Введение

Сталелитейный процесс – это процесс производства стали из железной руды и/или лома. В процессе производства стали из железа удаляются примеси, такие как азот, кремний, фосфор, сера и избыток углерода (наиболее важная примесь), а также добавляются легирующие элементы, такие как марганец, никель, хром, углерод и ванадий, для получения различных марок стали. Производство стали известно на протяжении тысячелетий, но его массовая коммерциализация началась лишь в середине XIX века. Одним из древнейших способов производства стали был тигельный процесс. В 1850-х и 1860-х годах процессы Бессемера и Сименса-Мартина превратили сталелитейную промышленность в тяжелую индустрию. Сегодня существует два основных коммерческих процесса производства стали: кислородно-конвертерный процесс, использующий жидкий чугун из доменной печи и стальной лом в качестве основного сырья, и электродуговой процесс (EAF), использующий стальной лом или железо прямого восстановления (DRI) в качестве основного сырья. Кислородно-конвертерный процесс в основном основан на экзотермическом характере реакций, протекающих в конвертере, в то время как в электродуговом процессе для плавления твердого лома и/или DRI используется электрическая энергия. В последнее время технология EAF-сталелитейного производства развивается в направлении кислородно-конвертерного процесса, поскольку в процесс вводится больше химической энергии. Сталелитейная промышленность является одной из наиболее углеродоемких отраслей в мире. По состоянию на 2020 год на сталелитейную промышленность приходится около 10% выбросов парниковых газов. Для смягчения глобального потепления отрасли необходимо добиться значительного сокращения выбросов.

История

Сталелитейная промышленность сыграла решающую роль в развитии древних, средневековых и современных технологических обществ. Первые процессы производства стали возникли в классическую эпоху в Древнем Китае, Индии и Риме. Чугун – это твердый, хрупкий материал, который сложно обрабатывать, в то время как сталь ковка, относительно легко формуется и является универсальным материалом. На протяжении большей части истории человечества сталь производилась лишь в небольших количествах. С изобретения бессемеровского процесса в Великобритании в XIX веке и последующих технологических разработок в области литья и управления процессом, массовое производство стали стало неотъемлемой частью мировой экономики и ключевым показателем современного технологического развития. Первым способом производства стали была горновая плавка. Ранние современные методы производства стали часто были трудоемкими и требовали высокой квалификации. См.: горно-кузнечный горн, где немецкий процесс рафинирования металла мог быть использован для производства стали, пузырчатая сталь и тигельная сталь. Важным аспектом промышленной революции стало развитие крупномасштабных методов производства ковкого металла (кричного железа или стали). Плавки изначально использовались для производства кованого железа, но впоследствии стали применяться и для производства стали. Настоящая революция в современном сталелитейном производстве началась в конце 1850-х годов, когда бессемеровский процесс стал первым успешным методом массового производства стали, за которым последовала мартеновская печь.

Современные процессы производства стали

Современные процессы производства стали можно разделить на три стадии: первичную, вторичную и третичную. Первичная сталеплавка включает выплавку стали из железа. Вторичная сталеплавка включает добавление или удаление других элементов, таких как легирующие добавки и растворенные газы. Третичная сталеплавка включает литье в листы, рулоны или другие формы. Для каждой стадии доступно множество технологий. Печи могут перерабатывать до 350 тонн железа в сталь менее чем за 40 минут, в то время как в мартеновской печи этот процесс занимает 10–12 часов.

Электрическая дуга

Производство стали в электродуговой печи – это процесс изготовления стали из металлолома или железа прямого восстановления, расплавленного электрическими дугами. В электродуговой печи загружается партия ("плавка") железа, иногда с "горячим остатком" (расплавленная сталь от предыдущей плавки). Для помощи в плавке могут использоваться газовые горелки. Как и в конвертерном производстве стали, добавляются флюсы для защиты футеровки печи и улучшения удаления примесей. Электродуговые печи обычно имеют вместимость около 100 тонн и производят сталь каждые 40–50 минут.

Процесс Хисарна

В процессе производства железа по технологии HIsarna железная руда перерабатывается практически напрямую в жидкое железо, или чугун. Процесс основан на использовании циклоновой конвертерной печи – разновидности доменной печи, что позволяет избежать необходимости производства чугунных окатышей, требующихся для кислородно-конвертерного процесса выплавки стали. Отсутствие этого подготовительного этапа делает процесс HIsarna более энергоэффективным и экологичным, чем традиционные процессы производства стали.

