Как читать новости металлургии (5): Тихоокеанский металлургический комбинат
Дата первой публикации: 16 июля 2023 (на teletype)
ХАБАРОВСК, 9 июн - РИА Новости. Тихоокеанский металлургический комбинат запустят в Хабаровском крае, его мощность втрое превысит объемы металлургического комбината в Мариуполе "Азовсталь", заявил губернатор Михаил Дегтярев.
Глава региона в Москве принял участие в заседании совета Дальневосточного федерального округа под руководством зампреда правительства РФ - полпреда президента РФ в Дальневосточном федеральном округе Юрия Трутнева. Основными вопросами повестки стали: поддержка специальной военной операции, повышение инвестклимата, создание социальной инфраструктуры по нацпроектам и президентской дальневосточной "Единой субсидии", а также подготовка к Восточному экономическому форуму-2023.
"В этом году запускаем новый проект – Тихоокеанский металлургический комбинат. Его мощность в три раза превысит объемы легендарной "Азовстали", - написал Дегтярев в своем телеграм-канале после прошедшего мероприятия.
Губернатор отметил, что по итогам прошлого года по инвестициям и промышленному производству Хабаровский край вышел в плюс.
"Например, если в 2021-м было восемь резидентов ТОР, то уже в 2022-м - 21. Только за пять месяцев этого года к ним добавилось девять новых резидентов. Мы заявились в ТОР "Патриотическая". Среди основной номенклатуры от региона – тактические вездеходы "Ерофей" для нужд СВО, патроны и сердечники для пуль. За первые пять месяцев года увеличен в 1,5 раза объем инвестиций в реальный сектор экономики по сравнению с аналогичным периодом прошлого года", - указал глава региона.
Дегтярев обратил внимание, что прошлый год для региона был рекордным: началась реализация масштабных проектов РЖД, строительство Тихоокеанской железной дороги и нового порта Эльга. Сюда же относится Малмыжский ГОК "Русской медной компании" - в марте-2024 планируется его запуск. Также вторая очередь крупнейшего ГОКа в городе Амурске.
Как уточняет правительство региона, на совете было отмечено, что Дальний Восток остается лидером по привлечению инвестиций на душу населения. Объем фактических финансовых вложений в ДФО в проекты с господдержкой составил 3,2 триллиона рублей. Введено в эксплуатацию 636 проектов, создано 118 тысяч рабочих мест.
https://ria.ru/20230609/kombinat-1877120171.html
По традиции, я привожу полный текст заметки, хотя в этом и нет большой необходимости, т.к. большая часть заметки это обычный бюрократическо-технократический чиновничий трёп. Вся интересующая нас часть заметки умещается в один абзац, выделенный жирным шрифтом в тексте выше.
"В этом году запускаем новый проект – Тихоокеанский металлургический комбинат. Его мощность в три раза превысит объемы легендарной "Азовстали", - написал Дегтярев в своем телеграм-канале после прошедшего мероприятия.
Насколько я понимаю сегодняшние реалии, идея строительства металлургического комбината исходит от бизнеса, а ловкач-чиновник решил подзаработать очков за чужой счет. Из реплики этого, конечно, не ясно, но мы увидим, что бизнес-структурами были уже предприняты некоторые шаги в этом направлении. Я думаю, что слова губернатора «запускаем новый проект» следует понимать «начинаем думать, что же делать»
Давайте в такой последовательности (идея-реализация-работа) и рассмотрим эту тему. В нашем случае задача состоит в том, чтобы определить состав цеха и его параметры по заданному объему производства стали. В качестве реального примера металлургического производства возьмем несчастный «Азовсталь», чья история и структура хорошо известна и задокуметирована.
1. Идея
Сначала разберемся, что такое металлургический комбинат. Существуют несколько классов металлургических производств, и комбинат самый крупный их них. Обычно в профессиональных текстах добавляют к «металлургический комбинат» еще словосочетание «полного цикла», чтобы подчеркнуть, что производство включает в себя все этапы металлургического передела: от руды до проката или даже каких-то конечных изделий. Есть комбинаты и без рудного передела, например, Белорецкий МК [1], где доменное (чугун) и мартеновское (сталь) производство было свёрнуто, но расширилось прокатное и метизное производства. Есть комбинаты с рудным переделом, но без доменного, агломерационного и коксохимического производств, и единственным примеров в России является Оскольский электрометаллургический комбинат, построенный по иностранцами по иностранным лекалам – вместо чугуна там производят различные виды металлизованного сырья (окатыши, брикеты), которое переделывают в сталь в электропечах. Металлургическим заводом обычно называют предприятие, где может не быть (или быть в каком-то виде) подразделений рудного цикла (агломерационного, доменного, коксохимического и т.д.), но есть производство стали (реже – мартен, чаще - электропечи) и прокатное производство. Наконец, класс мини-заводов это производства, где нет рудного цикла и спроектированные под узкую специализацию в области проката, сталь для которого производят в электропечах. Это самый новый класс металлургических производств, и первые мини-заводы появились в СССР в начале 1980-х годов. Кстати, в их числе был завод Дальневосточный Передельный Металлургический Завод (ныне «Амурсталь»), единственное предприятие производящее сталь на Дальнем Востоке на сегодняшний день. К нему мы еще вернемся.
Существует три условия для успешного запуска и работы металлургического комбината. Первое – наличие близкой и богатой сырьевой базы – железная руда, коксующийся уголь, минеральное сырье для огнеупорного производства и технологических процессов (известняк, доломит, и прочее). Интересно, что упомянутый «Амурсталь» задумывался в середине 1930-х как комбинат полного цикла, пусть и небольшой. Тогда помешала война: от первоначального плана полного цикла пришлось отказаться, оставив только передельный цикл: передел металлолома в мартеновских печах и производство сортового проката, т.е. малого сечения. Я не знаю, какие были идеи относительно металлургии на Дальнем Востоке у академика Бардина и наркома Тевосяна в 1930-х, когда он задумывали тот комбинат, но крупных месторождений железной руды на Тихоокеанском побережье до последнего времени не было. Возможно, были уже разведаны какие-то запасы. В 2022 было заявлено [2], что обнаружено довольно крупное месторождение руды у села Чумикан, в Хабаровском крае, прямо на побережье Охотского моря. По моим весьма приблизительным измерениям на Гугл-карте это около 1000 км по морю и реке Амур до Комсомольска. Не то чтобы это нечто невиданное (в США таконит-руду из Миннесоты по Великим Озерам возят через полстраны в Огайо и Пенсильванию), но пока нет ни ГОКа, ни порта системой погрузки руды, ни морских рудовозов, ни порта с разгрузкой.
