Какие плавильные печи есть у «Норникеля»?

Производство цветных металлов, в частности, меди и никеля – это очень сложная цепочка взаимосвязанных технологических процессов, которая начинается с горнодобычи, а завершается аффинажем. Но ключевым, самым энергоемким и заметнее всего влияющим на экологию звеном в ней является пирометаллургический передел. Поэтому главным технологическим оборудованием любого металлургического комбината, и российские предприятия «Норникеля» на Таймыре и в Мурманской области здесь не исключение, являются плавильные печи. 

Эти огромные агрегаты, на самом деле, состоят не только из самой печи (рабочего пространства с устройством для генерации теплоты), но и различного вспомогательного оборудования (вентиляторов, дымососов, трубопроводов с клапанами и задвижками, контрольно-измерительных приборов, систем автоматического управления и т.д.). В состав печных агрегатов входят устройства для утилизации теплоты (например, для производства пара) и для очистки (или улавливания) отходящих из печей дымовых газов. А также высокие дымовые трубы – рекордсмен среди промпредприятий в мире, более 380 метров, стоит на никелевом заводе Inco Superstack в канадской провинции Онтарио. «Кислород.ЛАЙФ» много пишет об энергетике; если сравнить металлургический комбинат с ТЭС, то плавильные печи – это примерно то же самое, что котлоагрегаты. В том числе и в связке с трубами. 

Именно в печах, собственно, и происходит главное таинство металлургии – плавка рудных концентратов, поступающих с обогатительных фабрик (в виде т.н. шихты, то есть в смеси с флюсом), с получением жидкого полупродукта – на предприятиях цветмета штейна, сплава сульфидов железа и цветных металлов. За редким исключением, это – обязательная стадия в технологических схемах получения никеля и меди пирометаллургическим методом. Пройдя сквозь конвертерный передел, как правило, расположенный в том же плавцехе, штейн превращается в файнштейн, разделяемый в процессе дальнейшей флотации на медный или никелевый богатые концентраты, или же, на медных заводах, в черновую медь. На следующем этапе – рафинировании – все это подвергают самостоятельной переработке, очищая от всевозможных примесей. И получают конечные продукты. 

В плавильных цехах, кроме основных печей, которые выдают штейн, и конвертеров, где производится файнштейн (или черновая медь), работают и другие печи – обеднительные, анодные и др. Первые нужны, например, для доизвлечения металлов из конвертерных шлаков (этот побочный продукт плавки не всегда оправданно просто складировать на отвалах). Вторые – для получения специальных отливок – медных анодов, которые затем отправляют на электролиз и получают медные катоды. О том, с каких печей начиналась пирометаллургия меди и никеля в СССР и какие плавильные агрегаты «Норникель» использует в настоящее время, в материале «Кислород.ЛАЙФ».

Кроме этого главного текста, в него встроены две врезки - про печи Ванюкова на Медном заводе (ссылка) и про ПВП - на НМЗ (ссылка). Эти же ссылки - под таблицей.

Немного теории

Плавильных агрегатов в мировой металлургии – огромное количество. Главная особенность таких печей – в том, что исходные материалы в них обязательно меняют свое агрегатное состояние (бывают еще печи нагревательные, в которых сушат руду или придают металлу определенные формы – например, заготовки для будущего рельса; но в них ничего не плавят). Именно поэтому для человека, далекого от металлургии, сам процесс плавки выглядит настоящим волшебством, адской кухней, которая и пугает, и завораживает одновременно. 

В учебниках для металлургов плавильные агрегаты разделяют, например, по режиму работы (непрерывного или периодического действия), по форме рабочего пространства (вертикальное у шахтных и горизонтальное у пламенных печей) и т.д. Но, пожалуй, основное типологическое различие между печами – в способе генерации теплоты. На этом основании выделяют всего на три вида агрегатов – топливные, электрические и автогенные. В первом и втором случае с источником все понятно по названию, а вот автогенный процесс – поистине уникален, ведь происходит он за счет внутренних энергетических ресурсов самого сырья, без использования угля, газа или электроэнергии. 

