Производство стали как бизнес: технология, оборудование

Завоевать лидирующие позиции на рынке производства стали непросто, особенно новичку. Бизнес требует значительных капиталовложений, которые даже при самом благоприятном прогнозе окупятся лишь через 2 года. Однако правильно наладив производственный процесс, владелец бизнеса будет получать стабильный высокий доход.

Содержание

Основные термины

Сталь

Сталь (от нем. Stahl) — сплав железа с углеродом (и другими элементами), содержащий не менее 45 % железа и в котором содержание углерода находится в диапазоне от 0,02 до 2,14 %, причём содержанию от 0,6 % до 2,14 % соответствует высокоуглеродистая сталь. Если содержание углерода в сплаве превышает 2,14 %, то такой сплав называется чугуном. Углерод придаёт сплавам прочность и твёрдость, снижая пластичность и вязкость.

Характеристики стали:

Плотность: 7700—7900 кг/м³ (7,7—7,9 г/см³).
Удельный вес: 75500—77500 Н/м³ (7700—7900 кгс/м³ в системе МКГСС).
Удельная теплоёмкость при 20 °C: 462 Дж/(кг·°C) (110 кал/(кг·°C)).
Температура плавления: 1450—1520 °C.
Удельная теплота плавления: 84 кДж/кг (20 ккал/кг, 23 Вт·ч/кг).
Коэффициент теплопроводности при температуре 100 °C^[10]:

Хромоникельвольфрамовая сталь	15,5 Вт/(м·К)
Хромистая сталь	22,4 Вт/(м·К)
Молибденовая сталь	41,9 Вт/(м·К)
Углеродистая сталь (марка 30)	50,2 Вт/(м·К)
Углеродистая сталь (марка 15)	54,4 Вт/(м·К)
Дюралюминиевая сталь	56,3 Вт/(м·К)

Коэффициент линейного теплового расширения при температуре около 20 °C:

сталь Ст3 (марка 20)	$11{,}9cdot 10^{{-6}}$ 1/°C
сталь нержавеющая	$11{,}0cdot 10^{{-6}}$ 1/°C

Предел прочности стали при растяжении:

сталь для конструкций	373—412 МПа
сталь кремнехромомарганцовистая	1,52 ГПа
сталь машиностроительная (углеродистая)	314—785 МПа
сталь рельсовая	690—785 МПа

Краткий обзор призводства:

Нержавеющая сталь

Нержавеющая сталь (коррозионно-стойкие стали, в просторечье «нержавейка») — легированная сталь, устойчивая к коррозии в атмосфере и агрессивных средах. Сопротивление нержавеющей стали к коррозии напрямую зависит от содержания хрома: при его содержании 13 % и выше сплавы являются нержавеющими в обычных условиях и в слабоагрессивных средах, более 17 % — коррозионностойкими и в более агрессивных окислительных и других средах, в частности, в азотной кислоте крепостью до 50 %.

По химическому составу нержавеющие стали делятся на:

Хромистые, которые, в свою очередь, по структуре делятся на;
- Мартенситные;
- Полуферритные (мартенисто-ферритные);
- Ферритные;
Хромоникелевые;
- Аустенитные
- Аустенитно-ферритные
- Аустенитно-мартенситные
- Аустенитно-карбидные
Хромомарганцевоникелевые (классификация совпадает с хромоникелевыми нержавеющими сталями).

Различают аустенитные нержавеющие стали, склонные к межкристаллитной коррозии, и стабилизированные — с добавками Ti и Nb. Значительное уменьшение склонности нержавеющей стали к межкристаллитной коррозии достигается снижением содержания углерода (до 0,03 %).

Нержавеющие стали, склонные к межкристаллитной коррозии, после сварки, как правило, подвергаются термической обработке.

Широкое распространение получили сплавы железа и никеля, в которых за счёт никеля аустенитная структура железа стабилизируется, а сплав превращается в слабо-магнитный материал.

Чугун

Чугун — сплав железа с углеродом (и другими элементами), в котором содержание углерода не менее 2,14 % (точка предельной растворимости углерода в аустените на диаграмме состояний), а сплавы с содержанием углерода менее 2,14 % называются сталью. Углерод придаёт сплавам железа твёрдость, снижая пластичность и вязкость. Углерод в чугуне может содержаться в виде цементита и графита. В зависимости от формы графита и количества цементита, выделяют белый, серый, ковкий и высокопрочный чугуны. Чугуны содержат постоянные примеси (Si, Mn, S, P), а в некоторых случаях также легирующие элементы (Cr, Ni, V, Al и другие). Как правило, чугун хрупок.

Виды чугуна:

Белый ч-н. Применяются в основном для изготовления ковких чугунов, которые получают путём отжига. В белых чугунах весь углерод находится в связанном виде (Fe₃C). В зависимости от количества углерода делятся на эвтектические (4,3 % углерода) и заэвтектические (4,3—6,67 % углерода). Цементит в изломе — светлый, поэтому такие чугуны назвали светлыми.;
Серый ч-н. Серый чугун — это сплав железа, кремния (от 1,2—3,5 %) и углерода, содержащий также постоянные примеси Mn, P, S. В структуре таких чугунов большая часть или весь углерод находится в виде графита пластинчатой формы. Излом такого чугуна из-за наличия графита имеет серый цвет.
Ковкий. Получают длительным отжигом белого чугуна, в результате которого образуется графит хлопьевидной формы. Металлическая основа такого чугуна — феррит и реже перлит. Ковкий чугун получил своё название из-за повышенной пластичности и вязкости (хотя обработке давлением не подвергается). Ковкий чугун обладает повышенной прочностью при растяжении и высоким сопротивлением удару. Из ковкого чугуна изготавливают детали сложной формы: картеры заднего моста автомобилей, тормозные колодки, тройники, угольники и т. д.;
Высокопрочный. Высокопрочный чугун имеет в своей структуре шаровидный графит, который образуется в процессе кристаллизации. Шаровидный графит ослабляет металлическую основу не так сильно, как пластинчатый, и не является концентратором напряжений.;
Предельный. Передельный чугун не используется как самостоятельный материал, а применяется для дальнейшей переработки в сталь.