Также есть Эльгинское месторождение коксующегося угля в Якутии (330 км по тайге от Чумикана), которое уже соединили ж/д веткой с БАМом, но до порта и побережья (500 км) дорогу еще только строят. С минеральным сырьем для огнеупоров и техпроцессов тоже непонятная. Это можно возить по ж/д с Большой Земли, но куда?
Второе условие – местоположение. Оно должно быть удобным для подвоза материалов, которых нет на месте и для вывоза продукции. Вот пара анекдотических примеров. Металлургия Урала зарождалась на рудных жилах в Уральских горах, откуда железо – от гвоздей до пушек – сплавлялось раз в год весной в половодье вниз по реке Чусовой до Камы и Волги. С годами барки заменили на вагонами, но пробираться приходилось через такие же теснины. В результате, когда в начале 2000-х на Нижнетагильском комбинате освоили производство 100-метровых рельсов, встал вопрос: а как их везти по этим петляющим путям? Как-то решили в итоге, возят рельсы. Второй пример – Магнитка, о которой слышал каждый. Гора Магнитная, в честь которой назвали комбинат и город, стояла на берегу реки Урал и имелись железнодорожные пути. Река нужна не столько для транспортировки, сколько как источник воды для технологических нужд. Горы уже давно нет, но комбинат работает и возит теперь руду из Казахстана и со Среднего Урала. Комбинат расположен недалеко от уже упомянутого Белорецка (70 км), Челябинска (250 км), Оренбурга (300 км), т.е. сразу вписан структуру Уральской Матрицы, если вы понимаете, о чем я… Кстати, те же идеи территориального замыкания потоков материалов через производства повторили в начале 1930-х в Мариуполе, построив «Азовсталь» на берегу моря, где пересекались пути керченской руды, угля с Донбасса, и откуда было легко увозить продукцию что поездом, что судами. Можно ли о чем-то похожем мечтать на Дальнем Востоке? Да, есть руда, уголь, газ, но все это разбросано на огромной безлюдной территории на расстоянии сотен километров по глухим лесам без каких-либо дорог.
Отдельной строкой стоит упомянуть электроэнергию. Хотя металлургические производства способны вырабатывать свою энергию, но ее объем целиком будет зависеть от структуры производства. Это делается силами заводских ТЭЦ, где для нагрева пара используют тепло получаемое в металлургических агрегатах. Однако даже крупные комбинаты Урала целиком себя обеспечить не могут, и около половины энергии закупается. Есть ли необходимые свободные мощности на Дальнем Востоке? Я не знаю, но полагаю, что нет. Даже если топливо – уголь, газ, мазут – будут свои локальные, нужны сами генерирующие мощности.
Наконец, третье условие – потенциальные рынки сбыта. Местный рынок сбыта довольно скромный. Есть целый набор судостроительных и судоремонтных заводов. Есть сборочное автопроизводство во Владивостоке. Экспорт проката в окрестные страны (Китай, Япония, обе Кореи) обсуждать вообще смешно. Японцев мог бы заинтересовать импорт руды и угля, ибо рядом, но по политическим мотивам – вряд ли возможно. Китайцам и так хорошо, но руду или окатыши может и купят. То есть крупных рынков сбыта как сырья, так и стали там нет. Потенциально продукция этого комбината нужна только на ДВ для внутреннего потребления. Конечно, наличие местной стали может и даст какой-то толчок местной экономике, но нужно понимать, что номенклатура проката на любом комбинате – ограничена. Скажем, Липецк делает холоднокатаный лист различной толщины, Тагил – рельсы и балки, Белорецк – проволока, стальные канаты и метизы, Череповец – тоже х/к лист, Старый Оскол – шарикоподшипниковая и другие ответственные марки, и так далее. Причина такой специализации в сложности и масштабности прокатных производств. На чем специализироваться на Дальнем Востоке? Идей можно придумать много, но в самой заметке нет никакой конкретики. Из других источников можно узнать, что есть правительственное пожелание развивать судостроение и ремонт, что там и так делалось ранее. Все судостроительные производства сосредоточены вдоль рек (К-на-А, Хабаровск) и океанского побережья (Владивосток, Большой Камень). То есть, наиболее рациональной специализацией перспективного производства будет судостроение: толстый горячекатаный лист, балки, и, возможно, рельсы для развития транспорта в регионе. То есть та номенклатура продукции, которую выпускал «Азовсталь», к слову.
Подведем промежуточный итог. Да, для проектирования и строительства металлургического комбината есть предпосылки: необходимость развития региона, наличие морского и железнодорожного транспорта, наличие важных элементов сырьевой базы. Но в каждом случае есть оговорки: есть месторождения – нет еще добычи и порта, есть рынки сбыта, но там почти все есть и так, регион заселен, но специалистов придется завозить с «большой земли».
2. Проект
Вернемся к заметке. Губернатор заявил, что «его мощность в три раза превысит объемы легендарной "Азовстали"». Что такое «мощность» в его понимании, я не знаю, но у любого производства есть несколько индикаторов. Мы не будем здесь рассматривать экономические индикаторы и всякую ебитду, а остановимся только на производстве. Итак, комбинат «Азосталь» был (теперь уже, видимо, в прошедшем времени) классическим комбинатом полного цикла, т.е. там было производство агломерата, кокса, чугуна, стали и стального проката. Согласно Википедии, на 2020 год производство чугуна было 3.803 млн. тонн и стали 4.194 млн. тонн. Тут важно обратить внимание на разницу между производством чугуна и стали – стали произвели заметно больше, чем чугуна, т.к. при выплавке стали в кислородном конвертере (как на Азовстали) шихта состоит из жидкого чугуна и твердого металлолома (см. выпуск 2). Возьмем за точку отсчета производство стали, ибо (1) даже литая заготовка это товарный продукт, (2) объемы производства проката не всегда согласуются с производством стали, т.к. часть стали (обычно рядовой сортамент) могут закупать на стороне и катать из нее то, чего требуют текущие контракты, (3) этот показатель позволит нам вычислить основные параметры потенциального комбината.
