Podstawowym elementem programu obniżania zużycia energii w światowym hutnictwie żelaza i stali jest modernizacja techniczno-technologiczna procesów produkcji stali, oraz urządzeń produkcyjnych w ministalowniach.
W minihucie wyeliminowano z etapów produkcji stali całą część surowcową huty zintegrowanej, złożoną z wydziałów produkcji surówki żelaza: koksowni, spiekalni rud lub grudkowni, wielkich pieców, a stalownię konwertorową zastąpiono stalownią z piecem łukowym.

Okres stagnacji gospodarki światowej i hutnictwa po światowym kryzysie energetycznym, został wykorzystany do uruchomienia działań, których celem było doprowadzenie do osiągnięcia obniżania zużycia energii oraz do optymalizacji wszystkich wskaźników produkcyjnych i zmniejszenia negatywnego oddziaływania hut na środowisko naturalne. Generalna ewolucja filozofii procesów wytwarzania stali, doprowadziła do swoistej dwutorowości dalszego rozwoju hut w południowo-wschodniej Azji, gdzie w czasie ostatnich 30 lat nadal budowane były duże huty zintegrowane i w Europie, gdzie likwidowane stalownie martenowskie zastępowano sukcesywnie wyłącznie stalowniami z elektrycznymi piecami łukowymi. Proces ten przerodził się z biegiem lat i nabieraniem nowych doświadczeń, w ideę budowy ministalowni i rozwoju minihutach.
Główną ideą rozwoju minihut była próba uzyskania radykalnego obniżenia zużycia energii w każdym etapie procesu wytwarzania stali, ale droga prowadząca do tego celu była najeżona trudnościami technicznymi i technologicznymi, które należało w optymalny sposób rozwiązać. Celem było opracowanie technologii produkcji stali, która umożliwiałaby częściowe lub całkowite wyeliminowanie surowcowej części huty zintegrowanej, w której zużywano 65% całkowitej energii procesu wytwarzania wyrobów stalowych.
Idea minihuty, bez koksowni, spiekalni i wielkich pieców, w której stal byłaby produkowana w jednym urządzeniu bezpośrednio z rudy żelaza i węgla kamiennego, powstała w początku 70. lat w USA. W programie departamentu energetyki założono opracowanie do 1990 roku zupełnie nowego procesu zwanego wstępnie - AISI. Choć zbudowano kilka wersji urządzeń procesu AISI, zaplanowane zadanie nie zostało do dzisiaj wykonane, pomimo wprowadzenia w trakcie doświadczeń uproszczonej wersji zastąpienia rudy żelaza, wstępnie zredukowanym żelazem gąbczastym z procesu HyL.
Skala problemów techniczno-technologicznych, które należało rozwiązać, jest tej miary, że przekracza nadal możliwości ich zrealizowania. Należy sądzić, że do zrealizowania tego zadania należy zastosować odmienną filozofię przebiegu procesów metalurgicznych i energetycznych inną od tej, na której opierają się stosowane obecnie procesy technologiczne i urządzenia produkcyjne. Pewną nadzieję wiązano też z procesami redukcji żelaza w stanie ciekłym, zwane w literaturze procesami ,,Smelting Reduction”, które nie wyszły poza fazę prób w skali półtechnicznej.
Jedynym dojrzałym procesem „smelting reduction” jest proces COREX. Jest to proces produkcji surówki syntetycznej (a nie stali) oraz proces produkcji żelazo-chromu. Niepowodzenia kilkunastu pilotowych procesów „smelting reduction” spowodowało, że większą uwagę zaczęto poświęcać możliwościom związanym z szansą, jaka powstała w ministalowniach, po pokonaniu pierwotnych trudności związanych ze wzrostem mocy transformatorów, oraz wprowadzeniu procesu wyrabiania i wykańczania ciekłej stali w piecokadzi, zwanej też piecem kadziowym.
Na początku lat 70. terminem ministalownia i minihuta, określano stalownię z piecami łukowymi UHP, o wielkości produkcji około 300 000 ton stali rocznie. Z biegiem lat i rozwojem technicznym urządzeń produkcyjnych stalowni, wielkość produkcji ministalowni zwiększała się kolejno do 500 000 ton stali rocznie - w latach 80., następnie do 1 mln ton - w latach 90., a obecnie istnieją minihuty o produkcji przekraczającej 2 mln ton stali na rok.
W ministalowniach stosowany jest proces wytapiania stali w łukowych piecach elektrycznych, ale istnieją już przemysłowe instalacje z piecami o mocy do 36 MVA, z przemysłowymi palnikami niskotemperaturowej plazmy.
