Как помыслить великое

Уралмеханобр

80 лет назад институт Уралмеханобр начал работу над революционной для мировой черной металлургии технологией. Ее воплощением стал Качканарский ГОК, запущенный в эксплуатацию ровно 50 лет назад. Технические решения того времени сохраняют перспективы и востребованы на современном этапе развития горно-металлургической отрасли

30 сентября 1963 года произошло знаковое событие в мировой черной металлургии — заработал Качканарский горно-обогатительный комбинат, первый в мире металлургический гигант мощностью в 33 млн тонн руды в год, исходным сырьем для которого выступали ванадийсодержащие титаномагнетиты с низким содержанием железа. Мегапроект состоялся благодаря появлению уникальной технологии обогащения и агломерирования, созданной учеными института Уралмеханобр. Ее разработка началась в 1933 году, когда специалисты института провели первые лабораторные исследования по обогащению титаномагнетитов с горы Качканар, а завершилась в конце 1950-х беспрецедентными по тем временам промышленными испытаниями, в ходе которых на Красноярской фабрике было переработано 10 тыс. тонн качканарской руды.

На протяжении всех лет существования Качканарского ГОКа Уралмеханобр остается его научной опорой: сотрудники института выполнили 186 научно-исследовательских работ и разработали 60 проектов, причем последний закончен в 2012 году. Сейчас ГОК перерабатывает около 52 млн тонн руды в год, входит в пятерку крупнейших в России горнорудных предприятий и остается единственным поставщиком ванадиевой руды в стране.

Мощный импульс к развитию разработка технологии придала и самому Уралмеханобру. Институт давно и надежно входит в пул крупнейших научно-исследовательских и проектных учреждений России, по его проектам построено и введено более сотни крупных промышленных объектов, многие разработки сопровождает гордая характеристика «впервые» — в мире, в СССР, в России. В нынешний дважды юбилейный год мы собрались с ветеранами и сотрудниками Уралмеханобра, чтобы вспомнить, как проектировался ГОК, как создавалась уникальная технология и каковы ее перспективы в современной экономической ситуации.

Месторождение

Группа Качканарских месторождений содержит более 80% всех выявленных промышленных запасов железных руд Среднего Урала. Первая документальная информация датируется 1753 годом, первое описание выполнено российским академиком немецкого происхождения Петром-Симоном Палласом в 1770 году. Однако детальное изучение месторождений начато только в 40-х годах прошлого века. А из-за низкого содержания железа в качканарских рудах (16%, вдвое ниже среднего по стране) и присутствия вредной при плавке примеси титана к добыче и промышленному освоению месторождения не приступали до 60-х годов.

В послевоенное время для промышленного развития Урала остроту приобрела проблема обеспечения сырьем Нижнетагильского металлургического комбината (в то время Новотагильского металлургического завода), запущенного летом 1940 года. Мощности находящегося рядом Высокогорского ГОКа для него не хватало (запасы месторождений Тагило-Кушвинского района, разрабатываемые с начала XVIII века, к середине ХХ века в принципе истощились), и комбинат работал на дорогом привозном сырье. Исследования показали, что при необходимом масштабе новой фабрики даже разработка бедной титаномагнетитовой руды окажется выгоднее, чем постоянная доставка сырья. Месторождение под будущим Качканаром выигрывало за счет минимальных вскрышных работ и невысокого содержания в руде вредных примесей — серы и фосфора. Окончательно решение в пользу Качканара помогло принять обнаружение в его рудах ванадия, обладающего легирующими свойствами, и подтверждение возможности получения ванадийсодержащих продуктов металлургическим способом.

Технология обогащения

Первый проект Качканарского ГОКа, выполненный группой институтов, в том числе Уралмеханобром и Уралгипрорудой, и утвержденный в 1953 году, предполагал переработку 18 млн тонн сырой руды в год. В 1960 году его расширили до 33 млн тонн — для рентабельного освоения месторождения с бедной рудой потребовалось увеличить масштаб предприятия. В этой версии он и был реализован.

