Сочетание прогресса в индустриализации, интенсификации движения личного и общественного транспорта, механизации сельского хозяйства и появления массового потребления привело в XXI веке к повышению спроса на все металлы. В некоторых богатых странах удельный расход металла (на душу населения или на единицу ВВП) стабилизировался, но, как будет показано далее, наблюдался и абсолютный спад. Железо, преимущественно в составе стали, остается основным металлом XXI века; к 2000 году мировая добыча и производство железной руды, чугуна и стали достигли новых рекордов. Так, масса добываемой руды составила 1 миллиард тонн в год. По этому показателю железо уступило только ископаемым видам топлива и сыпучим строительным материалам; производство чугуна выросло почти до 600 миллионов тонн, производство стали — до 850 миллионов тонн в год, что примерно в 30 раз больше, чем в 1900 году. Общее значение почти в 20 раз превышает совокупную выплавку алюминия, меди, цинка, свинца и олова, а показатель на душу населения вырос с менее чем 20 до 140 кг в год. Спрос на медь рос примерно теми же темпами (увеличился в 27 раз до 13,2 миллиона тонн), производство цинка увеличилось 20-кратно — с 480 тысяч до 8,77 миллиона тонн (Kelly and Matos, 2013). Наименьший относительный рост производства отмечается у серебра (увеличилось всего примерно в 3,4 раза с 5400 тонн в 1900 году), за ним следует свинец (4,3 раза, с 750 тысяч тонн до 3,2 миллиона тонн), а вот объемы получаемого золота возросли почти в 7 раз, однако в абсолютных цифрах составили всего лишь 2600 тонн в 2000 году, в то время как в том же году было получено 18,1 тысячи тонн серебра, миллионы тонн свинца, цинка и меди. Новым знаковым металлом столетия стал алюминий, его мировое производство увеличилось с менее 7 тысяч тонн до почти 25 миллионов тонн, практически вдвое превысив добычу меди. В изделиях с высокими эксплуатационными требованиями (то есть где требуется максимальное соотношение прочности и веса), вместо алюминия часто используют титан. Аэрокосмическая отрасль расходует примерно две трети ежегодно производимого губчатого титана (примерно 140 тысяч тонн в 2010 году), остальное идет на оружейное и химическое производство, а диоксид титана добавляют в краску, бумагу и пластмассы в качестве осветлителя (USGS, 2012). В течение XXI века почти все аспекты черной металлургии претерпели значительные изменения. Хотя большую часть основного металла до сих пор получают в доменных печах, постоянное стремление снизить стоимость и повысить производительность сказалось на их размерах, емкостях и энергоэффективности (Kawaoka и соавт., 2006). Так, объем самых больших печей теперь превышает 5000 м3 . Например, объем печи Шуган Цзин Тан в Каофейдяне (построена в 2009 г.) составляет 5500 м3 , печи Швелгерн 2 в Дуйсбурге (эксплуатируется компанией ThyssenKrupp с 1993 года) — 5513 м3 , а самой большой печи — японской Оита — 5775 м3 (увеличена с 5245 м3 в 2004 году), при этом диаметр ее горна равен 15 м, а максимальная производительность достигает 12 тысяч тонн горячего металла в день (Hoffmann, 2012). Кроме того, большие печи расходуют меньше кокса. В США за счет постепенного снижения объемов используемого кокса, а позднее также за счет дополнительного введения пылевидного угля, нефти, природного газа удельный расход кокса в доменных печах уменьшился с 1,3 т на тонну горячего металла (по состоянию на начало ХХ века) до менее 0,5 тонны в конце того же столетия (de Beer и соавт., 1998). В 1914 году почти 75% американской стали плавилось в мартеновских печах, спустя примерно полвека их доля в производстве стали достигла максимума в 88%. В то же время в Японии и Европе шел быстрый переход к конвертерным печам с подачей кислорода сверху (верхним дутьем). Такие печи работают по бессемеровскому принципу; в состав шихты входит плавленый чугун и металлолом, обдуваемые кислородом на сверхзвуковой скорости. Первую конструкцию таких печей разработал Роберт Дуррер, Швейцария; в 1948 году он продемонстрировал практичность процесса с шихтой, наполовину состоящей из металлолома (Durrer, 1948). Однако в промышленных масштабах этой технологией впервые воспользовались не крупные сталелитейные предприятия, а две австрийские металлургические фирмы — Союз производителей железа и стали Австрии (Vereinigte Österreichische Eisenund Stahlwerke, VÖEST) в г. Линце и Alpine Montan в г. Донавице; производство по данному методу началось до конца 1952 года (Starratt, 1960; Geschichte-Club VÖEST, 1991). В итоге технологию во всем мире стали называть Линц-Донавиц-процессом (ЛДП) и практически сразу же стали использовать в Японии, которая на тот момент восстанавливала свою разрушенную войной