Równolegle z piecami łukowymi, w europejskim i japońskim hutnictwie w latach 80. prowadzono próby z kilkoma alternatywnymi procesami produkcji stali. Jednym z najciekawszych pod względem zastosowanych rozwiązań technologicznych i technicznych procesów alternatywnych, był proces produkcji w piecu stalowniczym EOF- KORF. Proces wytopu i piec opracowany przez inżyniera Williego Korfa, łączył w sobie elementy innych pieców stalowniczych z nowatorską oryginalną technologią produkcji stali, pozwalającą na produkcję stali, z dowolnym udziałem złomu stalowego i ciekłej lub stałej surówki żelaza. Wielkość zużycia energii cieplnej w piecu EOF, w przeliczeniu na energię elektryczną wynosiła 280 kWh/t stali. Piec ten przedstawiono na rys. 4. Przenoszenie do instalowanych pieców łukowych elementów konstrukcyjnych pieca KORF i adaptacja idei zastosowanych w nim i innych piecach procesów technologicznych z biegiem lat doprowadziła do dzisiejszych konstrukcji pieców łukowych, które można uznać za konstrukcje hybrydowe, łączące elementy różnych konstrukcji pieców stalowniczych. Równocześnie postęp techniczny i technologiczny dokonany w zakresie redukcji żelaza w stanie stałym i produkcji żelaza gąbczastego i węglika żelaza z rud, stworzyły warunki do produkcji wsadu żelazonośnego, który można było wykorzystać w piecach łukowych, omijając proces wielkopiecowy.
Do innych osiągnięć technicznych zrealizowanych w czasie ostatnich 30 lat w stalownictwie należą postęp techniczny w budowie transformatorów dużej mocy, oraz układów zasilania i prostowania prądu zmiennego. Pozwoliło to na podniesienie pojemności pieców łukowych z 60 ton w latach 70. do ponad 200 ton obecnie, przy stosunku mocy do pojemności pieca ponad 1,1 MVA/t. W latach 90. średniej wielkości piec łukowy miał pojemność 110 ton i moc transformatora 110 MVA. Czas wytopu na takiej jednostce piecowej wynosi średnio 55 minut, co pozwoliło na osiąganie zużycia energii elektrycznej poniżej 370 kWh/t stali.
Przytoczone dane wskazują, jaka przepaść techniczna dzieli już obecnie nasze minihuty, od instalowanych obecnie stalowni w Europie. Pomimo tak spektakularnych osiągnięć w zakresie obniżania wskaźnika zużycia energii, oraz obniżenia tym sposobem kosztów produkcyjnych, nadal budowa i poszczególne elementy konstrukcji hybrydowych pieców łukowych poddawane są udoskonalaniu, w celu osiągnięcia kolejnego progu obniżenia wielkości zużycia energii elektrycznej i wzrostu wydajności pieca.
Podstawowym atutem pieców łukowych w stosunku do konwertorów tlenowych, jest niższe zużycie energii do produkcji stali i - w sumie - do wyrobów finalnych oraz większa sterowalność procesami metalurgicznymi i energetycznymi, zachodzącymi w piecu stalowniczym. Jest to również jeden z elementów obniżenia zużycia energii do produkcji stali. Piec łukowy umożliwia osiągnięcie optimum wielkości pieca i jego wydajności w stosunku do wielkości zużycia energii. Stwarza to możliwość perfekcyjnej organizacji funkcjonowania minihuty o optymalnej wielkości produkcji około 2 000 000 ton stali na rok. Wielkość ta związana jest z optymalizacją produkcji urządzeń do ciągłego odlewania stali w połączeniu z wprowadzaniem innych nowatorskich rozwiązań procesowych w hutnictwie światowym, które umożliwiają połączenie procesów odlewania stali i walcowania. Wprowadzanie tych technologii, które eliminuje walcownie wstępne, jest kolejnym rozwiązaniem obniżającym zużycie energii w procesie wytwarzania wyrobów stalowych. Nowe rozwiązania tych procesów realizowane są zarówno dla produkcji wyrobów długich, poprzez odlewanie na COS kęsisk, zbliżonych do wyrobu końcowego zwane NSC- Near Shape Casting, oraz dla produkcji wyrobów płaskich, zwanych procesami zintegrowanego odlewania i walcowania blach określane skrótami CSP i ISP. Wysokowydajne linie odlewania stali na COS-ach w połączeniu z wprowadzonymi dwoma nowymi typami hybrydowych pieców łukowych, doprowadziły do stworzenia rozwiązania produkcyjnego, które stało się poważną alternatywą w stosunku do hut zintegrowanych, produkujących nawet wyroby płaskie. Pierwsze z rozwiązań to elektryczny piec łukowy z szybem nagrzewania złomu energią odpadową spalin z pieca łukowego według systemu Fuchsa, przedstawionego na rys. 5. Zainstalowanie tego pieca, z zasilaniem prądem stałym, pozwoliło osiągnąć docelowo wielkość zużycia energii elektrycznej do 320 kWh/tonę stali.
