Теория и технология производства стали 1. Учебник для вузов. М. Мир, ООО Издательство act

• Название: Учебник для вузов. М. Мир, ООО Издательство act
• Анкор: Теория и технология производства стали 1.doc
• Дата: 22.04.2017
• Размер: 7.23 Mb.
• Имя файла: Теория и технология производства стали 1.doc
• Тип: Учебник; #5208
• страница: 76 из 88

26.7. ОХРАНА ПРИРОДЫ

И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ В МЕТАЛЛУРГИИ

Одной из отраслей, к деятельности ко­торой в области ресурсосбережения и экологии человечество предъявляет серьезные претензии, является метал­лургия. Металлургический завод пол­ного цикла, производящий 10 млн. т стали в год, до введения строгих мер контроля выбрасывал ежегодно в ат­мосферу более 200 тыс. т пыли, 50 тыс. т соединений серы, 250 тыс. т оксида уг­лерода, оксидов азота и других ве­ществ. Работа заводских агрегатов со­провождается шумами и вибрацией.

Металлургическое производство сопровождается образованием боль­шого количества шлака. Эта масса шлака, если ее направлять в шлаковые отвалы, занимает значительные пло­щади, что связано с отторжением зе­мельных угодий, загрязнением почвы и водного бассейна, требует организа­ции сети железнодорожных путей и т.д. Расходы на защиту окружающей среды, включая водный и воздушный бассейны, на борьбу с шумами и виб­рацией, извлечение ценных отходов производства и т.д. непрерывно рас­тут. Они повсеместно превысили 5 %, а при строительстве некоторых заво­дов достигают 20 % общих капитало­вложений.

26.7.1. Некоторые особенности структуры металлургического производ­ства. Исторически сложилось, что структура производства черных метал­лов в России до последнего времени заметно отличалась от таковой в дру­гих промышленно развитых странах мира. Сегодня эта структура не может быть признана рациональной.

Наша промышленность еще не ус­пела полностью перейти от традицион­ной, сложившейся десятилетиями тех­нологии к современной, основанной, например, на замене разливки стали в изложницы непрерывной разливкой, на широком использовании листового проката (с последующей штамповкой, сваркой и т. д. и соответствующим уменьшением масштабов использова­ния металлообрабатывающих станков с образованием миллионов тонн стружки), на широком использовании методов внепечной обработки с целью получения металла высокой степени чистоты и качества и т. п.

В результате эффективно использу­ется лишь часть выплавляемой стали (условно можно считать, что произво­дится «излишнее» количество стали, соответственно добывается «излиш­нее» количество руды, коксующегося угля, имеется «излишнее» число агло-фабрик, доменных печей, заводов для производства огнеупорных материалов и т. д., т. е. «излишнее» число произ­водств, весьма тяжелых с экологичес­кой точки зрения). Для пояснения дан следующий расчет. Предположим, что в стране выплавляется в год 100 млн. т стали, которая разливается в слитки, поступающие затем в прокатку. Рас­ходный коэффициент от стали к прока­ту зависит от марки стали и вида прока­та, т. е. находится в довольно широких пределах. Какая-то часть металла на пути от сталеплавильного агрегата до годного слитка теряется (потери от брака, недоливы и т. д.), но основные потери металла имеют место на пути от слитка к прокату. Средний расходный коэффициент от слитка к годному про­кату составляет 1,33; это означает, что из каждых 100 млн. т жидкой стали, разлитой в слитки, получают только 73-75 млн. т годного проката (основ­ная причина потерь металла — голов­ная и хвостовая обрезь слитков). При расходном коэффициенте в машино­строении (т. е. на пути от проката к го­товой детали, готовому изделию), в среднем близком к 0,8 (в общем маши­ностроении 0,82, в подшипниковой промышленности 0,55, в транспортном машиностроении 0,86, в строительстве 0,95 и т. д.), около 20 % годного проката уходит в стружку, обрезь, выдавки, концы, облой и т. п. В результате мас­са готовых изделий, полученных из 100 млн. т жидкой стали, составит (73+75)- 0,8 = 58,4+60,0 млн. т.

Обычная технология не позволяет в достаточной мере рафинировать сталь от таких вредных примесей, как сера, фосфор, от неметаллических включе­ний и газов. Кроме того, при разливке стали в слитки, особенно крупные (средняя масса одного слитка из года в год непрерывно возрастает, так как при этом увеличивается производитель­ность прокатных станов), неизбежно протекание ликвационных процессов, неизбежно возникновение местных на­рушений сплошности металла вслед­ствие усадочных явлений и т. п. Поэто­му на стадии проектирования в конст­рукцию закладывают определенный за­пас прочности, который зависит от характера будущей нагрузки (статисти­ческая, знакопеременная, ударная и т. п.). Коэффициенты запаса обычно принимают равными от 1,5 до 3,0. Если в рассматриваемом примере принять этот коэффициент равным 2, то получа­ем, что эффективно используют лишь (58,4+60,0) /2 = 29,2+30 млн. т из каж­дых 100 млн. т выплавляемой стали.