Очевидно, что автогенная технология плавки – наиболее ресурсосберегающая, она априори обеспечивает высокую степень комплексности использования сырья и надежную защиту окружающей среды от вредных выбросов. Абсолютно автогенный процесс, изобретенный еще в XIX веке – это конвертирование: продувка воздуха через слой штейна в конвертерах, с добавлением флюса (это такой особый песок), который «связывает» железо и выводит его из расплава. Процесс этот ведут до тех пор, пока в раскаленной и вязкой жиже не останется 3,5% железа (соответственно, в файнштейне возрастет доля содержания цветных металлов).

Как объяснил «Кислород.ЛАЙФ» Леонид Крупнов, главный металлург Заполярного филиала «Норникеля», между плавильной печью и конвертером существует непреодолимое различие: «Печь плавит твердую шихту, а в конвертер заливают штейн – жидкий расплав, который остается только продувать воздухом и окислять. Но сам рудный концентрат, твердый и сухой, предварительно надо где-то расплавить – вот плавильные агрегаты за эту стадию и отвечают». 

Вся история развития пирометаллургии – это, на самом деле, планомерное движение к максимально возможной автогенности именно при плавке исходного рудного сырья. Кстати, знаменитые мартеновские печи, у которых наша Родина не смыкала очей, металлурги считали переходным видом – в них наряду с выделением теплоты сгорания топлива тепловыделение шло и от окисления углерода и других элементов, «плававших» в жидкой ванне. А в анодных топливных печах на медных заводах незначительный приход тепла также осуществляется на окислительной стадии за счет продувки кислородом загруженной шихты в печь и окисления примесей и меди. 

Плавка основных металлов на предприятиях «Норникеля», пройдя долгий путь длиной в 85 лет (именно такой юбилей в этом году отмечает компания), давно уже базируется, в основном, на автогенных процессах. Дело в том, что при производстве цветных металлов из сульфид-содержащего сырья, характерного для руд Таймыра и Кольского полуострова, основным источником генерации тепла становится… сама сера, которая в буквальном смысле «выгорает» в ходе экзотермических реакций окисления сульфидов (в первую очередь, сульфидов железа) в перерабатываемой шихте, а также реакций шлакообразования. В качестве окислительного реагента плавильщики «Норникеля» используют обогащенное кислородом дутье (на других комбинатах применяют и другие способы – например, нагретый до высокой температуры воздух или технический кислород). В итоге рудные концентраты обогатительных фабрик Заполярного филиала и Кольской ГМК, это «грязное» сырье с точки зрения экологии, становятся не только источником получения ценных компонентов (меди, никеля, цинка, кобальта, серы, железа, благородных металлов), но и, по факту, энергетическим топливом. По некоторым расчетам, теплота сгорания 1 кг высокосернистых руд составляет порядка 6000 кДж, что соответствует сгоранию 0,2 кг условного топлива. Вот и считайте энергоэффективность такой плавки! 

После остановки в конце этого года плавцеха в пос. Никель в Мурманской области, где еще работают две из трех рудно-термических электропечей (РТП), плавильные мощности «Норникеля» останутся только в Норильском промрайоне. А там, после закрытия в 2016 году Никелевого завода, где работали схожие с печенгскими РТП, остались в работе только автогенные печи, которые различаются лишь по методу сжигания рудных концентратов. На Медном заводе – в расплаве, легендарных печах Ванюкова (т.н. «плавка в жидкой ванне»). На Надеждинском металлургическом заводе – в факеле, печах взвешенной плавки (финские ПВП, доработанные норильскими металлургами в 1980-х). Но так было не всегда. Плавильный передел на медно-никелевых заводах в СССР начинался с шахтных печей, наиболее «древнего» способа получения различных штейнов.

Медный завод: печи Ванюкова

Отдельная тема – судьбы Медного завода и Надеждинского металлургического комбината в Норильске, самых мощных предприятий в структуре «Норникеля», на которых еще в 1980-х удалось успешно внедрить разные автогенные процессы. Как на предприятии, где изначально работали традиционные отражательные печи, удалось построить чуть ли не единственные в России печи плавки в жидкой ванне, которые в те годы считались экспериментальной технологией и чуть ли не авантюрой?
Подробнее по ссылке.

Начинали с ватержакетов... 

