Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

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

Учебно-методическое пособие №1992
Покупка
Артикул: 456610.02.99
Доступ онлайн
2 000 ₽
В корзину
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».
Лузгин, В. П. Теория и технология металлургии стали : энергетика, технология и экология сталеплавильных процессов : учебно-методическое пособие / В. П. Лузгин, К. Л. Косырев, О. А. Комолова. - Москва : Изд. Дом МИСиС, 2010. - 67 с. - ISBN 978-5-87623-319-6. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/1242286 (дата обращения: 20.06.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
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. 

1. ЭНЕРГЕТИКА МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ 
ПРОЦЕССОВ И ПРОБЛЕМА
УСТОЙЧИВОГО РАЗВИТИЯ

В настоящее время интенсивный рост промышленного производства характеризуется высокой материало- и энергоемкостью, что обусловливает повышенную техногенную нагрузку на среду обитания 
человека. Существенный негативный вклад в эти процессы вносит 
черная металлургия. Проблемы экологической безопасности и устойчивого развития приобретают приоритетное значение.
В мировой черной металлургии в последние десятилетия получили развитие две конкурирующие схемы производства стали:
предприятия полного металлургического цикла, включающие 
1) 
коксохимическое и аглодоменное производство и выплавку стали в 
большегрузных кислородных конвертерах с последующей внепечной 
обработкой, непрерывной разливкой и прокаткой;
мини-заводы, состоящие из отделений получения, подготовки и 
2) 
хранения металлошихты, производства стали в электродуговых печах 
с трансформаторами высокой удельной мощности (до 1000 кВ·А/т), 
установок внепечной обработки и непрерывной разливки стали.
Указанные технологические схемы различаются по основным технико-экономическим показателям: расходу шихтовых материалов, энергоемкости, техногенной нагрузке на окружающую среду, 
удельным капиталовложениям, производительности труда на одного 
работающего. По всем перечисленным показателям преимущество, 
как правило, остается за второй схемой.
В табл. 1.1 приведены данные по структуре сталеплавильного производства и способу разливки стали в ряде стран за 2006 г. [1]. В черной металлургии России существует заметное отставание в развитии 
современных способов выплавки и разливки стали.

Таблица 1.1

Производство и разливка стали в ряде стран

Способ выплавки и разливки, % В мире Россия Германия США Япония Китай

Кислородно-конвертерный (КК)
63,3
61,9
70,7
51,1
73,6
83,2
Электросталеплавильный (ЭСП)
33,1
15,9
29,3
48,9
26,4
16,8
Мартеновский
3,6
22,2
–
–
–
–
Разливка на МНЛЗ
88,1
59,7
95,0
97,0
97,7
91,2

Так, еще около 20 % стали в РФ выплавляется неконкурентным 
мартеновским способом и около 40 % металла разливается в слитки. 
Черная металлургия России отличается повышенным по сравнению 
с развитыми странами уровнем расхода материальных и энергетических ресурсов. 
Расход металлошихты в сталеплавильном переделе колеблется в 
пределах 1150...1300 кг/т, расход чугуна составляет в среднем около 
730 кг/т, расход стальной заготовки на 1 т проката – 1209 кг/т. Производство проката в России в 2006 г. составило 58 млн т; из этого количества произведено листового и сортового проката – 24,4 и 33,6 млн т 
(42 и 58 % соответственно). В экспортной продукции, объем которой 
равен 34,9 млн т (60 %), еще существенна доля проката с невысокой 
добавленной стоимостью (слябы, заготовки).
Основные факторы, определяющие значение удельных расходов 
материальных и энергетических ресурсов в сталеплавильном производстве:
тип или структура процесса – кислородно-конвертерный, элек •
тросталеплавильный или мартеновский;
удельный расход чугуна в зависимости от типа процесса;
 •
метод разливки стали – в изложницы или на МНЛЗ.
 •

1.1. Энергоемкость предприятий черной 
металлургии

В современных условиях при нарастающем дефиците и возрастающей стоимости энергоносителей энергетическая эффективность 
промышленного производства, в том числе и в такой ресурсо- и энергоемкой, как черная металлургия, относится к важнейшим ее показателям. Суммарный расход энергии, затрачиваемой на производство 
продукции, определяется интегрированным показателем – суммарной 
удельной энергоемкостью продукции ЭΣ.
Энергоемкость продукции Эпрод – суммарное количество энергии, 
затрачиваемое на производство единицы продукции и выражаемое 
в значениях технологического топливного числа – ТТЧ (кг условного топлива на 1 т) или в значениях энергоемкости (ГДж/т).
Рассматривают три основных вида энергии, затрачиваемой на производство продукции:
первичная 
1) 
энергия, содержащаяся в органических топливах: 
мазуте, природном газе, энергетических углях, коксе;

