Огнеупорный аспект при производстве и разливке стали
  Доклад №1

Основные тенденции развития рынка огнеупорных материалов и изделий в условиях трансформации требований металлургов к огнеупорной продукции

Смирнов А.Н., ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет»

Рассмотрены основные тенденции развития рынка огнеупоров, которые во многом определяются требованиями потребителей к качеству продукции и удельным расходам огнеупоров на тонну продукции. Развитие ситуации с обеспечением огнеупорной промышленности сырьем уже сегодня характеризуется развивающимся дефицитом бокситов, песка оксида хрома и качественного магнезита, что позволяет предположить дальнейшее повышение цен на огнеупорные материалы и изделия. Повышение эффективности работы огнеупорной промышленности, вероятно, можно достигнуть в случае обеспечения комплексных поставок и сервисного обслуживания футеровок, включая текущие ремонты.

Ключевые слова: огнеупоры, сырье, боксит, магнезит, периклаз, сталь.

Огнеупорные материалы и изделия обеспечивают эффективную эксплуатацию основных технологических агрегатов и машин в большинстве отраслей современной промышленности. Во многих случаях функционирование и эффективность целых технологических систем обусловлено качеством и эксплуатационными свойствами огнеупоров. Это, прежде всего, относится к черной и цветной металлургии, энергетике, химической промышленности, машиностроению и пр.

Огнеупорные изделия и материалы для производства чугуна и стали получили значительное развитие в последние 25-30 лет, что обусловило определенный прогресс в совершенствовании работы основных технологических агрегатов. В настоящее время уже совершенно очевидно, что использование новых высокоэффективных огнеупорных продуктов позволяет металлургам заметно снизить их удельные расходы на тонну стали, повысить энергосберегающий эффект и обеспечить стабильность работы технологических систем [1-4].

В соответствии с международными стандартами огнеупорами принято называть неметаллические керамические материалы (включая материалы, содержащие некоторые добавки металлов), которые эксплуатируются при высоких температурах (600-2000оС) в специальных агрегатах и печах. Огнеупоры отличаются способностью сохранять без существенных нарушений свои функциональные свойства в разнообразных условиях службы при высоких температурах.

Мировое производство огнеупорных материалов и изделий по разным международным источникам оценивается на уровне 46-52 млн. т в год (в том числе около 30-34 млн. т производится в Китае). При этом наибольшим потребителем огнеупорной продукции является черная металлургия (преимущественно доменное и сталеплавильное производство).

В последние 10-15 лет в мировой металлургической промышленности произошло много изменений (приобретение металлургических компаний и заводов, слияние некоторых компаний и образование транснациональных гигантов, галопирующее наращивание производства в Китае и т.п.), что обусловило еще большие изменения в структуре производителей огнеупорной промышленности.

Развитие мировой черной металлургии характеризуется дальнейшим ростом объемов производства металлопродукции (преимущественно за счет КНР и Индии), а также трансформацией технологических процессов в части снижения удельного потребления расходуемых и огнеупорных материалов, уменьшения потерь энергии и снижения нагрузки на экологию окружающей среды. Такие тенденции в значительной степени формируют конкурентную среду и новые требования к огнеупорной продукции.

Огнеупорные материалы и изделия широко используются при производстве чугуна и стали для футеровки технологических агрегатов, емкостей для накопления и транспортировки жидкого металла, печей для подогрева заготовок и пр. Как показывает практика, в настоящее время расход огнеупоров на 1 т стали составляет в среднем 8-14 кг. При этом прогресс в снижении удельного потребления огнеупоров, достигнутый в последние 3-4 десятилетия, обусловлен как выведением из эксплуатации низкоэффективных сталеплавильных агрегатов, так и созданием новых огнеупорных материалов, в максимальной степени соответствующих условиям технологических процессов при производстве чугуна и стали (рис. 1). Основной прогресс в повышении стойкости огнеупоров для производства и разливки стали был, видимо, достигнут в совмещении рациональных физико-химических и эксплуатационных свойств огнеупорных изделий с оптимальным построением конструкции футеровки, которая учитывала бы технологические особенности ее эксплуатации. В промышленной практике различают четыре основных типа огнеупорной продукции: неформованные огнеупоры (смеси для торкретирования и ремонта, связующие материалы и мертели и т.п.); формованные огнеупоры (огнеупорные изделия типа кирпич, блок и т.п.); функциональные изделия (огнеупорные изделия определенной геометрической формы и назначения, элементы конструкций футеровки агрегатов и пр.); теплоизоляционные материалы, обеспечивающие защиту от потерь тепла.