Железная руда

Железные руды — природные минеральные образования, содержащие железо и его соединения в таком объёме, когда промышленное извлечение железа из этих образований целесообразно. Несмотря на то, что железо входит в большем или меньшем количестве в состав всех горных пород, под названием железных руд понимают только такие скопления железистых соединений, из которых с выгодой в экономическом отношении можно получить металлическое железо. Эта руда состоит из других минералов к примеру: гематит, магнетит.

Руда не только добывается, но и может покупаться с других месторождений.

Классификация

Различаются следующие промышленные типы железных руд:

Титано-магнетитовые и ильменит-титаномагнетитовые в базитах и ультрабазитах
Апатит-магнетитовые в карбонатитах
Магнетитовые и магно-магнетитовые в скарнах
Магнетит-гематитовые в железных кварцитах
Мартитовые и мартит-гидрогематитовые (богатые руды, образуются по железным кварцитам)
Гётит-гидрогётитовые в корах выветривания^[1].

Существует четыре основных вида железорудной продукции, использующиеся в чёрной металлургии:

сепарированная железная руда (обогащённая методом сепарации рассыпчатая руда),
агломерат,
окатыши,
железорудные брикеты.

Факторы, определяющие ценность руд

Главным фактором, определяющим металлургическую ценность железных руд, является содержание железа. Железные руды по этому признаку делятся на богатые (60—65 % Fe), со средним содержанием (45—60 %) и бедные (менее 45 %). Снижение количества железа в руде вызывает прогрессивное уменьшение ее металлургической ценности вследствие значительного увеличения в доменной плавке относительного выхода шлака. Практикой работы доменных печей установлено, что с повышением содержания железа в шихте на 1 % (абс.) производительность печи возрастает на 2—2,5 %, а удельный расход кокса снижается на 1—1,5 %.
Состав пустой породы оказывает существенное влияние на качество железной руды. При основности пустой породы, равной нулю, количество шлака удваивается по сравнению с количеством пустой породы, вносимой рудой. Если же пустая порода руды самоплавкая, то есть основность руды и шлака равны, то введения флюса не требуется, и количество шлака равно количеству пустой породы, то есть выход его будет вдвое ниже. Пропорционально снижению выхода шлака уменьшается удельный расход кокса и увеличивается производительность доменной печи. Таким образом, металлургическая ценность руд возрастает с увеличением основности пустой породы.
Вредные примеси понижают ценность руды, а при значительном количестве делают ее непригодной для непосредственного использования в доменной печи даже при высоком содержании железа.
- В процессе доменной плавки небольшое количество соединений серы переходит в газ и уносится с ним из печи, но основная масса серы распределяется между чугуном и шлаком. Чтобы перевести максимальное количество серы в шлак и не допустить получения сернистого чугуна, в доменной печи должны быть высоконагретые шлаки с повышенной основностью, что в конечном счёте увеличивает удельный расход кокса и пропорционально снижает производительность печи. Считается, что снижение содержания серы в рудной части шихты на 0,1 % (абс.) сокращает удельный расход кокса на 1,5—2 %, расход флюса — на 6—7 % и на 1,5—2 % повышает производительность доменной печи. Действующие кондиции ограничивают максимальное содержание серы в руде, предназначенной для доменной плавки, величиной 0,2—0,3 %. Однако в связи с тем, что в настоящее время перед подачей в печь основная масса добываемых руд подвергается обогащению с последующей термической переработкой концентратов в процессе агломерации или обжига окатышей, в результате которой значительная доля исходной серы (80—95 %) выгорает, стало возможным использовать железные руды с содержанием серы до 2—2,5 %. При этом руда, в состав которой входит сульфидная сера, при прочих равных условиях обладает большей ценностью по сравнению с рудой, сера в которой находится в виде сульфатов, так как последняя при агломерации и обжиге окатышей удаляется хуже.
- Ещё хуже при агломерации удаляется мышьяк. В доменной плавке он полностью переходит в чугун. Содержание мышьяка в добываемой руде не должно превышать 0,1—0,2 %, даже если она идет на агломерацию.
- Фосфор при агломерации не удаляется. В доменной печи он полностью переходит в чугун, поэтому его предельное содержание в руде определяется возможностью выплавки чугуна данного сорта. Так, для бессемеровских (чистых по фосфору) чугунов его количество в руде не должно превышать 0,02 %. Наоборот, при получении фосфористого чугуна для томасовского передела оно должно составлять 1 % и выше. Среднее содержание фосфора, равное 0,3—0,5 %, наиболее неблагоприятно, поскольку для выплавки томасовских чугунов такая концентрация фосфора мала, а для бессемеровских — слишком велика, что приводит к ухудшению технико-экономических показателей сталеплавильного процесса.
- Цинк при агломерации не удаляется. Поэтому технические условия ограничивают содержание цинка в проплавляемых рудах величиной 0,08—0,10 %.
Полезные примеси повышают металлургическую ценность железных руд по следующим причинам. При проплавке таких руд могут быть получены природнолегированные чугуны, а затем — стали, не требующие введения специальных дорогих добавок для легирования (или сокращающие их расход). Так используются примеси никеля и хрома в рудах. В других случаях одновременно с чугуном получаются иные ценные металлы. Например, при переработке титаномагнетитовых руд в результате металлургического передела, кроме железа, извлекается очень ценный и дорогой металл — ванадий, благодаря чему становится экономически выгодным перерабатывать сырье с низким содержанием железа. Повышенное количество марганца в железных рудах позволяет получать марганцовистые чугуны, в которых полнее проходят процессы десульфурации, улучшается качество металла.
Способность руды обогащаться (обогатимость руды) — важный признак её металлургической ценности, так как большинство добываемых железных руд подвергается тем или иным методам обогащения в целях повышения содержания в них железа или снижения концентрации вредных примесей. Процесс обогащения заключается в более или менее полном отделении рудного минерала от пустой породы, сульфидов. Обогащение облегчается, если пустая порода почти не содержит железа, а частицы рудного минерала представляют собой относительно крупные зерна. Такие руды относятся к категории легкообогатимых. Тонкая вкрапленность рудных частиц и большое количество железа в пустой породе делают руду труднообогатимой, что значительно снижает ее металметаллургическую ценность. По обогатимости отдельные типы руд можно расположить в следующий ряд в порядке ее ухудшения: магнитные железняки (обогащаются самым дешевым и эффективным способом — магнитной сепарацией), гематитовые и мартитовые руды, бурые железняки, сидериты. Примером легкообогатимой руды могут служить магнетиты Оленегорского месторождения. Магнитная сепарация позволяет легко отделить кварц пустой породы от магнетита. При содержании железа в исходной руде 29,9 % получают концентрат с 65,4 % железа. Также при магнитной сепарации титаномагнетитов Качканарского месторождения, доля железа в которых 16,5 %, получают концентрат с 63—65 % железа. К разряду труднообогатимых руд можно отнести, например, керченские бурые железняки, промывка которых при исходном содержании железа 40,8 % позволяет повышать его в концентрате лишь до 44,7 %. В отмытой от руды пустой породе его доля при этом достигает 29—30 %. Металлургическая ценность железной руды дополнительно повышается, когда при ее обогащении из пустой породы попутно извлекаются другие полезные компоненты. Например, при обогащении руды Ено-Ковдорского месторождения, кроме железорудного концентрата, получают апатитовый концентрат, являющийся сырьем для производства минеральных удобрений. Такая комплексная переработка добываемой из недр железной руды значительно увеличивает рентабельность разработки месторождения.
