Оптимизация энергозатрат в металлургических технологиях


В. Л. Жук, В. И. Заика, И. В. Тупилко








ОПТИМИЗАЦИЯ ЭНЕРГОЗАТРАТ В МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЯХ
Учебное пособие

Под редакцией доктора технических наук, профессора А. А. Троянского











Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021

УДК 669.013:621.311
ББК 65.305.2
     Ж85

                             Рекомендовано ученым советом ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет» в качестве учебного пособия для студентов образовательных учреждений высшего профессионального образования (Протокол № 7 от 26.10.2018 г.)



Рецензенты:
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой технической теплофизики Донецкого национального технического университета А. Б. Бирюков;
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой обработки металлов давлением Донецкого национального технического университета Е. А. Руденко;
доктор технических наук, профессор, профессор кафедры физики неравновесных процессов, метрологии и экологии Донецкого национального университета Ф. В. Недопёкин



      Жук, В. Л.
Ж85        Оптимизация энергозатрат в металлургических технологиях :
     учебное пособие / В. Л. Жук, В. И. Заика, И. В. Тупилко ; под ред. д. т. н., проф. А. А. Троянского. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. -212 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0730-4


       Представлены сведения об оптимизации энергетических затрат в доменном, сталеплавильном, ферросплавном и прокатном производствах, а также о методах управления энергоресурсами на предприятиях черной металлургии. Описаны основные направления модернизации технологий по всему металлургическому циклу на современном этапе их развития.
       Для студентов металлургических специальностей. Может быть полезно аспирантам и инженерно-техническим работникам металлургических предприятий.


УДК 669.013:621.311
                                                          ББК 65.305.2







ISBN 978-5-9729-0730-4

   © Жук В. Л., Заика В. И., Тупилко И. В., 2021
   © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
                          © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

    СОДЕРЖАНИЕ


Введение............................................................ 5

Глава 1. Потребление энергии в структуре металлургического предприятия и вопросы оптимизации энергозатрат..............................
1.1. Природные энергетические ресурсы и их классификация............ 7
1.2. Анализ затрат энергоресурсов на производство металлопродукции.  11
1.3. Проблемы оптимизации энергообеспечения в черной металлургии... 17
1.4. Контрольные вопросы........................................... 25

Глава 2. Вторичные энергетические ресурсы (ВЭР) черной металлургии........................................................ 27
2.1. Классификация ВЭР............................................. 27
2.2. Топливные ВЭР................................................. 28
2.3. Тепловые ВЭР.................................................. 29
2.4. Энергия избыточного давления газов............................ 31
2.5. Контрольные вопросы........................................... 31

Глава 3. Энергосберегающие технологии при производстве чугуна и стали..................................................... 32
3.1. Энергосбережение в доменном производстве...................... 32
3.2. Энергосбережение при производстве стали в кислородных конвертерах........................................................ 36
3.3. Энергосбережение при производстве стали в дуговых электропечах  50 3.4. Энергосбережение при внепечной обработке стали................ 67
3.5. Особенности энергосбережения на мини- и макрозаводах......... 110
3.6. Контрольные вопросы.......................................... 123

Глава 4. Энергосберегающие технологии при разливке стали.......... 124
4.1. Технологии получения крупных слитков......................... 124
4.2. Энергосберегающие технологии получения непрерывнолитых сортовых, блюмовых, слябовых и фасонных заготовок................. 135
4.3. Энергосбережение при разливке металла на тонкие слябы и литейно-прокатные модули........................................ 146
4.4. Контрольные вопросы.......................................... 153

Глава 5. Энергосбережение в ферросплавном производстве............ 154
5.1. Тепловой баланс ферросплавной печи........................... 154


3

5.2. Перспективы развития ферросплавного производства.............. 155
5.3. Контрольные вопросы........................................... 156

Глава 6. Энергосберегающие технологии при нагреве металла перед прокаткой.................................................... 157
6.1. Методы энергосбережения при нагреве слитков и заготовок в колодцах, методических и термических печах................................... 157
6.2. Анализ затрат энергии на подготовку и нагрев блюмов и слябов.   168
6.3. Контрольные вопросы........................................... 169

