Занимательно о железе

Железо и технический прогресс

Авторы международного свода прогнозов “Мир в 2000 году” заявляют, что в 2080 году будет выплавлено около 5 миллиардов тонн стали, что явится кульминационной точкой в мировом производстве этого металла. Они предсказывают существенное сокращение объема производства металла. Даже если это будет так, то в течение предстоящего столетия ожидается постоянный рост производства стали, не может быть внезапного прекращения металлургического производства. Вопросы совершенствования технологических процессов будут всегда волновать металлургов.

Однако одного этого факта для серьезного разговора о далеких перспективах развития металлургии недостаточно. Следует рассмотреть возможную структуру потребления конструкционных материалов в будущем и место, которое среди них занимает железо, точнее сплавы на его основе, причем срок дальних перспектив определять не столетиями, а где-то за пределами ближайших двух — трех десятилетий.

Уже несколько десятилетий утверждают, что человечество из железного века вступит в эпоху новых материалов. В 20–30-х годах надежды возлагали на легкие металлы, в последние годы — на химические материалы. Легкие металлы (алюминий, позднее магний и титан) сегодня все еще играют второстепенную роль.

По мнению экспертов Комитета черной металлургии при Европейской экономической ко-' миссии ООН, доля замены черных металлов (5,1%) означает, что в условиях отсутствия конкуренции со стороны других материалов потребление чугуна и стали было бы выше на эту величину.

В СССР доля черных металлов, ежегодно высвобождаемых пластмассами, составляет менее 1% объема потребляемого металла. Для замены черных и цветных металлов используют около одной четверти ресурсов пластмасс, и они заменяют наиболее дефицитные и дорогостоящие виды тяжелых цветных и никельсодержащих сплавов, стальных труб.

В обзоре 150 экспертных оценок наиболее вероятных направлений развития технологии производства различных материалов рассмотрены проблемы, вытекающие из изменяющейся ситуации с потреблением энергии. В этой связи выдвинуты четыре основных принципа: из-за дефицита сырья и энергии должен резко возрасти объем производства экономичных прокатных профилей и других аналогичных изделий, например получаемых методами порошковой металлургии; большое развитие получат прецизионные методы ковки, литья; большие перспективы у методов придания поверхности особых свойств при сохранении обычного уровня свойств в объеме изделий; таким путем создают материалы, устойчивые к коррозии и эрозии; совершенно новые области производства возникнут в результате развития методов получения таких материалов, как карбиды и нитриды, которые успешно конкурируют в промышленности с естественными минералами.

Производители стали видят ключевые направления развития в электрошлаковом переплаве сплавов и нержавеющей стали, в дальнейшем усовершенствовании и расширении сферы потребления ферритных и аустенитных сталей в новых изделиях с покрытием по заказам автомобилестроения. При исследовании стали с помощью новейших методов и инструментов, например электронного микроскопа, обнаружили ранее неизвестные тонкие структуры современных сталей с удивительными свойствами, которые меняют коренные представления о возможностях этого материала.

Исходя из известных прогнозов, можно уверенно утверждать., что и в ближайшие 2–3 десятилетия ожидается устойчивое и значительное производство черных металлов и прежде всего стали. При предполагаемых количествах получения черных металлов вызывает особую заботу сырьевая проблема. Сталь как конструкционный материал сохраняет свое значение на длительный срок.

Проблема сырья

Стремительно развивающаяся цивилизация основана на все возрастающем потреблении полезных ископаемых, а благосостояние и высокий жизненный уровень людей во многом зависят от того количества энергии и материалов, которое общество способно извлечь из подземных кладовых. Сегодня человек использует более 150 видов минерального сырья, из которых извлекает почти 70 элементов таблицы Менделеева. Подсчитано, что за время после второй мировой войны человечество потребило минеральных ресурсов больше, чем за всю предшествующую историю.

Такой резкий рост, во многом обусловленный научно-технической революцией, позволил экономически развитым странам добиться колоссальных успехов в промышленном и научно-техническом развитии.

Стремительно растущий промышленный потенциал потребовал все большего количества сырья, причем нередко новых видов. В ожидании значительного роста производства черных металлов производятся подсчеты сырьевых ресурсов нашей планеты.