Первый советский никель был получен в 1928 году в Свердловске на специальной установке, построенной под руководством профессора Николая Барабошкина, которого считают создателем аффинажного производства в России. Тот никель по своему химическому составу не уступал заграничному. Результаты опытов легли в основу проектирования первого в Советском Союзе Уфалейского завода, стройку которого в 1932 году, по традиции, назначили ударной. Продукцию это предприятие выдало уже в феврале 1934-го. Завод в Уфалее, нареченный наркомом Серго Орджоникидзе «кузницей никельщиков», стал базой для дальнейшего развития никелевой промышленности СССР (компания «Уфалейникель» прекратила деятельность к 2016-м). 

Однако перерабатывали там уральскую руду, которая относится к классу силикатных окисленных никелевых руд. А в недрах Монче-тундры и Таймыра к тому времени уже были обнаружены богатейшие залежи сульфидных медно-никелевых руд. Опыта переработки столь богатого сырья у молодого советского государства не было, да и в мировой индустрии эффективных технологических решений тогда не проглядывалось. Пришлось действовать ва-банк и нарабатывать практику по ходу пьесы, ориентируясь, в том числе, на богатые компетенции «черных» металлургов и медеплавильщиков (никель при плавке ведет себя схоже с медью). Дело представлялось стратегически выгодным, поскольку вместе с никелем в штейны переходили и другие ценные компоненты – кобальт, платиновые металлы, золото и серебро. Достигнуть успеха удалось, естественно, только с использованием ресурсов ГУЛАГа и при небывалой самоотдаче специалистов самого разного профиля.

К концу 1930-х в СССР стартовало строительство комбинатов на Кольском полуострове («Североникель»), в Норильске и в Орске (Оренбургская область; «Южуралникель» был остановлен в 2012 году). Один из проектантов комбината в Мончегорске, участник пуска электролитного цеха Дмитрий Диомидовский, в будущем – автор уникального учебника «Металлургические печи цветной металлургии» (актуального до сих пор!), отмечал, что на этапе проектирования, строительства и запуска «Североникеля» предстояло создать «законченную схему переработки богатых руд, обеспечивающую получение катодного никеля высокой чистоты, черновой меди, металлического кобальта и металлов платиновой группы (в виде шламов)». «Все эти процессы являются для союзной металлургии совершенно новыми», - подчеркивал ученый.

(Одновременно с Мончегорском эти процессы осваивали и в финском Петсамо, на том же Кольском полуострове. Но об этом чуть ниже). 

И на «Североникеле», и на Норильском комбинате для плавки руды изначально строили ватержакеты – шахтные плавильные агрегаты с водяным охлаждением, которые были сконструированы в 1880 году в США Джоном Брауном Фрэнсисом Герресгоффом. Как объяснил «Кислород.ЛАЙФ» главный эколог Кольской ГМК Михаил Шкондин, выбор в пользу этих топливных печей, сжигавших уголь, в случае с Мончегорском был обусловлен составом перерабатываемой руды – жильной, с высоким содержанием сульфидов цветных металлов и железа, которая оказалась достаточно легкоплавкая (до 1000 градусов Цельсия): «С точки зрения металлургии шахтная печь энергетически самая эффективная, так как горячие газы из зоны плавки внизу печи проходят через весь столб шихты, которая висит в шахте над зоной плавки, и нагревают ее, что энергетически очень полезно для последующего процесса плавки, в который шихта поступает с температурой градусов 600, а не холодная, как в рудно-термические печи. Но эта схема эффективно работает только при наличии процесса рудоразбора, в котором жильная руда отделяется от пустой породы. При попадании большого количества пустой породы в этот вид плавки печь требует в шихту дополнительного количества кокса, который, сгорая, увеличивает температуру процесса. А если его не добавлять, печь начинает «козлить» (застывать) в том или ином месте в зоне плавки, что очень нехорошо для всего процесса. А если «козлит» вся печь, то ее приходится гасить, разбирать, вырубать спекшегося «козла» и восстанавливать заново. Это накладно. Но при объемах выпуска никеля и меди по две-три тысячи тонн в год комбинату хватало ватержакетов».

Технологическая схема «Североникеля», датированная 1939 годом, сегодня покажется сложной даже специалистам. Кроме двух шахтных печей, на комбинате установили два горизонтальных конвертера и два котла для разделения расплава. Конечными продуктами комбината поначалу были огневой никель и черновая медь, поэтому и печи, и конвертеры работали сразу на две цепочки. Самая длинная была построена именно «под никель» – файнштейн разделяли в котле, затем – в многоподовой печи Герресгофа, трубчатой печи и электропечи переменного тока РНБ (редукционно-наклонная бочка). На тот момент схожие схемы были реализованы и для переработки окисленных уральских руд на предприятиях в Орске и Уфалее.