Глава 7. Энергосберегающие технологии в прокатном производстве....   170
7.1. Затраты энергии на прокатку................................... 170
7.2. Снижение расхода энергии при прокатке блюмов и слябов......... 173
7.3. Удельный расход энергии при прокатке профилей и пути его снижения................................................ 175
7.4. Расход энергии при производстве труб.......................... 179
7.5. Энергозатраты при прессовании профилей и волочении............ 185
7.6. Контрольные вопросы........................................... 191

Глава 8. Энергозатраты в металлургическом производстве с полным циклом и пути их снижения.......................................... 192
8.1. Цели и задачи металлургического производства с полным циклом.   192
8.2. Пути снижения энергозатрат.................................... 194
8.3. Перспективные схемы металлургического предприятия будущего...  199
8.4. Контрольные вопросы........................................... 200

Глава 9. Управление энергоресурсами металлургического предприятия.  201
9.1. Сущность и задачи системы энергоменеджмента на металлургическом предприятии........................................................ 201
9.2. Методы управления энергосбережением на предприятии............ 202
9.3. Контрольные вопросы........................................... 206

Список использованных источников................................... 207


4

        ВВЕДЕНИЕ


     Металлургия во всех развитых странах является одним из главных потребителей энергии, доля которой составляет около 30 % всей энергии, потребляемой промышленностью. Эта энергия расходуется на выплавку чугуна, стали и цветных металлов, прокатный передел и термообработку.
     Энергоемкость конечной продукции черной металлургии стран СНГ, -проката, - на сегодняшний день превышает аналогичный показатель продукции развитых стран почти в 1,5 раза. Если принять во внимание, что значительная часть этой продукции реализуется через экспорт, а доля энергозатрат в себестоимости проката превышает 40 %, становится понятным, что проблема снижения энергоемкости продукции для отрасли более чем актуальна, чем для всей остальной экономики. С другой стороны, черная металлургия относится к основным энергозатратным отраслям и является крупнейшим источником выбросов вредных веществ, а уровень этих выбросов в отрасли превышает почти в два раза аналогичные показатели развитых стран. Ввиду прямой связи между использованием топлива и электроэнергии в промышленных установках и выбросами вредных веществ в окружающую среду, решение проблем энергосбережения и улучшения экологической обстановки на предприятиях должно осуществляться в рамках комплексного подхода. Это нашло свое отражение в различных правительственных программах России, Украины и других стран СНГ по развитию и реформированию горно-металлургического комплекса (ГМК) в XXI веке до 2010-2020 годов.
     Можно выделить ряд энергосберегающих мероприятий, входящих в комплексные программы [1, 2]:
        -  разработка методологии компьютерной оптимизации энергетических и материальных затрат, механизма экономического стимулирования внедрения энергосберегающего оборудования и технологий металлургического производства;
        -  дооснащение технологических агрегатов теплоутилизационными установками (за воздухонагревателями, доменными и электрическими дуговыми печами, нагревательными печами прокатных станов) и системами испарительного охлаждения;


5

        -  полная замена мартеновского производства стали на современное кислородно-конвертерное и электросталеплавильное производство;
        -  автоматизация и оптимизация режимов нагревания, транспортирования и прокатки слитков и заготовок, других энергозатратных производственных процессов;
        -  внедрение систем замкнутого оборотного водоснабжения без сбросов сточных вод как отдельных производств, так и предприятий в целом;
        -  разработка и внедрение прогрессивных технологических нормативов вредных выбросов в окружающую среду на базе показателей лучших металлургических предприятий;
        -  проведение энергоэкологического аудита предприятий ГМК.
     Реализация комплексных программ энергосбережения в ГМК стран СНГ должна обеспечить снижение энергоемкости черной металлургии к 2020 году до уровня, не превышающего 1,2 т у.т./т проката.
     «Оптимизация энергозатрат в металлургических технологиях» - новая учебная дисциплина для металлургических специальностей технического вуза. Оптимизация, в отличие от математического термина, подразумевающего методы поиска минимума или максимума функции, применительно к прикладным задачам металлургических технологий означает поиск максимума энергоэффективности или КПД теплоустановки, или минимума расхода энергии на единицу продукции или минимума потерь тепла.
     Введение, разделы: 1, 2, 3, 4, 8 и выводы написаны В. Л. Жуком; разделы 5, 8, 9 - В. И. Заикой; раздел 6, 7 - В. Л. Жуком и И. В. Тупилко.
     Предлагаемое учебное пособие будет способствовать формированию необходимых знаний в области энергосбережения у студентов специальности «Металлургия». Содержание пособия полностью соответствует учебной программе дисциплины «Оптимизация энергозатрат в металлургических технологиях».