Много самых разных прогнозов о будущем сырьевой базы черной металлургии можно встретить в технической литературе и периодике. Эти прогнозы проникнуты беспокойством о сырьевом обеспечении все возрастающего производства металлов.

Уязвимая сторона прогнозов материальных ресурсов в том, что современные приемы хозяйствования, технологии сегодняшнего дня механически переносятся в будущее. Но вся история человечества свидетельствует о том, что в орбиту производственной деятельности включаются все новые и новые ресурсы, а технология непрерывно совершенствуется и развивается.

Концепции “грядущего сырьевого и энергетического голода”, “гибели природы”, “нулевого роста экономики” и другие крайне пессимистические прогнозы западных “пророков” не отвечают действительности. Они выгодны тем, кто стремится к обострению международной обстановки, кто рвется к минеральным и сырьевым богатствам чужих стран.

Советские экономисты и геологи, исходят из того, что человечеством еще далеко не использованы возможности наращивания минерально-сырьевых ресурсов. Разведанные запасы полезных ископаемых могут быть существенно увеличены за счет открытия новых месторождений на суше и морском дне, более рационального использования сырья, развития научно-технического прогресса в поисках, разведке, добыче и переработке полезных ископаемых.

Надо еще учесть, что запасы запасам рознь. Они могут быть разного качества, детально или плохо изучены, расположены в благоприятных экономико-географических условиях или в необжитых труднодоступных районах, залегать на большой глубине. И те ресурсы, которые сегодня использовать технически невозможно или экономически нецелесообразно, завтра могут пойти в дело.

Главным сырьем для черной металлургии является железная руда. Мировая потребность в железорудном сырье удваивается каждые 15 лет. В среднем, по общим цифрам мировых запасов железной руды, все благополучно.

Мировые запасы железных руд, не считая бедных, составляют около 500 миллиардов тонн. Даже при возможном росте производства стали в 2000 году до 1500–3000 миллионов тонн руды в целом хватит на несколько столетий. Но надо учесть, что запасы железных руд на земном шаре размещаются неравномерно. Все больше возрастает зависимость ряда стран от импорта руд. Особенно много руд импортируется из развивающихся стран. По мере роста их национальной промышленности в них возрастает собственное потребление руд. И тогда могут повториться события времен “энергетического кризиса” 1973 года, когда ведущие капиталистические страны подняли панику, увидев только призрак возможного энергетического голода. Это может повториться и в форме железорудного кризиса, но уже не как новая возможность для спекуляций монополий, а как суровая реальность. Ни одна из высокоразвитых капиталистических стран не обеспечивает себя полностью собственным минеральным сырьем.

Перспективы нашей Родины в сырьевом обеспечении, даже и с расчетом на дальние перспективы, более благоприятны.

В результате успешного проведения планомерных геологоразведочных работ запасы разведанных железных руд СССР содержат около 30% общих мировых запасов и 45% запасов промышленных категорий[8].

Наша страна располагает всеми необходимыми полезными ископаемыми, обеспечивающими независимую сырьевую базу для дальнейшего развития черной металлургии. И тем не менее для нас все более актуальной становится проблема рационального и комплексного использования недр и их охрана. Это диктуется необходимостью повышения экономичности использования сырья.

Сейчас говорят: дороги науки и прогресса ведут в космос, на дно океанов, в толщу земли. Да, НТР раздвигает границы деятельности человека. В далекой перспективе все названные направления можно реально считать надежными источниками сырья.

Разведка недр показывает, что железные руды в Кривбассе есть и на глубине более 2,5 километра. Там руда содержит до 68% железа и ее можно сразу подавать в агрегаты. На руднике “Первомайском” заложена первая из сверхглубинных шахт (1500 метров. Таких шахт еще в мире никто не строил).

Дно морей и океанов является потенциальным рудником нашей планеты на многие десятилетия. Понадобится сложная техника для извлечения всех элементов из этих кладовых. Здесь человек должен вложить не меньше выдумки, фантазии и труда, чем он вкладывает в освоение космоса. Но и выгода от освоения океанских богатств в длительной перспективе ожидается не менее значительной, чем освоение космического пространства.

