Теория и технология металлургии стали. Энергетика, технология и экология сталеплавильных процессов. Учебно-методическое пособие

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

Рецензент 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 энергетическихпараметровсталеплавильныхпроцессов, атакжепервичныхипроизведенных 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

3

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 кислород- но-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.

Пособиепредназначенодлястудентовспециальности150100 покурсу «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».

4

Состояние черной металлургии России и мира

Внастоящее 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 доменныхпечах, скислородно-конвертернымспособомпроизводствастали, 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 большей́ 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-заво- дов с совмещением процессов разливки и прокатки металла на литей- но-прокатных модулях.

В2006 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.

5

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

1.Промышленное и гражданское строительство – балки, швеллер, уголок, арматура диаметром 8...36 мм, катанка диаметром от 6 мм и др.

2.Трубопроводный транспорт – нефте- и газопроводные трубы 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.

3.Строительство морских платформ для добычи углеводородного 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.

4.Автомобилестроение – производство автомобильного листа, 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.

5.Железнодорожный транспорт – рельсовые и колесные стали, 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-

6

гил). Основные требования к металлу – высокие прочность, износостойкость, твердость и ударная вязкость.

6.Тяжелое и среднее машиностроение – оборудование прокатных станов, МНЛЗ и др.

7.Гражданское и военное судостроение.

8.Оборонная промышленность.

9.Атомное и энергетическое машиностроение.

10.Сельскохозяйственное машиностроение.

11.Производство бытовой техники.

7

1. ЭНЕРГЕТИКА МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ПРОБЛЕМА УСТОЙЧИВОГО РАЗВИТИЯ

Внастоящее 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.

Вмировой черной металлургии в последние десятилетия получили развитие две конкурирующие схемы производства стали:

1)предприятия полного металлургического цикла, включающие коксохимическое и аглодоменное производство и выплавку стали в большегрузных кислородных конвертерах с последующей внепечной обработкой, непрерывной разливкой и прокаткой;

2)мини-заводы, состоящие из отделений получения, подготовки и хранения металлошихты, производства стали в электродуговых печах

странсформаторами 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

8

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, электросталеплавильный 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:

1) первичная энергия, содержащаяся в органических топливах: мазуте, природном газе, энергетических углях, коксе;

9

2)произведенная энергия, полученная в специальных установках (электрическая энергия, пар, сжатый воздух, кислород, инертные газы и др.);

3)скрытая (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 ре-

сурсов, накопление отходов, сбросов или выбросов, эксплуатационное воздействие.

10