Мрт металлургическое производство и технология металлургических процессов

По данным World Steel Association (WSA), средний уровень загрузки мощностей в глобальной металлургической промышленности в октябре достиг 70 процентов, прибавив 1,5 процента по сравнению с августом. Всего за первые три квартала этого года объем выплавки стали в мире составил 1197,2 миллиона тонн, что всего на 0,6 процента уступает показателю января-сентября 2015 года. Отставание от прошлогоднего графика, превышавшее в январе 6 процентов, продолжает сокращаться.

Главным драйвером для сложных и интересных проектов в металлургии становится повышение эффективности и стремление снизить потенциальные потери, связанные с безопасностью на производстве. Поэтому сектор использует как классические, так и достаточно инновационные ИТ-решения с выраженной отраслевой специализацией. «Скажем, крупные металлургические компании используют видеоаналитику для обеспечения производственной безопасности: информационная система определяет, все ли рабочие в цехе носят каски, анализируя видеопоток с камер в производственных помещениях в режиме реального времени», — рассказал руководитель отдела отраслевых решений компании Softline Алексей Стрельников.

70 процентов составляет загрузка глобальных металлургических мощностей

Также на металлургических производствах есть решения, в рамках которых собираются и обрабатываются данные с большого количества датчиков. Эти данные «приземляются» опять-таки на задачи производства, среди которых и обеспечение производственной безопасности, и обеспечение качества продукции, и экономическая эффективность производства в целом.

«Новым трендом в металлургии является внедрение технологий ТОиР (Управление ремонтами и обслуживанием оборудования), — заметил директор по работе с предприятиями металлургической отрасли КРОК Олег Терехов. — Они могут включать в себя использование мобильных устройств и системы управления надежностью, которые позволяют существенно снизить влияние человеческого фактора на один из самых затратных процессов производства». Одно из крупнейших предприятий отрасли уже эксплуатирует такую систему, и результаты работы системы подтверждают расчеты по повышению эффективности. Еще в трех предприятиях идут либо проекты, либо пилоты по этой тематике.

По словам эксперта, повышает эффективность и внедрение централизованной системы класса MES, системы управления транспортной логистикой, системы планирования производства и загрузки мощностей. Часто такие системы заменяют самописные решения 1990-х годов, которые до сих пор работают на некоторых предприятиях, но не отвечают современным требованиям.

Говоря об автоматизации производства, эксперты отметили, что металлургов в первую очередь волнует адаптивность выбранной системы, ее гибкость и масштабируемость. «Если же рассматривать инструменты анализа, то главное — это точность и оперативность предоставления запрашиваемого отчета, — заметил руководитель отдела по работе с производственным сектором ИТ-компании «Системный софт» Александр Баталов. — Для отрасли в принципе важно все, на каждом предприятии будут свои приоритеты. Если говорить об управлении кадровыми ресурсами, то изменения в этой области напрямую влияют на повышение эффективности и производительности».

Металлургические предприятия уделяют большое внимание ИТ-решениям, оптимизирующим цепи поставок

Создание единой информационной системы, будь то ERP, система бюджетирования или система производственного планирования, также повышает эффективность и производительность сотрудников — а следовательно, находится в фокусе внимания топ-менеджмента.

Металлургическая промышленность также уделяет большое внимание решениям по цепям поставок, управлению качеством, оперативному планированию производства — то есть всему, что ближе к непосредственному технологическому процессу и событиям вокруг него.

Во многом выбор технологических решений в металлургии зависит от модернизации производственного оборудования. «То есть программное обеспечение выбирается скорее как производное или побочный продукт от производственной технологии. Вместе с тем, сейчас в металлургических компаниях стали больше обращать внимания на общую ИТ-архитектуру, стараются сразу прорабатывать вопросы интеграции различных решений», — подчеркнул директор департамента автоматизации производства в IBS Виталий Данильчук. Однако, по его словам, сейчас цифровизация для металлургов — не самоцель, важен эффект от внедрения. «На рынке есть обкатанные технологии и от вендоров, и практический опыт интеграторов. Можно увидеть, как это работает. В первую очередь практические инструменты есть в таких сферах, как предиктивная аналитика, маркировка изделий, оптимизационные пакеты для технологических процессов и другие», — добавил Виталий Данильчук.

