Hutnictví železa je odvětví těžkého průmyslu , které spojuje technologicky a organizačně podniky na těžbu a obohacování rudných a nerudných surovin, na výrobu žáruvzdorných materiálů , vedlejších produktů koksárenského průmyslu , litiny , oceli , válcovaných výrobků , feroslitiny , ocelové a litinové trubky , jakož i produkty dalšího zpracování ( kolejnicové spojovací prvky , pocínovaný plech, pozinkované železo), kovové prášky železných kovů [1] . Hlavními surovinami pro výrobu železných kovů jsou železná ruda , koksovatelné uhlí a rudy legujících kovů.
Těžba železa začala nejméně dvě tisíciletí před naším letopočtem. Získávání čistého železa bylo možné díky zkušenostem starých metalurgů s tavením mědi a jejích slitin s cínem , stříbrem , olovem a dalšími nízkotavitelnými kovy.
V dávných dobách se železo tavilo v jámách-kovárnách potažených hlínou nebo vyložených kamenem. Do kovárny se nakládalo palivové dříví a dřevěné uhlí . Vzduch byl čerpán otvorem ve spodní části kovárny pomocí kožených měchů. Drcená železná ruda byla nasypána na směs dřevěného uhlí a palivového dřeva . Intenzivně probíhalo spalování palivového dřeva a uhlí. Uvnitř ohniště bylo dosaženo poměrně vysoké teploty [2] .
Vlivem interakce uhlí a oxidu uhelnatého CO, vznikajícího při spalování uhlí, s oxidy železa obsaženými v rudě docházelo k redukci železa a jeho akumulaci ve formě pastovitých kousků na dně topeniště. Kusy byly kontaminovány popelem, struskou, taveninou ze složek rudy. Takové železo se nazývalo surové železo. Než se přistoupilo k výrobě produktů, bylo nutné z ní odstranit nečistoty. Zahřátý kov byl kován a na kovadlině vytlačovány zbytky strusky, nečistot apod. Jednotlivé kusy železa byly svařeny v jeden celek. Tato metoda existovala až do XII-XIII století.
Když začali využívat energii padající vody a uváděli kožešiny do pohybu mechanicky, bylo možné zvýšit objem vzduchu přiváděného do pece. Kovárna byla zvětšena, její stěny vyrůstaly ze země, stala se prototypem vysoké pece – domnitsa. Domnitsa měla výšku několik metrů a směrem nahoru se zužovala. Nejprve byly hranaté, pak se staly kulatými. Vzduch byl přiváděn přes několik trysek. Ve spodní části domu byl otvor zasypaný hlínou, kterým se po ukončení tavby vynášelo hotové železo. Zlepšení technologie tavení, obložení stěn domu přírodním žáruvzdorným kamenem umožnilo výrazně zvýšit teplotu v ohništi. Na dně pece vznikla tekutá slitina železa a uhlíku - litina . Zpočátku byla litina považována za odpad, jelikož byla křehká (odtud anglický název pro litinu - surové železo , surové železo). Později bylo zjištěno, že litina má dobré odlévací vlastnosti a byly z ní odlévány děla, dělové koule a architektonické dekorace [3] .
Na počátku století XIV. se naučili vyrábět kujnou litinu z litiny, objevil se dvoustupňový způsob výroby kovů. Kusy litiny byly taveny v malých kelímcích - kovárnách, ve kterých bylo možné získat vysoké teploty a vytvořit oxidační podmínky v prostoru dmyšny. V důsledku oxidace litiny došlo k vypálení většiny uhlíku, manganu a křemíku. Na dně kelímku se shromáždila vrstva železné hmoty - výkvět . Hmota byla kontaminována zbytky strusky. Z kelímku se vyjmul kleštěmi nebo páčidlem a hned v zahřátém stavu se vykoval, aby se vytlačily nečistoty a svařil se v jeden pevný kus. Takovým rohům se říkalo křik. Byly produktivnější než surově foukané a produkovaly kvalitnější kov. Proto byla postupem času výroba surového železa ukončena. Bylo výhodnější získávat železo z litiny než přímo z rudy. Se zlepšující se kvalitou železa rostla i poptávka po něm v zemědělství, vojenství, stavebnictví a průmyslu. Zvyšovala se výroba surového železa, zvětšovaly se vysoké pece, které se postupně měnily ve vysoké pece. Ve 14. století dosahovala výška vysokých pecí již 8 metrů.