Между тем, основу большинства огнеупорных материалов составляют шесть базовых оксидов – SiO2, Al2O3, MgO, CaO, Cr2O3, ZrO2. (рис. 2). На практике в состав огнеупорного материала входит определенная комбинация соединений из этих оксидов, а также некоторых добавок. Для ряда огнеупорных материалов в их состав вводят углерод и карбид кремния, а также небольшие количества карбида бора (B4C) и нитридов (Si3N4, BN). В зависимости от химического состава температура плавления или разрушения различных материалов варьируется в достаточно широком диапазоне температур 1800-3300оС.

потребление огнеупоров, огнеупоры для производства стали

Рисунок 1 – Удельное потребление огнеупоров и влияние на него инноваций при производстве стали и новых решений в огнеупорной индустрии

минерал, производств, огнеупор

Рисунок 2 – Основные природные минералы, используемые для производства огнеупоров и синтетические материалы

Как показывает анализ, основные производители стали в мире (кроме КНР) заметно сократили инвестирования в исследования для огнеупорной промышленности. Кроме того, в последние 20 лет наблюдается заметное сокращение объемов производства и персонала в огнеупорной индустрии Западной и Восточной Европы, а также США и Японии. Процесс сокращения объемов производства огнеупоров в развитых странах мира сопровождается консолидацией производителей огнеупорных материалов и изделий, что также привело к закрытию ряда мелких и средних производителей и нескольких крупных исследовательских технологических центров. Не менее важным фактором является динамика развития ситуации на рынке сырья (рис. 3), которая характеризуется устойчивым ростом цен на все виды исходных материалов.

Большая часть сырьевых компонентов для огнеупоров характеризуется наличием дефицита на рынке, который определяется как объективными причинами (невосполнимость ресурсов), так и субъективными (искусственный дефицит). Это особенно актуально для огнеупорных бокситов, магнезита, графита и хромовой руды. Приоритетным направлением в этом плане будет развитие огнеупорных материалов на базе альтернативных источников сырья, которые являются более дешевыми и доступными для производителей огнеупоров.

Основные производители огнеупоров в настоящее время являются глобальными игроками рынка огнеупоров, больше независящими от какой-либо одной страны или части света. Важнейшими тенденциями и аспектами развития огнеупорных изделий, например, для черной металлургии является создание материалов и функциональных изделий, обеспечивающих снижение удельного расхода и затрат на огнеупоры.

цены на сырье, производство огнеупоров

Рисунок 3 – Динамика изменения цен на основные виды сырья, используемого для производства огнеупоров

Особенно ощутимый рост цен наблюдается для так называемых низкожелезистых бокситов, имеющих важное значение для индустрии огнеупоров. Известно, что бокситы представляют собой сложную горную породу, в состав которой входят: гидраты окислов алюминия, образующие основную рудную массу; железо в форме гидратов окислов, окислов и силикатов; кремний, в виде кварца, опала и каолинита; титан, в виде рутила и других соединений; карбонаты кальция и магния, а также небольшие количества других элементов. Мировые запасы огнеупорных бокситов оцениваются на уровне от 2 до 3 млрд. т. Однако проблема заключается в том, что бокситы с содержанием Fe2O3 менее 2% расположены только в двух экономически важных районах: шахты в Гайане и в КНР. Месторождения в Гайане принадлежат исключительно китайским компаниям, поэтому рынок огнеупорных бокситов находится под прямым влиянием китайских компаний, по сути формирующих цены на мировом рынке.

В настоящее время мировая годовая потребность в спеченных бокситах составляет 1,3-1,5 млн. т/год. Китаем экспортируется около 1 млн. т спеченных бокситов в год, но растущие потребности внутри КНР накладывают определенный отпечаток на структуру и объем экспорта бокситов и изделий из них. Наиболее типичные области применения огнеупоров на основе бокситов: доменные печи (желоба, леточные массы); ковши для транспортировки горячего чугуна; своды электродуговых печей; сталеразливочные и промежуточные ковши МНЛЗ.Кроме того, он используется для огнеупорных литых футеровок, ремонтных торкрет-масс, а также в качестве огнеупорного цемента в тепловых агрегатах.