В металлургической промышленности есть несколько особенностей, которые влияют на возможности применения ИТ. Во-первых, это активоемкое производство. Здесь особое внимание уделяется стоимости владения производственными активами, которое распространяется и на ИТ. Во-вторых, рынок очень волатилен, что влияет на требования к поставщику ИТ. Поэтому особым спросом пользуются решения по повышению гибкости производства.

Металлургия — широкое понятие, относящееся к технике и науке. Это мощная промышленная отрасль, главная задача которой заключается в производстве и обработке металлов. Металлы выделяют из различных руд, после чего изучают их физикохимические свойства и производят современные высокотехнологичные сплавы.

• Области металлургии

• Технологии металлургии

• История металлургии

• Газы в металлургии

• Специальность «Металлургия»

В данном материалы мы рассмотрим основные области деятельности металлургии, ее особенности и технологии, а также пути овладения специальность. «Металлургия».

Области металлургии

В металлургии различают несколько областей:

• Чёрную. Она включает в себя производство таких металлов как чугун, сталь и железо. Это чёрные металлы, производство которых требует много материалов, в том числе и каменный уголь;
• Цветную. Это добыча разных руд и процесс их дальнейшего обогащения. Цветные металлы обрабатывают разными способами, получая из них новые сплавы;
• Плазменную. Из руд извлекают металлы, а затем подвергают их обработке. Для обработки применяют мощные плазменные реакторы и печи, а также технологию плазменного нагрева, чтобы придать процессу плавления максимальную интенсивность;
• Порошковую. Задача порошковой металлургии — получение из металлов разных порошков, которые применяют для изготовления изделий. Также в этой отрасли используют композитные технологии, соединяя металлы и неметаллы.

В металлургии используют специальные технологии добычи металлов:

• пирометаллургию. Все процессы плавления, обжига и другие технологии протекают в условиях высоких температур;
• гидрометаллургию. Металлы извлекают из руды, а потом выделяют из них растворы, применяя электролиз;
• биотехнологии. Извлечь из руды металл можно, используя живые микроорганизмы для реакций биоокисления или биосорбции.

Ежегодно развитие экономики требует новых запасов металлов. Известно, что природные ресурсы не безграничны, поэтому одна из основных задач металлургов, кроме развития геологоразведочной отрасли — повторное применение того или иного металла.

Есть несколько металлов, которые уже давно нашли широкое применение в разных отраслях человеческой деятельности. Это сталь (её ежегодное потребление составляет больше 90%), свинец, а также медь и алюминий. Из редких металлов следует отметить добычу платины, теллура, осмия и золота.

Сферу строительства невозможно представить без использования железа и стали. Они обладают высокой износостойкостью и замену им найти практически невозможно. Что касается прочного алюминия, именно он, благодаря его низкой плотности, применяется при строительстве самолётов.

Одно из главных свойств меди — высокая степень теплопроводности, поэтому она широко применяется для изготовления электрических кабелей. Золото активно используют для производства ювелирных украшений. Также из него делают электрические соединения, не подверженные реакции окисления.

Раньше в металлургической промышленности использовали чистые металлы, но со временем высокотехнологичные сплавы уверенно вытеснили их из производственной сферы. Сплавы обладают особыми качествами, которых нет у чистых металлов. Наиболее популярными из них являются «нержавейка», углеродистая сталь, сплавы из никеля и меди.

История металлургии

Металлургия начала развиваться ещё в эпоху каменного века. Есть несколько исторических вех её развития. Согласно археологическим раскопкам, наши древние предки уже в 6 в. до н.э. активно использовали железо, попавшее на Землю в составе метеоритов. Люди постепенно осваивали обработку серебра и олова.

В эпоху бронзового века (5500 лет назад) люди научились получать из горных пород олово и медь, из которых у них случайно вышла бронза. Во времена железного века (1200 лет назад) из руды стали извлекать железо. Его главными добытчиками считают древних римлян, преуспевших в искусстве ковки, а четь изобретений технологий металлообработки и добычи принадлежит китайцам.

