восстановителя.
Технолог. К концу 50-х годов металлурги пришли к твердому убеждению, что в роли восстановителя в процессах прямого получения железа должен выступать газ. Это означало то, что восстановитель оказывался практически бесплатным: изобретатели предложили использовать отходящий газ электросталеплавильных цехов, который прежде выбрасывался в атмосферу. Оригинальным было и другое решение. Из шахтной печи, где происходило восстановление железа, горячий газ направлялся не в небеса, а в рекуператор и отдавал свое тепло поступающему туда газу-восстановителю. В начале 60-х годов был достигнут новый успех: вместо утилизированного электропечного газа в них использовался природный газ. Разумеется, он стоил несколько дороже. После тщательного изучения вопроса решено было строить в нашей стране металлургическое предприятие, в основе работы которого лежал бы именно такой процесс.
Историк. Итак, первенцем бездоменной металлургии в нашей стране стал Оскольский электрометаллургический комбинат (ОЭМК). Место для его строительства выбрали вблизи города Старый Оскол Белгородской области, расположенного недалеко от крупных горно-обогатительных комбинатов Курской магнитной аномалии. Прошло несколько лет, и в белгородской степи выросли корпуса современного металлургического предприятия, работающего по принципиально новой технологии. В чем же она заключается?
Главный инженер. Проследим весь путь, который проходит здесь железо, - от руды до стали (рис.№1). Начальный пункт этого пути – Лебединский горно-обогатительный комбинат (ЛебГОК). Выбор на него пал не случайно. Добываемая здесь железная руда, во-первых, легко обогащается (от 34 до 70% железа), а, во-вторых, в концентрате практически нет вредных примесей, и потому он идеальное сырье для прямого получения железа. Путь железа из недр на металлургическое предприятие начинается с “ нарушения” традиций: вместо рельсового транспорта, которым обычно перевозится руда, здесь она попадает в подземный трубопровод. По нему богатый железорудный концентрат, полученный обогащением добытой из недр руды, вместе с попутчицей- водой, одна тонна которой несет одну тонну концентрата, отправляется в принудительное (под давлением) 26-километровое путешествие, заканчивающееся в приемном резервуаре уже на металлургическом комбинате.
Историк. Гидротранспорт концентрата имеет ряд бесспорных преимуществ перед железнодорожным вариантом. Прежде всего, это значительно более низкие капитальные и эксплутационные затраты. Далее, трубы намного долговечнее рельсов и шпал, да и к тому же им не страшна непогода. В январе 1985 года зима покрыла белгородскую землю таким снежным “одеялом” и ледяным панцирем, что рельсовому транспорту пришлось очень нелегко, а автомобильное движение кое-где и вовсе замерло. Пульпа же (вода с концентратом) бесперебойно поступала на ОЭМК. Добавьте и такой весомый аргумент: по производительности гидравлический транспорт в несколько раз превосходит железнодорожный. Наконец, явно лучше условия труда персонала, обслуживающего пульпопровод.
Начальник цеха окомкования. Из приемного резервуара пульпа направляется в отделение фильтрации цеха окомкования, где на дисковых вакуум-фильтрах из нее удаляется влага. Затем к полученному концентрату добавляется глинистое вещество, которое во вращающихся барабанных окомкователях склеивает частицы концентрата в небольшие, диаметром 1-2 см, шарики – сырые окатыши. Это наиболее подходящее по размерам сырье для дальнейших технологических операций. Окатыши пока непрочны, а им предстоит еще немало испытать: удары на грохоте, где происходит отсев слишком крупных и слишком мелких шариков (после измельчения они вновь вовлекаются в технологический процесс), падение с высоты и, наконец, давление со стороны лежащих выше слоев в установке металлизации. Требуемую прочность окатышам придает обжиг на конвеерной машине. Из цеха окомкования выходят обожженные окатыши, содержащие более 67 % железа.
Начальник цеха металлизации. По закрытым ленточным транспортерам обожженные окатыши поступают в цех металлизации. Здесь высятся 64-метровые цилиндрические башни с внутренним диаметром 5 метров. Это установки шахтного типа, в которых и происходит прямое восстановление железа. Окатыши поступают в приемное устройство, находящееся в верхней части установки. Далее по веером расположенным трубам они равномерно загружаются в шахту, где опускаются под действием собственного веса. А навстречу им поступает горячий восстановительный газ, полученный в реформерах. Здесь природный газ очищается от серы (в нем остается не более 5-10 молекул серы на миллион молекул газа ) и подвергается углекислотной конверсии: метан и другие углеводороды превращаются в оксид углерода (II) и водород. Эти сильные восстановители при 500-800 градусах легко отбирают у железа кислород. И окисленные окатыши превращаются в металлизованные: в них теперь уже более 90 % железа. Весь процесс, включая подготовку газа и восстановление железа, протекает в замкнутой системе: колошниковый газ (отходящий из шахты) используется для конверсии природного газа; В атмосферу сбрасывается лишь дым из межтрубного пространства реформера после использования тепла.
Начальник электросталеплавильного цеха. Металлизованные окатыши постоянного химического состава – превосходная шихта для выплавки высококачественной стали. На ОЭМК этот процесс осуществляется в больших 150-тонных дуговых печах. Печи оборудованы пылешумоизолирующим кожухом. Благодаря мощному трансформатору плавка длится немногим более 2,5 часа: в два раза короче, чем в обычных электропечах. Слитая в ковш сталь подвергается дополнительной внепечной обработке: вакуумированию, продувке аргоном и рафинирующими порошками. Это позволяет еще больше повысить качество металла. Освободившийся от газов и других нежелательных примесей металл разливается на машине непрерывного литья в сортовые заготовки.