Отличием предприятий в Мончегорске (и Норильске) было наличие стадии обязательного рафинирования огневого никеля (при получении никеля из окисленного сырья она была не обязательна). Электролиз после предварительного отделения меди позволял не только получать никель высокой чистоты (до 99,99% Ni и более), но и извлекать кобальт, благородные и редкие металлы в удобные для дальнейшей переработки продукты – кобальтовые кеки и электролизные шламы. 

Первый ватержакет, как указано в книге «Никель земли Кольской», был задут в Мончегорске 10 октября 1938 года; а уже 23 февраля 1939 года первый огневой никель «Североникеля» полился из электропечи РНБ в чугунные изложницы.

В Норильске первый медно-никелевый штейн на малом металлургическом заводе был получен 10 марта 1939 года. До 1948 года в плавцехе, на базе которого в дальнейшем вырос легендарный Никелевый завод (НЗ), работали шахтные печи производительностью 10 тонн.

И на Таймыре, и в Мончегорске сначала использовалась разделительная плавка (т.н. Орфорд-процесс), которая обходилась довольно дорого. Только в 1950-е ее удалось заменить на флотационное разделение файнштейна: в 1951 году этот способ был внедрен на Норильском ГМК, а в 1956 году – на «Североникеле».

Переработка меди завершалась, как и сейчас, выплавкой анодов и электролитическим рафинированием, с получением медных катодов.

...продолжили на РТП

В дальнейшем, примерно в конце 1940-х – начале 1960-х, шахтную плавку на никелевых заводах в Мончегорске и Норильске стали постепенно вытеснять более эффективной для того времени рудно-термической – РТП работали на электроэнергии. По некоторым расчетам, себестоимость плавки в таких печах была более чем в два раза ниже, чем в ватержакетах. «В РТП грузится шихта (смесь различных материалов, содержащих цветные металлы, флюс и восстановитель). Основным компонентом шихты служат брикеты, получаемые в процессе обогащения медно-никелевых руд. В результате плавки получают два продукта: штейн и отвальный шлак. Штейн идет на конвертирование, отвальный шлак гранулируют потоком воды и складируют на специально отведенных площадях. Газ, получаемый при плавке шихты, проходит очистку от пыли в пылевой камере и выбрасывается в атмосферу через дымовую трубу», - описал процесс электроплавки Олег Климук, начальник плавильного цеха Кольской ГМК. 

Смена технологии была, в том числе, обусловлена постоянным ростом объемов выпуска конечной продукции, а также изменившимся качеством сырья – оно стало хуже. Михаил Шкондин называет это «разубоживанием жильной руды»: «С окончанием войны комбинат стал добывать не только жильную, очень богатую руду, но и мелковкрапленные руды, которые имеют большое количество пустой породы и требуют много тепла на ее проплав. А этого можно было достигнуть тогда только на РТП». 

По словам главного металлурга ЗФ «Норникеля» Леонида Крупнова, главным недостатком шахтной плавки был крайне бедный штейн, который «сильно нагружал конвертерный передел по физической массе». «Свары происходили, «козление» печей. Рудно-термическая плавка стала тогда прорывом – такие печи были более управляемыми, более автоматизируемыми, а также, в тех реалиях, более экологически чистыми. Шахтные печи в принципе не поддавались никакой автоматизации – в них шихту загрузил в правильной пропорции, и дальше как получится – она плавится, что получится, то и выгрузишь. При этом у шахтных печей было хорошее свойство – на выходе получались довольно бедные шлаки отвального качества, за счет того, что и штейны были бедные. Но РТП обеспечивали такое же качество шлака, то есть эффективность плавки, при более высоком качестве штейна. Что и позволяло разгрузить конвертеры». 

Первые две РТП мощностью по 7,5 МВТ каждая на «Североникеле» запустили в 1946 году (практически одновременно с запуском комбината «Печенганикель» в той же Мурманской области, об этом – ниже), третью такую же – в 1949 году. Правда, тогда же на предприятии заработала и новая шахтная печь. Но мощности РТП постоянно росли, к 1962 году их оснастили трансформаторами по 30 МВт каждый. В то время руды Монче-тундры комбинат уже отработал, и его стали грузить печенгской рудой из Заполярного. А позже – и рудой с Таймыра. 