Весь наш разговор о сырьевом обеспечении металлургии будущего исходит из наличия и возможных запасов рудных месторождении разных металлов. В таком случае все ценные, крупные и доступные залежи будут, выработаны когда-то в будущем. При подсчете устанавливают сроки исчерпания отдельных полезных ископаемых: от десятилетий до столетий. Есть ли выход из столь сложной ситуации, хотя бы в далеком будущем?

В трудах геохимика В.И. Вернадского есть на этот счет исключительно важное замечание: “Химическая работа человечества должна сделаться интенсивнее; оно будет вынуждено концентрировать руды, т.е. быстро производить природную геологическую работу, идущую медленно — веками и тысячелетиями”[9].

У человека появляется выход: ускорять и направлять течение геохимических процессов, искусственно создавать в земной коре месторождения полезных ископаемых. Пока круг подобных искусственных месторождений еще очень узок и охватывает прежде всего соли: поваренную — минерал галит и сульфат натрия — мирабилит. Но уже появилась новая отрасль техники, использующая возможности регуляции процессов, идущих в земной коре и на земной поверхности — геотехнология.

Таким образом, в ходе развития НТР человечество всегда будет обеспечивать себя надежной сырьевой базой, используя для этого различные источники и способы в зависимости от достигнутого уровня науки и техники.

Атомная металлургия

Наряду с сырьевой проблемой немалую озабоченность вызывает энергетическое обеспечение металлургических процессов. Некоторые ученые считают, что “узким местом” в производстве металла является не природное сырье, а прежде всего энергетические мощности, поставленные на службу общества. По мере увеличения выработки энергии и совершенствования химической технологии меняется само понятие о природе сырья. Важнейшие материалы в любом количестве можно получать из самых обыкновенных горных пород. Например, известно предложение академика Д.И. Щербакова о базальтовой металлургии. Однако экономичность при этом обеспечивается лишь при наличии большого количества дешевой энергии.

Потребность в большом количестве энергии в век НТР резко возрастает: на Земле она удваивается каждые 8–9 лет. Надежда на атомную энергию, которая сможет удовлетворить требования, предъявляемые общим ростом производительных сил, предоставить неограниченные источники энергии.

На вопрос, каковы основные черты атомного века, связанные с атомной энергетикой, но выходящие за ее пределы, профессор Б.Г. Кузнецов отвечает, что для промышленной технологии и для связи “резонансный эффект” атомной энергетики состоит в широком использовании квантовой электроники и в особенности лазеров. Можно предположить, что в 2000 году, когда атомная энергетика станет основной составляющей баланса электроэнергии, квантовая электроника станет главным орудием технологического воздействия на материал, будет создавать сверхтвердые поверхности, преобразовывать структуру кристаллической решетки, а может быть обеспечивать также гораздо более экономичные методы преобразования и передачи энергии.

В своих прогнозах специалисты исходят из предположения, что стоимость тепла, полученного в высокотемпературных ядерных реакторах с газовым охлаждением, будет более низкая, чем стоимость тепла, получаемого при сжигании химического топлива, а стоимость электроэнергии ядерной энергетической установки (ЯЭУ) будет составлять все меньшую часть стоимости электроэнергии обычных электростанций, работающих на угле или мазуте.

Как показывают расчеты, преобразование тепловой энергии в электрическую, а затем снова в тепловую в металлургическом производстве приводит к потере 60–70% первичной энергии. Вот, чем оправдано стремление к непосредственному использованию выделяемой в атомном реакторе энергии в ее первичном виде. Препятствием служит то, что в реакторе с газовым охлаждением можно рассчитывать на температуру охладителя 500–750°С, что весьма ограничивает его применение в металлургии. Для восстановления железа температура газа должна быть не ниже 1000°С.

Последние достижения в области разработки высокотемпературных реакторов в СССР и за рубежом позволяют уже в настоящее время расширить диапазон температур, получаемых в результате применения ЯЭУ, до 1200–1600°С. Не исключается в дальнейшем возможность применения в реакторе такого типа в качестве размножителя ядерного топлива с временем удвоения около трех лет, что создает новые предпосылки для снижения стоимости тепла и электроэнергии, получаемых с ЯЭУ.