Таким образом, развитие цен на огнеупорные бокситы, видимо, будет оставаться в полной зависимости от Китая, как основного поставщика бокситов на мировой рынок. Благодаря определенной совокупности технологических и эксплуатационных свойств изделия на основе боксита имеют высокий уровень конкурентоспособности. В этом плане более дешевые альтернативные огнеупоры с низким содержанием Al2O3 (андалузит, муллит или шамот) могут найти только ограниченное применение.

Природный минерал магнезит, представляющий собой безводный карбонат магния из группы кальцита (MgCO3), является в настоящее время одним из важнейших сырьевых компонентов для огнеупорной индустрии. Как правило, магнезиальные изделия – это обожженные огнеупоры, получаемые на основе магнийсодержащих соединений. Магнезиальные огнеупорные изделия отличаются высокой огнеупорностью – выше 1900 oC (из чистого периклаза – до 2800oC) и повышенной стойкостью против основных и железистых расплавов. Они изготовляются из периклазового (магнезитового) порошка, полученного обжигом (до спекания) магнезита или окиси магния, добытой из морской воды. Для ответственных изделий применяют также порошок из плавленого магнезита или окиси магния.

В целом разведанные запасы магнезита в мире оцениваются в 12,4 млрд. т, причем, 8 стран владеют 97 % этих запасов. По разным оценкам в мире добывается около 21-22 млн. т магнезита, из которых чуть более 50% производится в Китае. Основные запасы магнезита и производство магнезиальных изделий сконцентрировано в небольшом количестве стран, которые и определяют ситуацию на мировом рынке (рис. 4).

Плавленный периклаз с максимальным уплотнением и крупными кристаллами получают в дуговых печах при температурах свыше 2800оС плавкой оксида магния главным образом в Китае, России и Австралии. Производство периклаза из природного магнезита составляет примерно 8 млн. т. При этом Китай занимает доминирующую позицию на этом рынке (52-55%), оставляя на втором месте Россию (13%), которая также имеет огромные запасы магнезита.

объемы запасов магнезита, объемы производства магнезита

Рисунок 4 – Объемы запасов (а) и объемы производства (б) магнезита в ведущих странах мира

Наиболее типичные области применения огнеупоров на основе магнезита и периклаза: футеровка конвертеров и дуговых печей; футеровка сталеразливочных ковшей; футеровка промежуточных ковшей МНЛЗ; шиберные плиты сталеразливочных ковшей; высокотемпературные обжиговые печи; различного рода добавки и флюсы в сталеплавильном производстве и т.п.

Говоря об особенностях производства и поставок огнеупоров, следует отметить, что в последние 10-15 лет в мировой огнеупорной индустрии наблюдается процесс консолидации и слияния производителей огнеупорных материалов. Так, в результате слияния ряда огнеупорных фирм и заводов в 1998 г. сформировалась очень крупная интегрированная компания RHIRefractories, в состав которой вошли ведущие европейские производители огнеупоров Radex Austria AG, Veitscher Magnesitwerke, Didier-Werke AG, а также были поглощены фирмы GIT/Harbison-Walker (USA), Monofrax, два завода фирмы Foseko, RHI Normag AS, Premier Periclase Ltd., Stopinc AG, а также некоторые другие заводы.

Одним из мировых лидеров в производстве огнеупоров становится вертикально-интегрированная компания Magnesita Refratarios SA, располагающая производственными мощностями в Бразилии, Аргентине, США, Франции, Бельгии, Германии, Тайвани и Китае. Ее совокупные производственные мощности оцениваются в 1500 тыс. т/год. При этом компания может использовать примерно 80% собственного сырья в производстве огнеупорных материалов, что делает его одним из самых дешевых производителей в отрасли. Компания является ведущим оператором на рынке огнеупорных изделий в Южной Америке, а также обслуживает клиентов в Северной Америке, Европе и Азии.