Здесь мы поупражняемся в расчетах параметров цехов всей цепочки. Делать будем мы это наоборот: от готовой продукции к сырью. Итак, согласно заявлению губернатора, потенциальный комбинат должен производить 12.5 млн. тонн стали в год (4.194 × 3 = 12.582 млн. тонн, или втрое больше, чем на Азовстали). Это очень серьезный объем производства сравнимый с тем, что производят в год флагманы нашей черной металлурги – ЧерМК, НЛМК, Магнитка и т.д. Еще раз подчеркну, что будем считать только литую заготовку, т.е. отливку простого сечения (квадрат, прямоугольник, или круг), которую делает машина непрерывного литья заготовок (МНЛЗ). А прокат из этой заготовки – пока оставим в стороне.
Начнем с того, что определим характеристики МНЛЗ и для простоты будем считать, что все машины на комбинате – одного типа. Раз мы пришли к выводу ранее, что основной продукцией будет сталь для судостроения, то и параметры машин будем выбирать исходя из основного типа продукции для этой отрасли – толстого горячекатанного листа. Такой лист получают прокаткой из литых заготовок имеющих сечение под названием «сляб» (от англ. slab – плита). Геометрически это заготовка прямоугольного сечения, в которой соотношение ширина значительно превосходит высоту (Ш:В < 15), в отличие от блюма, где соотношение сторон близко к 1. При соотношении Ш:В > 15 профиль называют листом.
Возьмём в качестве примера одну наиболее новых МНЛЗ из тех, что были Азовстали – МНЛЗ №6 [5]. Согласно заметке, эта машина может «разливать слябы толщиной 220мм и шириной 1250 мм со скоростью 1,4 метра в минуту». Такое сечение вполне подойдет для судового металла. И скорость разливки нам тоже пригодится.
При сечении 220 на 1250 мм, 1 погонный метр сляба будет иметь объем:
А масса такого отрезка будет примерно равна (плотность твердой стали r = 7650 кг/м3, а жидкой - примерно 7000 кг/м3):
0.275 м3 × 7650 кг/м3 = 2104 кг/м (килограмм на погонный метр) (2)
Слябовые МЛНЗ обычно двухручьевые, т.е. на одной машине одновременно можно отливать два сляба. Вообще говоря, потребное число ручьев МНЛЗ рассчитывается, но мы для простоты возьмем это число исходя из практики и здравого смысла. Взяв величину скорости разливки из заметки (1.4 м/мин), можно представить себе массовую скорость разливки (это упрощенная формула):
2 ручья × 1.4 м/мин × 2104 кг/м = 5891 кг/мин (3)
Используя формулу (3), мы можем рассчитать сколько металла удастся разлить за один час на двухручьевой МНЛЗ:
5891 кг/мин × 60 мин = 353 460 кг или 353.5 тонны (4)
Интересно, что эта цифра полностью соответствует массе плавке на Азовстали – 350 тонн.
В учебнике Григорьева, Нечкина, Егорова и Никольского [7] приводится также формула, которая позволяет рассчитать время разливки за один прием:
где M – масса одной плавки в кг, N – число ручьев (2), w – скорость разливки (1.4 м/мин), ρ – плотность твердой стали (7650 кг/м3), (а×b) – площадь сечения слитка в метрах, ф2 – коэффициент учитывающий потери времени на разливке (равен 0.9).
В вопросах непрерывной разливки большое внимание уделяется способности цеха обеспечить именно непрерывный процесс разливки, который называют «плавка на плавку», т.е. один сталеразливочный ковш заменяют другим не останавливая процесса разливки (для чего существует промежуточная емкость-дозатор, который называеют промежуточный ковш или, если кратко, пром-ковш). Например, в начале 90-х нам, студентам, рассказывали, что в Японии был поставлен своеобразный рекорд на МНЛЗ, когда суммарная длина заготовки составила 21 километр заготовки без остановки машины (ее разумеется резали на нужную длину по мере разливки). С одной стороны, это звучит очень здорово, но есть вопрос насколько такие фокусы нужны. Дело в том, что прокатное производство имеет свой ритм, который не особо согласуется с разливкой. Кроме того, во время разливки оборудование МНЛЗ подвергается весьма серьезным механическим и термическим нагрузкам, а значит требует контроля, настройки и ремонта. Также есть объем заказов на определенную марку. Поэтому, говоря о непрерывной разливке, гораздо более продуктивно брать в расчет разливку сериями по 5-10-15 плавок, после которой машина делает технологическую паузу. Эта пауза нужна для осмотра состояния агрегатов и устранения мелких неисправностей, а также производится стандартные технологические процедуры для приведения машины к готовности продолжить разливку. Можно принять продолжительность такой паузы 60 минут, т.к. многие операции могут производиться одновременно.
По учебнику [7] пропускная способность МНЛЗ при разливке сериями по 10 плавок:
n – количество плавок в серии (для слябовых машин рекомендуется n=10…15)
ϕ1 – коэффициент загрузки оборудования (для слябовых машин 0.9)
τ1 – время разливки одной плавки, минут.
τ2 – пауза для подготовки машины к приему плавки следующей без изменения параметров слитка, мин.
Прежде чем найти количество МНЛЗ в цехе, необходимо подумать о том, как согласовать работу МНЛЗ с другими агрегатами. Поскольку самих сталеплавильных агрегатов еще нет, то нам придется выбрать их самим.