Urychlený rozvoj hutnictví začal po nahrazení dřevěného uhlí koksem . Odlesňování pro dřevěné uhlí vedlo k tomu, že již v 15. století bylo v Anglii zakázáno používat dřevěné uhlí v hutnictví. Použití koksu nejen úspěšně vyřešilo problém paliva, ale také přispělo k růstu produktivity vysokých pecí. Díky zvýšené pevnosti a dobré výhřevnosti koksu bylo možné zvětšit průměr a výšku pecí. Později byly úspěšně provedeny experimenty s využitím vysokopecního kychtového plynu pro vysokopecní ohřev. Dříve byly všechny plyny vypouštěny do atmosféry, nyní začaly uzavírat vršek a zachycovat výfukové plyny.
Zároveň se zlepšil i způsob získávání oceli. Metoda křiku už nedokázala uspokojit potřebu železa. Uhlík dodal ocelím pevnost . Nauhličování blokového železa se provádělo buď v pevném stavu, nebo legováním litinou v malých kelímcích. Ale takové metody nemohly dát mnoho oceli. Koncem 18. století se v hutních provozech objevil nový proces - pudlování . Podstatou procesu pudlování bylo, že topeniště bylo odděleno od lázně, ve které se taví litina. Při oxidaci nečistot se z tekutého železa vysrážely pevné krystaly železa a hromadily se na dně vany. Lázeň se míchala páčidlem, na ní se zmrazila těstovitá železná hmota (až 50 kg) a vytáhla se z pece. Tato hmota - kritsa byla lisována pod kladivem a bylo získáno železo.
V roce 1856 vyvinul Henry Bessemer v Anglii nejproduktivnější metodu výroby oceli z litiny – foukáním tekutého železa do konvertoru vyloženého křemičitými cihlami zevnitř. Litiny s vysokým obsahem křemíku byly zpracovány v konvertorech Bessemer. Proces probíhal rychle: 15-18 tun litiny se během 15-20 minut proměnilo v ocel. Pro zpracování surového železa s vysokým obsahem fosforu navrhl Thomas konvertor s výstelkou z oxidů vápníku a hořčíku [4] .
V roce 1864 se v Evropě objevily první otevřené pece , ve kterých se tavení litiny a oxidace jejích nečistot prováděly v nístějových (reflexních) pecích. Pece na kapalná a plynná paliva. Plyn a vzduch byly ohřívány teplem výfukových plynů. Díky tomu se v peci vyvinuly tak vysoké teploty, že bylo možné mít na dně lázně nejen tekutou litinu, ale také udržovat více žáruvzdorného železa a jeho slitin v kapalném stavu. V otevřených pecích se z litiny začala získávat ocel libovolného složení a k přetavování se používal ocelový a železný šrot. Na počátku 20. století se objevily elektrické obloukové a indukční pece. V těchto pecích se tavily vysoce kvalitní legované oceli a feroslitiny. V 50. letech 20. století se začal používat proces přeměny surového železa na ocel v kyslíkovém konvertoru foukáním kyslíku skrz surové železo přes dmýchací trubici shora. Dnes je to nejproduktivnější způsob získávání oceli. V posledních letech se oproti minulosti výrazně zlepšily procesy přímé výroby železa z rudy.
Rozvoj ocelářství vedl k vývoji nových zařízení pro zpracování oceli za tepla i za studena. Na konci 18. století se objevily válcovny pro redukci ingotů a válcování hotových výrobků. V první polovině 19. století se pro kování těžkých ingotů začaly používat velké parní a vzduchové buchary . Poslední čtvrtina 19. století byla ve znamení vzniku velkých válcoven a kontinuálních válcoven s elektrickým pohonem.