Генеральным проектировщиком Качканарского ГОКа выступал институт Уралгипроруда. Он отвечал за организацию работ на площадке, создание инженерной инфраструктуры, выполнение горной части проекта. Большие карьеры к тому моменту уже существовали (сейчас месторождение отрабатывается тремя: с 1959-го — Главным, с 1967-го — Западным, с 1971-го — Северным), в принципе это был традиционный даже по тем временам элемент проектирования. Но титаномагнетитовые месторождения никогда не вовлекались в значительный оборот. Поэтому истинным новаторством стало создание технологии обогащения — ее и разработали ученые Уралмеханобра. Идеологом и техническим руководителем проекта строительства Качканарского ГОКа был один из выдающихся инженеров-проектировщиков СССР, заместитель главного инженера института Уралмеханобр с 1942 по 1985 год Георгий Сладков.

Научиться получать из 15 — 16-процентной руды концентрат с приемлемыми показателями, отделять ванадий и бороться с титаном — это, говорят промышленники, и по нынешним временам достижение, которое мало кто решается тиражировать.

— Мы проводили много испытаний, — вспоминает Геннадий Нестеров, ветеран института, член группы разработчиков технологии, экс-заместитель директора института по научной работе. — Раз материал содержит железо, значит, можно применить магнитное обогащение — это довольно простая операция в сравнении, например, с флотацией. Но чтобы магнитное обогащение стало эффективным, надо хорошо обеспечить подготовку сырья. А руда очень бедная: в Казахстане на Соколовско-Сарбайском ГОКе, который строился примерно в то же время, хвосты содержат столько же железа, сколько исходная руда на Качканаре. Поэтому мы пробовали разные циклы дробления по нескольку стадий с классификацией сырья. Когда достигалось совсем тонкое измельчение руды, мы действительно полностью извлекали открытые зерна магнитным способом. Но из-за необходимости столь тонкого измельчения простая операция магнитного обогащения оказывалась дорогой.

Разработанный в итоге Уралмеханобром проект предусматривал производство концентрата по длительной и затратной схеме: четыре стадии дробления, стадия сухой магнитной сепарации, две стадии измельчения и три стадии мокрой магнитной сепарации. Кроме того, схема Качканарского ГОКа от обычного процесса обогащения магнетитовых руд отличалась гибкой системой подключения необходимого числа дополнительных мельниц в зависимости от качества поступающей руды и требуемого качества концентрата. В результате многостадийное магнитное обогащение позволило получать из бедных титаномагнетитовых руд высококачественные железо-ванадиевые концентраты (до 60% железа и 0,6% пентаксида ванадия) для агломерации и комкования.

На основании созданной технологии совместно с Уралмашем было разработано необходимое оборудование для дробления. Так появилось ядро и сердце проекта — обогатительная фабрика, выдавшая первый концентрат в июне 1963 года.

— На фабрике используются специально разработанные Уралмашем дробилки-гиганты 1500 на 300, — рассказывает Леонид Степанов, главный инженер проекта по Качканарскому ГОКу с 1962 по 1992 год. — В Качканаре стоят две таких, они стабильно работают с 1963 года. Существует, по-моему, во всем мире еще только две подобные дробилки: одна у металлургов в Китае, другая на алмазной добыче в Якутии.

Для размещения уникального оборудования потребовалось уникальное здание. Созданный корпус крупного дробления поражает масштабами: высота здания над землей составляет 40 метров, но при этом глубина корпуса — еще 60 метров.

Впечатлениями делится Зоя Стихина, главный конструктор строительного отдела института в 50 — 60-е:

— Я не технолог, я строитель, так сказать, субподрядчик в процессе создания ГОКа. Я делала корпус крупного дробления № 2. Конечно, не было никаких аналогов, а нам нужно было впервые просчитать производственный корпус 60 метров под землей и 40 метров высотой. Представьте, у нас не было компьютеров, только голова и логарифмическая линейка. Мы просто чувствовали конструкцию, ощущали внутри себя, как она работает; мы сами прощупывали все параметры нагрузок. Я смотрю, как сейчас проекты на компьютерах делают, мне кажется, что это примерно то же самое, что сдавать экзамены по системе ЕГЭ. Потому что ты не чувствуешь сущности этой конструкции. Мы же буквально жили своей работой, и были счастливы.