Независимо от того, в каком уголке земного шара развивалась металлургия, все люди пользовались классическим сыродутным методом, с помощью которого осуществлялась выплавка меди и свинца.

Далее последовала эпоха, называемая этапом цементации. Железо стали закаливать, оно превратилось в металл гораздо прочнее бронзы. Однако процесс освоения людьми этой технологии занял около тысячи лет.

В период Средневековья высота плавильных печей уже составляла три метра, а работали они с применением энергии, получаемой через воду. Эти печи назывались штукофенами и стали стимулом для того, чтобы чёрная металлургия вышла на очередной виток развития. В эпоху Возрождения появились новые виды печей, которые назвали блауофенами. После них появились доменные печи громадных размеров. Они работали 24 часа в сутки, выпуская до полутора тысяч тонн чугуна отменного качества.

В конце XIX, начале XX века появились новые технологии производства металлов. Речь идёт о бессемеровском, томасовском и, наконец, мартеновском способах. Они помогли людям в разы увеличить производственные объёмы с выпуском металлов от шести тонн в час. Спустя 50 лет появились безостановочная разливка стали и метод кислородного дутья. На современном этапе учёные активно развивают разные технологии обогащения руд и производства стали в электрических печах.

Газы в металлургии

Пирометаллургия — отрасль, подразумевающая постоянное газообразование. Газы должны регулярно удаляться из печей вместе с пылью. Они бывают технологическими и топливными.

Образование технологических газов происходит во время протекания сложных процессов. Они состоят из углекислоты, водных паров, оксида углерода и сернистого ангидрида. Также при некоторых процессах в металлургии наблюдается выделение газообразного хлора и других хлоридов. Когда топливо сгорает, происходит выделение углекислоты и водного пара. Температура газов, выделяющихся во время реакций, составляет от 800 до 1300С, но иногда она бывает и больше.

Сейчас на любом металлургическом производстве используются комплексные технологии переработки газов:

• с применением оксида серы;
• высокие температуры;
• процесс обезвоживания и т.д.

Специальность «Металлургия»

Профессия металлурга включает несколько специализаций. Есть рабочие-металлурги, а есть инженеры. Среди рабочих направлений выделяют:

• сталеваров. Они владеют всеми известными технологиями производства стали;
• плавильщики. Они занимаются плавлением металлов, знают, из чего они состоят и при каких температурах процесс плавления будет наиболее эффективным;
• специалисты доменных печей. Их задача — убирать из печей отходы производства, чтобы качество металлов всегда оставалось на должном уровне;
• разливщики. Они принимают жидкие металлы и разливают их в специальные формы;
• нагревальщики. Они не только нагревают доменные печи, но и готовят их к работе;
• машинисты кранов. Они перемещают с помощью металлургических кранов необходимые производственные элементы. Такой крановщик занимается организацией всего рабочего процесса в цехе.

Задача инженеров-металлургов — управление производственным процессом от и до. Они разрабатывают способы, применяемые при плавлении разных металлов и изготовлении разных изделий. Инженеры занимаются вопросами безопасности на производстве — с целью сохранения экологического фона. Также они контролируют качество производимой продукции и проводят ряд мероприятий в области маркетинга.

Таким образом, профессия металлурга объединяет несколько разных специальностей, а металлургия — это динамично развивающаяся сфера, без которой невозможно себе представить развитое и цивилизованное общество. И поскольку внутри отрасли есть большое число направлений, то каждый может выбрать наиболее интересную и подходящую ему профессию.

Стоит отметить, что выучиться на одно из направлений металлургической отрасли возможно не только в университетах и средних профессиональных образовательных учреждениях, но и в рамках дополнительного профессионального образования. Так, Современная научно-технологическая академия реализует курсы профессиональной переподготовки и повышения квалификации по профилю «Металлургия».

Курсы повышения квалификации «Металлургия» направлены на специалистов, которые уже работают в отрасли и хотят повысить уровень своих знаний и компетенций. А вот профессиональная переподготовка ориентирована на тех, кто ставит перед собой цель овладеть новой профессией. Обучение на базе СНТА позволяет овладеть актуальные навыками и компетенциями, которые станут отличным толчком для дальнейшего профессионального роста и развития специалиста.