v Rusku až do 17. století. výroba železa byla řemeslná. Tavení železa prováděly jednotlivé selské rodiny nebo společně několik selských domácností. Postavili domy na pozemcích Novgorodské oblasti, Pskovské oblasti, v Karélii. Na počátku XVII století. v závodech Gorodishchensky poblíž Tuly se objevily vysoké pece a začala výstavba závodů na Uralu . V roce 1699 byl postaven závod Nevyansk . Rychlá výroba litiny začala za Petra I. Demidové na Uralu postavili v té době kolosální pec, 13 metrů vysokou, tající 14 tun litiny denně. Velké pozemky , ležící vedle závodu, byly závodu přiděleny spolu s rolníky, kteří byli povinni na něm po určitou dobu pracovat. Nevolnictví poskytovalo továrnám po dlouhou dobu pracovní sílu. Dobré přírodní podmínky - ruda, dřevo, ze kterého se pálilo uhlí, hojnost vody, jejíž energie se využívala k uvádění různých mechanismů do pohybu - přispěly k rychlému rozvoji ruského hutnictví. Litina se začala vyvážet do zahraničí [5] .
Ale v 19. století se nevolnictví stalo brzdou rozvoje výroby. Země Evropy a USA předběhly Rusko ve výrobě železa a oceli. Jestliže se od roku 1800 do roku 1860 výroba železa v Rusku pouze zdvojnásobila, v Anglii vzrostla desetinásobně, ve Francii osminásobně. Majitelé ruských továren, kteří měli k dispozici levnou pracovní sílu, se nestarali o rozvoj výroby, zavádění technických novinek a zmírňování pracovních podmínek pro dělníky. Postupně staré uralské továrny chátraly a zastavily se.
Ministerstvo financí, které mělo na starosti těžební a hutnický průmysl, se snažilo zavést v zemi pokročilé technické vymoženosti, především britské. Zprávy o úspěších evropského průmyslu, sestavené zahraničními „agenty“ Sboru báňských inženýrů , byly pravidelně otištěny na stránkách Mining Journalu . Tak se například ruští metalurgové a průmyslníci dozvěděli o vynálezu vysokopecního vysokopecního ohřevu Nilsonem a mnoha dalšími pár měsíců po jejich oznámení. Například již ve 30. letech 19. století, krátce poté, co J. Nilson představil svůj vynález, provedl Christopher Ioakimovich Lazarev , představitel slavné arménské rodiny průmyslníků a filantropů, úspěšné experimenty s použitím horkého výbuchu v továrně Chermoz na území Perm. . Ale ani hotová technická řešení nebyla prakticky žádaná, protože vnější poptávka po ruském železe na začátku století vyschla poté, co se Velká Británie začala zásobovat kovem, a domácí poptávka byla extrémně nízká. Počet iniciativních, podnikavých lidí, kteří byli schopni a ochotni inovovat, byl malý, protože většina obyvatel země neměla žádná práva, o kapitálu nemluvě. Výsledkem bylo, že i ty inovace, které zaváděli technicky zdatnější a nejpodnikavější majitelé závodů, byly spíše poctou technické módě než skutečným nástrojem zvyšování ekonomické efektivity [6] .
Situace se změnila na konci 19. století. - došlo k vzestupu hutnictví železa v Rusku, zejména v jižních oblastech (Ukrajina). V roce 1870 ruský obchodník Pastukhov postavil závod v Sulinu na tavení železa na doněckém antracitu . Ve městě Yuzovka (nyní Doněck ) byl spuštěn největší v té době největší Yuzovsky metalurgický závod . Hutnictví na jihu zaznamenalo rychlý rozvoj s objevem ložisek železné rudy Krivoj Rog . V kombinaci se zásobami doněckého uhlí se to stalo základem pro rozvoj těžebního průmyslu na jihu Ruska. Na rozdíl od továren na Uralu byly jižní továrny vybaveny většími jednotkami. Vysoké pece byly plněny koksem a produkovaly asi šestkrát až sedmkrát více surového železa za den než v pecích na dřevěné uhlí.
V roce 1870 byly v závodě Sormovo v Nižním Novgorodu uvedeny do provozu první otevřené pece a v ocelárnách na Donbasu se objevily konvertory. V roce 1910 byla instalována první oblouková pec na tavení oceli a koncem roku 1917 začala poblíž Moskvy fungovat elektrometalurgický závod s několika elektrickými pecemi [5] .
