Теория и технология металлургии стали : энергетика, технология и экология сталеплавильных процессов

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

№ 1992

Кафедра металлургии стали и ферросплавов

В.П. Лузгин
К.Л. Косырев
О.А. Комолова

Теория и технология
металлургии стали

Энергетика, технология и экология
сталеплавильных процессов

Учебно-методическое пособие

Рекомендовано редакционно-издательским
советом университета

Москва     Издательский Дом МИСиС     2010

УДК 662.18
 
Л82

Р е ц е н з е н т
д-р техн. наук, проф. Г.В. Серов

Лузгин В.П., Косырев К.Л., Комолова О.А.
Л82  
Теория и технология металлургии стали: Энергетика, технология и экология сталеплавильных процессов: Учеб.-метод. пособие. – М.: Изд. Дом МИСиС, 2010. – 67 с.
ISBN 978-5-87623-319-6

Рассмотрена энергоемкость предприятий черной металлургии, описана 
структура энергоемкости получения чугуна и стали, приведены расчеты энергетических параметров сталеплавильных процессов, а также первичных и произведенных энергоносителей. Выполнены расчеты материального и теплового 
балансов процессов. Даны примеры типовых задач.
Предназначено для студентов направления 150100 «Металлургия» профиля 150101 «Металлургия черных металлов».

УДК 662.18

ISBN 978-5-87623-319-6
© Лузгин В.П., Косырев К.Л.,
Комолова О.А., 2010

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение ....................................................................................................4
1. Энергетика металлургических процессов и проблема 
устойчивого развития ...............................................................................8
1.1. Энергоемкость предприятий черной металлургии ....................... 9
1.2. Структура энергоемкости производства чугуна и стали .............11
1.3. Энергетические параметры сталеплавильных процессов ......... 15
1.3.1. Первичные и произведенные энергоносители ..................... 15
1.3.2. Выбросы диоксида углерода в атмосферу ............................ 27
1.4. Проблема устойчивого развития ................................................... 30
2. Расчет материального и теплового балансов процесса ...................33
2.1. Сравнение процессов выплавки стали на интегрированных 
и мини-заводах ....................................................................................... 33
2.2. Выплавка стали в кислородном конвертере ................................. 35
2.2.1. Краткая характеристика технологии конвертерного 
производства стали ............................................................................ 39
2.2.2. Материальный баланс конвертерной плавки ....................... 39
2.2.3. Тепловой баланс конвертерной плавки ................................. 45
2.3. Выплавка стали в дуговой электросталеплавильной печи ........ 50
2.3.1. Материальный баланс выплавки стали в электросталеплавильной печи ....................................................................... 50
2.3.2. Тепловой баланс выплавки стали в электро сталеплавильной печи .............................................................................57
Примеры типовых задач .........................................................................61
Библиографический список ...................................................................64
Приложение .............................................................................................65

ВВЕДЕНИЕ

Черная металлургия является одной из наиболее материало- и 
энергоемких отраслей народного хозяйства. Постоянный рост цен и 
истощение запасов материалов и энергетических ресурсов негативно 
влияют на технико-экономические показатели промышленных объектов, в результате чего с особой остротой на повестку дня выносятся 
вопросы материало- и энергосбережения.
Энергетическая составляющая металлургических процессов оказывает определяющее влияние на экологию – техногенное воздействие объекта на окружающую среду. Описан метод расчета энергоемкости продукции металлургических процессов по суммарной 
энергоемкости. Предложен метод расчета эквивалентного содержания 
углерода в процессе и количества выбросов диоксида углерода.
Рассмотрена проблема устойчивого развития промышленного объекта в окружающей среде на основе анализа трех основных показателей процесса: энергетика, экология и экономика.
Рассчитаны сквозные энергетические КПД сталеплавильных процессов по соотношению полезной (энтальпии стали и шлака) и затраченной (энергоемкости процесса) теплоты.
Проанализированы основные виды энергоносителей в сталеплавильных процессах: первичные (природные топлива) и произведенные (электрическая энергия, кислород, сжатый воздух, перегретый 
пар, инертные газы и др.).
Приведена методика расчета энергетической, экологической и экономической эффективности применения различных альтернативных 
энергоносителей в условиях ДСП.
Представлен расчет материального и теплового балансов кис ло родно-конвертерного способа производства стали, выполненный с участием проф. А.Ф. Вишкарева. В заключительном разделе приведен 
сравнительный анализ кислородно-конвертерного и электросталеплавильного способов производств, проанализированы особенности тепловых балансов современных ДСП, работающих с применением альтернативных энергоносителей. Приведены примеры типовых задач.
Материал пособия разработан в соответствии с современными 
представлениями об основных технико-экономических и экологических аспектах процессов производства стали. 
Пособие предназначено для студентов специальности 150100 по курсу «Металлургия стали», а также по курсам «Технико-экономические и 
экологические аспекты производства стали», «Технико-экономические 
и экологические аспекты электрометаллургии стали» и для подготовки 
магистров по направлению 150100 «Металлургия».