Мартеновский процесс, долгое время державший монополию в области производства стали, уступил в конце 60-х годов XX века место более производительному кислородно-конвертерному. Дальнейшая борьба шла уже между конвертерным и набирающим силу электросталеплавильным процессом.

Динамика развития процессов производства стали

Растущий спрос на специальные виды сталей и развитие мини-миллов (небольших прокатных заводов, имеющих в составе электропечи) упрочил позиции этого способа производства стали. Развитие основных процессов производства стали с середины XX века представлено на диаграмме:

Доля мартеновского производства по итогам 2008 года в мире составляла 2,2%. Мартеновское производство сосредоточено в основном в странах СНГ (23,4% от общего производства стали по итогам 2008 года). В связи с закрытием избыточных и малоэффективных производств на фоне мирового финансового кризиса доля мартеновского производства по итогам 2009 года значительно сократилась. Так, на российских предприятиях о закрытии мартеновских цехов объявили Череповецкий МК (Северсталь) и Нижнетагильский МК (Евраз). Таким образом, по итогам 2010 года доля мартеновского производства составляла уже 14,3% в странах СНГ и 1,3% — в мире.

Соотношение между конвертерным и электросталеплавильным процессами в общем объеме производства стали в ближайшей перспективе сохранится: с одной стороны растет количество предприятий неполного цикла (мини-миллы) с использованием электрометаллургии, с другой стороны – ведущий мировой производитель стали Китай наращивает производство именно конвертерной стали (доля кислородно-конвертерной стали в КНР по итогам 2010 года составляет 90,2%).

Основные компоненты металлошихты для сталеплавильных процессов

Компонентами металлошихты для производства стали в общем случае являются чугун, лом черных металлов и металлизованное сырье (Direct Reduction Iron – DRI).

Металлошихта для основных сталеплавильных процессов может варьироваться в довольно широком диапазоне и зависит в большинстве случаев от доступности ресурсов и ценовых соотношений между ними. Так, в периоды роста стоимости железорудного сырья и снижения цен на лом чёрных металлов комбинаты увеличивают использование лома за счёт снижения чугуна и наоборот.

Общее представление о технологических диапазонах изменения сталеплавильной шихты можно получить из следующей таблицы:

Кислородно-конвертерное Электростале-плавильное Мартеновское (скрап-рудный процесс) Мартеновское (скрап процесс)

Примечание:

* – ограниченное применение

Наибольшая вариативность металлошихты наблюдается в электросталеплавильном производстве. Источником тепла в ЭСП является энергия электрической дуги и необходимость в других теплоносителях отсутствует, что снимает потребность в приходе тепла от компонентов шихты.

Как уже говорилось выше, мартеновский процесс ввиду его незначительной доли в мировом производстве не играет значительной роли в потреблении металлосырья. Таким образом, в общем виде схема классического производства стали выглядит следующим образом:

Преимущества классической схемы:

• высокая степень извлечения железа;
• высокая удельная производительность;
• высокий тепловой КПД;
• эффективный расход энергоресурсов.

Недостатки классической схемы:

• высокие стартовые капитальные затраты при строительстве нового производства;
• необходимость предварительного окускования шихты;
• использование кокса в качестве основного энергоносителя и восстановителя;
• ограниченные ресурсы качественного лома черных металлов.

Новые процессы получения железа

Основные причины возникновения новых процессов получения железа вытекают из недостатков классической схемы: стремление сократить технологическую цепочку и снизить зависимость от использования кокса – основного восстановителя и источника тепла в классической схеме производства стали. Как следствие – в обозначении новых процессов часто используются термины «прямое получение железа» и «бескоксовая металлургия».

По виду производимого полупродукта новые процессы получения железа разделяют на твердофазные и жидкофазные. Доля последних крайне мала (5-6% от всей бескоксовой металлургии) и их полупродукт не может выступать в составе металлошихты в качестве полновесной альтернативы лому.

