Введение

В современной металлургии по всему миру большое распространение получают небольшие металлургические предприятия, так называемые литейно-прокатные комплексы. Такие заводы состоят, как правило, из одного плавильного агрегата (чаще всего дуговой сталеплавильной печи различных конструкций), участка внепечной обработки с установкой ковш-печь, участка разливки с машиной непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) и прокатного комплекса (листового или сортового) [1]. Основное преимущество таких небольших производств – это относительно низкая стоимость организации производства, благодаря чему предприятия появляются в непосредственной близости от основных потребителей и источников сырья (металлолома).

Однако наряду с плюсами у таких производств металлопродукции есть и свои недостатки, в частности, зависимость от поставщиков сырья (лома) из-за узкоспециализированной технологии производства, а также небольшая номенклатурная линейка продукции и, как следствие, зависимость от рынка в регионе присутствия.

Перед комбинатами полного цикла увеличение количества подобных предприятий ставит новые вызовы. Основными рыночными преимуществами таких металлургических гигантов является гибкость производственных процессов – возможность оперативно реагировать не только на спрос в металлопродукции, но и на предложение рынка сырья.

Одним из ярких примеров современного комбината полного металлургического цикла является АО «Уральская Сталь» (ранее Орско-Халиловский металлургический комбинат) (рис. 1). Днем его основания считается 5 марта 1955 г., когда доменная печь № 1 выпустила первый чугун, хотя строительство завода началось еще в довоенное время. В годы перестройки на рубеже тысячелетий, как и все крупные предприятия страны, комбинат пережил сложный период: закрылись некоторые производства, частично были утрачены дочерние предприятия социальной сферы. Однако коллектив выдержал все испытания и сохранил предприятие на плаву. Новый импульс развитию комбината придало объединение с Загорским трубным заводом (АО «ЗТЗ») в единую группу компаний. Сегодня группа компаний АО «Уральская Сталь» – один из основных игроков металлургического рынка страны. В 2025 г. комбинат отметил свой 70 летний юбилей.

Производство комбината за 2024 г. составило:

– более 2,7 млн т чугуна, из которых 1,4 млн т товарного чушкового чугуна и 1,2 млн т для внутреннего потребления;

– более 1,5 млн т стали, из которых более 440 тыс. т товарной непрерывнолитой заготовки и более 1,1 млн т слябов для дальнейшего производства листового проката;

– более 900 тыс. т толстолистового металлопроката в толщинах 8 – 50 мм;

– более 10 тыс. т литых изделий из стали и чугуна.

Относительно 2023 г. производство чушкового чугуна на АО «Уральская Сталь» несколько снизилось, однако в производстве стали и другой металлопродукции коллектив покоряет новые вершины производительности.

Сегодня АО «Уральская Сталь» – один из лидеров отрасли по производству мостового металлопроката, в синергии с ЗТЗ поставщик штрипса и труб большого диаметра для нефтегазового сектора экономики, один из лидеров отрасли по производству крупногабаритной литой металлургической посуды.

Металлургический комбинат полного цикла – это сложный производственный организм, способный выпускать не только конечную продукцию – металлопрокат, но и множество видов сопутствующей продукции. Например, он является сырьевой базой для цементного производства и производителей сельхозудобрений, поставщиком ценных газов для различных отраслей, в том числе медицины, а также других продуктов для различных сфер промышленности.

Освоение новых марок металлопроката при взаимодействии с крупнейшими НИИ, проектными организациями и прямыми потребителями проката – одно из приоритетных направлений развития предприятия. Так, за последние годы освоены новые марки мостового [2; 3], криогенного [4], штрипсового и высокопрочного металлопроката [5].

Однако развитие крупного металлургического предприятия – это не только модернизация действующих и строительство новых цехов, не только производство новых видов листового проката, но и освоение производства дополнительных продуктов, например, товарного металлургического кокса фракции 60+ мм, а также крупногабаритных литых изделий из чугуна.

Литейное производство – это древнейшее направление металлургического ремесла человечества [6]. Сейчас литейная отрасль – это отдельная ветка развития современной металлургии со своими задачами, вызовами и победами. Проблемы и задачи литейной промышленности как тесно связаны с металлургией в целом, так и порой лежат в кардинально противоположных плоскостях. Цели, ценности и приоритеты традиционной металлургии зачастую кардинально отличаются от литейной промышленности. Если на первом плане традиционной металлургии лежит задача стандартизации процессов, их автоматизации и сокращения временных и материальных затрат на производство (девиз «Быстрее, Больше, Дешевле»), то для литейной промышленности ввиду индивидуальных особенностей каждой отливки такой принцип применим только к крупносерийному производству однотипных отливок, да и то с оговорками, из-за индивидуальной формовки каждой отливки и различных условий производства даже в пределах одной плавки. Для всего остального литья во главу угла встают не производительность агрегатов, их автоматизация и сокращение времени простоев, а компетенции инженеров, конструкторов, технологов, литейщиков и квалификация рабочего персонала (формовщиков, плавильщиков и разливщиков).