Если мы говорим о комбинате полного цикла (есть жидкий чугун из доменного цеха) с большим объемом производства, то для выполнения этого плана производства нужны кислородные конвертеры (basic oxygen furnace, BOF). Мы уже говорили о них в заметке КЧНМ № 2. Объем конвертера выберем такой же, как был на Азовстали – 350 тонн [6]. В теории, для обеспечения бесперебойной подачи стали в отделение разливки, конвертеров в цехе должно быть минимум три: два работают и один в горячем резерве. Например, по схеме 2/3 работал в 2010 году ККЦ Saltzgitter AG, где 220-т конвертеры выпускали 70 плавок в сутки. На Азовстали в ККЦ было два конвертера. Из опыта работы той же Азовстали в 2011 году утверждается, что «…стабильное суточное производство стали в ККЦ составляет около 54-55 плавок», а «проектная мощность конвертерного цеха по выплавке была перекрыта почти в 1,5 раза - было выплавлено 5293,06 тыс. тонн конвертерной стали» [4a]. На всякий случай посчитаем, какой была проектная производительность ККЦ: 5293/1.5 = 3528.67 тыс. тонн в год, т.е. 3.5 млн. тонн в год. Следует отметить, что этот цех был пущен в 1977 году.
Тут необходимо обсудить тот факт, что большинство агрегатов и машин на производстве не работает в режиме 24×7×365. Оборудованию нужны разного рода ремонты (мелкие и крупные), наладки, и проверки. На это уходит время, а то, что остается называют фондом рабочего времени, т.е. сколько минут-часов-суток в год агрегат (конвертер, МНЛЗ или что-то еще) реально работает. Самая грубая оценка фонда рабочего времени, о которой нам говорили в институте, берется даже без формулы и составляет 330 дней, т.е. на ремонты уходит 35-36 суток в год (около 10%). Ее можно использовать, когда нет никаких вводных. Учебник [7] предлагает следующую формулу расчета фонда рабочего времени:
Ф = 365 – (ТК + ТПП + ТТ), (7)
т.е. общее число дней в году минус продолжительность простоев: на капитальный ремонт (ТК), планово-предупредительные ремонты (ТПП), и текущие ремонты (ТТ). Например, в упомянутом учебнике [7] для МНЛЗ примерные продолжительности ремонтов оценивают так: планово-предупредительные ремонты (ТПП, 1 раз в неделю, 8 часов) занимают 17 суток в год; капитальный ремонт (ТК) – 10 суток, текущие ремонты (ТТ) – 27 суток в год. В результате получается:
Ф = 365 – (10 – 17 – 27) = 311 суток (8)
Это, конечно, только пример, и в реальности цифры могут быть иными. Тем не менее, величина суммы технологических простоев очень важный фактор, который является одним из «мягких» ресурсов производительности цеха. Применение новых расходных материалов, грамотное использование того, что есть, даже порядок в цехе, и т.д. – все это позволяет либо увеличивать межремонтные интервалы, либо сокращать время ремонтов и связанных с ними простоев, либо делать и то, и другое сразу. Кайдзен-канбан, короче.
Например, воспользовавшись данными из упомянутой выше статьи про Азовсталь [4а], можно найти (подбором, конечно), что при 54-55 плавках в сутки выплавляемых двумя 350-т конвертерами (это их данные), можно достичь производительности в 5.3 млн. тонн с фондом рабочего времени в 280 суток.
Еще одним очень важным показателем является продолжительность производственного цикла, а именно продолжительность плавки. В англоязычной литературе этот показатель называют tap-to-tap (от выпуска до выпуска, или от слива до слива жидкого металла, т.е. полный цикл выплавки). Попробуем определить его для условий «Азовстали» по проекту цеха 1977 года и по состоянию на 2011 год. Исходя из проектной мощности в 3.5 млн тонн в год, суточная производительность по жидкой стали должна быть
3500 × 103 / 365 = 9589 тонн в сутки (9)
И на один агрегат будет приходится половина этого количества:
9589 / 2 = 4795 тонн в сутки на 1 конвертер (10)
Зная емкость конвертера (350 т) можно определить количество плавок в сутки:
А время одного цикла составит:
1440 минут / 14 ~ 105 минут (12)
Эта цифра, разумеется, условная и усреднённая. Сам процесс плавки идет очень быстро (20-25 минут) и эта величина, как ни странно, мало зависит от емкости конвертера. Остальные операции – загрузка твёрдой шихты, заливка чугуна, отбор проб, выпуск - в целом тоже весьма стандартизированы. Но пути сокращения времени плавки лежат именно в области оптимизации отдельных операций. Итак, с учетом всех улучшений получилось довести число плавок в одном КК до 27 в сутки т.е., почти вдвое. Тогда суточная производительность одного агрегата выросла до:
9450 × 2 = 18900 тонн в сутки (14)
Как я уже написал выше, взяв их годовую производительность, я нашел и фонд рабочего времени (280 суток в год) и новую среднюю продолжительность цикла плавки:
Это уже значительно лучше, чем 105 минут. Вот на эту продолжительность и будем ориентироваться.
Единственно возможным способом довести годовую производительность до желаемых 12.5 млн. тонн является увеличение числа сталеплавильных агрегатов до четырех, снижение продолжительности плавки до 50 минут, и увеличение фонда рабочего времени до 310 суток в год. Это может быть достигнуто в рамках одного цеха, или двух отдельных цехов (что усложняет внутризаводскую логистику).
И теперь вернемся к непрерывной разливке. Продолжительность плавки была нужна для того, чтобы определить такую величину как ритм подачи ковшей в отделение разливки. Эта величина находится как частное от деления продолжительности плавки на количество работающих агрегатов
τ(Р) = τ(П)/n(КК) = 53/4 = 13.3 (16)
Все это в расчет на одну МНЛЗ, но так как их будет несколько, то можно работать без остановок. Количество машин считается следующим образом:
В1 = τ1/τР + 1 = 66/13.3 + 1 ~ 5 (17)
Количество резервных машин (Т – продолжительность всех ремонтов):
В2 = Т×В1/365 = 54*5/365 = 0.74 → 1 (округляем до целого) (18)
Таким образом, в цехе должно быть всего 6 МНЛЗ.
Торт почти готов, но еще остались вишенки. Я говорю об агрегатах внепечной обработки, а именно об установке печь-ковш (ladle-furnace, LF) и установке вакуумной обработки, вакууматоре ковшевого или камерного типа. Печь-ковш (ПК) это агрегат для дополнительного подогрева металла в ковше. Подогревается металл излучением от электрических дуг, как в электропечи. Также на печи ковше можно наводить шлак нужного состава, проводить легирование металла, и ряд других операций. Конструктивно это похоже на верхнюю часть обычной электропечи: крышка с электродами и трактами подачи сыпучих материалов.