В последнее десятилетие в число крупнейших мировых производителей вошла немецкая компания «Calderys», производящая свыше 600 тыс. т огнеупоров в год. Компания располагает 18 заводами в 16 странах мира. В компанию влились известные производители неформованных материалов и огнеупорных бетонов «Plibrico» и «Basalt». За последние годы компанией были модернизированы некоторые производственные участки на заводах в Западной Европе, открылось и расширилось производство огнеупоров в Китае.

В число крупнейших мировых производителей огнеупоров вошла также известная японская фирма «KrosakiHarima», которая поглотила известного индийского производителя «TataRefractories».

На территории СНГ фактически единственным транснациональным вертикально интегрированным холдингом по производству огнеупоров является российская компания ООО «Группа «Магнезит», производственные предприятия которой расположены в России, Китае, Словакии, Украине и Германии. Группа постоянно расширяет не только производственную, но и собственную сырьевую базу, совершенствуя технологию производства сырьевых материалов основного состава, включая спеченные и плавленые материалы. В перспективе представляется вполне вероятным консолидация части предприятий, действующих на территории СНГ, с ООО «Группа «Магнезит» для осуществления единой политики, в том числе для интенсификации технического перевооружения с целью более глубокого ком-плексного обслуживания потребителей.

Наряду с тенденцией укрупнения и слияния огнеупорных компаний нельзя не отметить тенденцию закрытия небольших производителей огнеупорных изделий, наблюдаемую, прежде всего, в странах Европы (в том числе в России и Украине), США, Японии и пр. Это следует объяснять, главным образом, обострением конкурентной борьбы и невозможностью небольших производителей расширить рынки сбыта.

В целом основные особенности производства и поставок огнеупоров потребителям заключаются в следующем:

  • огнеупорная промышленность все в большей мере попадает в зависимость от производителей сырья, которое сконцентрировано, как правило, в небольшом количестве стран и фирм;
  • применение огнеупорных материалов и изделий европейских производителей ограничивается более высокими, чем у китайских фирм ценами; выбор европейских огнеупорных материалов может быть обоснован технически важной мотивацией (функциональные возможности, надежность, условия доставки и пр.);
  • производители огнеупоров продолжают ужесточать требования к качеству (и цене) сырья в соответствии с требованиями потребителей к качеству огнеупорной продукции применительно к конкретным металлургическим предприятиям и технологиям;
  • производители огнеупоров будут развивать технологии применения отработанных огнеупорных материалов в основном производственном цикле;
  • торговые фирмы и дома, обеспечивающие реализацию огнеупорных материалов и изделий, будут все более активно участвовать в разработке требований к огнеупорам, что поможет гармонизировать стратегии закупок для конечных потребителей;
  • повышение эксплуатационных и экономических показателей огнеупоров в рамках конкретных технологических агрегатов будет достигаться в плоскости комплексных поставок огнеупорной продукции и обслуживания футеровки в течение всего цикла эксплуатации.

Анализируя ситуацию на рынке огнеупорных материалов, необходимо, прежде всего, рассматривать ситуацию с производством и экспортом огнеупоров из Китая [5-6]. Так, производство огнеупоров в Китае превысило уровень 50% всего производства огнеупоров в мире уже в 2010 г., а в 2013 г. достигнет 70%. Это в совокупности со сравнительно низкими ценами китайских огнеупоров обусловливает доминирующее положение огнеупоров, экспортированных из КНР, на рынке Украины, России и других стран СНГ.

По разным источникам в настоящее время в Китае действуют 2-3 тысячи предприятий по добыче сырья и производству огнеупоров. Только в провинции Хэнань действуют свыше тысячи огнеупорных заводов, которые в 2010 г. произвели 13,5 млн. т огнеупоров. При этом совокупное производство огнеупоров в Китае оценивается в 28-30 млн. т, в том числе формованных огнеупоров – 17-18 млн. т. Между тем за последние 5 лет производство шамотных и бокситовых изделий в Китае заметно сократилось, а выпуск углеродсодержащих и функциональных огнеупорных изделий и неформованных огнеупоров увеличился.

Объем экспорта китайских огнеупоров превысил 6 млн. т в год. Причем экспорт основных огнеупоров превысил 1 млн. т в год, плавленого и спеченного периклаза – более 1,3 млн. т, боксита и корунда – около 0,9 млн. т и 0,8 млн. т соответственно, а графита – более 0,6 млн. т в год. Главными объектами импорта в категории огнеупорного сырья для Китая остаются циркон и хромит. Так в 2010 г. Китай импортировал около 730 тыс. т циркона.