Ситуация существенно меняется, если традиционная разливка стали в изложницы заменяется непрерывной разливкой. Выход проката при этом повышается с 75—85 до 95—97 %. Замена сортового проката прокатом слож­ных профилей и листовым прокатом с последующей штамповкой, сваркой и т. п. позволяет довести массу изде­лий до 80—85 % млн. т от каждых 100 млн. т выплавки стали.

Современные методы внепечной обработки чугуна и стали (обработка шлаками, порошковыми смесями, продувка инертными газами, обработ­ка вакуумом и т. п.) позволяют получать сталь с ничтожно малым содержанием вредных примесей. Использование ста­ли с гарантированно низким содержа­нием вредных примесей исключает ос­новные дефекты, связанные с ликваци­ей, образованием газовых пузырей и т. п., и позволяет приблизить коэффи­циент запаса к единице. Итак, резуль­татом новых технологий, основанных на современной технике, являются бо­лее оптимистичные показатели: из каждых 100 млн. т выплавленной стали эффективно используются уже не 29,2-30,0, а 75-85 млн. т.

Обеспечение более высокой техни­ческой культуры производства позво­ляет промышленно развитым странам при сравнительно меньших масштабах металлургического производства про­изводить большую массу продукции машиностроения.

Ниже приводятся схемы, которые показывают, какими огромными воз­можностями располагает инженер-ме­таллург благодаря созданию новых вы­сокоэффективных технологий.
Вариант А — традиционная технология



26.8. ЭКОНОМИЯ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ
Современная металлургия базируется на использовании: горючих ископае­мых (уголь, природный газ, нефть), электроэнергии (источниками кото­рой являются нефть, природный газ, уголь), кислорода (производство, ко­торое связано со значительными рас­ходами электроэнергии).

Энергоресурсы металлургических предприятий обычно делят на первич­ные и вторичные. К первичным отно­сят потребляемые в процессе произ­водства поступающие на завод уголь, газ, мазут, электроэнергию и т. п. Вто­ричные энергетические ресурсы (ВЭР) условно можно подразделить на две группы: высокопотенциальные ВЭР и низкопотенциальные ВЭР.

В нашей стране и во многих других промышленно развитых странах основ­ное внимание традиционно уделяют утилизации высокопотенциальных ВЭР.
26.8.1. Использование высокопотен­циальных ВЭР. К высокопотенциаль­ным вторичным энергоресурсам отно­сят обычно нагретые до высоких тем­ператур (1000-1700 °С) отходящие газы металлургических агрегатов, а также отходы, содержащие горючие компоненты. На практике действуют достаточно эффективные способы утилизации физического и химичес­кого тепла этих газов.
26.8.2. Утилизация тепла отходящих газов. Покидающие рабочее простран­ство металлургических агрегатов горя­чие дымовые газы уносят с собой зна­чительное количество тепла (тем боль­шее, чем выше температура газов и чем ниже степень использования теп­ла в агрегате). Для максимальной ути­лизации тепла чаще всего используют следующие варианты:

пропускают отходящие горячие газы через котел-утилизатор с целью получения пара;

используют горячие газы для предва­рительного (перед загрузкой в сталепла­вильный агрегат) подогрева металлолома;

организуют передачу тепла горячих газов воздуху или газу, подаваемому в металлургический агрегат для горения (применение теплообменников реге­неративного и рекуперативного ти­пов). Следует подчеркнуть, что единица тепла, отобранного у горячих ды­мовых газов и вносимая в печь подо­гретым воздухом или газом, оказыва­ется значительно ценнее единицы тепла, полученной в печи в результате сгорания топлива. Использование ре­генеративных и рекуперативных теп­лообменников обеспечивает заметное снижение расхода топлива.

Описанные выше методы сохране­ния тепла газов имеют общее назва­ние — регенерация тепла¹.

Регенерация в теплотехнике — ис­пользование тепла отходящих газов для подогрева воздуха и/или топлива, поступающих в какую-либо теплотех­ническую установку, печь.

Регенератор¹— теплообменник, в котором передача тепла осуществляет­ся путем поочередного соприкоснове­ния горячего и холодного теплоносите­лей с одними и теми же поверхностями аппарата. Во время соприкосновения с горячим теплоносителем стенки реге­нератора нагреваются, с холодным — охлаждаются, нагревая его.