Высокие переделы

Следующий технологический передел Качканарского ГОКа — агломерирование концентрата — также спроектирован Уралмеханобром. Агломерационную фабрику в составе двух агломашин ввели в эксплуатацию в декабре 1964 года. Институт впервые разработал технологию агломерации тонкоизмельченных концентратов на ленточных агломашинах. Отсутствие опыта работы с подобной рудой привело к долгой отладке технологии: нужно было снижать влажность концентрата, стабилизировать количество и крупность горячего возврата и твердого топлива, совершенствовать режимы комкования, решать массу других задач. В итоге в 1977 году качканарскому агломерату первому в отрасли был присвоен Государственный знак качества. Но и в 1980-х работа над повышением качества агломерата (усилением механической прочности, стабилизацией химического состава) продолжалась.

Агломерационной фабрикой на Качканарском ГОКе, однако, не ограничились: в 1970 —1971 годах здесь запустили фабрику окатышей (четыре машины вводились попарно за два года), также разработанную Уралмеханобром. Оба типа продукции относятся к одному переделу, и обычно комбинат располагает либо агломерационной фабрикой, либо фабрикой окатышей. «Мы впервые в Советском Союзе на обогатительном комбинате смогли получать параллельно и агломерат, и окатыши», — подчеркивает Геннадий Нестеров.

Наличие ванадия и повышенное содержания титана потребовали изменения и в следующем — металлургическом — переделе. Для плавки титаномагнетитовых окатышей и агломерата специалисты Уралмеханобра в 1950-х годах разработали революционную по тем временам технологию передела ванадиевого чугуна дуплекс-методом (процесс производства чугуна и стали, ведущийся последовательно в двух плавильных агрегатах). В итоге в конце 1961 года было сформировано государственное задание на строительство в Нижнем Тагиле огромного кислородно-конверторного комплекса: трех 130-тонных конвертеров, миксерного отделения, шихтового и шлакового дворов, цеха разделения воздуха и градирни. Всего 47 зданий, которые заняли площадь 50 га.

Модернизация и развитие

Почти сразу после выхода на проектные мощности на Качканарском ГОКе началась модернизация. В 1970 — 1980 годах производственная мощность комбината по сырой руде была постепенно увеличена до 40 млн тонн — это второй этап развития. На третьем этапе реконструкции, который завершился к 1988 году, достигнута мощность в 45 млн тонн сырой руды (8,2 млн тонн концентрата) в год.

— Еще на самом первом оборудовании обогатительной фабрики мы добились всех требуемых качественных и количественных показателей обогащения и даже повысили содержание железа в концентрате до 63%, — вспоминает Геннадий Зайцев, который в 60-х годах входил в группу разработчиков технологии, заведовал лабораторией промышленных испытаний. — Потом начали совершенствовать технологии на новом оборудовании. Например, на Качканаре впервые освоили сепараторы на постоянных магнитах и барабанные сепараторы ПБМ90/250. Затем вместе с институтом Гипромашуглеобогащение разработали еще три типа сепараторов. Все они пошли в серийное производство, а на Качканаре работают и сегодня. В результате мы снизили содержание железа в хвостах на процент. Это очень высокие цифры: в то время Качканар перерабатывал более 40 млн тонн руды в год, и такое увеличение давало серьезный экономический эффект.

— Фабрику окатышей пустили в 1970 году, — продолжает Леонид Степанов. — Она в таком виде проработала почти 20 лет. Но в середине 1980-х встал вопрос о новой технологии получения окатышей с большим содержанием железа. Фактически фабрику нужно было переделывать — менять машины. И вот тут началась еще более плотная работа с Уралмашем. Нужно было не просто разработать оборудование, но и втиснуть его в существующие корпуса. Например, прежние комкователи были диаметром 6 метров, а новые — 7,5. Из-за этих ограничений у качканарской технологии появились специфические особенности. Но в результате реконструкции в 1987 — 1992 годах производительность фабрики повысилась с 2,8 до почти 5 млн тонн окатышей в год.