К основным физическим свойствам, влияющим на металлургическую ценность железных руд, относятся: прочность, гранулометрический состав (кусковатость), пористость, влагоемкость и др. Прямое использование малопрочных и пылеватых руд в доменных печах невозможно, так как их мелкие фракции сильно ухудшают газопроницаемость столба шихтовых материалов. Кроме того, поток доменного газа выносит из рабочего пространства печи рудные частицы размером менее 2—3 мм, которые оседают затем в пылеуловителях. При переработке малопрочных руд это приводит к увеличению их удельного расхода на выплавку чугуна. Добыча рыхлых пылеватых руд связана с необходимостью строительства дорогостоящих агломерационных фабрик для их окускования, что значительно обесценивает такие руды. Количество мелочи особенно велико при добыче бурых железняков и гематитовых руд. Так, богатые руды Курской магнитной аномалии при добыче дают до 85 % мелочи, нуждающейся в окусковании. Средний выход фракции крупнее 10 мм (пригодной для доменной плавки) из богатых криворожских руд не превышает 32 %, а выход фракции крупнее 5 мм из добываемых керченских руд — не более 5 %. По условиям доменной плавки нижний предел крупности руды, загружаемой в доменные печи, должен составлять 5—8 мм, однако в связи с трудностью отсеивания на грохотах таких мелких фракций, особенно влажных руд, он повышается до 10—12 мм. Верхний предел размеров кусков определяется восстановимостью руды и не должен превышать 30—50 мм, но на практике бывает и 80—100 мм.
Прочность руд при сушке, нагреве и восстановлении. В связи с тем, что в состав руд входят минеральные компоненты с различными коэффициентами термического расширения, при нагреве в кусках руды возникают значительные внутренние напряжения, вызывающие их разрушение с образованием мелочи. Слишком быстрая сушка может вызвать разрушение кусков руды под действием выделяющегося водяного пара. Снижение прочности железорудных материалов при сушке и нагреве называют декрепитацией.
Важным технологическим качеством железных руд считается их размягчаемость. В доменной печи тестообразные массы шлака, образовавшегося при размягчении рудной части шихты, создают большое сопротивление проходу газов. Поэтому желательно использовать руды с наиболее высокой температурой начала размягчения. В этом случае руда не размягчается в шахте доменной печи, что благоприятно сказывается на газопроницаемости столба шихты. Чем короче интервал размягчения руды (разность температур между началом и концом размягчения), тем быстрее размягченные тестообразные массы превращаются в жидкий подвижный расплав, не представляющий большого сопротивления для потока газов. Поэтому руды с коротким интервалом и высокой температурой начала размягчения имеют большую металлургическую ценность.
Влагоемкость руды определяет ее влажность. Для различных типов железных руд допустимая влажность с учетом их влагоемкости устанавливается техническими условиями: для бурых железняков — 10—16 %, гематитовых руд — 4—6 %, магнетитов — 2—3 %. Повышение влажности увеличивает транспортные расходы на перевозку руды, а в зимнее время требует затрат на сушку для исключения ее смерзаемости. Таким образом, с ростом влажности и влагоемкосги руд их металлургическая ценность снижается.
Характер пористости руды во многом определяет реакционную поверхность взаимодействия газообразных восстановителей с оксидами железа руды. Различают общую и открытую пористость. При одинаковом значении общей пористости с уменьшением размера пор реакционная поверхность кусков руды возрастает. Это при прочих равных условиях повышает восстановимость руды и её металлургическую ценность.
Восстановимостыо руды называют ее способность с большей или меньшей скоростью отдавать кислород, связанный с железом в его оксиды, газообразному восстановителю. Чем выше восстановимость руды, тем меньше может быть время ее пребывания в доменной печи, что дает возможность ускорить плавку. При одинаковом времени пребывания в печи легковосстановимые руды отдают печным газам больше кислорода, связанного с железом. Это позволяет снизить степень развития прямого восстановления и удельный расход кокса на выплавку чугуна. Таким образом, с любой точки зрения повышенная восстановимость руды является ее ценным свойством. Наибольшей восстановимостыо обладают обычно рыхлые, высокопористые бурые железняки и сидериты, которые при удалении CO₂ в верхних горизонтах доменной печи или в результате предварительного обжига приобретают высокую пористость. За ними в порядке уменьшения восстановимости следуют более плотные гематитовые и магнетитовые руды.
Размеры железорудного месторождения являются важным критерием его оценки, так как с увеличением запасов руды возрастает рентабельность его разработки, повышается экономичность строительства и эксплуатации основных и вспомогательных сооружений (карьеров, шахт, коммуникаций, жилья и т. д.). Доменный цех современного металлургического комбината средней мощности выплавляет 8—10 млн т чугуна в год, а его годовая потребность в руде составляет 15—20 млн т. Для того чтобы компенсировать затраты на строительство, комбинат должен работать не менее 30 лет (амортизационный срок). Это соответствует минимальным запасам месторождения 450—600 млн т.
Существенное влияние на определение браковочного предела по содержанию железа оказывают условия добычи, зависящие от характера залегания рудного тела. Глубокое залегание рудных пластов требует строительства дорогостоящих шахт для их разработки, больших эксплуатационных расходов (на вентиляцию, освещение шахт, откачку воды, подъём руды и пустой породы и др.). Примером чрезвычайно неблагоприятных горно-геологических условий залегания рудного тела может служить Яковлевское месторождение КМА, в котором высота кровли над рудой достигает на отдельных участках 560 м. В кровле расположены восемь водоносных пластов, что создает тяжёлые гидрогеологические условия для горных работ и требует отвода подземных вод из района рудной залежи или искусственного замораживания грунта в этом районе. Все это требует больших капитальных и эксплуатационных затрат на добычу руды и снижает ценность руд. Залегание месторождения вблизи от дневной поверхности земли и возможность добычи руды открытым способом (в карьерах) значительно удешевляют добычу руды и повышают ценность месторождения. В этом случае становится рентабельным добывать и перерабатывать руды с более низким содержанием железа, чем при подземной добыче.
Наряду с данными о количестве и качестве железной руды важным фактором при оценке того или иного месторождения является его географо-экономическое расположение: удаленность от потребителя, наличие транспортных коммуникаций, трудовых ресурсов и т. п.

