Производство чугуна и стали

Чугун и сталь являются основой современной промышленности, играя ключевую роль в строительстве, машиностроении, транспортной инфраструктуре и энергетике.

Их производство представляет собой сложный многоэтапный процесс, требующий значительных энергетических и сырьевых ресурсов.

В течение последних двух столетий технологии выплавки чугуна и стали претерпели радикальные изменения: от примитивных кузнечных горнов до высокоавтоматизированных металлургических комбинатов.

ПРОИЗВОДСТВО ЧУГУНА

Современные методы производства направлены не только на повышение объемов выпускаемой продукции, но и на снижение энергопотребления, уменьшение выбросов парниковых газов и внедрение принципов циркулярной экономики.

В данной статье рассматриваются традиционные и инновационные способы получения чугуна и стали, их сравнительная эффективность и перспективы развития отрасли.

Исторический обзор

Ранние методы металлургии

Первые свидетельства выплавки железа относятся к II тысячелетию до н. э. (Хеттское царство). Использовались сыродутные горны, в которых железная руда восстанавливалась древесным углем. Получаемый продукт («кричное железо») содержал много шлаков и требовал дополнительной ковки.

Появление доменного производства

В XIV–XVI веках в Европе распространились доменные печи, позволившие получать жидкий чугун. Это стало возможным благодаря увеличению высоты печей и использованию мощных воздуходувок. Однако сталь по-прежнему производилась в малых объемах методом цементации (науглероживания железа).

Промышленная революция и массовое производство

В XIX веке были разработаны:

• Пудлинговый процесс (Генри Кортен, 1784 г.) – получение стали из чугуна в отражательных печах.
• Бессемеровский конвертер (1856 г.) – первая массовая технология выплавки стали.
• Мартеновская печь (1864 г.) – более гибкий метод, позволяющий использовать металлолом.

Эти технологии заложили основу современной черной металлургии.

Производство чугуна

Доменный процесс

Основной метод – выплавка в доменной печи (шахтной печи).

Доменная печь изнутри

Доменная печь представляет собой вертикальную шахтную печь высотой 25-40 метров с внутренним диаметром 8-15 метров. Это непрерывно работающий агрегат, в котором шихтовые материалы (железная руда, кокс, флюсы) загружаются сверху, а готовый чугун и шлак выпускаются снизу каждые 2-4 часа.

Сырье:

1. Железная руда (гематит Fe₂O₃, магнетит Fe₃O₄).
2. Кокс (высококачественный уголь, служит топливом и восстановителем).
3. Флюсы (известняк CaCO₃, доломит – для удаления примесей).
4. Добавки (окатыши, агломерат – для улучшения восстановления).

Химические реакции:

1. Горение кокса (происходит в доменной печи для получения восстановителя CO):

C+O2​→CO2​CO2+C→2CO

CO2​+C→2CO

2. Восстановление железа(основной процесс получения чугуна):

Fe2​O3​+3CO→2Fe+3CO2​

​3. Образование шлака(связывание пустой породы и примесей):

SiO2​+CaO→CaSiO3​

Продукты доменной плавки:

• Чугун (2–4,5% C, 1–3% Si, примеси S, P, Mn).
• Шлак (используется в строительстве).
• Колошниковый газ (утилизируется для генерации энергии).

Преимущества:

✔ Высокая производительность.
✔ Отработанная технология.

Недостатки:
❌ Большие выбросы CO₂ (1,8–2,2 т CO₂ на 1 т чугуна).
❌ Зависимость от коксующегося угля.

Альтернативные методы получения железа

Из-за высокой углеродоемкости доменного процесса разрабатываются альтернативные технологии:

1. Процессы прямого восстановления (DRI) + Электроплавка (например, MIDREX + EAF)

• DRI (Direct Reduced Iron) – получение губчатого железа (Fe) из руды с помощью H₂/CO (без доменной печи).
• Затем переплавка в электродуговой печи (EAF) для получения стали (не совсем чугун, но альтернатива).

Реакции:

Fe2O3+3H2→2Fe+3H2OFe2​O3​+3H2​→2Fe+3H2​OFe2O3+3CO→2Fe+3CO2Fe2​O3​+3CO→2Fe+3CO2​

Используется:

• В странах с дешёвым природным газом (Иран, Индия, РФ).

Преимущества:
✔ Меньше выбросов CO₂ (если используется H₂).
✔ Не требует кокса.

Недостатки:
❌ Получается не чугун, а низкоуглеродистое железо (для стали).

2. Процессы плавки в жидкой ванне (Smelting Reduction)

Технологии: Corex, Finex, HIsarna, Romelt.

Corex / Finex

• Восстановление руды в шахтной печи (без кокса, на газе).
• Плавка в плавильном аппарате с получением чугуна.

Преимущества:
✔ Не требует кокса (можно использовать угольную пыль).
✔ Меньше выбросов SO₂ и NOx.

Недостатки:
❌ Высокие капитальные затраты.