Водородная редукция

Сталь может быть произведена из железа прямого восстановления, которое, в свою очередь, может быть получено из железной руды в процессе химического восстановления водородом. Использование возобновляемого водорода позволяет производить сталь без применения ископаемого топлива. В 2021 году пилотная установка в Швеции протестировала этот процесс. Прямое восстановление происходит, а затем железо насыщается углеродом (из угля) в электродуговой печи. Для производства водорода методом электролиза требуется приблизительно 2600 кВтч на тонну стали. Затраты оцениваются на 20–30% выше, чем при использовании традиционных методов. Однако стоимость выбросов увеличивает цену производства стали кислородно-конвертерным способом, и исследование, опубликованное журналом Science в 2018 году, оценивает, что экономическая целесообразность будет достигнута при цене в 68 евро за тонну, что, как ожидается, произойдет в 2030-х годах.

Вторичное производство стали

Вторичная обработка стали чаще всего выполняется в ковшах. Некоторые из операций, выполняемых в ковшах, включают деоксидацию (или "успокоение"), вакуумную дегазацию, внесение легирующих элементов, удаление неметаллических включений, модификацию состава неметаллических включений, десульфурацию и гомогенизацию. В настоящее время широко распространено проведение ковшевой металлургии в ковшах с газовым перемешиванием и электродуговым подогревом крышкой. Тщательный контроль ковшевой металлургии обеспечивает производство высококачественных сталей с узкими допусками по химическому составу и однородности.

Добыча полезных ископаемых

Добыча угля и железной руды требует больших затрат энергии и влечет за собой многочисленные негативные последствия для окружающей среды, включая загрязнение, потерю биоразнообразия, вырубку лесов и выбросы парниковых газов. Железная руда транспортируется на значительные расстояния к сталелитейным заводам.

Декарбонизация

Для снижения содержания углерода в чугуне и получения необходимого содержания углерода в стали, чугун переплавляется, и через него продувается кислород в процессе, называемом конвертерным производством стали, который происходит в ковше. На этом этапе кислород связывается с нежелательным углеродом, удаляя его в виде углекислого газа – дополнительного источника выбросов. После этого этапа содержание углерода в чугуне достаточно снижается, и получается сталь.

Горячий взрыв

Дальнейшие выбросы углекислого газа происходят из-за использования горячего дутья, которое применяется для повышения температуры доменной печи. Горячее дутье подает горячий воздух в доменную печь, где железная руда восстанавливается до чугуна, способствуя достижению необходимой энергии активации. Температура горячего дутья может варьироваться от 900 °C до 1300 °C (1600 °F до 2300 °F) в зависимости от конструкции и состояния воздухоподогревателя. Мазут, каменносмольная смола, природный газ, угольная пыль и кислород также могут вдуваться в печь для смешивания с коксом с целью высвобождения дополнительной энергии и увеличения концентрации восстановительных газов, что повышает производительность. Если воздух в горячем дутье нагревается за счет сжигания ископаемого топлива, что часто имеет место, это является дополнительным источником выбросов углекислого газа.