сталелитейную промышленность. А вот крупные американские металлурги не отличались тягой к инновациям, и первая конвертерная печь в США заработала лишь в 1964 году. К 1970 году такие печи производили уже половину всей стали в мире, 80% — в Японии. Подача кислорода сначала осуществлялась сверху, однако затем было реализовано и нижнее дутье с расходом кислорода 50–60 м3 на тонну горячего металла. Емкость конвертерных печей варьируется от 150 до 300 тонн на партию, на обезуглероживание (до менее 0,1% С) уходит всего 35–45 минут (в мартеновских печах — до 9–10 часов); производительность труда возросла тысячекратно (Berry и соавт., 1999). К концу столетия конвертерные печи производили чуть более 70% всей выпускаемой в мире стали, и эта доля с тех пор не увеличивается (составила чуть менее 70% в 2011 году), так как появились работающие на металлоломе электродуговые печи (ЭДП). Промышленное использование ЭДП началось с выплавки алюминия еще в 80-х гг. XIX столетия, однако крупные металлургические компании приняли их на вооружение только после Второй мировой войны, когда цены на электричество снизились и накопилось достаточно металлолома. По мере их распространения была утрачена традиционная связь между железным и стальным производствами, так как новые, небольшие сталеплавильные заводы (мини-заводы) могли работать только на холодном металлоломе в качестве сырья. Как результат, количественное соотношение производимых в США стали и чугуна к концу XX века составило 2,1 (USGS, 2013), при этом сталепроизводство в стране было поделено между конвертерными печами и ЭДП. Десять лет спустя США продемонстрировали еще более эффективное использование металлолома: указанное выше соотношение достигло 2,85, и хотя страна оставалась ведущим экспортером лома, ЭДП производили 61% всей американской стали (для сравнения, в ЕС эта доля составляла 41%, в Японии — 22%, в Китае — всего чуть более 10%). После 1950 года изменились и принципы обработки вновь выплавленного металла. Обычно сталь лили в слитки (продолговатые куски массой 50–100 тонн), после чего их повторно нагревали, формируя полуфабрикаты, — толстые плиты, заготовки квадратного профиля, прямоугольные блюмы, из которых затем прокатом получали конечные изделия: балки, катушки, пластины, прут, рельсы, листы или проволоку. В 50-х гг. на смену этим процессам, не отличавшимся хорошей энергоэффективностью, начало приходить непрерывное литье горячего металла. Первопроходцем стал немецкий металлург Зигфрид Юнгханс, а продвижением технологии занялся американский инженер Ирвинг Росси (Morita and Emi, 2003; Tanner, 1998; Fruehan, 1998). Непрерывное литье позволяет ускорить производство (объем работ, на который раньше уходило больше дня, теперь можно было выполнить менее чем за час), снизить потери металла с примерно 10% до 1%, а затраты энергии — на 50–75% по сравнению с традиционной схемой «слиток — повторный нагрев — прокат». Одними из первых эту технологию стали внедрять японские металлурги. К концу века почти 90% стали в мире лили именно этим способом (до 97% в богатых странах). К 2010 году мировое среднее значение данного показателя достигло 95%, в Китае — 98% (WSA, 2013). Мировая статистика в этом отношении вполне достоверна (BIR, 2012; WSA, 2013) и позволяет наметить глобальные потоки материалов в сталелитейном производстве по состоянию на 2010 год. Основной маршрут (выплавка руды с целью получения чугуна, обработка чугуна в конвертерных печах и небольшом числе оставшихся мартеновских печей) начинается с добычи 1,59 миллиарда тонн железосодержащих руд, которые засыпаются в доменные печи вместе с коксом, дополняемым подачами пылевидного угля (всего тратится 760 миллионов тонн угля); туда же идет 250 миллионов тонн сырого флюса (известняка и доломита). Так получают 1,03 миллиарда тонн чугуна. Значимую роль в этом маршруте играют крупномасштабные международные перевозки железной руды. Так, в 2009 году почти 60% добытой в мире руды (924 миллиона тонн) было продано другим странам, при этом крупнейшими экспортерами стали Австралия и Бразилия, а крупнейшим импортером — Китай, закупивший 65% всего экспортируемого в мире железа. Почти 70% руды, израсходованной в Китае, было импортировано (WSA, 2011). Руду перевозили на больших кораблях. Так, бразильская Vale приобрела 35 судов Valemax длиной 362 метра и общей грузоподъемностью 400 тысяч тонн. Второй маршрут 2010 года выглядел следующим образом: 430 миллионов тонн лома, из которых 190 миллионов тонн было получено от предприятий той же отрасли, 340 миллионов тонн закуплено (в том числе 105 миллионов тонн импортированного лома), отправилось в ЭДП. Третий маршрут — прямое восстановление из железных руд — уже не так масштабен, как раньше; в его рамках было получено всего 65 миллионов тонн стали. Всего тремя производственными маршрутами выплавлено 1,43 миллиарда тонн нерафинированной стали. Если произвести пересчет в удельные показатели и выразить нетто-массу шихты за вычетом потерь на транспортировку и обработку, то на входе получим 1,4 тонны железной руды, 770 кг угля, 150 кг известняка и 120 кг переработанного металла на 1 тонну производимой нерафинированной стали; электродуговые печи на производство 1 тонны расходуют 880 кг переработанного металла, 150 кг угля и 43 кг известняка (WSA, 2011). В ХХ веке также отмечаются значительные изменения в том, как люди используют сталь (WSA, 2013). В 1900 году этот сплав в основном шел на рельсы, а сейчас из него преимущественно изготавливают горячекатаные плоские листы (примерно 55% от общего числа первичных стальных изделий в 2011 году), которые затем идут на производство транспортных средств и бытовых предметов, а также арматуру (почти 15%). В то же время вырос спрос на специальную сталь, нержавеющую сталь, а также сплавы с улучшенными эксплуатационными характеристиками, требующиеся в энергетике и строительстве все более высоких зданий. Как уже было сказано ранее, мировое производство стали увеличилось 30-кратно с 1900 по 2000 (до почти 850 миллионов тонн), превысило 1 миллиард тонн в 2004 году и достигло 1,43 миллиарда тонн в 2010 и 1,52 миллиарда тонн в 2011 году. При этом Китай производит 45% всей мировой стали, ЕС — 12%. Если же говорить о расчете на душу населения, то потребление готовой продукции составило 220 кг в среднем по миру, 500 кг — в Японии, 460 кг — в Китае, 310 кг — в ЕС, 285 кг — в США и всего 60 кг — в Индии; показатели западных стран снизились из-за кризиса 2008 года (в 2006 году в США этот показатель составлял 400 кг). Исключительно высокие показатели Южной Кореи и Тайваня (1160 и 780 кг соответственно) обусловлены в основном не внутренним потреблением, а расходами стали в судостроительной промышленности, выпускающей корабли на экспорт. Достаточно точная статистика по производству стали позволяет сделать вывод, что всего в течение ХХ века был произведен почти 31 миллиард тонн стали, и половина этой массы — после 1980 года. Возникает вполне очевидный вопрос: что произошло со всем этим металлом? По моим оценкам, в начале ХХI14 века стальных изделий, которые можно было бы переплавить для получения нового металла, накопилось всего около 15 миллиардов тонн, или 2,5 т на душу населения (Smil, 2005). Моя оценка практически не отличается от выводов самого подробного недавно проведенного количественного анализа общемировых запасов стали (Hatayama и соавт., 2010). Согласно этому анализу общие запасы стали в 42 странах достигли 12,7 миллиарда тонн в 2005 году, удвоившись с 1980 года. Большая часть металла — примерно 60% — содержится в сооружениях, примерно 10% в транспортных средствах. Предсказывается, что конструкционно-транспортный запас достигнет 55 миллиардов тонн к 2050 году, в основном из-за десятикратного роста потребления стали в Азии. Для сравнения: по оценке Мюллера и соавт. (Müller и соавт., 2009) общие запасы антропогенного железа приравнивались к 25–30 миллиардам тонн, американские — к 3,2 миллиарда тонн, по состоянию на 2000 год, а вот по оценке Геологической службы — к 4 миллиардам тонн (Buckingham, 2006). В мировом сталеплавильном производстве также наблюдались изменения с точки зрения «национального лидерства» и самой структуры отрасли. По мере роста и «взросления» сталелитейного производства Великобритания уступила Соединенным Штатам свое первенство как в производстве, так и в инновационности; однако с 50-х гг. центром инноваций стала Европа и прежде всего Япония, а с точки зрения объемов производства лидером стал СССР, несмотря на технологическую отсталость. После 1974 года — что совпало с первым этапом высоких цен на нефть — практически непрерывный послевоенный рост этой отрасли сменился на чередование взлетов и падений, при этом в течение последующих 25 лет общемировой уровень производства несколько снизился. Следующее снижение наблюдалось в 2008–2009 гг. вследствие глобальной рецессии, однако ввиду огромного и постоянно растущего спроса на сталь в Китае уровень производства все равно превышал достигнутую в 2004 году планку в 1 миллиард тонн в год. В 1900 году US Steel Corporation произвела почти 30% стали в мире, США в целом — 36%. В конце ВМВ, когда Япония и Германия были разрушены, доля США составляла почти 80%, однако рост сталелитейного производства в Японии и СССР после 1955 года привел к снижению этой доли. К 1975 году в списке ведущих сталепроизводителей мира все еще имелись три американские