Форматы деятельности заводов по изготовлению стали

Металл, который не поддается коррозии при электрохимической обработке, не разрушается в агрессивной газовой среде, выдерживает высокие температуры — все это о «стали», изготовляемой под различными марками. Производство стали — процесс, состоящий из нескольких последовательных этапов. Первый — подготовка сырья. Исходный материал — железная руда богатая металлом или требующая дополнительного обогащения. Измельченный рудный концентрат спекают в куски — агломерат, а после — смешивают с коксом и в виде «шихты» и направляют для плавки в многотонные печи. На выходе получается жидкий металл — чугун, отличающийся от стали высоким содержанием углерода. Последним этапом является доведение состава чугуна до параметров, делающих его более пластичным и износостойким. Понизив в чугуне содержание углерода, добавив легирующие компоненты, получают сталь.

При организации собственного производства стали количество этапов можно сократить, используя в качестве исходного материала стальной лом, железо прямого восстановления и чугуна.

Из существующих заводов по производству стали выделяют 3 основные их разновидности:

Полного производственного цикла. В процессе задействовано оборудование не только для изготовления стали, но и проката. Такой формат наиболее привлекателен. Прокат пользуется спросом у большего числа потенциальных покупателей, нежели отлитые стальные чушки.
Усеченный, то есть не имеющий в наличии оборудования для проката.
Предельный — занимающийся исключительно производством стального проката. Такие предприятия не оборудованы агрегатами для плавления и разливки металла.

Крупные предприятия отличаются технологическим оснащением, позволяющим получать конечный продукт из железной руды.

Мини-заводы по производству стали отвечают критериям, отличающим их от основных конкурентов:

использование в производстве стального лома;
небольшой размер;
капиталовложения, составлявшие 20-25% от затрат, возникающих при запуске сталеплавильного завода.

Отличия металлургического комбината и мини-завода по производству стали

К предприятиям полного производственного цикла относятся крупные металлургические комбинаты, принадлежащие государству или перешедшие в частные владения. Они реализуют полный цикл процессов изготовления низкоуглеродистого железа (стали) — от подготовки руды до выплавки металла.