6

ГЛАВА 1


        ПОТРЕБЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ В СТРУКТУРЕ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРЕДПРИЯТИЯ И ВОПРОСЫ ОПТИМИЗАЦИИ ЭНЕРГОЗАТРАТ

    1.1. Природные ресурсы и их классификация

     Металлургическое производство, как ведущая отрасль тяжелой промышленности, является крупнейшим потребителем природных ресурсов -рудных и нерудных материалов, практически всех видов топлива, а также электрической энергии, отходов производства и потребления. С увеличением мирового промышленного производства все большее значение для развития производительных сил приобретают полезные ископаемые, содержащиеся в недрах земли.
     Большое значение для развития металлургического производства имеет информация о ресурсах руд металлов и топливно-энергетических ресурсах. Так, известные месторождения железной руды в настоящее время оценивают примерно в 600 млрд т. При ежегодной мировой добыче руды на уровне 2,0 млрд т этих запасов хватит на 300 лет. Если же иметь в виду, что значительное количество стали выплавляют из металлолома, то можно рассчитывать и на более длительное время. Кроме того, предположительно на дне океанов находится около 1,5 трлн т железомарганцевых конкреций, которые со временем могут быть вовлечены в металлургическое производство.
     Сведения о топливно-энергетических ресурсах по данным, приведенным на XXVI Международном геологическом конгрессе, показаны в таблице 1.1 [3].
     Из анализа сведений этой таблицы следует, что наибольшими являются запасы угля. Если ориентироваться на объем мировой добычи этого вида топлива в 1980 г. - 2,8 млрд т у.т., то геологических запасов угля хватит на 3616 лет. Запасов угля в мире, возможно, больше, чем следует из имеющихся оценок. Из-за большей ценности источников углеводородного топлива -нефти и природного газа, обладающих более высокой теплотой сгорания, отсутствием балласта (золы и воды), более пригодных для производства химикатов и горюче-смазочных материалов, поисковым и разведочным работам на 7

уголь уделяется меньшее внимание. В некоторых странах ресурсы угля вообще не учитываются.


Таблица 1.1

Структура мировых тапасов горючих ископаемых

              Геологические        Условно-доступные     
   Вид                               для извлечения      
 ресурсов           млрд т                 млрд т       
            млрд т       *  %***   млрд т       *  %*** 
                      у.т.                   у.т.       
  Уголь     16000   10126  89,53    4000    2880  82,66 
  Нефть    520      743     6,57    260     372   10,68 
   Торф    261        98    0,88     70      26   0,75  
  Смола                                                 
из горючих 356      114     1,00     90      28   0,80  
 сланцев                                                
Природный                                               
    **     180х1012 229     2,02  140х1012  178    5,11 
газ                                                     
  Итого        11310       100,00      3484       100,00

* т у.т. - тонна условного топлива. Численно 1 т у.т. соответствует 1 т твердого топлива, теплота сгорания которого Qfi = 29,3 ^^.
* * Запасы природного газа оцениваются в м³.
* ** Доля в тепловом балансе, рассчитанном в т у.т.