В целом такая ситуация, которая обусловлена низкой ценой на огнеупоры, импортируемые из Китая, видимо, будет обусловливать дальнейшее развитие экспансии китайских огнеупоров на рынки Европы и, в частности, Украины. Однако представляется маловероятным, что существующие технологии производства огнеупорных материалов будут в состоянии полностью удовлетворить будущие потребности металлургической отрасли в ракурсе удельных затрат на тонну продукции и обеспечения требуемого качества стали.

Для повышения конкурентоспособности продукции европейским производителям уже в ближайшее время придется, прежде всего, рассматривать возможность применения более дешевого и соответственно низкокачественного сырья, заменяя традиционные сырьевые компоненты, импортируемые из Китая. В этом плане наиболее перспективным представляются разработки в части применения технологических добавок на основе нано структурных матриц, в том числе с использованием нано углеродных частиц, позволяющих снизить содержание углерода в огнеупоре [7-8].

В заключении необходимо отметить, что огнеупорные футеровки и изделия входят в состав многих технологических агрегатов в металлургической и химической индустрии, энергетике и пр. Между тем большинство огнеупоров чрезвычайно чувствительны к нарушениям в технологическом процессе эксплуатации, что обусловливает тщательный выбор их качества применительно к конкретной производственной схеме.

Касаясь развития ситуации с обеспечением огнеупорной промышленности сырьем, следует уже сейчас говорить о развивающемся дефиците бокситов, песка оксида хрома и качественного магнезита. На фоне развивающейся тенденции повышения роли в поставках сырья и огнеупоров от неевропейских производителей представляется целесообразным переходить на европейские (украинские) источники сырья в тех случаях, когда это экономически возможно. Учитывая важность огнеупорной составляющей для металлургической индустрии, представляется весьма важным привлечение металлургических заводов в огнеупорную промышленность и обеспечение поставок сырья.

Повышение эффективности работы огнеупорной промышленности, вероятно, можно достигнуть в случае обеспечения комплексных поставок и сервисного обслуживания футеровок, включая текущие ремонты.

В плане развития новых эффективных видов огнеупорной продукции будут продолжать инвестироваться исследования в части применения новых видов сырья и добавок. В том числе это могут быть различного рода шпинельные материалы, а также специальные нано добавки на основе, например, коллоидных растворов.

Библиографический список

  • 1. Бааске А. Огнеупорные материалы: разработки, тенденции, доступность / А. Бааске, Д. Дюберс, Р. Фандрих и др. // Черные металлы. – 2011. – №9. – С. 32-39.
  • 2. Аксельрод Л.М. Развитие огнеупорной отрасли – отклик на запросы металлургии / Л.М. Аксельрод // Бюл. «Черная металлургия. – 2013. – №3. – С. 125-142.
  • 3. Смирнов А.Н. Перспективы развития огнеупорных материалов и изделий, используемых для выплавки, доводки и разливки стали / А.Н. Смирнов // Металл и литье Украины. – 2012. – №10. – С.4-7.
  • 4. Минаев Д. Огнеупорный рынок / Д. Минаев, И. Рябов, С. Костюченко // Металлоснабжение и сбыт. – 2012. Июль-август. – С. 116-121.
  • 5. China’s Refractories Production and International Trade/ M.Xin, S.Pan, L.Fu e.a // China’s Refractories. – 2011. – №3. – P. 1-5.
  • 6. Liu J.-H. Problems in China’s refractory industry and future sustainable development // Refractories World Forum. – 2011. – №1. – P. 37-40.
  • 7. Technological Philosophy and Perspective of Nanotech Refractories / S.Tamura, T.Ochiaj,, T.Matsui e.a. // Nippon Steel Technical Report. – 2008. – №.98. July. – P. 18-28.
  • 8. Мацуи Т. Характеристики и использование магнезиальноуглеродистых изделий, полученных с применением нанотехнологий / Т. Мацуи, К. Гото, Я. Ямада // Новые огнеупоры. – 2006. – № 12. – С. 61-64.
  Доклад №1
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