Вакууматоры бывают разной конструкции, и у каждой есть свои преимущества и недостатки. Наиболее быстро процесс вакуумной обработки протекает в агрегатах циркуляционного типа (в иностранной литературе – RH, от Ruhrstahl-Heraeus).Мы такие и выберем.
Здесь также ковш закатывают под агрегат. Затем сам вакууматор чуть опускают вниз, так чтобы оба патрубка – впускной и выпускной – оказались в металле под слоем шлака. Бывают конструкции агрегата с подъемом ковша вверх к вакуум-камере. После этого в камере снижают давление до вакуума (около 50-60 Па) и за счет вдувания аргона в один из патрубков металл начинает энергично перетекать из ковша в камеру, а затем, под действием силы тяжести, по второму патрубку обратно в ковш. Важно отметить, что количество жидкого металла в вакууматоре в единицу времени невелико, а сам металл вспенен пузырями аргона. Таким образом, площадь контакта металла с вакуумом значительно возрастает, а эффективность такой обработки - увеличивается. Как и на ПК, в вакууматоре есть специальные тракты подачи сыпучих материалов внутрь вакуум-камеры, прямо в порцию жидкого металла. За счет этих особенностей, циркуляционное вакуумирование позволяет легировать металл легкими материалами, например, порошкообразным углеродом, достигая высокого коэффициента его усвоения, чего почти невозможно сделать другими способами.
Внепечная обработка это неотъемлемая часть современного процесса выплавки стали и, в том или ином виде, она присутствует на любом металлургическом производстве. Перечисленные выше агрегаты внепечной обработки не единственные возможные образцы, но это необходимый минимум. Помимо основной функции рафинирования и доводки металла по химическому составу и температуре, другой важной функцией внепечной обработки является согласование тактов работы оборудования отделения выплавки и отделения разливки. Скажем, как мы убедились на примерах приведенных выше, выплавка может чуть опережать разливку и отделение внепечной обработки, как минимум, способно поддержать температуру металла на нужном уровне до момента, когда отделение разливки будет готово принять очередной ковш с металлом.
Теперь определим количество агрегатов внепечной обработки. Из опыта «Азовстали» можно узнать, что у них было «две двухпозиционные установки «ковш-печь» и двухпозиционная установка вакуумирования стали». Что такое «двухпозиционная установка»? Это промежуточное решение: вместо двух независимых агрегатов ставят два агрегата, имеющие общий основной узел. Например, для дугового подогрева самым дорогим узлом является электрический трансформатор, а для вакууматора – система вакуумных насосов. То есть две установки делят между собой время доступа к этому основному узлу, что позволяет снизить начальные капитальные затраты. На такой двухпозиционной установке можно обрабатывать только один ковш за раз, но переключиться на обработку второго можно значительно быстрее, т.к. следующий ковш может уже стоять на «низком старте». Недостатком такой системы является то, что при выходе из строя этого общего элемента (трансформатора или вакуумной системы) вы теряете сразу обе «нитки» агрегата.
Если ставить независимые агрегаты, то, прежде всего, повлечет большие затраты на оборудование. Независимые агрегаты нуждаются в большей площади для размещения оборудования. Разумеется, их обслуживание потребует больше рабочих рук и человеко-часов. Эти затраты, конечно, окупятся, но не так быстро как тандемными агрегатами. На мой взгляд, лучше выбирать независимые агрегаты, т.к. они дают необходимую гибкость в распределении производственных задач цеха и при выходе из строя одного остальные способны продолжать работу, пусть и чуть медленнее. Есть еще ряд факторов, которые следует учесть при выборе состава оборудования внепечной обработки, но мы для простоты ограничимся лишь самыми крупными. Тут мы обойдемся без формул, и просто определим по одному ПК на конвертер и одному RH-вакууматору на два конвертера, т.е. всего нужно будет 6 агрегатов.
Ну и в завершение этой части рассуждений, следует упомянуть крановое хозяйство. На каждый конвертер в рабочий пролет нужен один кран, т.е. всего 4. В пролете внепечной обработки кранов нужно меньше, т.к. часть перемещений ковшей от конвертера к ПК можно будет делать самоходными сталевозами, но, как минимум, два крана нужно. В разливочный пролет нужно по одному крану на каждую МНЛЗ, т.е. 5 штук еще. Откровенно говоря, я не специалист по кранам и, скорее всего, упускаю какие-то моменты. Буду очень рад, если читатели меня поправят и/или дополнят в этом вопросе.
Итак, подведем итог наших упражнений. Для обеспечения того уровня выплавки стали, о котором говорил губернатор, необходимо будет спроектировать и построить гигантское даже по современным меркам производство. Достаточно сказать, что за все время после распада СССР (за 32 года) в России и в бывших союзных республиках не было введено в эксплуатацию ни одного кислородно-конвертерного цеха. Были реконструкции, но не новые производства. Правда, везде, где они были построены до 1991 года, они сохранились и работают и по сей день. Ну, кроме «Азовстали» теперь, наверное. Цехов такого масштаба и в СССР не строилось. Самые крупные ККЦ советского времени на ЧерМК и НЛМК имели более скромные показатели, которые были "прокачаны" только десятилетия спустя.
Как мы убедились, проектные показатели даже у крупных производств были весьма скромными. Но ведь и губернатора Михаила Дегтярева никто за язык не тянул, и раз он эти цифры озвучил, то наверное не с потолка взял цифра (хотя кто знает).
Итак, в составе кислородно-конвертерного цеха должно быть (минимально):
· 4 конвертера емкостью 350 тонн по жидкой стали
· 2 циркуляционных вакууматора
· 10 кранов грузоподъемностью в 800-900 тонн каждый.