Стратегии сокращения выбросов углерода

Сталелитейная промышленность производит 7,8% выбросов CO2, вызванных деятельностью человека (почти две тонны на каждую тонну произведенной стали), и является одной из самых энергоемких отраслей на Земле. В сталелитейной промышленности существует несколько стратегий сокращения выбросов углерода и декарбонизации, зависящих от используемого базового производственного процесса. Варианты можно разделить на три основные категории: переход с ископаемого топлива на энергию ветра и солнца; повышение эффективности переработки; и инновационные технологические процессы. Все три могут использоваться в комбинации. Термин "зеленая сталь" используется для обозначения стали, произведенной без использования ископаемого топлива, то есть продукции с нулевым уровнем выбросов. Однако не все компании, заявляющие о производстве "зеленой стали", соответствуют этому критерию. Некоторые лишь снижают выбросы. Австралия производит почти 40% мировой железной руды, и правительство, через Австралийское агентство возобновляемой энергии (ARENA), помогает финансировать множество исследовательских проектов, связанных с прямым восстановлением железа (DRI), для увеличения производства зеленой стали и железа. Крупные компании, такие как Rio Tinto, BHP и BlueScope, разрабатывают проекты по производству "зеленой" стали. Выбросы CO2 варьируются в зависимости от источников энергии. При использовании устойчивой энергии, такой как ветер или солнце, для питания процесса – либо в электродуговых печах, либо для производства водорода в качестве топлива – выбросы могут быть значительно сокращены. Европейские проекты HYBRIT, LKAB, Voestalpine и ThyssenKrupp реализуют стратегии по сокращению выбросов. Исследование 2017 года показало, что выбросы сокращаются на 56,5% при улавливании и хранении углерода и на 26,2% при использовании только рециркуляции восстановителей. Чтобы предотвратить попадание уловленного углерода в атмосферу, необходимо найти способ его хранения или использования. Другой способ использования отходящего газа – это турбина верхнего цикла, которая затем генерирует электроэнергию, которую можно использовать для снижения энергоемкости процесса при использовании электродуговой плавки. Углерод также можно улавливать из газов коксовой печи. По состоянию на 2022 год разделение CO2 от других газов и компонентов системы, а также высокая стоимость необходимого оборудования и изменений инфраструктуры сдерживали развитие этой стратегии, но потенциал сокращения выбросов оценивается в 65–80%. Прямое восстановление водородом (HDR) – наиболее перспективная из технологий "зеленой стали". Этот процесс отличается от традиционных способов производства стали, в которых углерод в коксе используется в качестве восстановителя (для извлечения кислорода из железной руды), что приводит к образованию железа и углекислого газа. Если водород производится из возобновляемых источников энергии и используется как альтернативный восстановитель и топливо, достигается максимальное сокращение выбросов CO2. По состоянию на 2021 год только ArcelorMittal во Франции, Voestalpine в Австрии и TATA в Нидерландах взяли на себя обязательства по использованию "зеленого" водорода для производства стали с нуля. HDR применяется в проекте HYBRIT в Швеции. Однако для этого подхода требуется значительное количество возобновляемых источников энергии для производства необходимого возобновляемого водорода. Для Европейского Союза оценивается, что для производства стали на основе водорода потребуется 180 ГВт возобновляемых мощностей.

Электролиз железной руды

Еще одна перспективная технология – электролиз железной руды, в котором в качестве восстановителя используются электроны, а не H2, CO или углерод. Компания, расширяющая пилотный завод в Уоберне, штат Массачусетс, и строящая производственную площадку в Бразилии, была основана профессорами MIT Дональдом Сэдоуэем и Антуаном Алланоре. В рамках исследовательского проекта, в котором участвовала сталелитейная компания ArcelorMittal, был испытан другой тип процесса электролиза железной руды в пилотном проекте под названием Siderwin. Он работает при относительно низких температурах (около 110 °C), в то время как процесс Boston Metal требует высоких температур (~1600 °C). По состоянию на март 2023 года ArcelorMittal рассматривает возможность масштабирования технологии и строительства более крупного завода, ожидая принятия инвестиционного решения к 2025 году.

Использование лома в БФ/БОФ

Отходы в сталелитейной промышленности – это сталь, которая либо достигла конца срока службы, либо образовалась в процессе производства стальных изделий. Благодаря своим магнитным свойствам сталь легко отделяется и перерабатывается, а использование металлолома позволяет избежать выбросов 1,5 тонны CO2 на каждую тонну переработанного лома. По состоянию на 2023 год сталь имеет один из самых высоких уровней переработки среди всех материалов: около 30% мирового производства стали осуществляется из переработанного сырья. Однако сталь нельзя перерабатывать бесконечно, а сами процессы переработки, использующие дуговые печи, потребляют электроэнергию. Этот процесс позволяет сократить выбросы примерно на 20%.

Другие стратегии

Процесс производства железа HIsarna был описан выше как способ получения железа в "печи циклона-конвертера" без предварительной подготовки шихты, такой как окускование/агломерация, что снижает выбросы CO2 примерно на 20%. Одна из перспективных идей, реализуемая в текущем проекте SuSteel, – разработка технологии водородной плазмы, которая восстанавливает оксиды водородом, а не CO или углеродом, и расплавляет железо при высоких рабочих температурах. Электролиз железной руды пока находится на стадии исследований или полупромышленной разработки.