Литейное производство АО «Уральская Сталь» основано в 1965 г. и изначально было ориентировано исключительно на производство запасных частей для собственных нужд комбината. Однако с течением времени, с переходом от плановой экономики к рыночной, возникла возможность вывода литых изделий на внешний рынок.

К сожалению, в 2000-х гг. литейное производство комбината было оставлено без внимания и частично оптимизировано, в результате чего было утрачено оборудование и технология производства ваграночного чугуна, а также ограничены возможности производства среднего литья.

Сегодня участок мелкого и среднего литья оснащен шеститонной дуговой сталеплавильной печью (ДСП) для выплавки чугуна и стали и индукционной печью для производства бронзы емкостью 2 т. Имеется собственное модельное производство.

При модернизации 2013 – 2015 гг. внедрена технология производства – опочная формовка по а-set ХТС процессу [7]. В 2017 – 2018 гг. было освоено производство литья из марганцовистых сталей для нужд горно-обогатительных комбинатов (зубья ковшей экскаваторов, брони и футеровки рудных мельниц), а также пройдена сертификация в ПАО «Газпром» и освоено производство линейки чугунных утяжелителей для трубопроводов.

В 2018 г. был организован по-своему уникальный участок крупногабаритного литья фасонно-литейного цеха (УКГЛ ФЛЦ). Изначально он был ориентирован на закрытие потребности комбината в металлургической посуде – шлаковых чашах – стальных отливках весом 25 – 30 т. Но создавался участок с перспективой выхода на рынок, и в 2019 – 2020 гг. начались поставки шлаковых чаш на предприятия России, СНГ, а также в Европу.

К 2022 г. новый участок вышел на проектную мощность – 10 тыс. т в год, и занял одно из ведущих мест среди производителей металлургической посуды в стране. В 2023 г. введена в эксплуатацию дробеметная камера с вращающимся столом диаметром 5 м.

Уникальность участка крупногабаритного литья заключается в технологии производства: металл для производства отливок поступает из электросталеплавильного цеха (ЭСПЦ) комбината, на сегодня это один из самых динамично развивающихся цехов комбината. В ходе последней реконструкции плавильных агрегатов (двух гибких модульных печей (ГМП) объемом по 120 т) в 2018 – 2019 гг. появилась возможность производства стали в электродуговой печи не только из металлолома, но и из 100 % жидкого чугуна (первородного сырья), а это помимо существенного снижения себестоимости металла ведет и к сокращению нежелательных примесей в его составе.

На фоне общемировой тенденции перехода к производству стали электроплавкой на мини-заводах возникла проблема постепенного насыщения лома, находящегося в мировом обороте, такими, зачастую нежелательными компонентами, как медь, цинк, олово [8]. Выплавка стали из 100 % жидкого чугуна не только в конвертерах, но и в электропечах комбинатов полного цикла несколько снижает остроту данной проблемы.

В своем составе ЭСПЦ имеет:

– две установки ковш–печь, 100 % металла подвергается усреднительной продувке инертным газом (аргоном);

– камерный вакууматор, в котором проходит обработку до 95 % всего металла.

Сталь разливается на слябовой МНЛЗ с сечением сляба 220/270×1200 мм для нужд листопрокатного производства, а также в товарную заготовку длиной до 11 м, сечением 300×300 мм или диаметром 450, 540, 600 мм на сортовой МНЛЗ. Дополнительно ЭСПЦ производит металл по заказу литейного производства. Соответственно, жидкая сталь для крупногабаритных отливок, которая поступает из ЭСПЦ на УКГЛ ФЛЦ, благодаря высокотехнологичному составу оборудования цеха и современным технологиям имеет более высокое качество относительно традиционных литейных производств.

Влияние ситуации в мире поставило перед предприятиями страны задачи необходимости адаптироваться к новым рыночным условиям, решение которых стало толчком в наращивании компетенций и развитии технологий внутри страны. Так, в 2022 г. на АО «Уральская Сталь» было намечено новое направление развития литейного производства: сотрудничество с российскими компаниями в области производства крупногабаритных отливок весом более 110 т из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (ВЧШГ) [9].

По результатам аудита крупных литейных предприятий АО «Уральская Сталь» была выбрана приоритетной площадкой для начала освоения нового производства. Причинами такого решения стали оптимальные и по-своему уникальные технологические параметры производства комбината, простая организационная структура и заинтересованность персонала. Первичный аудит и дальнейшие переговоры показали коллективу комбината потенциал участка крупногабаритного литья ФЛЦ и технологии производства отливок в целом.