В ФРГ испытывался небольшой опытный реактор, в котором для охлаждения использовался гелий при давлении 3–4 МПа и достигалась температура охладителя до 850°С. Была даже достигнута кратковременная пиковая температура охладителя 1000°С и предполагают, что можно ее поднять до 1200°С и даже до температур, превосходящих температуру плавления чугуна и стали.

Наиболее удовлетворительные результаты возможны в случае, когда атомную энергию удастся применить в виде тепловой и одновременно электрической, получаемой от использования в тепловых процессах ресурсов энергии.

В металлургии тепло охлаждающего реактор газа может быть использовано для получения восстановительной газовой смеси газификацией твердого топлива или конвертированием (изменение состава) природного газа либо жидкого топлива, а также как источник тепла для производства губчатого железа, агломерации руд, производства окатышей, нагрева дутья. Электроэнергию, полученную в реакторе, можно использовать в электропечном производстве ферросплавов или для получения стали из губчатого железа, производства кислорода и восстановителей.

В промышленно развитых странах — СССР, Японии, ФРГ, Англии — в разработанных проектах рассматривают два основных технологических комплекса с применением ЯЭУ: доменная печь — конвертор; установка прямого восстановления железа — электропечь.

В одном из вариантов компоновки ядерного реактора с доменной печью для приготовления восстановительного газа рекомендуют использовать доменный газ, который поступает в теплообменник и нагревается до 1300°С теплом гелия, охлаждающего ядерный реактор. Из теплообменника охлажденный гелий возвращается в ядерный реактор, а нагретый доменный газ направляется в камеру приготовления восстановительного газа. Здесь доменный газ проходит через слой низкокачественного угля. В результате реакции образуется восстановительный газ, вдуваемый затем в доменную печь. Предполагают, что один реактор сможет при этом обеспечить теплом 2–3 доменные печи. Вырабатываемую им электроэнергию можно будет использовать на том же металлургическом заводе для производства кислорода, в электропечах, прокатных цехах. Применение восстановительного газа, нагретого теплом ядерного реактора до высокой температуры, позволит, по предварительным расчетам, снизить наполовину удельный расход кокса в доменной печи.

Вышеописанное вполне осуществимо в текущем столетии, а в более далекой перспективе использование ЯЭУ вероятнее в производстве губчатого железа. При этом установки для производства губчатого железа и выработки электроэнергии, а также ядерный реактор представят единый производственный комплекс. Температура гелия на выходе из реактора при восстановлении природным газом должна составить 900°С, а при твердом восстановителе (кокс, каменный уголь, бурый уголь) 1200°С. Тепло от ядерного реактора используется для конверсии природного газа, нагрева восстановительного газа, производства пара. В этих проектах предполагается выплавлять сталь в электропечах и опять-таки с использованием электроэнергии, полученной в ядерном реакторе.

Несмотря на встретившиеся трудности, комплексное изучение проблемы применения ядерной энергетической установки в черной металлургии показывает, что разработка и расширение видов технологии, которые могут быть переведены на ядерную энергию, являются одним из важных направлений научно-технического прогресса в металлургии на длительную перспективу.

Солнечная металлургия

Жолио-Кюри считал, что проблема использования лучистой энергии Солнца более важна, чем даже освоение атомной энергии. Солнечная энергетика — реальность наших дней.

В настоящее время, когда технический прогресс требует новых источников энергии и когда остро стоит вопрос экономии природных энергетических ресурсов, большое значение придается использованию солнечной энергии. Уже сейчас области ее применения достаточно широки: от нагревательных приборов до опреснительных установок и электростанций. Однако бесплатная солнечная энергия пока еще дорого стоит. Слишком сложны гелиоустановки, мал их к.п.д.

И тем не менее установки появляются.

А каковы перспективы гелиотехники в металлургии?

Современная солнечная печь — это гелиоустановка, предназначенная для плавки и термической обработки материалов. Рабочие температуры в ней 2300–3000°С. Применяют ее при обработке материалов в особо стерильных условиях, исключающих внесение примесей в обрабатываемый материал.