произведенная 
2) 
энергия, полученная в специальных установках (электрическая энергия, пар, сжатый воздух, кислород, инертные 
газы и др.);
скрытая 
3) 
(овеществленная) энергия, аккумулированная в 
производственных зданиях, инструментах, оборудовании и т.п.
При расчетах значений энергоемкости конечной продукции из нее 
вычитают энергию вторичных энергоресурсов (ВЭР), пригодных для 
повторного использования в промышленности и коммунальном хозяйстве (пар, горячая вода, доменный и коксовый газы и т.д.).
Энергоемкость произведенной продукции является полной энергетической характеристикой технологического процесса и должна указываться в ее сертификате.
Расчет энергоемкости продукции металлургического процесса 
проводится суммированием произведений удельных энергоемкостей 
расходуемых материалов (ГДж/ед) и энергоносителей (ГДж/ед) на их 
удельные расходы (ед/т). Значения удельных энергоемкостей некоторых материалов и энергоносителей даны в Приложении (табл. П1).
Ниже приведены основные термины и определения, действующие в настоящее время в энергетике в соответствии со стандартом 
ИСО 13600 [2].
 Топливно-энергетические ресурсы (ТЭР) – совокупный объем 
природных и произведенных энергоносителей, доступных для использования.
 Топливно-энергетический баланс (ТЭБ) – полное количественное 
равенство между приходом и расходом энергоресурсов, включая потери и остаток топлива в определенный период времени.
Рациональное использование ТЭР – обеспечение достижения 
максимальной энергетической эффективности с учетом ограниченного запаса ТЭР и максимального снижения техногенной нагрузки производства на окружающую среду.
Энергоносители – вещества или явления, которые могут быть использованы для производства механической энергии или нагрева. 
Техносфера – технические, энергетические системы и продукты, 
производимые ими в таком состоянии, при котором они не могут считаться выбросами.
Нагрузка на окружающую среду – истощение природных ресурсов, накопление отходов, сбросов или выбросов, эксплуатационное воздействие.

1.2. Структура энергоемкости
производства чугуна и стали

В черной металлургии основной вклад в суммарную энергоемкость 
производства стали и проката вносит передельный чугун. Расчет 
энергоемкости любого процесса проводится суммированием произведений значений удельных энергоемкостей расходуемых материалов и 
энергоносителей (ГДж/ед.) на величину их расхода (кг/т, м3/т). Следует иметь в виду, что абсолютные значения удельных энергоемкостей 
материалов и энергоносителей могут колебаться в зависимости от 
региональных и технологических условий. Структура энергоемкости 
передельного чугуна ОАО «Северсталь» отражена в табл. 1.2.

Таблица 1.2

Энергоемкость производства передельного чугуна на ОАО «Северсталь»

Материал
Энергетический
эквивалент,
ГДж/ед.

Расход
материалов, ед/т
Энергоемкость, 
ГДж/т

Природный газ, 1000 м3
37,34
0,095
3,547
Кокс, т
40,25
0,417
16,784
Отсев кокса, т
25,9
0,045
1,166
Дутье, 1000 м3
3,06
0,089
0,270
Кислород,1000 м3
8,7
0,098
0,853
Электроэнергия, 1000 кВт·ч
11,92
0,026
0,310
Вода, 1000 м3
3,5
0,023
0,081
Сжатый воздух, 1000 м3
1,45
0,045
0,065
Агломерат, т
3,27
1,048
3,427
Окатыши, т
3,61
0,501
1,809
Руда обогащенная, т
1,15
0,070
0,081
Лом, т
0,215
0,068
0,015
Итого
–
–
28,408
Доменный газ (ВЭР), 1000 м3
3,44
0,817
2,810
Всего
–
–
25,598

Представленные данные показывают, что доля энергетической 
составляющей в суммарной энергоемкости производства чугуна достигает 80 %, причем 60 % составляет доля кокса – основного энергоносителя. На долю сырьевых материалов приходится только 20 % 
суммарной энергоемкости чугуна.
В табл. 1.3 приведены данные изменения основных показателей 
работы доменных печей ОАО «Северсталь» за несколько лет. Видно, 
что суммарная энергоемкость доменного процесса оставалась практически постоянной. Таким образом, актуальная для любого металлур
Доступ онлайн
2 000 ₽
В корзину