Это не полный список оборудования. В каждом советском конвертерном цехе есть миксерное отделение, где осуществляется хранение и усреднение жидкого чугуна поступающего из доменного цеха по составу и температуре. Это делается в огромных стационарных ёмкостях – миксерах. Масса чугуна в миксере может быть несколько сотен тонн и более. Например, на НТМК где массе металла в конвертере 160 тонн, а агрегатов в цехе три, миксер вмещал (лет 15 назад) 1500 тонн. Учитывая их большую емкость конвертеров нашем воображаемом цехе, каждому конвертеру нужен свой миксер, т.е. на цех таких миксеров нужно 4. Я не случайно выделил слова «советский» и «стационарный». Дело в том, что на американских и европейских заводах много лет используют подвижные железнодорожные миксеры (бывают и самоходные, кажется). Из-за своей формы их часто называют «торпеда» (torpedo car), а емкость варьируется в зависимости от садки конвертера [8]. Интересно, что первый российский миксер такого типа емкостью в 420 тонн появился совсем недавно – в 2022 на ЗапСибе [9].
Также еще ковшевое хозяйство с ремонтной базой. Нужны самоходные сталевозы, которые будут курсировать от конвертера до ПК и вакууматора. А еще цех подготовки шихты ибо каждые 53 минуты в каждый из конвертеров придется загружать примерно 100 тонн твердой шихты – металлолома, прежде всего, и других твердых металлических материалов. Еще нужен цех подготовки извести, ибо извести это комбинат будет потреблять много: 30-40 тонн на плавку. И еще нужны многие и многие отделения и цеха, которые будут обеспечивать бесперебойную (а другая просто невозможна) работу кислородно-конвертерного цеха.
Говоря о миксерах, конечно, нельзя не упомянуть и производство чугуна. Соотношения чугуна и лома в классическом варианте кислородно-конвертерного процесса с верхней продувкой составляет примерно 75% и 25% [10]. В абсолютных цифрах в расчете на получение 350 тонн жидкой стали будет нужно примерно 385 тонн шихты и из них 75%, или 289 тонн, жидкого чугуна и 25%, или 96 тонн, металлического лома. Как мы выяснили, в сутки ККЦ будет выплавлять 115 плавок стали. Теперь, подсчитаем, что в сутки потребуется (115 плавок)×(289 тонн) = 33264 тонн жидкого чугуна. Учитывая фонд рабочего времени ККЦ в 310 суток, получим, что за год цех потребит: 33264 × 310 = 10,311,840 тонн чугуна. Тут необходимо пояснить много это или мало. Я нашел данные по производству чугуна на НЛМК [11-12]. Там на комбинате два ККЦ и шесть доменных печей различной производительности, но масштаб производства сходный с тем, что мы насчитали. Так вот, по их данным суммарная производительность 5 печей из 6 (одна была в ремонте тогда) составляет 12.5 млн. тонн чугуна в год (1.6 + 2.1 + 2.8 + 3.2 + 4.3). Тут надо отметить, что эти печи строились в разное время, и самую большую производительность имеет самая новая из печей (№7, 4.3 млн. тонн в год). Там же отмечается, что после ремонта одной из печей (№5), ее суточное производство вырастет до 8 тыс. тонн (годовое – 2.9 млн. тонн). Другие данные по печам на упомянутом выше Зальцгиттере (Германия, три ДП), говорят о том, что при объеме одной из печей в 2530 куб. м. годовая производительность одной составляет 2 млн. тонн (суточное производство 5.5 тыс. тонн чугуна). Эти данные должны дать представление об объемах современного доменного производства. Что касается проекта цеха, то, по моему мнению, нужно закладывать больше чем нужно, ибо сократить производство всегда можно без капитального строительства и больших затрат, а вот нарастить его так просто не получится. Учитывая это соображение, следует выбирать достаточно большую по производительности печь и строить их однотипными: один объем рабочего пространства, унификация механизмов и машин, одинаковые системы АСУ ТП. Это должно привести к небольшой экономии на обучении персонала, на ремонтах, и т.д. Таким образом, выбираем 4 доменных печи с рабочим объемом 3500-4000 м3 и годовой производительностью 4.5 млн. тонн. Тогда годовое производство будет составлять 18 млн. тонн чугуна. Это должно с лихвой хватить для снабжения чугуном ККЦ и обеспечить некоторый запас на будущее развитие. Ну и не забудем о ломе: его потребуется (96.25 тонн на плавку)(115 плавок в сутки)(310 дней в год) = 3.437 млн. тонн в год. Честно говоря, сомневаюсь, что столько можно собрать на Дальнем Востоке, даже если сгрести все брошенные геологами ржавые бочки из тундры и тайги. Придется возить из центральной России, Китая, и возможно еще из Японии и Кореи.
Теперь прикинем, сколько материалов потребуется для производства такого объема чугуна. Для этого воспользуемся примером материального баланса доменной плавки из «Краткого справочника доменщика» Е. Ф. Вегмана [13] (стр. 160): на 100 кг чугуна нужно 158.73 кг агломерата и окатышей (это разные виды подготовленной к плавке руды), 51.7 кг кокса (также подготовленный продукт из угля), и 5 кг известняка (для наведения шлака нужного состава). В пересчете на годовое производство в 18 млн. тонн чугуна получаем: агломерата и окатышей 28.5 млн. тонн, кокса 9.3 млн. тонн, и известняка 0.9 млн. тонн. Это примерный расчет исходя из 4 работающих печей. В отличие от сталеплавильного оборудования, у доменной печи нет нормированной массы выпуска в тоннах, и каждый выпуск по массе может несколько отличаться от предыдущего. Это обусловлено рядом факторов: равномерность загрузки шихты, температура дутья, объем дутья, и многое другое. Так как в ДП процессы движения материалов и плавления идут непрерывно, то производительность можно варьировать в определенных пределах, замедляя или ускоряя процесс плавления руды за счет количества подаваемого в печь горячего дутья. Необходимость в этом будет определяться потребностью в чугуне. При необходимости, например, при остановке на капремонт, печь можно загружать только коксом (т.е., топливом), который, сгорая, дает горячий газ и немного золы. Например, именно в таком режиме доменные печи и останавливают на ремонт. Так были остановлены все ДП «Азовстали» в 2022 перед тем, как начались бои в городе и комбинате.