компании (US Steel занимала второе место), к 1990 году в этой десятке осталась только US Steel, опустившись на пятое место, а еще год спустя ее родительская компания USX была исключена из списка Dow 30, уступив свое место Disney. К 2010 году в десятке и вовсе не осталось американских компаний: US Steel заняла 14 место, а когда в 2011 году она поднялась на 13, 6 из 10 крупнейших сталелитейных производств располагались в Китае; доля США в мировом производстве стали составляла менее 6%, доля Китая — 45%. В течение ХХ века алюминий стал вторым по важности металлом современной цивилизации, однако основные методы его производства практически не менялись с момента их изобретения в 80-х гг. XIX века: алюминий все так же получали путем комбинации байеровского производства глинозема из бокситов (извлечением с помощью каустической соды и последующей кальцинацией) и электролизом криолита и глинозема по методу Холла-Эро. Однако полный производственный цикл — от добычи бокситов до электролитической выплавки, литья слитков или проката листов — является затратным с точки зрения расхода сырья; кроме того, он остается весьма энергоемким (IEA, 2007; IAI, 2007). Затраты материалов на первичное производство металла включают (на тонну литого слитка) примерно 5270 кг бокситов (из которых получают порядка 1925 кг глинозема) и 435 кг нефтяного кокса и смолы для изготовления анодов. Многие отрасли, прежде всего автомобилестроение, перешли на алюминий, чтобы снизить массу изделий без ущерба для структурной целостности: как уже отмечалось выше, плотность алюминия в три раза меньше плотности стали, однако прочность на растяжение многих алюминиевых сплавов достигает 400–500 МПа, равняясь по этому показателю широко распространенным конструкционным сталям (400–550 МПа); у высокопрочных сталей этот показатель может значительно превышать 1 ГПа. Снижение веса многих ключевых деталей автомобиля за счет использования алюминия может достигать 40%; для сравнения, высокопрочные стали позволяют снизить вес только на 11%. Поэтому американская автомобильная отрасль сейчас расходует примерно треть всего алюминия в стране, а само содержание этого металла и его сплава достигло новых высот в моделях 2012 года (почти 156 кг на транспортное средство), составив 9% всей массы среднего автомобиля (и более трети лома от того же автомобиля). В основном алюминий содержится в двигателе и колесах, но его также все чаще используют для изготовления капотов, багажных отсеков и дверей. По той же причине автопроизводители, сталкивающиеся со все более строгими экологическими требованиями, планируют удвоить долю этого металла в среднестатистическом автомобиле к 2025 году (AA, 2011). В ХХ веке появилась еще одна отрасль промышленности, больше остальных зависящая от алюминия. Обшивка первых самолетов была деревянной и текстильной, однако уже в конце 20-х гг. появились алюминиевые фюзеляжи; монококи также были полностью алюминиевыми. Спрос на этот металл увеличивался прежде всего благодаря беспрецедентной программе США по строительству новых истребителей и бомбардировщиков во время Второй мировой войны; тогда расход алюминия в стране увеличился более чем в пять раз всего за четыре года (USGS, 2013). Спрос на алюминий в военной сфере не снижался и после войны; к середине 50-х гг. началась эпоха коммерческих аэробусов, первым из которых стал появившийся в 1957 г. Boeing 707. Фюзеляж таких самолетов на 70–80% состоял из высокопрочных алюминиевых сплавов, и на один широкофюзеляжный самолет приходилось более 100 тонн металла. Алюминиевые сплавы были важны и для множества других послевоенных рынков: от жилищного строительства (оконные и дверные рамы, водосточные желоба) до спутников связи и шпионских спутников, от автомобилей до банок под напитки (Hosford and Duncan, 1994). Кроме того, алюминиевые провода стали важнейшим проводником электричества на дальние расстояния. С начала промышленного производства в 80-х гг. XIX века и до 2012 года из бокситов получили почти миллиард тонн (956 миллионов тонн) алюминия; по наиболее точным расчетам почти 75% этой массы все еще используется, при этом около трети распределено по зданиям, почти 30% — в транспортных средствах, примерно столько же — в электрике и порядка 10% — в механизмах. Это значит, что значительная часть добытого металла подверглась многократной переработке, однако такое повторное использование ограничивается добавлением других элементов для получения алюминиевых сплавов. Чистый 99,8% алюминий стал использоваться гораздо реже и в меньших количествах, уступив сплавам, предназначенным для конкретных целей.
Источник: Создание современного мира. Материалы и дематериализация. Глава 3.