Процесс производства стали на металлургическом комбинате

Материалом для производства стали служит чугун. Последний, в свою очередь, представляет собой сплав железа с углеродом, придающим ему большую прочность и пластичность.

Исходное сырье для чугуна — железная руда, подвергающаяся ряду физико-химических процессов.

Для изготовления стали необходимо:

Измельчить породу, подготовить шихту. Богатый железом материал не подвергают дополнительному обогащению. Бедные породы отправляются на магнитную сепарацию. Частицы с высокой концентрацией металла оседают на стенки сепаратора, остальной материал представляет собой шлак. Материал обжигают, полученный «железорудный агломерат» смешивают с флюсом (шлакообразующим веществом), окислителями, легирующими добавками, коксом. В результате получается «шихта» — сырье для загрузки в плавильную печь.
Расплавить «шихту». При взаимодействии с кислородом происходит окисление железа и примесей, входящих в состав шихты. Чтобы процесс охватил каждую частицу сырья, используют невысокие температуры для нагревания массы. На поверхности образуется пленка из вредных примесей. После их удаления в массу добавляется оксид кальция, и процесс окисления усиливается.
Доведение расплавленной массы до кипения. Когда химические показатели сплава достигают определенного уровня, температуру повышают. Под ее воздействием начинается окисление углерода — элемента, высокое содержание которого делает прочную сталь более ломким чугуном. В качестве катализатора данного процесса используют чистый О₂, вдуваемый в емкость с массой. На выходе получается уже более очищенный материал, в котором значительно снижена концентрация серы, фосфора и углерода.
Раскисление. Поскольку для ускорения окисления использовался кислород, состав получается чрезмерно окисленным, и его необходимо «раскислить». Для этого в массу вводятся вещества, «улавливающие» частицы кислорода и выходящие с ним на поверхность.

При выпуске «легированных» сталей в сплав добавляются иные компоненты, придающие металлу большую гибкость, прочность, долговечность и высокие антикоррозионные свойства. Если в состав введен «легирующий» элемент, это обозначается определенной буквой в марке стали, например, «Ф» — ванадий, «М» — молибден, «Г» — марганец или иные элементы.

Основные технологические узлы для изготовления стали

Технология производства едина, а средства для ее осуществления могут отличаться.

Мартеновский способ

Наиболее известным оборудованием для производства стали является мартеновская печь. В ней сырье нагревается до высочайших температур (около 2000°С).

Печь имеет 2 подвода: 1 — для подачи нагретого воздуха и газа, 2 — для вывода побочных продуктов горения. Рабочее пространство агрегата имеет загрузочные окна, через которые подается шихта, заливается расправленный чугун.

Воздух высокой температуры попадает через «головки». Их конструкция — определяющая составляющая эффективности работы всей печи. При правильном смешивании воздуха процесс окисления проходит более продуктивно.

Пыль, окислы железа оседают в специальных приемниках «шлаковиках». Отходящие раскаленные газы температурой около 1600°С устремляются в насадки регенераторов. Благодаря им в печи поддерживается постоянная высокая температура.

Поскольку направление потоков воздуха в печи должно постоянно меняться, она оснащена перекидными (реверсионными) клапанами. Дым выводится через трубу высотой 100м. От перегрева печь спасает вода, и расход ее весьма значителен. За 1 ч. работы уходит до 400м³ воды.

На данный момент работа мартеновских печей автоматизирована, переключение клапанов для смены потока воздуха и охлаждения проходит в автоматическом режиме.

При использовании мартеновского способа печь работает без перерыва, а время выдержки шихты достигает 16 ч.

Кислородно-конвертерный способ изготовления стали

В кислородных конвертерах металл с низким содержанием углекислого газа образуется за счет интенсивного окисления.

Конвертер представляет собой «чашу», изготовленную в форме груши. Внутри она выложена огнеупорным кирпичом, а снаружи имеет толстый слой стали. В сосуд помещается до 350 тонн шихты и чугуна.

В емкость загружается сырье и доводится до температуры 1400°С. Для активизации процесса окисления вредных примесей в сырье вводится чистый кислород под давлением 1,4 Мпа. Образованные хлопья сторонних включений извлекаются через верхнюю часть (горловину) грушевидной емкости.

Процесс окисления способствует повышению температуры массы, вследствие чего выход шлаков происходит все быстрее.

Продувка кислородом длится около 20 мин., а после — остается избавить массу от излишков кислорода. В массу вводятся раскислители и элементы, делающие сталь «легированный» — более прочной. В ходе очистки образуются взвеси, которые удаляются в шлакопреемник.

В зависимости от качества исходного материала процесс продувки кислородом может длиться до 1 часа.

Кислородно-конвертерный способ подходит для производства разных марок стали, в том числе — легированных.

Электроплавильный способ

Производство стали с использованием дуговой электропечи является наиболее привлекательным для изготовления высококачественного легированного сплава. Объем печи варьируется от 1 до 400 тонн, а температура в ней достигает 1800С. Печь имеет емкость для размещения исходного сырья, а процесс нагревания происходит с помощью «печного трансформатора». Агрегат подключен к печи и высоковольтной ЛЭП.

Перед началом плавления в емкость насыпают мелкий лом, чтобы шихта не оббила обшивку. Для ускорения образования шлака в шихту вводят известь (примерно 20-30 кг на 1 тонну). Затем в массу опускаются электроды, и начинается процесс плавления. Оператор контролирует процесс и регулирует уровень напряжения, положение электродов. В ходе нагревания образуется чистый металл и шлак. Последний отсаживается через отверстие с желобом. Также по желобам выходит сталь в сталеприемный ковш.