В институте говорят, что сегодня можно развивать эту технологию для сходных по характеристикам месторождений: огромные запасы бедных титаномагнетитовых руд требуют повышения комплексности использования. В настоящее время из руды извлекают только железо и ванадий — это примерно 20% содержащихся в ней полезных ископаемых. Вместе с тем руды являются источником скандия, галлия, титана, а возможно, и благородных металлов: еще в 1950-х Уралмеханобр провел оценку обогатимости руд и выявил принципиальную возможность извлечения титана и платины. В 1960-х проводились исследования по извлечению платины, золота и титана из хвостов мокрой магнитной сепарации. В 1972-м на второй технологической секции обогатительной фабрики ГОКа построена опытно-промышленная установка по извлечению этих металлов из хвостов. А к 1985-му группа разработчиков, включающая специалистов ГОКа и Уралмеханобра, создала новую схему комплексной переработки хвостов обогатительной фабрики, позволяющую получать оксид скандия, платино-золотой, сульфидный и ильменитовый концентраты. В промышленных масштабах эти технологии пока не реализованы.

Дополнительная информация.
 

Качканар по-узбекски

Уралмеханобр работает над проектом, который может стать «новым Качканаром», рассказывает директор института Юрий Кривоносов.

— Юрий Сергеевич, что дал качканарский проект Уралмеханобру?

— Создание такого предприятия — это серьезное достижение и высокий авторитет. Сейчас у каждого поколения проектировщиков есть цель и мечта — иметь свой Качканар.

— А каково сейчас положение в институте? Есть новые мегапроекты?

— В стране строится мало новых объектов, и они не серийны. (Кстати, в мире активно вкладывается в металлургию только Китай. Там проектируют предприятия и для себя, и для всего мира; делают заводы в Центральной Африке, в ЮАР, Австралии, Канаде, Америке.) Поэтому каждый объект, каждое предприятие, каждое поручение приходится выполнять с чистого листа. Они уникальны, но только в данном случае это негатив, так как очень сложно наработать новый опыт и отточить навыки. Приходится заниматься то обогатительной фабрикой, то металлургическим цехом, то вообще объектами гидрометаллургии. Поэтому наш научно-исследовательский проектный институт прикладной тематики вынужден был несколько скорректировать курс и расширить профиль. Сегодня обогащение — одно из магистральных направлений в работе Уралмеханобра, наряду с горным и металлургическим. Поэтому мы можем проектировать предприятия горно-металлургического комплекса в полном объеме.

— Есть ли в институте проект, который может претендовать на роль Качканара нового поколения?

— Мы сейчас работаем в Узбекистане на Тебинбулакском месторождении — там может получиться проект как в Качканаре, один в один. Месторождение относится к тому же типу: руда такая же бедная, с высокой примесью титана, но очень близка к поверхности. Запасы огромные — счет на миллиарды тонн. Оно открыто в 1937 году, но до сих пор не разрабатывалось — дорого. Сейчас у государства есть необходимость в собственной сырьевой базе, в том числе и для Узбекского металлургического комбината.

Если там построят такой завод, это будет революция в экономике этой страны. Причем наши узбекские партнеры намерены сосредоточить в одном месте обогащение, агломерирование и плавку — это уже металлургический передел. То есть, по их представлениям, там должен вырасти не только горно-обогатительный, но и металлургический комбинат. По сути, желаемый ими объект — это одновременно Качканарский ГОК и НТМК вместе, производственный гигант с численностью 7 — 8 тыс. работников.

Мы предлагаем для Узбекистана классический дуплекс-процесс, который в связке Качканар — Тагил работает с 1960-х годов. В поисках технологии тамошние специалисты побывали в разных странах мира, но пока лучше нашей не нашли. Японские, украинские и южнокорейские разработчики считают этот проект нерентабельным и отказались от работы над ним. Австралийские ученые и инженеры из компании Rio Tinto говорят, что у них якобы есть что предложить для Тебинбулака, например, хотят попробовать адаптировать к титану технологию металлизации. Но в этом виде она в промышленных масштабах нигде не реализована — ни в Австралии, ни в Китае, поэтому у них нет конкретики и они затягивают с ответом.

— Вы говорите, что в стране строится мало промышленных объектов подобного масштаба. Может, время гигантских комбинатов прошло?

— Все определяется экономикой. Почему Качканар такой большой? Чтобы отработать рентабельно это месторождение, должны быть соответствующие объемы — это экономия на масштабе. Когда разговор с узбекскими специалистами только начинался, они хотели получить мощность в 500 тыс. тонн железа в год. Мы пересчитали: это примерно 5 млн тонн руды. И сразу сказали: забудьте, вам надо минимум 1,5 млн тонн железа по году плавить. Когда прикинули экономику, так и вышло: порог рентабельности — 1,5 — 2 млн тонн в год в зависимости от конъюнктуры.