Главный инженер. Итак, процесс получения стали на ОЭМК состоит из двух главных стадий: первая – приготовление из железорудного концентрата окисленных окатышей и их металлизация, вторая – выплавка из них стали. Выходит, что если сравнивать эту технологию с традиционной по числу стадий, то выигрыша достигнуть не удалось. Это действительно так. Но арифметика здесь отступает на второй план, а на авансцену выходят технология, экономика и экология. Прежде всего бездоменная металлургия позволяет отказаться от постоянно дорожающего кокса, а значит, и от сложного хозяйства коксохимических, агломерационных и доменных цехов. Выплавленная бездоменным путем электросталь содержит значительно меньше серы и фосфора, попадающих в обычную сталь из руды и чугуна, и от ненужных для стали цветных металлов, встречающихся в металлоломе. Чистота стали – залог ее высоких механических, физических и технологических свойств, таких, как ударная вязкость, пластичность, магнитные характеристики, температурный по-рог хрупкости при низких температурах. Благодаря этому металл способен долго и надежно работать в трудных условиях, характерных для современной техники.
Экономист. Трудозатраты на производство одной тонны металлизованных окатышей на ОЭМК ниже, чем на получение передельного чугуна.
Эколог. Есть еще один важный аспект: для бездоменной металлургии характерна высокая культура производства: практически отсутствуют такие атрибуты традиционной технологии, как пыль, шум, грязь. Кроме того, почти полная автоматизация и механизация производства. Металлизационные установки, можно сказать, стерильны для окружающей среды, в то время как доменные и коксовые печи наносят довольно мрачные тона на голубую картину неба. Коксохимическое производство к тому же регулярно “снабжает” атмосферу сернистыми газами, фенолами, цианидами и другими вредными веществами. Но если действительно “мы не можем ждать милостей от природы”, то природа вправе ждать милостей от нас. Примером такой милости, а точнее говоря, проявления разумного, бережного отношения к природе и служит, в частности, внедрение в металлургию бездоменной технологии получения железа.
Но, тем не менее, в мае 2003 года на комбинате была провозглашена новая экологическая политика. Это означает, что вся деятельность предприятия направлена на внедрение системы экологического менеджмента и подготовку к экосертификации. В октябре 2004 года международная фирма DNV (Det Norske Veritas) провела сертификационный аудит на соответствие экологической деятельности комбината требованиям международного стандарта системы экологического менеджмента ISO 14001. Аудиторами отмечен высокий уровень экологических показателей и работы, связанной с вопросами охраны окружающей среды. По данным газеты “Коммерсант” №194 от 23 октября 2003 г. удельные выбросы загрязняющих веществ на тонну стали на ОАО “ОЭМК” значительно ниже, чем на Магнитогорском металлургическом комбинате, череповецкой “Северстали”, а по диоксиду серы меньше, чем на “Hoogovens” (Голландия) и “Фестальпине” (Австрия). В своем интервью газете “Зори” исполнительный директор ОАО “ОЭМК” А.А. Угаров сообщил: “Со дня на день мы ждем от сертифицирующего органа экологический сертификат, подтверждающий, что ОЭМК – экологически безопасное предприятие”.
Чем же живет комбинат сегодня?
Исполнительный директор: 7 ноября 2004 года на ОЭМК была получена 2- миллионная с начала года тонна стали. Из года в год на комбинате планомерно наращиваются объемы производства электростали: по товарной продукции ОЭМК превысил показатель минувшего года на 5,8 процента. Анализ рынков сбыта показал, что количество заказов потребителей превышает имеющиеся производственные возможности ОЭМК. Поэтому разработана стратегия, обеспечивающая наращивание объемов производства стали с поддержанием высоких качественных показателей за счет постоянной модернизации сталеплавильного производства. В начале нынешнего года на дуговой сталеплавильной печи № 4 установлен и после приемочных испытаний запущен в промышленную эксплуатацию газокислородный модуль фирмы “Пайерджет”, что интенсифицировало процесс выплавки стали. Уменьшение длительности плавки и расхода электроэнергии, в среднем, составило 8 минут на плавку и 45кВт час/т, соответственно, что позволило ежемесячно экономить 20,6 млн. рублей. Пуск комплекса стана-350 дает нам основание считать, что мы готовы конкурировать с российскими и западными металлургическими компаниями. Вся металлопродукция ОЭМК находит своего потребителя: квадратная заготовка для переката и горячей штамповки по передельным схемам, трубная заготовка для производства бесшовных труб, сортовой прокат, используемый в машиностроитель-ном, подшипниковом, автомобильном и других производствах. Мелко-среднесортный стан 350 производит прокат, используемый в автомобилестроении, производстве подшипников, метизов и нормалей, машиностроении и др. Среди наших постоянных клиентов на рынке России и СНГ около 200 компаний. В структуре экспорта ОЭМК более 50 % занимают полуфабрикаты, которые поставляются в Италию, Тайвань, Египет, Таиланд, Иран и другие страны. Заготовки для производства бесшовных труб экспортируются, в основном, в Индию, Румынию, Китай, США. Сортовой прокат – страны Европы, Тайвань, США.
Что касается внутренних продаж: в трубной промышленности – Волжский трубный, Первоуральский новотрубный, Синарский трубный, корпорация “Интерпайп”, ЮТИСТ. Подшипниковая промышленность: Самарский, Саратовский, Московский подшипниковые заводы, автомобильную промышленность – ВАЗ, ГАЗ, ЗИЛ, КАМаЗ, УАЗ.