Вызовы, с которыми столкнулись специалисты сталеплавильного и литейного производств АО «Уральская Сталь» на пути освоения новой продукции:

– отсутствие опыта производства отливок весом свыше 40 т;

– отсутствие опыта производства ВЧШГ;

– отсутствие опыта и технологии производства жидкого чугуна для крупногабаритных отливок в условиях сталеплавильных агрегатов ЭСПЦ;

– отсутствие опыта производства крупногабаритных массивных отливок с толщиной стенки более 130 мм;

– отсутствие опыта лабораторных исследований и испытаний для аттестации ВЧШГ.

Материал и методы исследования

К решению поставленной задачи коллектив комбината приступил последовательно, разделив ее на этапы, которые постепенно раскрывали дополнительный потенциал предприятия.

Работы в 2022 г. начали с освоения производства отливок из ВЧШГ на участке мелкого литья. Была разработана технологическая схема модифицирования, схема футеровки разливочного ковша, проведен подбор модификаторов. В результате первых опытных работ были получены отливки для собственных нужд комбината из чугуна марки ВЧ40 по ГОСТ 7293 [10]. Отливка из первых опытных работ стала экспонатом музея комбината (рис. 2).

Затем в 2023 – 2024 гг. начали принимать заказы и отрабатывать технологию производства уже на коммерческих отливках. На текущий момент участком мелкого и среднего литья успешно произведены и отгружены отливки из чугуна марок ВЧ40 и ВЧ50 весом свыше 4 т.

Параллельно разрабатывалась технология производства крупногабаритных отливок из чугуна. Решение задачи по производству жидкого чугуна для отливок с учетом специфики производства металла для участка крупногабаритного литья стало настоящим вызовом для коллектива. Освоение начали с производства в 2022 г. отливки «шабот» из стали марки 08ГДНФЛ, массой 87,5 т (рис. 3).

Далее разработали и опробовали уникальную технологию производства жидкого чугуна для отливок в дуговых гибких модульных печах ЭСПЦ из жидкого чугуна доменного цеха. Разработка технологии производства привела к оформлению нескольких заявок на патенты и в настоящее время уже обеспечила вывод на рынок нового для комбината вида продукции – крупнотоннажных отливок из серого чугуна, а также очередной рекорд литейного производства – выпуск отливок массой 92 и 114 т (рис. 4). За 2023 – 2024 гг. отгружено более 500 т крупногабаритного чугунного литья [11].

Следующим этапом стало освоение в 2024 году производства крупногабаритных отливок из ВЧШГ. Эта задача поставила перед коллективом новые вызовы, в частности из-за кратковременного действия эффекта модифицирования пришлось решать задачу по сокращению времени от модифицирования расплава магнийсодержащими материалами до начала разливки и сокращать время наполнения литейных форм.

Для решения этой задачи также были применены уникальные технические решения, разработанные совместно с российскими компаниями из Тулы и Магнитогорска. Итогом данной работы стало успешное производство элементов литой оснастки из ВЧШГ (четырех отливок массой более 40 т) для последующего изготовления литейной формы – кокиля, следующего этапа – освоения производства кокильного литья из ВЧШГ массой более 120 т. Отливки жидким весом более 50 т производились парами в условиях, максимально приближенных к технологии производства следующего этапа. Исследования механических свойств и микроструктуры отливок из ВЧШГ показали получение шаровидного графита и соответствие отливок чугуну марки ВЧ40 по ГОСТ 7293.

Выводы

В настоящее время АО «Уральская Сталь» динамично развивается. Один из приоритетов развития предприятия – расширение литейного производства. Коллектив новотроицких металлургов идет в ногу со временем и готов решать непростые задачи потребителей, нацелен на долгосрочное и взаимовыгодное сотрудничество.

Исследования материала отливок из ВЧШГ показали, что разработанная технология производства обеспечила получение ВЧШГ марки ВЧ40, а проведенная механическая обработка отливок (г. Петрозаводск) и последующее проведение ультразвукового контроля показали отсутствие литейных дефектов.

Результатом всей этой большой работы станет не только расширение номенклатурной линейки продукции АО «Уральская Сталь», но и повышение уровня технологического суверенитета страны за счет наработки новых компетенций специалистами комбината.

На этом развитие литейного производства не останавливается, запланирована и уже начата реализация мероприятий по расширению полезной площади участка крупногабаритного литья, что позволит выйти на серийное производство крупногабаритных отливок из чугуна без снижения производительности по стальному литью. В рамках развития участка мелкого литья также рассматриваются варианты освоения новых продуктов и модернизация производства.