Тут мы вплотную подошли к сырьевым ресурсам региона. Из статей, которые были приведены в начале, мы узнали, что в Чумикане «…по нашим оптимистичным прогнозам, мы оцениваем запасы железной руды в размере 5 млрд тонн». То есть, если оптимистические прогнозы окажутся верными, то запасов хватит на 5000/28.5 = 175 лет. Даже если прогноз окажется правильным лишь на 50%, то это, все равно, 70-80 лет непрерывного снабжения комбината рудой. Той же горы Магнитной хватило лет на 30 или около того. И, конечно, играют большую роль качество руды, содержание в ней железа и других элементов, необходимая степень обогащения, и ряд других факторов.
Конечно, есть еще вопрос с коксующимся углем: в Эльгинском месторождении его запасы составляют 2200 млн. тонн, т.е. его хватит на 2200/9.3 = 236.5 лет. Надежность этих оценок неизвестна, но добыча угля уже была начата [17], т.к. уже сегодня есть потребность в коксе на западе страны. Кроме того, не весь уголь в том месторождении – коксующийся. По крайней мере, часть его относится к энергетическому. Планы развития предполагают добычу до 45 млн. тонн в год и получение 30 млн. тонн угольного концентрата, из которого потом и будут делать кокс. Вопросы логистики мы уже затрагивали в начале.
С известняком проблем быть не должно, но потребуется строительство большой фабрики по подготовке и обжигу известняка и получению извести. Ее следует ставить прямо на территории комбината с тем, чтобы можно было транспортировать известь ленточными конвейерами прямо в те цеха, где она нужна.
Не будучи специалистом в области прокатки, я не возьмусь детально считать параметры прокатных цехов, но попробуем прикинуть их количество и специализацию. Прокатные цеха завершают цикл производства стали, и в их продукции уже просматриваются очертания конечных продуктов. Вспомним нашу начальную дискуссию о специализации этого комбината: производство толстого листа для нужд судостроения и, возможно, нефте- и газодобычи, а также рельсов для железных дорог. Примерный состав прокатного производства можно позаимствовать на Азовстали:
- толстолистовой цех (со станом 3600)
- обжимной цех (со станом 1200)
- крупносортный прокатный цех
- рельсобалочный цех
- цех рельсовых скреплений
Разумеется, не все из этого необходимо сразу. К примеру, обжимной цех – это наследие от мартеновского производства и при наличии МНЛЗ он утрачивает свою актуальность. Далее, производство рельсов – отдельный крупный комплекс – может быть вынесено во вторую очередь. Очередность ввода в строй цехов будет определяться производственной программой предприятия.
Дополнение от 2024-03-27: я думаю, что уцелевшее прокатное оборудование "Азовстали" может стать первым заделом для нового комбината, что объясняет излишне поспешное решение властей: "Восстанавливать не будем!". Там все секретят неспроста.
3. Реализация
Постройка такого масштабного производства в местности (1) с довольно суровым климатом, (2) со слабо развитой транспортной и бытовой инфраструктурой, (3) где отсутствуют местные кадры с подготовкой как в строительстве подобных объектов, так и в эксплуатации подобных предприятий, уже сама по себе является нетривиальной задачей.
Ее можно и нужно разделить на несколько подзадач. Для строительства нужен бетон в гигантских количествах и его лучше всего делать на месте. Т.е. нужны заводы по производству цемента, а им, помимо очевидных известняка, глины, гипса, нужен еще природный газ для обжига и получения клинкера. С песком и водой проблемы, надеюсь, там нет. Прежде чем завод будет способен давать свой металл потребуется привезти туда на место огромное количество металла для строительства. Нужна и строительная техника на месте. Ну рядом Китай, так что проблем с техникой не будет.
Но основная проблема состоит не в этих титанических затратах материалов, сил и времени. Дело в том, что почти все крупное и мелкое металлургическое оборудование в последние годы поставлялось из Европы, и игроков на этом рынке – раз-два и обчелся. Наверное, что-то выписывали и из Китая, но по-настоящему крупные проекты, делались силами или SMS Group, или Siemens-VAI (с 2019 - Primetals Technologies), или Danieli, или всех их сразу. Это компании способные, условно говоря, спроектировать и построить завод «под ключ» (как это делали еще в начале 1930-х американцы и немцы в Магнитогорске, Сталинграде и много где еще). После начала военных действий на Украине, мы все имели возможность убедиться в ненадежности прежних договорённостей и отсутствии надежных перспектив. И как они будут работать, условно говоря, завтра – неясно. Крупных демаршей, как в случае с ширпотребом, не произошло, но и рассчитывать на масштабное сотрудничество уже не приходится.
Что касается российских проектантов и производителей оборудования, то крупных проектных фирм, масштаба того же Siemens-VAI, в области металлургии – нет и не будет. На самих комбинатах и машиностроительных заводах есть свои проектные отделы, которые могут с некоторым успехом решать задачи уровня своего предприятия. Есть отдельные компании, которые могут изготовить определённые узлы или детали, но нет тех, кто сможет собрать все это вместе, т.е. нет интеграторов. В советское время такими интеграторами выступали: (1) министерства (условно – интеграция масштаба комбинатов и заводов), (2) всесоюзные промышленные объединения (координировали работы всех предприятий по определённой тематике, например, производство труб или ферросплавов) и (3) профильные исследовательские институты (опять же условно – проекты уровня цехов и отдельных агрегатов).
Министерства, как и промышленные объединения, ушли в прошлое и, что особенно печально, вместе со специалистами и документами. Исследовательские институты постигла менее скорбная участь: они трансформировались в относительно частные предприятия и, сохранив костяки коллективов, пережили упадок 90-х и более-менее существуют до сих пор. Однако, это паллиатив, по сути. Кадров соответствующих роду такой деятельности остается все меньше, и те, кто остался в профессии в 90-е или уже ушли, или вот-вот уходят на пенсию. Смены поколений и передачи опыта в нужном объеме не произошло: пока были в строю те, кто мог передать, передавать было некому; а когда нашли деньги на молодых, уже ушли старые. Да, есть отдельные светлые головы, но не более того. В лучшем случае, эти коллективы способны предлагать какие-то решения в рамках уже существующих проектов, а создание новых проектов, да еще и столь масштабных, сил там просто нет.