Исходным сырьём для новых процессов являются железная руда или железорудные окатыши. Таким образом, стадия восстановления (перевод железа из окисленной формы в металлическую) также присутствует и в процессах альтернативной металлургии.

В качестве восстановителя в твердофазных процессах используют продукты конверсии (перевода в CO и H2) природного газа или продукты газификации углей. Вследствие относительно низкой эффективности применение газификации углей ограничено. В последнее время процессы, связанные с газификацией углей, наиболее активно развиваются в Индии.

В жидкофазных процессах основным восстановителем и источником тепла является уголь.

Схема производства стали из металлизованного полупродукта приведена ниже:

Многообразие идей и схем реализации породило множество названий для процессов и продуктов бескоксовой металлургии. Перечислим наиболее употребимые из них:

• DRI – Direct Reduced Iron
• SI, SPI – Sponge Iron
• HBI – Hot Briquetted Iron
• HDRI – Hot Direct Reduced Iron
• CDRI – Cold Direct Reduced Iron
• МП – металлизованный полупродукт
• ЖПВ – железо прямого восстановления
• ЖПП – железо прямого получения
• ПВЖ – прямовосстановленное железо
• ГЖ – губчатое железо
• ГБЖ – горячебрикетированное железо
• Наиболее часто встречающиеся:
• DRI – процессы и продукты производства «бескоксовой» металлургии
• SI, SPI (ГЖ) – продукт твердофазных процессов
• HBI (ГБЖ) – брикетированный продукт твердофазных процессов

В общем виде схема производства металлизованного продукта приведена ниже:

Классификация новых процессов производства железа

По виду используемого восстановителя новые процессы классифицируются по следующим группам:

I. Природный газ

• шахтная установка непрерывного действия (Midrex, Armco, Purofer, HYL-III);
• шахтная установка периодического действия – реторта (HYL-I, HYL-II);
• агрегат с кипящим слоем.

II. Природный газ + уголь

• вращающаяся трубчатая печь, шахтная установка (ITmk3).

III. Уголь

• одностадийные (Romelt);
• многостадийные (Corex, Finex, Hismelt, DIOS).

Для процессов I и II групп характерен твёрдый металлизованный продукт, процессы III группы производят жидкий полупродукт. Как уже говорилось выше, распространённость процессов III группы очень ограничена (5…6%), поэтому дальнейшее изложение будет касаться аспектов производства и использования твёрдых металлизованных продуктов.

Развитие технологий производства металлизованного полупродукта

Развитие процессов прямого восстановления идёт параллельно в двух направлениях: с одной стороны увеличивается количество реализованных проектов по технологии Midrex с использованием природного газа в качестве источника восстановителей, с другой стороны – развиваются процессы, основанные на конверсии углей. Наиболее популярна эта технология в Индии – государстве со значительными запасами железной руды и угля и с одним из самых незначительных удельных объёмов потребления стали (51 кг/человека), что делает её перспективной в отношении развития металлургического сектора.

Развитие процессов прямого восстановления железа (% от общего объёма производства DRI) 

Особенности производства твёрдого металлизированного продукта

Технологическая схема производства металлизованного продукта предъявляет определённые требования и накладывает некоторые ограничения на используемое сырье:

<tr»>

Процесс металлизации проводится в агрегатах с противотоком твёрдых материалов и газов.

Необходимость окускования исходных материалов для улучшения газопроницаемости шихты.

Таким образом, основными недостатками новых процессов производства железа являются:

• низкая удельная производительность агрегатов;
• необходимость использования шихты с высоким содержанием железа и низким содержанием пустой породы и примесных элементов;
• высокая потребность в энергоносителях и кислороде;
• высокие требования к условиям хранения и транспортировки.

Страны-производители DRI

Условия целесообразности строительства установок по производству DRI:

• относительно малая потребность внутреннего рынка в стали;
• малые ресурсы металлического лома и коксующихся углей;
• значительные ресурсы железной руды и природного газа.

Установки внедоменного получения железа сооружаются, в основном, в развивающихся странах, которые отвечают перечисленным выше условиям: Индия, Венесуэла, Иран, Мексика, Сау?