При плавке в смесь добавляют легирующие вещества для повышения качества металла, и вспенивающие элементы для закрытия электрической дуги.

Основное преимущество таких печей — возможность расплавить любой материал при оптимальной температуре, влиять на скорость прохождения химических реакций в печи.

Описанные методы подходят для применения на любом предприятии по производству стали.

Особенности мини-производства по изготовлению стали

Мини-заводы имеют ряд отличительных характеристик:

Отсутствие необходимости использования шихты. Процесс изготовления стали «от А до Я» предполагает загрузку в печь шихты, в составе корой: кокс, рудное сырье, рудные концентраты. Такие компоненты при использовании лома не нужны.
Отсутствие промежуточного этапа — производства чугуна.
Меньшие производственные площади. Завод полного цикла занимает несколько квадратных км, а мини-завод можно разместить на площади от 300 м².
Меньшие затраты на организацию производства. Срок окупаемости сталеварни неполного цикла составляет до 4 лет.
Гибкое производство. На большом предприятии необходимо придерживаться годовой выработки от 3 млн. тонн в год, иначе завод будет нерентабелен. Малое производство может окупить себя при производстве от 28 200 тонн стали в год.
Простота управления.

На мини-заводах используются электродуговые и индукционные печи. Вместо шихты в рабочий ковш засыпается металл. Под воздействием электродуги он расплавляется, а после ввода добавок (легирующих, адсорбирующих) получается материал, готовый к разливу и формированию проката.

После металл поступает в разливочный ковш или направляется на обжимные станы для формирования слитков.

Изготовление проката

Чтобы изготовить стальной прокат нужного размера, используются разливочные ковши:

для слябов (толстых стальных заготовок) сечением 20-30 см нужен ковш максимального типоразмера;
для заготовок 5-8 см в сечении используют средние ковши;
для тонких полос или стальных листов до 1 мм используются минимальные ковши.

Чтобы получить тончайший стальной профиль, применяют станки горячего и холодного профилирования.

Особенности организации работы мини-завода по производству стали

Запуск собственной производственной линии начинается с формирования плана действий. Заключается он в следующем:

Изучение технологического цикла.
Заказ проекта открытия сталеварни в НИИ.
Подбор основных технологических узлов и оценка стоимости приобретения оборудования для выплавки стали.
Определение статей затрат. Следует «на старте» оценить собственные возможности, перспективы привлечения инвестиций, получения займов в финансовых организациях.
Расчет экономической эффективности проекта, определение срока окупаемости и прибыльности.
Аренда или приобретение производственных площадей.
Юридическое оформление предприятия.
Приобретение и наладка оборудования.
Доведение помещения до требований СанПиН, организация безопасных условий труда.
Подбор персонала.
Запуск производства, заключение договоров по реализации готовой продукции.

Для изготовления стали планируется использовать печи электродугового типа и сопутствующее оборудование. Работать можно как на новых, так и б/у производственных мощностях. Наличие уже отлаженной линии ускорит процесс открытия предприятия на период 6-8 месяцев, а при работе с «0» следует оценить затраты на приобретения основных технологических узлов.

Оборудование для производства стали и примеры производителей

Для выплавки стали электродуговым способом приобретаются производственные мощности:

Оборудование	Описание, стоимость
Режущее оборудование	При загрузке лома крупными кусками не исключено повреждение стенок печи, поэтому сырье необходимо брикетировать, привести к единому размеру и форме. Для этого на предприятиях металлургического комплекса используют пресс-ножницы для переработки металлолома типа Y82Q-6300. Мощный комплекс стоимостью около 15 млн. руб. состоит из нескольких узлов: цилиндра для резки (1 шт.), пресс-цилиндра (2 шт.), левого пресс-цилиндра (3 шт.), правого пресс-цилиндра (3 шт.), выталкивающего цилиндра (1 шт.). Аппарат режет металл со скоростью 3-4 реза/мин. Размер брикетов может регулироваться реле времени. Производительность агрегата — 9-10 тонн/час. Оборудование весит около 60 тонн. Ножницы могут работать в ручном и автоматическом режимах. Одно из преимуществ агрегата — возможность самостоятельной установки размеров камеры прессования, выбора режима работы
Электродуговая печь	Приобретение агрегата ДППТ 3.0 производителя ТЕРМОЛИТМАШ обойдется в 27 млн. 470 тыс. руб. Для сравнения, ту же модель б/у в рабочем состоянии можно приобрести за 22 млн. руб. Емкость агрегата — 3 тонны. Она работает на постоянном токе и способна разогреть исходное сырье до температуры 1650 С°. Печь оснащена 1-м графированным электродом. Расход воды для работы охлаждающих элементов — 15,5 м³/ч. На рынке тяжелой промышленности спросом пользуется аналогичная продукция производителей: Legnum (Тайвань), ИСТ (Россия), Inductotherm (Россия). При выборе необходимо обратить внимание на емкость печи, количество нагревательных элементов. Заводы—изготовители предлагают не только готовые печи, но и работают по чертежам заказчиков. Возможно изготовление печей различной емкости (от 80 кг до 6 тонн), а нагревательных элементов может быть 1-4 шт. Стоимость каждого дополнительного электрода — около 230 тыс. руб.
Конвертер для подачи кислорода	Его основные характеристики — ход фурмы (отличается в зависимости от емкости конвертера), давление воздуха, масса, энергоемкость. Модель исполняется по заказу и в зависимости от модификации стоит от 200 тыс. руб.
Оборудование для внепечной обработки стали	Чтобы получать конечный продукт с меньшим содержанием неметаллических включений, между печью и оборудованием для разливки устанавливается промежуточное звено — оборудование для вакуумирования стали с продувкой аргоном. Стоимость агрегата — от 300 тыс. руб.
Машина сталеразливочная	Предназначена для транспортировки и взвешивания ковша со сталью. Агрегат работает от переменного тока, управляется оператором дистанционно. Стоимость машины — от 520 тыс. руб.
Ковши	Производители предлагают ковши различных типоразмеров. Например, Азовсталь производит ковши вместимостью 50-480 тонн. Стоимость оборудования — от 99 тыс. руб.
Стенд для сушки и подогрева ковша	Агрегат необходим для нагрева футеровки разливочного ковша. Это необходимо для избегания перепада температур при разливке жидкого металла и повышения износостойкости футеровки (прим. огнеупорной облицовки) сталелитейного ковша. Стоимость оборудования (модель XZ-10 производства КНР) — от 1 млн. 500 тыс. руб.
Шиберные затворы	Конструкция, которая обеспечивает перекрытие прямого и обратного потока среды. Агрегат должен соответствовать стандарту ГОСТ 9544-93. Стоимость оборудования HORNHOF тип HKV303 (Польша) составляет около 63 тыс. руб.
Изложницы для формования слитков	от 7 тыс. руб. за шт.
Домкратные установки для транспортировки оборудования	За гидравлическую тележку HW 1500 придется заплатить около 100 тыс. руб., причем ее грузоподъемность составляет всего 1,5 тонн. Более мощное оборудование подъемностью до 500 тонн изготавливается по запросу заказчика и стоит от 1 млн. руб.
Вагонетки	От 300 тыс. руб.
Рельсы для передвижения вагонеток	От 63 тыс. руб. за 12,5м
Прокатное оборудование	Поскольку прокат пользуется наибольшим спросом у потребителя, целесообразно оборудовать мини-завод прокатным станом для изготовления стальных листов и профиля любой конфигурации. Из-за высокой стоимости прокатных станов их сборка производится под заказ. Цена варьируется от 400 тыс. руб. за оборудование российского производителя (Станки 74) до 3 млн. руб. Разница в цене обусловлена большей многофункциональностью дорогостоящих моделей, в то время как бюджетные позволяют формировать только профнастил толщиной 0,4-0,6 мм.

Для обеспечения условий труда, соответствующих требованиям к производственным помещениям (САНПИН 2.2.4.548-96) закупается оборудование для фильтрации пыли, монтируется система вентиляции, кондиционирования, датчики контроля температуры в производственных цехах.

Полный перечень оборудования для обеспечения работы технологических узлов готовит генподрядчик — монтажная организация.

Накануне установки производственных мощностей проводится обеспечение электроэнергией. Основанием для проводки систем электропитания служит схема, учитывающая грузоподъемность и мощность подключаемых средств.

Монтажная организация занимается обеспечением проектной документацией, определяет потребность в трубах, датчиках, кабелях и прочих материалах, дает заявку на обеспечение средствами для установки техники.

В целом затраты на технологическое оснащение работы мини-завода по производству стали составят 52-53 млн. руб.

Снизить расходы можно одним из способов: приобретая оборудование б/у; используя агрегаты, взятые в лизинг.

После оценки возможностей обеспечения технологического цикла производится поиск помещения.

Юридическое оформление предприятия

Чтобы запустить производственную линию, необходимо организовать предприятие, оформив его в налоговой инспекции.

Для этого бизнеса подходит минимум ООО. Предприятия, привлекающие средства инвесторов и занимающиеся эмиссией ценных бумаг открывают АО, ПАО. В случае банкротства «под ударом» уставной капитал и имущество предприятия, но не личное имущество учредителей (если только не будет установлено, что они совершили уголовно-наказуемое деяние с целью получения собственной выгоды от доведения предприятия до банкротства).

Для оформления ООО необходимо обратиться в налоговую инспекцию с документами:

заявлением, составленным по форме Р11001;
уставом;
протоколом собрания учредителей с решением о создании;
документ, подтверждающий наличие юридического адреса;
квитанцией об оплате госпошлины в размере 4000 руб. (при подаче документов в электронном виде госпошлина не вносится);
уведомлением о выборе системы налогообложения.

Вид деятельности завода указывается кодом ОКВЭД в заявлении, подаваемом в налоговую инспекцию по месту размещения организации. Это может быть один из кодов:

24.10 — Производство чугуна, стали и ферросплавов». Выбрав эту группировку, предприятие может заниматься производством гранул и порошков из чугуна или стали, производить сталь в слитках, формировать холоднокатаный или горячекатаный прокат.
24.52 — Литье стали.
24.20 — Производство стальных труб, полых профилей и фитингов.
24.31 — Производство стальных прутков и сплошных профилей методом холодного волочения.

Можно выбрать сразу несколько кодов, но учесть, что тогда организация производства должна соответствовать всем требованиям, выставляемым при занятии обозначенным видом деятельности.

Помещение для сталелитейного завода

Выбирая производственное помещение, учитывается размер оборудования и особенности технологического процесса.

Мини-завод включает:

цех подготовки исходного сырья для выплавки стали;
сталелитейное производство;
литейный цех;
прокатный цех;
отдел производственного контроля качества.