V letech občanské války byl rozvoj hutnictví pozastaven a teprve v roce 1926 bylo dosaženo úrovně z roku 1913 - maximální předrevoluční produkce oceli 4,3 mil. t. Intenzivní rozvoj hutnictví železa v SSSR probíhal v r. let prvních pětiletek. Byly postaveny největší světové závody - Magnitogorsk a Kuzněck ; továrny Záporoží, " Azovstal ", Krivoj Rog. Staré továrny byly podrobeny radikální rekonstrukci: Dnepropetrovsk, Makeevsky, Nizhne-Dneprovsky, Taganrog. Byly vybudovány nové vysoce kvalitní ocelárny: Elektrostal , Dneprospetsstal . V roce 1940 dosáhla produkce oceli 18,5 milionu tun a válcovaných výrobků 13,1 milionu tun.
Velká vlastenecká válka způsobila vážné škody jižním továrnám SSSR. Většina zařízení hutních provozů byla evakuována na Východ. V nejkratším možném čase byla na Uralu a Sibiři zahájena výroba kovu nezbytného pro vítězství. Byly vybudovány nové závody - např. Čeljabinsk , výroba byla rozšířena v hutních závodech Kuzněck a Magnitogorsk, exportovaná zařízení byla instalována v továrnách ve Zlatoustu , Nižném Tagilu , Serově . Byly zvládnuty nové třídy pancíře a dělové oceli a byla zahájena výroba požadovaných jakostí válcovaného kovu. Metalurgové země v krátké době vytvořili základnu pro stavbu všech typů zbraní a již v roce 1943 Sovětský svaz výrazně převyšoval nepřítele ve výrobě tanků, děl, letadel a dalšího vybavení. V poválečných letech se hutnictví železa rychle vzpamatovalo ze ztrát. V roce 1950 byla úroveň tavby železných kovů jedenapůlkrát vyšší než předválečná úroveň. Všechny následující pětileté plány se vyznačují důsledným zvyšováním objemů výroby, výstavbou nových závodů a dílen. Největší byly závody: Magnitogorsk, Novolipetsk , Západosibiřská , Krivorožskij , Čerepovec , Čeljabinsk a řada dalších. Objevily se kyslíkové konvertory s kapacitou až 350 tun, otevřené nístějové pece 900 tun, dvoulázňové ocelárny, 200tunové elektrické obloukové pece a vysoké pece s užitečným objemem 5000 m 3 . Byly vybudovány kontinuální válcovny na výrobu plechů, dlouhých výrobků, trubek, závod na plynulé lití oceli ( UNPC ). Byla vyvinuta speciální metalurgie vysoce kvalitních ocelí a slitin: procesy výroby oceli v elektrostruskových, vakuových indukčních, vakuových obloukových, elektronových, plazmových obloukových přetavovacích závodech.
Metody jako zpracování tekuté oceli v pánvi se syntetickou struskou a argonem a odsávání tekutého kovu jsou široce používány. V roce 1974, pokud jde o výrobu železných kovů, se SSSR dostal na vrchol světa. Během 11. pětiletky bylo vynaloženo asi 6 miliard rublů na technické znovuvybavení průmyslu. Byly vybudovány konvertory s kapacitou 350 tun elektrických pecí s výkonem transformátoru 60-80 MVA , kapacita zařízení pro plynulé lití dosáhla 20 mil. tun ročně. Byly vybudovány nové koksárenské baterie, aglomerační závody , těžební a zpracovatelské závody včetně Kostomukša GOK , zprovozněn elektrometalurgický závod Oskol na výrobu oceli z přímo redukovaného železa , začaly fungovat dva elektrometalurgické závody v Bělorusku a Moldavsku s kapacitou 600 tisíc tun hotových válcovaných výrobků ročně. Pokračuje vyřazování starých bloků, jejichž provoz není ekonomicky únosný. Značná pozornost je věnována zlepšování kvality kovu ve všech fázích jeho výroby. Pro zlepšení kvality přípravy železnorudných surovin byla odvedena velká práce .
Na přelomu 90. a 20. století došlo k prudkému nárůstu výroby oceli v konvertorových provozech a uzavírání otevřených provozů v hutních provozech.