Постоянное совершенствование рудно-термической плавки позволило полностью отказаться от шахтных печей только в 1960-х. На Никелевом заводе в Норильске реконструкция плавильного передела (строительство РТП мощностью 33 МВт, демонтаж ватержакетов) прошла в 1959-1961 годы. На «Североникеле» это сделали в 1966 году (полностью демонтировали шахтные печи к 1972 году). Одновременно возникла необходимость дорабатывать и шлаки, образующиеся после их промывки металлизированным штейном в конвертере: в дополнение к РТП пришлось строить обеднительные электропечи (ОЭП). Первую ОЭП на Никелевом заводе в Норильске запустили в 1968 году, на «Североникеле» - в 1969-м.

Для такой пирометаллургии требовались огромные энергомощности, что предопределило пути развития энергосистем и в Мурманской области, и на Таймыре; если вначале в основе генерации лежал уголь, то в дальнейшем – гидро- и газовая энергетика (а на Кольском полуострове – еще и атомная).

НМЗ: выбор в пользу ПВП

В отличие от других никелевых и медных комбинатов в СССР, Надеждинский металлургический завод в Норильске, крупнейший в мировом Заполярье, сразу проектировался под автогенные агрегаты – печи взвешенной плавки. На тот момент эта технология считалась самой продвинутой в мире; более того, финская компания Outokumpu предлагала СССР абсолютно готовое решение «под ключ». 

Подробнее по ссылке

Особняком в этих процессах стоит комбинат «Печенганикель», который был построен на обломках разрушенного фашистами канадско-финского предприятия «Петсамо Никель» после того, как территории Печенского района вошли в состав СССР. Здесь сразу же после войны, в 1946 году, запустили две РТП по 12 МВт. В дальнейшем на комбинате построили еще две РТП по 45 МВт и две печи обеднения по 15 МВт. Первый штейн предприятие выдало 7 ноября 1946 года; 18 ноября в Никеле была произведена первая зарядка 80-тонного конвертера типа Пирс-Смита, и уже на следующий день получен первый файнштейн. До «лихих» 1990-х два комбината на Кольском полуострове работали то вместе, то врозь, в том числе долгие годы перерабатывали руду, поступавшую с Таймыра. 

Как вспоминает Михаил Шкондин, постоянно возраставшие объемы производства, особенно в Мончегорске, привели к фактическому «выжиганию» окрестной природы. Тем более что норильская руда оказалась более сернистой, чем печенгская, что потребовало разработки технологий утилизации выбросов диоксида серы от пирометаллургии. Первые две нитки сернокислотного цеха на «Североникеле» начали строить еще в 1963-м, а запустили в 1967-м. Через 11 лет к ним добавили еще две нитки, позже – еще и пятую. В итоге общая мощность по выпуску серной кислоты, цех которой расположен аккурат между плавильным и рафинировочным переделом на «Североникеле», достигала 320 тыс. тонн в год! Уровень утилизации серы составлял 52-54%, что полностью отвечало требованиям Женевской конвенции по кислым газам 1979 года. Все это позволило существенно снизить воздействие комбината на экологию – к периоду «развитого социализма», когда казалось, что коммунизм уже достижим, эти вопросы в общественном сознании стояли очень остро. 

Тогда же на «Североникеле» начали строить и собственные агрегаты автогенной плавки (ААП) – исключительно под норильские рудные концентраты (в руде, поступавшей из рудников Заполярного, было много тугоплавких компонентов, что делало ее менее «автогенной»). Первый, рассчитанный на переработку 250 тыс. тонн в год, запустили в 1985 году в блоке с ОЭП мощностью 15 МВт; второй, на 160 тыс. тонн, годом позже. Но в конкуренции с РТП эти вроде бы более продвинутые печи проиграли, причем по сугубо субъективной причине. «На планерках в плавцехе обстановка тогда сильно обострилась, доходило до драк между плавильщиками из основного пролета, где работали РТП и печи обеднения, и «автогенщиками», как их тогда называли. Причина была в том, что норильская руда на ААП с наименьшими трудозатратами давала большой выход штейна и получаемого из него файнштейна, от которого считалась зарплата переделов. Во многом из-за такой атмосферы ААП №2 пришлось остановить года через три после запуска. А потом пришли 1990-е, работа государственного механизма СССР была нарушена, соответственно, снизились и объемы норильской руды, привозимой в Мончегорск. Да и вообще стало не до конфликта технологий», - вспоминает Михаил Шкондин.