Помещения должны соответствовать нормам СанПиН, поэтому следует изучить «Санитарные правила для предприятий черной металлургии». На заводе необходимо:

организовать теплозащиту помещений;
проводить уборку от пыли (сухую и влажную);
производить стирку и ремонт спецодежды, защищающей от вредных производственных факторов;
провести установку систем воздухообмена в помещениях;
установить оптимальную температуру и влажность воздуха путем использования систем климат-контроля;
установить источники искусственного света;
контролировать уровень шума и вибрации.

Процесс загрузки сырья, внесения добавок в расплавленную массу, тушение кокса и иные процессы, указанные в разделе 7 Госстандарта, должны быть автоматизированы.

Следует обеспечить достаточное пространство вокруг помещения, именуемое «санитарно-защитной зоной» (СЗЗ). Предприятия по выплавке стали относятся к 1 классу опасности, если объем производства основной продукции превышает 1 млн. тонн/год. При этом размер СЗЗ составляет от 1000 м. При меньших объемах производства СЗЗ составляет от 500 м.

Проверка доведения предприятия до норм проводится представителями государственной приемочной комиссии. В итоге составляется ряд актов:

о приемке оборудования после индивидуального испытания;
о приемке оборудования после комплексного опробования;
о приемке комиссией здания, объекта.

Также проводится проверка органов Роспотребнадзора, Пожарной службы, Ростехнадзора. В ходе осмотра определяют, созданы ли условия, безопасные для труда работников; соблюдены ли меры пожарной безопасности; установлены ли очистительные сооружения для защиты окружающей среды.

Подбор персонала

Следующий этап — обеспечение предприятия работниками инженерно-технических специальностей и их обучение особенностям организации работы на производстве.

Технологический процесс обеспечивают:

инженеры-металлурги;
сталевары — специалисты по технологиям производства стали;
плавильщики — определяют оптимальные условия плавления исходного сырья;
разливщики по формам;
нагревальщики (занимаются нагревом печи перед подачей металла, подачей воздуха);
машинисты, которые осуществляют перемещение грузов по цехам;
слесари;
экономисты, бухгалтеры, работники отдела материально-технического обеспечения и сбыта.

Сотрудники инженерных специальностей с высшим техническим образованием осуществляют контроль за производством, за соблюдением техники безопасности, формируют отчетность о ходе производственного процесса для предоставления высшему руководству, контролируют исправность оборудования и очистных систем.

Работа отдела ОТК

К качеству готовой продукции выставляется ряд требований, изложенных в ГОСТ 380-2005.

Согласно действующему документу, сталь подразделяется на марки. Основными параметрами является:

содержание марганца (буква «Г» в названии марки);
степень раскисления («кп» — кипящая; «пс» — полуспокойная; «сп» — спокойная).

Анализ состава конечного продукта проводит изготовитель. Маркировка проводится согласно ГОСТ 7566.

Контроль качества проводится специалистами отдела ОТК — людьми, имеющими среднее общее полное образование и специальность «Контролер металлургического производства».

Предприятия полного производственного цикла насчитывают до 3000 работников, на мини-заводах численность работников достигает 500 человек, при средней заработной плате в 35 тыс. руб. ФОТ предприятия становится значительной частью ежемесячных расходов, составляющей от 17,5 млн. руб.

Эффективность работы предприятия по производству стали

Целесообразность работы завода определяется сравнением — достигается ли точка безубыточности, то есть тот критический предел, при котором прибыль покрывает все текущие издержки.

Расходы предприятия металлургического комплекса делятся на единовременные и постоянные. Единовременные включают:

оплату работы проектной организации;
приобретение производственных площадей (если планируется аренда, то затраты перейдут в категорию постоянных);
расходы на оформление предприятия;
затраты на разработку сайта с информацией о работе предприятия и производимой им продукции;
представительские расходы, связанные с зарубежными командировками и заключением выгодных контрактов.

Постоянные расходы включают:

оплату труда;
закупку сырья и материалов;
оплату коммунальных услуг, электроэнергии;
амортизационные отчисления;
оплату налогов.

Для определения необходимого объема основного сырья (лома) стоит рассчитать объем производства.

Итак, средняя цена на листовую сталь составляет 25 000 руб. за тонну. Цена за тонну черного лома — около 13 тыс. руб., и это около 80% от всего размера себестоимости (данные компании Вторчермет). Полная себестоимость тонны— около 16 250 руб. (13000 руб./0,8). Наценка на готовый продукт — 53,8% ((25 000 руб. – 16 250 руб.)/ 16 250 руб.х100%).

Остается определить объем производства для безубыточной работы.

Чтобы окупить постоянные затраты предприятия, составляющие около 20 млн. руб. в месяц (приблизительная величина), необходимо продать сталь, себестоимость которой в сумме составит:

20 000 000 руб. / 0,538 = 37 175 000 руб.

Размер реализации — 37 175 000 руб. х 1,538 = 57 175 тыс. руб., то есть 2 287 тонн листовой стали в месяц.

При наращивании объемов производства до 2 400 тонн в месяц срок окупаемости предприятия составит:

2 400 тонн х 25 000 руб. = 60 000 000 руб. — доход/мес.;
60 млн. руб. — 39 млн. руб. = 21 млн. руб. — прибыль за месяц;

Налаживание процесса производства занимает до полугода. Это время убыточной работы предприятия, причем основные расходы составляет оплата труда работников. Убытки компенсируются при запуске производства, и если за 4-5 месяцев наладить стабильную работу, проект полностью окупится за 1,5-2 года.

Дальнейшая работа по получению прибыли зависит о квалификации и слаженности работы инженерно-технических кадров, экономического отдела.