Производство чугуна и стали

Производство чугуна и стали является наиболее энергоемкой отраслью промышленности как в Великобритании, так и в США.

И в большинстве других промышленно развитых стран потребление энергии в этой отрасли значительно выше, чем в остальных.

Сталь будет играть важную роль в создании оборудования для использования существующих и будущих источников энергии. Только в США для обеспечения прогнозируемого роста строительства АЭС до 2000 г. потребуется около 2 млн. т высококачественной нержавеющей стали. Создание оборудования для угольной промышленности и использование геотермальной энергии в США также потребуют огромного количества этого материала. Сегодня, когда во всем мире прокладывают трубопроводы для нефти и газа общей протяженностью около 160 тыс. км и имеется настоятельная необходимость в транспортировке нефти, газа и угля к промышленным центрам, понятно, |как велика потребность в стали.

2 я я к. 16 41              33

Таблица 31. Изменение структуры потребления ®нергоресурсов в производстве стали в Великобритании, •/«*              '

* Процент общего энергопотребления в промышленности.

** Вычислено с gt;чстом расходов топлива на выработку электроэнергии при КПД=2Й%, Угол* — основное тсплішо для выработки электроэнергия.              -

Энергоиспользование при производстве стали. За последние пять лет произошло увеличение эффективности энёргоиспользования в этой отрасли за счет ряда усовершенствований в технологических процессах, в том числе введения в практику кислородных конверторов и непрерывного литья заготовок и использования более качественной импортируемой руды.

В табл. 3.1 приводятся данные по изменению структуры потребления энёргоресурсов и стремительному росту использования в качестве топлива нефти и газа. Было бы хорошо, однако, если бы эта тенденция носила обратный характер, до тех пор пока не появятся атомные станции, которые будут давать высокотемпературную теплоту для производства стали.

При производстве чугуна и стали можно выделить четыре основные энергоемкие стадии: добычу и подготовку руды, производство передельного чугу на, производство стали и процессы ее обработки (рис. 3.1). Производству передельного ч.гуна предшествует производство кокса при эффективности гермоконверсии в коксовой печи около 85%, а также подготовка агломерата — смеси кокса, железной руды и известняка, который затем обжигается и вводится в доменн;, ю печь. Новейшая доменная печь представляет собой очень крупный агрегат, основной частью которого является,стальной цилиндр с огнеупорной футеровкой высотой, как правило, 30 м с подом диаметром 10 м. Руда, агломерат, кокс и известняк подаются сверху в доменну ю печь, а воздух поступает через фурмы. Печи работают при температуре свыше 1100° С и выдают расплавленный чугун и шлак. Около 35% энергии, используемой для получения всей углеродистой стали, потребляется доменной печыо. Передельный.чугун, полученный в доменной печи, поступает затем в сталеплавильную печь.

Единственным недостатком кислородных конвертеров является использова-' иие в. них меньшего в сравнении с мартеновской печью количества стального'' скрапа.

Третьим тятім сталеплавильной печи является электродуговая печь. Первоначально она использовалась главным образом для производства специальных сталей; в настоящее время эксплуатируются печи производительностью 300 т, в которых Может перерабатываться до 100% твердого металлического лома. С точки зрения потребления энергии электродуговые печи менее экономичны, чем печи других типов, однако они имеют определенные преим ,'щества, связанные с использованием электроэнергии подобно другим установкам, что будет рассмотрено в следующих главах.

Слитки, образованные прн охлаждении расплавленной стали и выходящие из печи в виде отливок, затем подвергаются прокзгке и обработке, при которой используется большое количество электроэнергии. На этих стадиях можно экономить около 15% энергии, внедрив техник\г непрерывного литья. При этом исключается необходимость производства стальных слитков, поскольку расплавленная сталь непосредственно подается в охлаждаемый кристаллизатор для получения слябов и других заготовок для проката.

Экономия энергии при производстве чугуна и стали. Имеется много путей снижения энергопотребления в производстве чугуна и стали, и часть из них уже используется в Великобритании, США, Японии и других странах. Одним из очевидных путей является использование там, где это возможно, высококачественной руды. Но в данной главе будут рассмотрены методы повышения эффективности энергойспользования за счет совершенствования технологии процессов.

В Японии, где в основном используется импортируемый коксующийся угол [3.31, снижение нормы потребления кокса в доменной печи достигается путем различных мероприятий. К ним относятся;

улучшение свойств шихты доменной печи и увеличение в агломерате доли окатышей;

увеличение температуры и давления в домне; улучшение Качества кокса; введение дополнительного топлива в фурмы; улучшение контроля за загрузкой и технологическим процессом в доменной печи.

В результате в Японии норма потребления кокоса в доменной печи составляет в среднем 340—350, в США — 470, в Великобритании — 500 кг/т (в 1952 г. эта цифра для Великобритании была 1000 кг/т). Более низкому использованию кокса в печах в Японии, правда, можно противопоставить более высокую норму потребления топлива — 430 кг/т в сравнении с 28 кг/т в Великобритании. Экономия кокса в США не имеет такого большого значения, как в других странах, из-за его относительно низкой цены. Такое же положение в Нидерландах за последние 25 лет привело к снижению потребления кокса с 850 до 430 кг/т (3.61.

В Великобритании мероприятия по экономии связаны с повышением единичной производительности доменных печей, которая достигает 8 тыс. т передельного чугуна в сутки, улучшением огнеупорной футеровки и увеличением интервала между ремонтными работами. Именно в этом случае очень важен контроль за технологическим процессом. Использование вычислительной техники и контрольно-измерительных приборов; имеющих более высокий класс точности, позволяет обеспечить оптимальный режим работы печи.