В 1998 году, после образования Кольской ГМК и перехода двух комбинатов в Мурманской области под крыло «Норникеля», плавильный передел на «Североникеле» решено было полностью закрыть. Тем более что к тому времени комбинат, растерявший собственную рудную базу, стал крупнейшим рафинировочным заводом в стране. Кстати, и сейчас промплощадка КГМК в Мончегорске является базовым центром рафинирования всего «Норникеля». Три печи РТП по 30 МВт, две обеднительных печи по 15 МВт, а также работавший ААП №1 в блоке с ОЭП №8 были остановлены и законсервированы.

Плавка печенской руды с тех пор осталась только в пос. Никель, где на базе комбината «Печенганикель» был создан плавцех КГМК. До прошлого года там работало три РТП; одну уже остановили, две оставшиеся погасят до конца 2020 года и после этого демонтируют. Глава «Норникеля» Владимир Потанин объяснил это решение тем, что «сегодняшний мир диктует другие требования к технологиям», продолжение электроплавки на границе с Норвегией в новые экологические реалии явно не вписывалось.

Нынешним металлургам Никеля выпала печальная участь своими руками поставить точку в истории «Печенганикеля». По словам Олега Климука, «перед остановкой печи производится ее «оплавление», то есть выбирается вся шихта из печных бункеров, далее печь работает без загрузки свежих порций шихты. Максимально расплавляется гарнисаж (защитный слой шихты на стенах печи) и подовая настыль (тугоплавкие компоненты шихты на подине печи). После этого скачивается шлак и штейн, а печь отключают от подачи электроэнергии. В Никеле все РТП будут разобраны. Остатки застывшего расплава и пропитанная расплавом огнеупорная футеровка печей будет отправлена в Норильск и переработана на других металлургических агрегатах для извлечения цветных металлов». 

Коллеги печенских плавильщиков из Заполярного филиала подобный опыт уже пережили. Никелевый завод в Норильске закрыли в 2016-м, все четыре его РТП, потреблявшие в сумме до 75 МВт, были разобраны и «вовлечены в оборот». «Частично – всякого рода медные изделия, кессоны, медные втулки, короткие сети, все что содержит мель, - отправили на переработку на Медный завод. Часть заставшего расплава – настыль, она никелевая, - на НМЗ. Бетонный бой, конструктив, кирпич – все это уже было утилизировано как строительный мусор», - рассказал «Кислород.ЛАЙФ» Леонид Крупнов.

Историческое решение о закрытии НЗ в Норильске было принято, в том числе, и по экологическим соображениям. Только автогенные технологии плавки позволяют получать богатые по содержанию диоксида серы отходящие газы, пригодные для утилизации. В отличие от «Североникеля», где еще в 1960-е освоили технологию получения из таких газов серной кислоты, на Медном заводе в Норильске после запуска печей Ванюкова было решено реализовать другую схему – производство элементарной серы: две нитки мощностью по 100 тыс. тонн в год каждая запустили еще в 1980-х. Это помогло снизить выбросы предприятия, которое, в отличие от НМЗ, находится ближе к центральной части Норильска. 

К сожалению, на НМЗ установки по утилизации отходящих газов, поставленные финнами в комплекте с ПВП, пришлось «выключить» еще в советские годы. Долгое время эффективного решения для улавливания этих выбросов найти не получалось. Но в феврале 2020-го в рамках «Серного проекта», масштабной экологической инициативы «Норникеля», на «Надежде» наконец-то началось строительство соответствующих установок. Отходящие газы ПВП будут утилизированы, как и на «Североникеле», в серную кислоту, но на НМЗ ее дальше будут нейтрализовать с помощью известняка в гипс (современное гипсохранилище построят в радиусе 3 км от НМЗ). Весь уникальный проект планируется запустить к 2023 году, это позволит снизить выбросы «Надежды» более чем на 80%.