Významnou roli v rozvoji domácího hutnictví sehráli vynikající vědci [7] .
Metalurgie železa zahrnuje následující hlavní pododvětví:
Skutečný metalurgický cyklus je:
Podniky vyrábějící surové železo, uhlíkovou ocel a válcovaný kov patří k celocyklovým hutním podnikům . Podniky bez tavby železa jsou klasifikovány jako tzv. konverzní metalurgie . "Malá hutnictví" je výroba oceli a válcovaných výrobků ve strojírenských provozech. Hlavním typem podniků hutnictví železa jsou kombajny . Suroviny a palivo hrají důležitou roli v umístění plnocyklové hutnictví železa, zejména roli kombinací železných rud a koksovatelného uhlí . Od poloviny 20. století se v hutnictví začala používat přímá redukce železa .
Všechny metalurgické stupně jsou zdrojem znečištění prachem, oxidy uhlíku a sírou [8]
Od roku 2007 představovaly asijské země (kromě zemí SNS ) 59 % světové výroby oceli. Čína přitom představovala 36 % světové produkce oceli (více než Severní Amerika, Evropa a Japonsko dohromady) [9] . Intenzivní růst hutnictví železa v Číně na počátku 21. století způsobil vznik desítek nových velkých ocelářských hutí světového významu. Zejména kolem Tangshanu se vyvinul gigantický rozbočovač železné metalurgie [10] . Samotná provincie Che -pej produkuje více oceli než Spojené státy [11] . Japonsko se umístilo na druhém místě po Číně ve výrobě oceli (9 %). Téměř celý zbytek výroby oceli východní Asie pocházel z Jižní Koreje a Tchaj-wanu [9] . Největším ocelářským podnikem na světě a největším závodem s vysokopecním metalurgickým cyklem je hutní závod společnosti POSCO v jihokorejském městě Gwangyang [11] . Ostatní regiony Asie představovaly 8,5 % světové výroby oceli [9] .
Země Evropy a SNS v roce 2007 představovaly 25 % světové výroby oceli.
Spojené státy a Kanada představovaly 8,5 % světové výroby oceli v roce 2007, z toho 7,5 % pocházelo ze Spojených států. Latinská Amerika představovala 5 % světové produkce oceli .
Podíl Afriky na světové výrobě oceli v roce 2007 byl méně než 1,5 %, Austrálie a Nový Zéland - 1 %.
Podíl závodů s plným cyklem na světové výrobě oceli v roce 2007 činil 70 %. Asi 97 % oceli tavené ze surového železa bylo vyrobeno metodou kyslíkového konvertoru. Otevřené pece se nadále používaly pouze v
Ukrajina , Rusko , Indie , Uzbekistán a Lotyšsko .Největší světový region pro výrobu oceli ze šrotu existuje na jihu Spojených států. Na bázi kovového šrotu existuje hutnictví železa mnoha evropských zemí, některých zemí Střední a Jižní Ameriky, jihozápadní Asie a severní Afriky a také subsaharské Afriky (kromě Jižní Afriky a Zimbabwe ).
Asi 15 % světové výroby oceli v elektrických pecích v roce 2007 bylo založeno na technologii přímé redukce železa . Soustředila se především v Latinské Americe, jižní Asii, jihozápadní Asii a severní Africe. V Latinské Americe bylo 98 % výroby přímo redukovaných železných výrobků realizováno ve čtyřech zemích ( Venezuela , Mexiko , Trinidad a Tobago , Argentina ) s využitím místního zemního plynu. Veškerá výroba těchto produktů v jihozápadní Asii a severní Africe byla také založena na redukci železa zemním plynem a byla soustředěna do pěti zemí ( Írán , Saúdská Arábie , Katar , Egypt , Libye ). Indie představovala 28 % světové produkce produktů přímé redukce železa), zejména v důsledku získávání kovu z rudy s nekoksovatelnými druhy uhlí [9] .
Hlavními globálními nadnárodními společnostmi v oblasti metalurgie železa jsou Arcelor Mittal , Tata Steel , Gerdau , US Steel , Severstal , Evraz , Techint [10] .