      Несравненно большее значение уделяется поиску нефти. Несмотря на постоянное увеличение добычи нефти, ежегодно достоверные ресурсы нефти увеличиваются на значительную величину. В настоящее время запасы нефти обнаружены в прибрежном шельфе Северного моря. Крупными нефтедобывающими странами стали Великобритания и Норвегия. Надо иметь в виду, что при существующей технологии на поверхность извлекается только 35-40 % нефти, имеющейся в недрах Земли.
      В результате интенсивных поисковых работ увеличиваются также достоверные запасы природного газа. Значительные количества метана находятся в виде твердых растворов в каменноугольных пластах. Этот метан представляет крайнюю опасность, являясь основной причиной взрывов и пожаров

8

в шахтах. При угледобыче с дегазацией пласта возможно извлечение газа и его использование. В Кузнецком бассейне России освоена эта технология. Общее количество метана в угольных пластах основных бассейнов СНГ оценивается в 3,2-3,5х10¹³ м³.
      Природный газ обладает способностью образовывать в земной коре при определенных термодинамических условиях (температуре до 195 К и давлении до 2,5 МПа) залежи в твердом газгидратном состоянии (твердые растворы, в которых растворителем является лед). В кристаллических гидратах один объем воды связывается с 70-300 объемами метана. Газгидраты представляют собой соединения, где метан размещается в порах кристаллической структуры льда. Элементарные кристаллические ячейки газгидратов содержат 46 молекул воды и 8 молекул газа. По оценкам специалистов, количество метана в газгидратных отложениях на морском дне во много раз превышает общие ресурсы всех горючих ископаемых суши. Считают, что в глубоководных месторождениях газгидратов содержится 10¹⁸ м³ метана. Очень большие количества газгидратов природного газа находятся в вечной мерзлоте, занимающей большие территории Российской Федерации. Опыт канадских специалистов показал принципиальную возможность извлечения природного газа в зонах вечной мерзлоты. Однако, предложенный ими способ признан дорогим и исследования по разработке эффективной технологии добычи природного газа, находящегося в газгидратных месторождениях, временно приостановлены.
      Возможно, ресурсы природного газа более значительны. Американский астрофизик Голд выдвинул гипотезу, согласно которой на Земле существует огромный резервуар первичного метана, находящийся под большим давлением, служит главным источником углерода на поверхности Земли на протяжении всего геологического времени. По оценкам Голда, первоначально резервуар метана имел объем, эквивалентный современному объему потребления топлива в течении 20 млн лет. Какая-то доля этого газа должна сохраниться и до настоящего времени. Количество метана, залегающего в глубоких слоях, огромно и сможет служить практически неисчерпаемым источником энергии. Многое свидетельствует о широком распространении метана в земной коре. Именно он служит источником языков пламени, факелообразных вспышек и взрывов, которыми сопровождаются землетрясения. Находящийся под давлением около 30 МПа метан вытекает через трещины в горных породах, которые возникают перед землетрясениями и во время их развития. Метан часто встречается в виде микровключений (пузырьков газа) в пластах солей, главным образом, калийных месторождений.

9

     Очень важным источником энергии становится атомная энергетика. В 2000 г. на долю атомных электростанций приходилось около 6 % мировой выработки электроэнергии. Общие запасы урана в капиталистических и развивающихся странах оцениваются в 4 млн т. Потребность в 2000 г., оценивалась в 135 тыс. т, что отвечало обеспеченности этим ресурсом примерно на 30 лет. Значительные количества этого вида топлива находятся в отвалах предприятий по производству обогащенного урана. Более широкое использование реакторов-размножителей открывает путь к значительному увеличению производства расщепляющихся материалов и использованию реакторов, работающих на плутонии. Накоплены очень большие количества оружейных расщепляющихся материалов, которые также могут быть использованы в энергетике. В XXI веке вероятно практическое использование термоядерной энергии, для производства которой имеются огромные ресурсы дейтерия (в природной воде 0,014 % тяжелой воды).
     Из возобновляемых источников энергии в настоящее время в наибольшей мере используются гидроэнергоресурсы, но они практически исчерпаны. К неисчерпаемым ресурсам энергии относятся солнечная и геотермальная, энергия ветра, приливов и отливов, биомассы. Наибольшие успехи достигнуты в создании солнечных батарей, ветровых генераторов, генераторов биогаза. Эффективные же технологии преобразования других видов энергии находятся в стадии разработок.
     Общее представление о потреблении энергии из различных источников в настоящее время и на перспективу можно получить из данных, представленных на рисунке 1.1. Их сравнение показывает, что в ближайшие 20 лет в мире не произойдет кардинальных изменений в структуре топливного баланса.
     Изменений можно ожидать, когда будут разработаны новые эффективные методы преобразования угля в горючий газ при подземной газификации или в жидкое синтетическое топливо. Структура баланса энергии изменится, если существенно повысится КПД установок непромышленной энергетики или будут созданы новые более совершенные устройства. Большие надежды возлагаются на использование термоядерной энергии, что создаст принципиально отличные от существующих условия не только в производстве энергии этим способом, но и приведет к перераспределению других источников энергии в общем энергетическом балансе.