Состояние черной металлургии России и мира

В настоящее время в мировой черной металлургии действуют две 
основные схемы производства стали:
1) интегрированные заводы (полного металлургического цикла) с 
получением кокса, агломерата, жидкого передельного чугуна в доменных печах, с кислородно-конвертерным способом производства стали, 
внепечной обработкой и разливкой стали на машинах непрерывного 
литья заготовок (МНЛЗ). Окончательной операцией является производство листовой горяче- и холоднокатаной продукции на листовых 
станах. Капитальные затраты на строительство завода оцениваются 
примерно в 1000 долл/т продукции, производительность определяется производительностью прокатного оборудования и составляет от 
6 млн т/год;
2) мини-заводы, получившие первоначальное развитие для производства сортового проката (длинномерная продукция). Выплавка стали осуществляется в сверхмощных дуговых электропечах (ДСП), с 
разливкой металла на сортовых МНЛЗ и последующей прокаткой на 
сортовых станах. Капитальные вложения в строительство составляют  от 400 долл/т продукции при работе ДСП на ломе и возрастают до 
900 долл/т при работе на восстановленном материале (окатыши, восстановленные брикеты). Мини-заводы более гибко реагируют на запросы рынка и обладают бо́льшей мобильностью при выпуске разнообразной продукции. Срок окупаемости капитальных вложений обычно не 
превышает трех лет. В настоящее время строятся мини-заводы, производящие как сортовой прокат, так и листовую продукцию.
Новым направлением развития является строительство мини-за водов с совмещением процессов разливки и прокатки металла на ли тейно-прокатных модулях.
В 2006 г. в России выплавка стали составляла около 70 млн т; 
при этом проката было произведено 58 млн т, в том числе листового – 24,4 млн т/год (42 %), сортового – 33,6 млн т/год (58 %). Расход стальной заготовки на 1 т проката достигал 1200 кг/т. В странах 
ЕС этот показатель составлял 1100 кг/т, в Японии – 1070 кг/т прокатной продукции. Внутреннее потребление проката в России составило 
26 млн т, прокат на экспорт – 32 млн т (56 %). Расход металлошихты 
на 1 т стали на различных заводах изменялся от 1150 до 1300 кг/т стали. Расход чугуна составлял 730 кг/т. В мире этот показатель был равен 690, в США – 560, в странах ЕС – 640 кг/т стали.

Отмечается заметное отставание отечественной металлургии по ее 
структурным показателям. Так, производство стали в мартеновских 
печах составляло 13,5 млн т/год (около 20 % общего объема), разливка стали в слитки сохранялась на уровне 40 % (28 млн т/год), износ оборудования составлял около 60 %, сохранялся низкий уровень 
амортизации – порядка 2...4 %. Энергоемкость проката в России составляла около 35 ГДж/т; для сравнения: в Японии – 27 ГДж/т, в странах ЕС – 29 ГДж/т.
Производительность труда в РФ оставалась достаточно низкой: 
16,9 чел.-ч на 1 т горячекатаного листа (в странах ЕС – 5,6 чел.-ч/т). 
Уровень оплаты труда в России составлял 5,6 долл/ч, что почти вдвое 
ниже, чем в странах ЕС (11,83 долл/ч).

Основные металлопотребляющие отрасли 
промышленности России

Промышленное и гражданское строительство – балки, швеллер, 
1. 
уголок, арматура диаметром 8...36 мм, катанка диаметром от 6 мм и др.
Трубопроводный транспорт – нефте- и газопроводные трубы 
2. 
диаметром от 530 до 1420 мм с толщиной стенок до 32 мм. Внутреннее давление в газопроводах достигает 12 МПа. Основные требования к металлу труб: высокие прочность и ударная вязкость при 
удовлетворительной пластичности, хладостойкость, хорошая свариваемость при достаточной стойкости к внутренней и наружной коррозии.
Строительство морских платформ для добычи углеводородно3. 
го топлива в морской шельфовой зоне, нефтеналивных танкеров и 
газовозов для работы в арктических условиях. Металл должен выдерживать коррозионное воздействие морской воды, низкие температуры, ледовые и ветровые нагрузки.
Автомобилестроение – производство автомобильного листа, 
4. 
обладающего высоким уровнем пластичности и штампуемости в сочетании с достаточной прочностью и  коррозионной стойкостью; производство сталей типа 08Ю для изготовления кузовов, специальных 
сталей для изготовления двигателей и ходовой части автомобилей.
Железнодорожный транспорт – рельсовые и колесные стали, 
5. 
металл для изготовления металлических грузовых платформ и вагонов. Основные производители: ОАО «ВМЗ» (г. Выкса, Нижегородская 
обл.), ОАО «КМК» (г. Новокузнецк), ОАО «НТМК» (г. Нижний Та

гил). Основные требования к металлу – высокие прочность, износостойкость, твердость и ударная вязкость.
Тяжелое и среднее машиностроение – оборудование прокатных 
6. 
станов, МНЛЗ и др.
Гражданское и военное судостроение.
7. 
Оборонная промышленность.
8. 
Атомное и энергетическое машиностроение.
9. 
Сельскохозяйственное машиностроение.
10. 
Производство бытовой техники.
11.