Рекуператор* — теплообменник по­верхностного типа для использования тепла отходящих газов, в котором теп­лообмен между теплоносителями осу­ществляется непрерывно через разде­ляющую их стенку. В отличие от реге­нератора трасса потоков теплоносите­лей в регенераторах не меняется.

Регенеративные теплообменники широко применяют на высокотемпе­ратурных печах (мартеновских и до­менных печах, в нагревательных ко­лодцах), так как регенераторы могут работать при весьма высоких темпера­турах дымовых газов (1500—1600 °С). При такой температуре рекуператоры работать устойчиво пока не могут.
26.8.3. Особенности утилизации конвертерных газов. Основной состав­ляющей конвертерных газов является СО; температура их в зависимости от периода плавки колеблется в пределах 1300-1700 "С. В случае работы кон­вертеров с подачей кислорода только сверху в отходящих газах практически нет водорода; при донной продувке и защите фурм подачей жидких или га­зообразных углеводородов в отходя­щих газах может содержаться заметное количество водорода.
¹ От лат. regeneratio — возрождение, возоб­новление.

² От лат. regenero — вновь произвожу. ³От лат. recuperator—получающий снова,

возвращающий.

Конвертерные газы представляют собой ценнейший вид высокопотен­циальных ВЭР (можно утилизировать и физическое тепло нагретых газов, и химическое тепло от сжигания СО и Н₂). Приходится, однако, учитывать следующее:

1. Интенсивность выделения газов из конвертера периодически меняется от нуля в межплавильный период до максимума примерно в середине пери­ода продувки. Если принять, что про­межуток времени от выпуска до выпус­ка 35 мин (т. е. примерно 40 плавок в сутки), а продолжительность интен­сивного окисления углерода 10 мин, то из 1440 мин суточного времени лишь 10 • 40 = 400 мин в сутки конвертер по­кидают газы, являющиеся ВЭР.

2. Отходящие конвертерные газы несут с собой значительное количество плавильной пыли (в отдельные перио­ды до 250 г/м³ газа). Выброс таких за­пыленных газов в атмосферу недопус­тим и по санитарным, и по экологичес­ким, и по экономическим нормам (пыль состоит в основном из оксидов железа). Поэтому все конвертеры обо­рудованы системами очистки отходя­щих газов с тем, чтобы утилизировать пыль, уловленную в этих системах. В данной связи конвертер является частью единой системы: конвертер — охладитель газов (котел-утилизатор)— газоочистное устройство—дымосос-устройства для выброса газов в атмос­феру или для их утилизации. В зависи­мости от допускаемого (или организуе­мого) подсоса воздуха в систему плавка может осуществляться по нескольким режимам:

а) с полным дожиганием (дополни­тельно выделяемое тепло в известной степени используется в котле-утилиза­торе);

б) с частичным дожиганием (при максимальном выделении газов дожи­гается только часть СО, остальная часть СО сгорает на свече на выходе из системы; при уменьшении выделя­ющихся газов количество СО, сгораю­щего на свече, уменьшается; в резуль­тате обеспечивается по ходу всей продувки более равномерная работа кот­ла-утилизатора при постоянной про­изводительности дымососа; как при полном, так и при частичном дожига­нии объемы газов вследствие подсоса воздуха существенно (в 3—4 раза) воз­растают;

в) без дожигания. В последнем слу­чае зазор между горловиной конверте­ра и котлом-утилизатором герметизи­руют. Объем очищаемых газов при этом в 3—4 раза меньше, чем при рабо­те с дожиганием, что упрощает и уде­шевляет организацию газоочистки. Выделяющиеся после газоочистки газы собирают в газгольдере. Их мож­но использовать как топливо (содер­жат 70—85 % СО, теплота сгорания 8-10 кДж/м³) или сырье для химичес­кой промышленности. Отечественная промышленность пока не располагает значительным опытом такой работы. Основная масса конвертерных газов используется для получения пара и подвергается при этом охлаждению до (200—500 °С) в котлах-утилизаторах, после чего направляется на газоочист­ку. Современные котлы-утилизаторы имеют паропроизводительность до 300 т/ч и более.