10

I - уголь; II - нефть; III - газ; IV - ядерная энергетика; V - гидроэнергетика;
VI - непромышленная энергетика (солнечные батареи, ветродвигатели и пр.)
Рисунок 1.1 — Потребление источников энергии в настоящее время (а) и на перспективу (б)



    1.2. Анализ затрат энергоресурсов на производство металлопродукции

     Работниками научно-технического центра «Энергосталь» (г. Харьков) был проведен подробный анализ затрат топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) в металлургической отрасли на производство товарной продукции для различных объемов производства и сортамента [4].
     В горно-металлургическом комплексе (ГМК) товарной продукцией является прокат. Технологический процесс его производства в широком понимании предусматривает затраты большого количества полуфабрикатов (железорудного концентрата, кокса, агломерата или окатышей, чугуна, извести, стали и др.), а следовательно - существенный расход ТЭР как в металлургиче

11

ской, так и в горнорудной, коксохимической и, в меньшей мере, ферросплавной и огнеупорной подотраслях. Следует иметь ввиду, что кокс как и коксовый газ являются одновременно и топливом, и полуфабрикатом, так как выжиг кокса и очистка коксового газа требуют определенных затрат энергоресурсов.
     В целом по отрасли удельный расход топлива (to, кг у.т.) и покупной электроэнергии (ео, кВт-ч) на тонну проката определяется цеховой энергоемкостью проката, сквозным удельным расходом полуфабрикатов и их цеховой энергоемкостью.
     Цеховая энергоемкость - это цеховые затраты топлива (1ц, кг у.т.) и покупной электроэнергии (ец, кВт-ч) на единицу выпускаемой цехом продукции в натуральном измерении. В связи с тем, что практически все металлургические и большая часть коксохимических предприятий используют для работы теплоэнергию не покупную, а вырабатываемую этими же предприятиями, затраты теплоэнергии в цеховой и в отраслевой энергоемкости учитываются в виде топлива и покупной электроэнергии, израсходованных на выработку теплоэнергии.
     Цеховой удельный расход топлива (tIL кг у.т./т) и покупной электроэнергии (ец, кВт-ч /т) определяется путем суммирования прямых (технологических) удельных расходов топлива и электроэнергии с удельными расходами производных энергоносителей (пара, кислорода, дутья, воды и т. п.), пересчитанных в эквивалентный расход покупной электроэнергии и условного топлива.
     Сквозной удельный расход полуфабрикатов определяется путем перемножения прямых расходных коэффициентов полуфабрикатов по технологической цепи производственного процесса. Например, если расход катаных заготовок на сортовой прокат составляет 1,04 т/т, расход слитков на заготовки -1,15 т/т и расход чугуна на выплавку стали - 0,8 т/т, то сквозной расход чугуна на сортовой прокат будет 1,04-1,15-0,8 = 0,9568 т/т.
     В таблице 1.2 приведена цеховая энергоемкость полуфабрикатов и их сквозной удельный расход на производство катаных заготовок, сортового и листового проката в условиях Алчевского металлургического комбината (АМК).
     В сквозной расходный коэффициент чугуна (851,7-1038,4) кг/т включаются его затраты и на выплавку стали, и на производство сменного оборудования (изложницы, поддоны) при разливке стали в слитки (19,0-23,0) кг/т. В сквозной расходный коэффициент кокса включены его затраты в доменном и агломерационном цехе. Цеховой удельный расход условного топлива на вы

12