Zasilanie pieca prądem stałym, ogranicza niekorzystne oddziaływanie pracy pieca na sieć energetyczną. Ograniczenia ekologiczne dla procesu podgrzewania złomu energią spalin zostały pokonane. Spaliny z szybu złomowego pieca, są dopalane tlenem w dodatkowych komorach spalania.
Drugim zastosowanym rozwiązaniem jest zainstalowanie elektrycznych pieców łukowych dwutrzonowych - tandem, zasilanych także prądem stałym, przedstawionych schematycznie na rys. 5. Obydwa przedstawione rozwiązania hybrydowych pieców łukowych, przystosowane są do pracy na wsadzie stałym złożonym ze złomu stalowego, zmetalizowanych grudek rud żelaza lub węglika żelaza, względnie na wsadzie złożonym ze złomu i ciekłej surówki żelaza. Możliwość zastosowania wsadu złożonego ze złomu i surówki żelaza lub substytutów surówki, eliminuje w znacznej mierze istniejące ograniczenia technologiczne produkcji ciekłej stali z pieca łukowego na wyroby płaskie.
Po 120 latach, hutnictwo wróciło do stanu wyjściowego z dwoma dominującymi wysokowydajnymi procesami produkcji stali. Pierwszy z procesów konwertorowo tlenowy, zastąpił procesy konwertorowe Thomasa i Bessemera. Drugie procesy prowadzone w elektrycznych piecach łukowych zastąpiły proces martenowski. Jest to wyraźnym dowodem na potwierdzenie teorii, że ewolucja istniejących rozwiązań technicznych przebiega po linii zbliżonej do spirali, wracając do istniejących już rozwiązań, ale każdorazowo na wyższym poziomie technicznym.
Korzyści wynikające z zainstalowania hybrydowych pieców łukowych i przewidywany schyłek technologii procesu wielkopiecowego, który ma być zastąpiony procesami redukcji bezpośredniej, przemawiają za wnioskiem, że najbliższa przyszłość metalurgii stali będzie należała do procesów w elektrycznych piecach łukowych. Dodatkowymi atutami minihut jest możliwość ich lokalizacji w zurbanizowanych centrach nowoczesnego przemysłu, gdzie powstaje główna masa złomu stalowego, a zasilanie energią elektryczną jest czynnikiem, który uniezależnia minihuty od źródeł surowców energetycznych.
Minihuty - odróżnieniu od hut zintegrowanych - mogą być więc optymalnie rozmieszczone na terenie każdego kraju. Optymalne warunki stwarza usytuowanie ich w portach rzecznych, w dużych centrach zurbanizowanych, w których istnieją możliwość dowozu transportem wodnym węglika żelaza i żelaza gąbczastego. Dopracowane perfekcyjnie niekonwencjonalne technologie produkcji umożliwiają dzisiaj produkcję w minihutach stali wysokostopowych, co w zasadzie wyeliminuje w najbliższej przyszłości huty stali szlachetnych, z nielicznymi wyjątkami stali specjalnych.
Przytoczone - nie wszystkie jeszcze - argumenty przemawiają za celowością dalszego technicznego rozwoju zainstalowanych w Polsce ministalowni, na co także wskazuje działalność i osiągnięcia czołowych hutniczych koncernów zachodnich oraz niekorzystne usytuowanie dwóch hut zintegrowanych, które mają nikłe szanse rozwoju w integrującym się europejskim hutnictwie.
Światowy kryzys energetyczny tylko przyspieszył procesy konsolidacji europejskich koncernów hutniczych i globalizację całej branży hutniczej. Powstające wielkie, ponadnarodowe koncerny posiadają plany rozwoju na 5, 10 i 15 lat, co umożliwia racjonalną gospodarkę produkcyjną i inwestycyjną, ale eliminuje wolną konkurencję na rynku wyrobów stalowych.
W warunkach naszego zapóźnienia technicznego i technologicznego, i w kontekście procesów, jakie zachodzą w europejskim hutnictwie, bardzo trudno będzie polskiemu hutnictwu zmniejszyć dystans, jaki nas dzieli od hutnictwa światowego. Wobec powyższego celowym wydaje się, aby – w obliczu coraz głośniejszych problemów, z jakimi borykają się polskie huty - próbować szerzej wprowadzać rozwiązania alternatywne, niekonwencjonalne i nowatorskie, których wdrożenie i ich dalszy rozwój pozwoli na uzyskanie znaczącego obniżenia zużycia energii i kosztów produkcji, a także na uruchomienie ciągłego procesu pracy nad doskonaleniem technologii produkcji.


Rys.1. Spust stali z pieca martenowskiego
rys.2 Nowoczesny konwertor tlenowy
Rys. 3 Urządzenie do ciągłego odlewania stali
rys.4. Piec EOF - KORF
Ry.5 Nowoczesny piec łukowy z szybem Korfa do nagrzewania złomu do pracy z udziałem ciekłej surówki
rys.6 Piec dwutrzonowy typu tandem, konwertor tlenowy

Przemysław Nowak