Одним из методов экономии энергии в доменном процессе яляется применение газовых турбин для этилизации энергии избыточного давления газа доменной печи. Газовая турбина, установленная за доменной печью в Японии в 1974 г., имеет мощность 6,5 МВт, при этом количество утилизированной энергии составляет 80—84%. Постоянная нагрузка на турбине при колебаниях давления в печи обеспечивается применением байпасной системы. Предполагаемая мощность турбины составляет 5 МВт для печи с диаметром распара 8 м и до 20 МВт с диаметром 14 м.

В настоящее время рассматриваются также вопросы, связанные с отказом от использования кокса и угля в доменных печах и в металлургической промышленности вообще. В научных кругах ФРГ раздается критика в адрес такой тендении [3.7] в связи с возможным будущим дефицитом на природный газ и возросшей ценой на нефть и приводятся доводы в пользу создания металлургических производств, работающих исключительно на угле и угольных продуктах, а именно на коксе и газе коксовой печи. Очевидно, что необходимым условием для этого является возможность использования газа доменной печи для косовой печи. Если учесть, что в США и Западной Европе имеются резервы запасов угля, то понятно преимущество такой точки зрения для будущего. В США рассмотрены новая технология с использованием угля, а .также применения технологических процессов коксования для широкого использования коксующегося угля, что весьма перспективно ![3.8Ь              -              -              ¦              1              -

Использование кислородных конвертеров и электродуговых печей для производства стали гораздо дешевле использования мартеновских печей, а эксплуатационные расходы на кислородные конвертеры настолько невелики, что этот тип оборудования должен применяться повсеместно. В Великобритании большое значение приобретают элек- тродуговые печи, поскольку в них может использозаться предварительный нагретый скрап.

В этих агрегатах, так же как и в существующих мартеновских печах, имеются возможности утилизации сбросной теплоты. На современном металлургическом предприятии около 40% общего количества используемой энергии теряется в виде высокотемпературных газов, 15% — в виде низкотемпературного пара и горячей воды и 10% — с излучением. Если эту теплоту, особенно газы с высокой температурой, утилизировать и вторично использовать непосредственно на предприятии или за его пределами, то можно получить существенную экономию топлива.

Фирма British Steel Corporation именно для этой цели в течение ряда лет разрабатывала керамические высокотемпературные рекуператоры и регенераторы [3.9, 3.10]. Керамический рекуператор, который может подогревать воздух для горения до температуры 650 °С, приводится на рис. 3.2. Его возможности значительно выше в сравнении с металлическими рекуператорами, в особенности с точки зрения ограничений по рабочим температурам. Проблемы, связанные

Рис. 3.2. Керамический рекуператор фирмы British Steel Corporation:

/ — упругое уплотнение: 2—пластана для крепленая прокладки; 3 — керамическая труба) 4 — колтектор

Рис. 3.3. Система подогрева скрапа, разработанная в США:

/ — заслонка; % — груба 'і — аодоірезаіель екрана; 4 — изолированная труба; 5 — колпак) 6 — кислородвый конверіер

с герметизацией, также минимальны при использовании эластичных керамических уплотнений. Эта же фирма занимается разработкой вращающихся регенераторов, которые позволяют увеличить температуру подогрева до 1000 С [3. 111. Утилизируя теплоту уходящих газов кислородных конвертеров и используя ее для подогрева металлического скрапа в конвертерном производстве [3. 12]. Исследования, проведенные на опытной установке в США, показали, что при прохождении их через неподвижный слой размельченного скрапа использование его увеличивалось на 43%. Доля утилизированной теплоты при таком методе подогрева составляла 44% всей энергии, необходимой для расплава скрапа. Применявшаяся система приводится на рис. 3.3. Количество используемого скрапа варьировалось между 20—40% общей загрузки печи (200 кг). Такая же работа проводилась по электродусо- вым печам (3.131; подобные предложения рассматривались также и в Великобритании [3.14].

к

Непрерывное литье заготовок представляет наибольший интерес, но при замене существующей техники литья непрерывной требуются высокие капиталовложения, что, естественно, ограничивает темпы внед- 38

Рис. 3.4. Схема использования ядерной энергии в производстве стали:

I — высокотемпературный ядерный реактор с га- вовьші охлаждением; 2 — установка для получения восстановительного газа; 3 — электростанция: І — восстановительная печь; 5 — электродуговаз иечь |;

рения I этого экономичного пронес- са. Будущёе здесь связано с использованием больших количеств низко- лотенцизльйой теплоты, выделяю- щейся в кристаллизаторах. Непрерывное, Поступление низкопотенциальной теплоты является реальной предпосылкой ее вторичного использования. у

В перспективе технологический процесс производства стали связан с использованием ядерной энергии, преобразованной в электроэнергию или высокотемпературную теплоту. Для полной эффективности' железная руда должна восстанавливаться с применением газа, а не расплавляться в доменной печи. Однако имеются трудности в ба- лаисировании'потребности в выработке теплоты и электроэнергии в реакторном комплексе. Ряд опытов проводился, главным образом, с высокотемпературным реактором, где в качестве охладителя использовался гелий, но применение такого реактора возможно не ранее' 1990 г. Одна из возможных схем, в основе которой лежит система с высокотемпературным реактором, приводится на рис. 3.4,