Кроме перечисленных способов утилизации горячие конвертерные газы можно использовать и как вос­становитель железорудного сырья, и для предварительного нагрева загру­жаемого в конвертер лома. Использо­вание газов как восстановителя весьма заманчиво, но только после охлажде­ния, так как в случае твердофазного восстановления желательно иметь температуру около 1050 °С (т. е. газы необходимо охлаждать). В Магнито­горском горно-металлургическом ин­ституте предложена технология так называемой энергохимической аккуму­ляции, сущность которой заключается в добавке в отходящие конвертерные газы определенного количества при­родного газа. В результате реакции повышается теплота сгорания газа, увеличивается его количество.
СО + ЗСО₂ + СН₄ = 4СО + СO₂ + Н₂ + Н₂О
Возможны и другие варианты ре­шения проблемы эффективного использования физической и химичес­кой теплоты конвертерных газов.
26.8.4. Пути использования низкопо­тенциальных ВЭР. Низкопотенциаль­ные вторичные энергетические ресур­сы (например, отходящие газы с тем­пературой 200 "С и менее) очень часто не только остаются неиспользованны­ми, но и рассеиваются в окружающую среду. По мере совершенствования методов использования высокопотен­циальных ВЭР доля энергии, теряе­мой с низкопотенциальными ВЭР, возрастает. Проблема использования этих низкопотенциальных ВЭР уже имеет несколько вариантов решения, проверенных на практике:

1. Выработка электроэнергии на базе специальных турбин, работаю­щих на легковскипающих рабочих те­лах. Этот путь опробован на некото­рых предприятиях (прежде всего в та­ких странах с малыми природными энергоресурсами, как Япония, Ю. Ко­рея, Италия).

2. Использование низкопотенци­альных ВЭР для обогрева грунта (обо­греваемые теплицы).

По предварительным расчетам, та­кое предприятие, как крупный метал­лургический комбинат, может отапли­вать низкотемпературными (80—90 °С) ВЭР примерно 150 га теплиц и обеспе­чивать тем самым производство около 60 тыс. т овощей и зелени.

3. Использование перепада давле­ния при дросселировании газов на га­зораспределительных пунктах (ГРП) и газораспределительных станциях (FPQ металлургических заводов. Во многих случаях давление редуцируется в 3—6 раз без какого-либо использова­ния. Между тем использование энер­гии сжатых газов может быть реализо­вано с целью выработки холода, необ­ходимого для производства и хране­ния плодоовощной продукции.

4. Использование углекислоты, из­влекаемой из отходящих газов для по­лучения сухого льда (который затем можно использовать для быстрой за­морозки, хранения, сушки продуктов питания и т. п.).

Пункты 3 и 4 заслуживают особого внимания в связи с запретом на ис­пользование фреонов (для сохранения озонового слоя).
26.8.5. Сравнение эффективности энергоресурсов. Для сравнения эффек­тивности различных энергоресурсов, расхода и экономии топлива в нашей стране обычно используют так назы­ваемую единицу условного топлива (единица ТУ или ЕТУ). В качестве ЕТУ принимают 1 кг топлива с тепло­той сгорания 7000 ккал/кг. Для срав­нения разных видов топлива исполь­зуют формулу¹
B_у=Q_н/(7000 В_н) = Э ∙ В_н
где By — масса эквивалентного количества условного топлива, кг; В_н— масса натураль­ного топлива, кг (твердое или жидкое топли­во) или м³ (газообразное топливо); (Q_H -низ­кая теплота сгорания натурального топлива, ккал/кг или ккал/м³; Э = Q_H/7000 — кало­рийный эквивалент: для нефти Э = 1,4; для кокса 0,93; для торфа 0,4; для природного газа 1,2.
В энергетике используют формулу

g= 860/7,
где g — количество ЕТУ, затраченное на вы­работку электроэнергии, г ЕТУ /кВт • ч; т| — к.п.д. установки.
Во Франции в качестве ЕТУ при­нято топливо, имеющее либо низ­шую (6500 ккал/кг), либо высшую (6750 ккал/кг) теплоту сгорания.

В США и Великобритании исполь­зуют обычно единицу учета, равную 10¹⁸ BTU (британских топливных еди­ниц— british thermal unit), причем 1 BTU (по-русски БТЕ) = 252 кал = = 1,05кДж = 0,293Вт-ч. 1BTU-ко­личество теплоты, нагревающее 1 фунт воды на 1 °F (градус Фаренгей­та) = 1055,88 Дж (1 фунт = 0,454 кг). Следует иметь в виду, что в России расходы одного из основных энерго­носителей — природного газа — фик­сируются в кубических метрах. Во многих странах расходы энергоноси­телей, включая расход природного газа, фиксируются в величинах BTU (при этом исключается влияние слу­чайных или неслучайных колебаний состава и давления газа).

'Для сравнения эффективности энерго­ресурсов по-прежнему используют во всех инстанциях калорийный эквивалент, поэтому автор не дал пересчета в систему единиц СИ.

Это нужно учитывать, знакомясь с мировой тех­нической литературой.