— А какова цена такого монстра?

— Если считать по предлагаемой нами технологии, то стоимость самого производственного объекта составит около 3,5 млрд долларов. Еще где-то 10% от этой суммы понадобится на возведение инфраструктуры. Пока это относительно грубые расчеты, потому что мы не знаем, сколько по-настоящему будут стоить ресурсы: есть ли свободные энергетические мощности, готов ли Узбекистан отдать под этот проект свой газ (сейчас его экспортируют). До сих пор нет окончательного решения о расположении металлургического завода: специалисты из Узбекистана хотят ставить его в пустыне, но мы не советуем. Мы считаем, что на самом месторождении надо оставить добычу и обогатительный переделы с возможностью работать вахтой (Нукус в ста километрах) и не замахиваться на строительство города.

Сейчас мы подходим к концу этапа технологических обоснований и расчетов. Если правительство Узбекистана примет инвестиционное решение, в копилке института может появиться новый мегаобъект.

Время настало

Отечественная черная металлургия подошла к исчерпанию месторождений легкообогатимых руд, поэтому технология, разработанная Уралмеханобром для Качканарского месторождения, снова становится актуальной, уверена заместитель директора института по науке Галина Газалеева.

— Галина Ивановна, в чем уникальность качканарской технологии?

— Сложность качканарской титаномагнетитовой руды в том, что содержание железа низко, а титана — очень велико. Титан — вредная при плавке примесь: в домне образуются тугоплавкие соединения титана, которые способствуют зарастанию коксовой насадки и затрудняют транспортировку продуктов плавки. То есть специалистам нужно было разработать не только технологию обогащения, но и технологию плавки.

Мы это сделали. Во-первых, вывели отходы на ранних стадиях. Чтобы разгрузить фабрику, отходы бедной руды выводятся сразу после дробильно-сортировочного комплекса с помощью магнитной сепарации. Эти отходы, кроме всего прочего, еще используются в качестве щебня и песка — все дороги северного Урала отсыпаны ими.

— Качканарский ГОК, в основном, поставляет концентрат на Чусовской завод и Нижнетагильский комбинат. Он жестко привязан к двум этим предприятиям?

— В общем, да, потому что там отработан процесс плавки, он учитывает высокое содержание титана. На остальных заводах техпроцесс построен на основе обычной технологии доменной плавки. Хотя качканарский концентрат понемногу покупают и другие предприятия, его добавляют в небольших количествах в основную массу именно из-за повышенного содержания титана.

— В мире много титаномагнетитовых руд, активно ли их разрабатывают?

— Титаномагнетиты есть в Канаде, в Центральной Африке, в ЮАР, в Австралии. В разработке этих месторождений особенно активно ведут себя китайцы: в свое время они много приглашали уральских представителей на свои заводы. Сейчас Китай перерабатывает титаномагнетитовое сырье в больших объемах как у себя в стране, так и сотрудничает с канадцами и африканцами.

— А в России?

— У нас очень большие запасы титаномагнетитовых руд, но пока их не перерабатывают. Привыкли к тому, что есть другое сырье, с большим содержанием железа и отсутствием титана — магнетитовые и гематитовые руды. Их проще обогащать, проще плавить, естественно, и экономика предприятия лучше. Пока совсем не кончились легкообогатимые руды, переход к титаномагнетитам идет с трудом. Но эти запасы у нас фактически исчерпаны. Так что металлурги сейчас подошли к самой грани. И пара Качканар с Тагилом для них — это уникальный опыт.

Например, у того же Магнитогорского комбината уже нет своего сырья, он работает на сырье Соколовско-Сарбайского месторождения. И сейчас начинает первые шаги к разработке месторождений титаномагнетита. Это Суроямское месторождение, оно находится на Южном Урале, недалеко от Магнитки, у него параметры примерно такие же, как у Качканара, запасы там тоже миллиардные. Целый пояс таких месторождений есть на Урале. И сейчас их время настало.

— Но если начнется активная разработка титаномагнетита, металлургическим предприятиям нужно будет переоборудоваться?

— Да, проводить реконструкцию металлургического передела. Это недешево, да и перестраивать технологию всегда болезненно. Но стоять без сырья нельзя, так что придется активно двигаться в этом направлении.