Zvláštnost ruského průmyslu spočívá ve velkých vzdálenostech mezi výrobou různých cyklů. Železo a ocelárny , vyrábějící železo a ocel z rudy, byly tradičně umístěny poblíž ložisek železné rudy v oblastech bohatých na lesy, protože dřevěné uhlí bylo používáno k redukci železa . A v současné době se hutní závody hutního průmyslu Ruska nacházejí poblíž ložisek železné rudy: Novolipetsk a Oskolsky - poblíž ložisek středního Ruska, Cherepovets (" Severstal ") - poblíž Karelského a Kostomukshského, Magnitogorsk - poblíž hory Magnitnaya (již vyčerpaná ložisko) a 300 km od Sokolovsko-Sarbaisky v Kazachstánu, bývalý závod Orsk-Khalilovsky (v současnosti " Ural Steel ") poblíž ložisek přírodně legovaných rud, Nižnij Tagil - poblíž Kachkanarsky GOK , Novokuzněck a Západní Sibiř - poblíž ložisek Kuzbass . Všechny závody v Rusku se nacházejí v místech, kde se ještě v 18. století a dříve vyrábělo železo a výrobky z něj pomocí dřevěného uhlí. Ložiska koksovatelného uhlí se právě z tohoto důvodu nejčastěji nacházejí daleko od provozů. Přímo na uhelných ložiskách Kuzbass se nacházejí pouze Novokuzněcké a Západosibiřské huti. Hutní závod Čerepovec je zásobován uhlím těženým v uhelné pánvi Pechora .
Ve středním Rusku se většina železné rudy těží v oblasti Kurské anomálie . V průmyslovém měřítku se železná ruda vyrábí také v Karélii a Uralu a také na Sibiři (těžba se provádí v Kuzbassu , na Krasnojarském území, v Khakassii a v jejich blízkých oblastech). Velké zásoby železné rudy ve východní Sibiři nejsou prakticky rozvinuty kvůli chybějící infrastruktuře (železnice pro vývoz surovin).
Dvě hlavní oblasti produkce koksovatelného uhlí v Rusku jsou uhelné pánve Pečora a Kuzněck . Tam jsou také velká uhelná pole ve východní Sibiři ; jsou částečně rozvinuté, ale jejich průmyslový rozvoj je omezen nedostatečnou dopravní infrastrukturou.
Centrální část Ruska, zejména Voroněž, Tula, není bohatá na kovy, a proto, zejména pro domácí potřeby, jsou všechny suroviny přiváženy z jiných regionů. Největšími dodavateli kovů do centrálního regionu jsou celostátní společnosti jako EVRAZ Metall Inprom a místní jako PROTEK a Soyuzmetallkomplekt.
Při výstavbě všech velkých hutních závodů v Rusku (v dobách Sovětského svazu) probíhala souběžně i výstavba těžebního a zpracovatelského závodu orientovaného na každý závod. Po rozpadu SSSR však byly některé komplexy rozptýleny po území SNS . Například Sokolovsko-Sarbai GPO, dodavatel rudy pro Magnitogorské železárny a ocelárny, nyní sídlí v Kazachstánu. Sibiřské podniky železné rudy jsou zaměřeny na západosibiřské a novokuzněcké železárny a ocelárny . Kachkanarsky GOK dodává rudu do železáren a oceláren Nižnij Tagil . Korejská vláda Kostomukša dodává rudu hlavně do Čerepoveckého metalurgického závodu .
Při umísťování podniků bylo zohledněno i zajištění vody, elektřiny a zemního plynu.
V Rusku byly vytvořeny tři metalurgické základny:
| Hutnictví | |||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Obecné pojmy Kovy Slitina Hutní přerozdělování Železárny a ocelárny Hutní komplex Hutník Historie výroby a použití železa | |||||||||||||
| Průmyslová odvětví |
| ||||||||||||
| Základní procesy |
| ||||||||||||
| Hlavní jednotky |
| ||||||||||||
| Hlavní produkty a materiály |
| ||||||||||||
| Vědní obory |
| ||||||||||||
| jiný | |||||||||||||
| Metalurgie podle zemí Rusko Ukrajina Kazachstán USA Indie Čína Japonsko Německo | |||||||||||||