Наверное, хорошей идеей было бы оставить за собой проектную часть и интеграцию, а подрядчиков – изготовителей оборудования или его частей – взять со стороны, например, в Китае (из доступных, кроме Китая, пожалуй, никто не потянет такую работу). Но и в этом есть большие сомнения потому, что за последние 40-45 лет на территории СССР не было построено ни одного нового крупного металлургического производства с нуля. Если не считать послевоенного восстановления заводов Юга СССР, то последними крупными проектами масштаба комбината полного цикла были ЧерМК и ЗапСиб, которые были реализованы в 50-60-е. Самые современные крупные новые цеха построены в середине 70-х (НЛМК, Азовсталь, и др), после чего их, конечно, еще не раз модернизировали. Самые современные предприятия черной металлургии, т.н. минизаводы, включая упомянутый в начале статьи Старый Оскол, строились в 1980-х со значительным участием иностранных фирм (VAI, Danieli, SMS, Midrex, и др.), т.е. все основное оборудование производилось за рубежом, а на месте собиралось из привезённого «конструктора» под бдительным присмотром представителей фирм-поставщиков. Они же «опекали» эти предприятия все последующие годы.
Если задуматься, то в СССР/РФ уже выросло несколько поколений людей, которые не участвовали в проектах такого масштаба. Отсюда, у меня есть серьезные сомнения в том, что после 40 лет отсутствия каждодневной практики нынешние проектировщики и производители в текущих, не слишком благоприятных условиях, смогут работать совместно, ритмично, и качественно. Самое важное и самое печальное в том, что ничего не известно о существовании в этой области лидеров – людей и/или организаций, вокруг которых могли бы начаться какие-то подвижки. Балаболки не в счет, разумеется.
Заключение
Подведем итоги наших изысканий. Мы смогли на основе предоставленных данных составить сильно упрощенный эскизный проект металлургического комбината с заданным объемом производства стали и определить его специализацию – толстый лист, балки и рельсы. Мы определили состав основных цехов будущего предприятия: доменный цех с четырьмя доменными печами, конвертерный цех с четырьмя конвертерами и шестью машинами непрерывной разливки и прокатное производство – толстолистовой цех, крупносортовой, рельсобалочный. Разумеется, потребуется еще и целый ряд цехов, без работы которых, комбинат встанет: ТЭЦ, водоподготовка, производство газов (кислород, азот и аргон), транспортный (ж\д и авто), подготовка металлолома и другие.
С практической стороной, увы, все сложнее. Здесь нам приходится опираться больше на наблюдения и довольствоваться весьма общими соображениями, смысл которых сводится к тому, что своими силами Россия построить такой комбинат сегодня не в состоянии. Годы стагнации в промышленности, образовании и исследованиях привели к утрате кадров и заделов, как минимум, в области проектирования и интеграции. Разрыв отношений с Европой, на которую рассчитывали все последние годы, отрезал России доступ к технологиям производства и продуктам в областях промышленной автоматики и электроники, среднего машиностроения, проектирования, и многих других менее заметных, но необходимых. Остаётся рассчитывать на посильную помощь стран БРИКС и самих себя. Несмотря на бравые заверения губернатора, реалистичным сценарием будет запуск чего-то лет через 10-15.
С Днем металлурга, друзья! Накроем подину легковесом!
Список использованных источников
1. БМК – Белорецкий металлургический комбинат: https://mechel.ru/sector/steel/beloretskiy-metallurgicheskiy-kombinat/history/
2. Структуры Авдоляна планируют построить заводы по выпуску стали и кокса на Дальнем Востоке: https://tass.ru/ekonomika/16259897
2а. Карта Дальнего Востока России: https://yandex.ru/maps/?ll=136.233440%2C49.017798&z=11
3. Судостроительная отрасль – будущее Дальнего Востока: https://roscongress.org/materials/sudostroitelnaya-otrasl-budushchee-dalnego-vostoka/
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%B7%D0%BE%D0%B2%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D1%8C
4а. Структура производства на Азовстали: https://azovstal.metinvestholding.com/ru/about/structure
5. Комбинат «Азовсталь» провел горячее опробование новой машины непрерывного литья заготовок: https://metinvestholding.com/ru/media/news/238
5а. На комбинате "Азовсталь" опробовали новую машины непрерывного литья заготовок: https://rusmet.ru/press-center/na_kombinate_azovstal_oprobovali_novuju_mashiny_nepreryvnogo_litya_zagotovok/
6. "Азовмаш" поставит "Азовстали" 350-тонный конвертер - https://delo.ua/business/azovmash-postavit-azovstali-350-tonnyj-konverter-217083/
7. Григорьев В.П., Нечкин Ю.М., Егоров А.В., Никольский Л.Е. Конструкции и проектирование агрегатов сталеплавильного производства. М: Металлургия, 1995.
8. Metallurgical Vehicles: torpedo car, also called cast-iron pig car or pig iron mixer car: https://cec-cranes.de/en_US/products/huettenwerksfahrzeuge/
9. TMK manufactures Russia’s first mobile hot metal mixer: https://www.tmk-group.com/PressReleases/4050
10. Явойский и др. Металлургия стали. М: Металлургия, 1982
11. Группа НЛМК: Эффективная замена https://nlmk.com/ru/media-center/interviews-and-speeches/gruppa-nlmk-effektivnaya-zamena/
12. НЛМК повысит производительность одной из доменных печей: https://lipetsk.nlmk.com/ru/media-center/press-releases/nlmk_povysit_proizvoditelnost_odnoy_iz_domennykh_pechey/
13. Вегман Е.Ф. (1981) Краткий справочник доменщика.
14. Официальный cайт Гипромез – Текущие проекты с декабря 2018 по апрель 2019: http://gipromes.ru/projects/
15. ПАО «Новокраматорский Машиностроительный Завод» http://www.metallurgmash.ru/about/members/nkmz.html
16. Глава Якутии заявил о риске срыва инвестконтракта «Мечела» по Эльге. https://www.rbc.ru/business/13/12/2019/5df231099a794752ff22d33d