Romelt (Россия)

Плавка в жидком шлаке с вдуванием угля и кислорода.

Подходит для переработки отходов и бедных руд.

3. Водородная металлургия (H₂-based Ironmaking)

• Полное замещение углерода водородом (зелёная металлургия).
• Пока в пилотных проектах (HYBRIT, SALCOS).

Реакция:

Fe2O3+3H2→2Fe+3H2O

Fe2​O3​+3H2​→2Fe+3H2​O

Проблемы:

• Дорогой "зелёный" водород.
• Пока не даёт чугун (только железо).

4. Электродуговые печи (EAF) с карбидом железа

• Карбид железа (Fe₃C) получают из руды + метана.
• Затем плавят в EAF для получения чугуна.

Плюсы:
✔ Меньше выбросов.
Минусы:
❌ Ограниченное применение.

Вывод

• Классический доменный процесс остаётся основным, но экологически грязным.
• Corex, Finex, Romelt – перспективные альтернативы с меньшими выбросами.
• Водородная металлургия – будущее, но требует дешёвой "зелёной" энергии.

Пока полноценной замены доменному процессу для производства чугуна нет, но технологии активно развиваются.

Производство стали

Основные методы

Кислородно-конвертерный процесс (BOF / LD-конвертер)

• Исходное сырье: жидкий чугун (70–80%), лом (20–30%).
• Суть процесса: продувка кислородом для удаления углерода и примесей.
• C+O2→CO2C+O2​→CO2​Si+O2→SiO2Si+O2​→SiO2​P+O2→P2O5P+O2​→P2​O5​Реакции:
• Преимущества: высокая производительность, низкая себестоимость.

Электродуговая плавка (EAF)

• Исходное сырье: металлолом (до 100%).
• Суть процесса: нагрев дугой до 3000°C.
• Преимущества: гибкость, экологичность (меньше выбросов CO₂).

Мартеновский метод (устаревший)

• Использовался в XX веке, но почти полностью вытеснен BOF и EAF.

Дополнительная обработка стали

• Внепечная обработка (дегазация, легирование).
• Непрерывная разливка (CСM – Continuous Casting Machine).
• Прокатка и термообработка (получение сортового и листового проката).

Ресурсная эффективность и экологические аспекты

В современных условиях особое внимание уделяется повышению эффективности использования ресурсов и снижению экологической нагрузки.

Ресурсная эффективность производства

Энергопотребление в металлургии остается высоким, однако современные технологии позволяют существенно повысить эффективность. Доменное производство, являющееся наиболее энергоемким, требует 18-22 ГДж на тонну чугуна, в то время как электродуговые печи, работающие на металлоломе, потребляют всего 2,5-4,0 ГДж на тонну стали. Важным направлением повышения эффективности является рекуперация тепла - современные системы позволяют утилизировать до 90% тепловой энергии отходящих газов.

Использование сырьевых ресурсов также оптимизируется. Коэффициент использования железа на передовых предприятиях достигает 0,92-0,98. Современные технологии переработки позволяют значительно сократить отходы производства. Например, шлаки активно используются в строительной индустрии, а из пыли газоочистки извлекают ценные металлы, такие как цинк и свинец.

Экологические аспекты производства

Металлургическая отрасль остается одним из крупнейших источников выбросов парниковых газов. Традиционное доменное производство сопровождается выбросами 1800-2500 кг CO₂ на тонну чугуна. Внедрение новых технологий, таких как электродуговые печи и водородная металлургия, позволяет сократить эти показатели в 5-10 раз.

Для снижения вредных выбросов применяются:

• Многоступенчатые системы газоочистки с эффективностью до 99,9%
• Каталитические системы нейтрализации оксидов азота
• Современные скрубберы для улавливания сернистых соединений

Особое внимание уделяется переработке отходов производства. Ежегодно в мире образуется около 400 млн тонн металлургических шлаков, большая часть которых находит применение в строительстве и дорожном хозяйстве. Пыль газоочистки, содержащая ценные металлы, подвергается специальной переработке.

Перспективными направлениями развития являются:

1. Внедрение водородных технологий
2. Развитие систем улавливания и хранения углерода
3. Создание замкнутых производственных циклов
4. Повсеместное использование цифровых технологий для оптимизации процессов

Современные экологические стандарты и экономические факторы стимулируют металлургические компании к внедрению наилучших доступных технологий, что позволяет постепенно снижать нагрузку на окружающую среду при сохранении объемов производства.

Черная металлургия находится на пороге глубокой трансформации, вызванной необходимостью декарбонизации.

В ближайшие десятилетия ожидается:

• Постепенный отказ от доменных печей в пользу водородных технологий.
• Рост доли электродуговой плавки (EAF) за счет переработки лома.
• Внедрение замкнутых циклов использования ресурсов.

Современные исследования направлены на создание углеродно-нейтрального производства стали, что сделает отрасль более устойчивой и экологически безопасной.

Понравилась статья - ставь лайк и подписывайся !