Одна из наиболее крупных солнечных печей мощностью 1200 кВт построена во Франции в Одийло. Похожие на отполированные щиты 63 плоских гелиостата-отражателя направляют солнечные лучи к зеркалу печи. Диаметр зеркала равен высоте 18-этажного дома! Неудивительно, что в фокусе такого зеркала можно получить температуру свыше 3000°С.

Чтобы собрать в пучок солнечные лучи и направить их в одну точку, понадобились сложные механизмы и огромные площади: 20 840 зеркал собирают прямое солнечное излучение с площади 20 тысяч квадратных метров. Лучи Солнца гелиостаты направляют на неподвижное параболическое зеркало. Оно собирает и направляет лучи в одну точку, накаляя печь до температуры свыше 3000°С. Сравните: на Солнце температура 6000°С.

Что же “варят” в печи? Первым делом — тугоплавкие металлы. Печь, например, может выдать за смену до 1 тонны окиси циркония. Разрабатываются способы превращения термической энергии в электрическую. Во Франции и во многих странах мира, в том числе и в нашей стране, идет интенсивный поиск путей использования солнечной энергии.

Еще в начале 60-х годов в Ташкенте была создана солнечная печь. Около нее слева находился оптический прибор — гелиостат, который отраженные от зеркал солнечные лучи собирал в пучок. Справа находилось параболическое зеркало диаметром 2 метра. Ориентируясь по Солнцу, гелиостат направляет пучок параллельных лучей на зеркало, которое концентрирует их в кружок диаметром 14–16 миллиметров. Здесь создается температура 3000°С и выше. На этой гелиоустановке проводились опыты по резке и сварке металлов.

Солнечные печи имеют особые, совершенно исключительные преимущества для выполнения тонких регулируемых процессов плавки металлов высокой чистоты. Здесь процесс нагрева не связан с наличием электрических или магнитных полей, отсутствует в них контакт обогреваемого объекта с продуктами сгорания. Нагрев в солнечной печи можно вести в вакууме или любой контролируемой газовой среде. В ней металл не вступает в нежелательные химические реакции с другими веществами в отличие от обычной электропечи.

В поселке Кацивели близ Симеиза, где в году солнечных дней наибольшее число, начато строительство гелиоцентра Института проблем материаловедения АН УССР. Ученые решили “поручить” Солнцу плавить сверхчистые металлы. Здание и оборудование будут установлены на холмах, гелиостаты, словно шляпки подсолнечника, будут постоянно следить за Солнцем, поворачиваясь вокруг своей оси. Температура в фокусе параболических зеркал достигает 3500°С. Это позволит плавить металл химически чистый.

Ученые Ереванских отделений ВНИИ ПКТИ источников тока и ВНИИ кабельной промышленности за создание импульсной гелиоустановки старения материалов получили золотую медаль на международной Лейпцигской ярмарке.

В ходе теоретических и экспериментальных разработок, проведенных в СССР, Японии, США и других странах, получены данные, достаточные для того, чтобы внедрить высокотемпературные установки в исследовательскую и полупромышленную практику.

Группа американских ученых под руководством Литла занималась изучением технических возможностей и экономических аспектов осуществления проекта, который описан многими фантастами. Он заключается в использовании крупных спутников, вращающихся на стационарных орбитах на высоте около 32 тысяч километров, для передачи на Землю электроэнергии. Гигантских размеров зеркало, установленное на спутнике, должно собирать энергию солнечных лучей, превращать ее с помощью специального бортового оборудования в электроэнергию, а затем передавать на поверхность Земли в виде луча микроволн. В США, например, намечена программа для изучения основных технических аспектов проблемы, среди которых точность управления микроволн новым лучом и удержание станции на постоянной орбите.

Мы рассмотрели некоторые возможные пути развития металлургии будущего. Приведенные факты свидетельствуют о том, что ученые и инженеры уже сейчас работают над созданием новых способов добычи железа. Мы можем быть спокойны за судьбу металла-труженика. Он еще долго будет служить человечеству.