9604

40

′ =( 450*5,555,9 – 2*10) = 403,3 оС.

Температура на выходе из контактного экономайзер принимается равной 140 оС, коэффициент избытка воздуха увеличивается на 0,1 и составляет 1,55. Следовательно, состав продуктов сгорания будет следующим: CО2 = 7,2%, О2 = 8,2%, N2 = 84,6%. Тогда z4=6,05

Далее произведем расчет потерь теплоты на выходе из утилизатора по формуле (6.18) [2], как для последней ступени:

q2ут= 0,01*z* (t ух.г.ут- 0,85*t возд)=0,01*6,05*(140-0,85*20)=7,4415 % КИТ РЕК+ПЕЧЬ+УТ =100 - q2ут =100-7,4415=92,5585 %

КИТУТ= КИТПЕЧЬ+РЕК+УТ – КИТ РЕК+ПЕЧЬ = 92,5585 – 75,025 =17,5335 %

КИТПЕЧЬ + КИТ РЕК + КИТУТ + q2ут =

=48,7+26,325+17,5335+7,4415=100 %

Определение достигаемой экономии газа

Аналитически определить достигаемую экономию газа при использовании рекуператора можно по формуле [1, формула 3.1]:

Э = q2печь*R/ КИТпечь + q2печь*R,

где R – степень рекуперации или доля располагаемой теплоты, отводимой из печи уходящих газов, возвращенных в печь с нагретым воздухом.

Э =51,3*0,263/48,7+51,3*0,263=13,77%

Итак, достигаемая экономия 13,77 % сжигаемого газа.

Количество воды, подогреваемое контактным способом W, рассчитывается по формуле:

W = 95*B*( q2рек - q2ут)/(tк – tн),

где В – расход газа, 162 м3/ч;

tк – температура нагретой воды на выходе из экономайзера, оС; tн – температура воды на входе в экономайзер, оС.

W = 95*40*( 24,975 – 7,4415)/(55– 5)=1332,546 кг/ч

41

Пример 2: Производство стали / Мартеновские печи

Рис. 1 – Мартеновская печь на Выксунском-металлургическом заводе (ВМЗ).

Историческая справка.

Человечество производит изделия из железа уже примерно три тысячи лет, историки даже выделили в мировой истории особую эпоху - железный век. Большую часть этого времени технологии использовались довольно примитивные - одноразовая сыродутная печь и последующая ковка заготовки. В XIII веке в Германии получили распространение постоянные металлургические печи - штукофены. Они имели сравнительно небольшие размеры (от трех до пяти метров в высоту, чуть больше метра в диаметре), но обладали неплохой для доиндустриальной эпохи производительностью - до 250 килограммов железа в день. Правда, недостатком этой технологии была довольно высокая (до 10%) доля отходов - штукофен по своему устройству был схож с доменной печью в миниатюре и выдавал в том числе чугун, а вот его кузнецы обрабатывать не умели. Нечто похожее на индустриальное производство в черной металлургии началось с появлением доменных печей. Первые такие печи появились во второй половине XV века в Вестфалии, на западе Германии. В России первая доменная печь была устроена в Туле в 1632 году усилиями заводчика Андрея Виниуса. С распространением доменного производства получил развитие и передельный процесс

42

- переработка чугуна в сталь. До XVIII века доминирующей технологией был обжиг в горнах с использованием древесного угля. Технологии развивались - например, расход энергии на изготовление тонны стали в горне с середины XVI до середины XVIII века сократился в четыре раза. В 1718 году в Великобритании впервые был применен кокс. С конца XVIII века получает распространение технология пудлингования - расплавление чугуна в специальной печи без контакта с топливом и перемешивание расплавленного металла специальными штангами, на которых налипают частички

В 1855 году английский инженер Генри Бессемер получил патент на еще более совершенный метод получения стали - путем продувки чугуна в конвертере. Технология стала известна как бессемеровский процесс. В 1860 году был построен первый бессемеровский конвертер, после чего технология начала свое победное шествие по всему миру.

Бессемеровский процесс позволял получать сталь быстро (примерно за 15 минут) и сравнительно дешево. Но поскольку чугун продувался обычным атмосферным воздухом, который большей частью состоит из азота, полученная сталь отличалась повышенным содержанием азота, а потому и повышенной хрупкостью. В 1878 году английский инженер Сидни Томас предложил еще одну разновидность конвертера, позволявшую перерабатывать чугун с высоким содержанием фосфора. Эта технология тоже получила широкое распространение, успешно конкурировала с бессемеровским процессом и в конце XIX века уступала по объемам производства только ему. Но томасовская сталь имела те же недостатки, что и бессемеровская: сравнительно высокую хрупкость.

Проблема контроля качества получаемой стали была решена в мартеновских печах. Впервые эта технология была предложена немецким инженером Карлом Сименсом в 1864 году. В 1865-м французский инженер Пьер-Эмиль Мартен приобрел у Сименса лицензию на его изобретение и впервые на практике использовал ее для выплавки стали. По сравнению со своими предшественниками из XX века первая печь Мартена была совсем небольшой, всего на полторы тонны металла. Сталь, полученная в этой печи, отличалась хорошим качеством и была удостоена премии Всемирной парижской выставки 1867 года.

В отличие от конвертеров в мартеновской печи можно использовать в качестве сырья (шихты) как чугун любого состава, так и стальной лом, причем в любой пропорции. В позднем Советском Союзе, например, на одну тонну мартеновской стали использовали в среднем 580–590 килограммов чугуна и 480–490 килограммов лома. По сравнению с продувкой чугуна в конвертере мартеновский процесс занимает весьма продолжительное время - до восьми часов на одну плавку. Зато появляется возможность существенно расширить сырьевую базу (например, за счет массовой переплавки лома) и контролировать ход процесса, получить сталь с заданными свойствами. Это и стало причиной его широкого распространения.

Россия не оставалась в стороне от прогресса. Первая мартеновская печь в нашей стране была запущена уже 16 марта 1870 года на Сормовском заводе в Нижегородской губернии. Причем печь была построена силами русских специалистов во главе с инженером Александром Износковым Мартеновские печи на Сормовском заводе проработали до 1998 года.

Состояние производства на сегодняшний день.

Ударом по мартеновскому способу стало развитие новых технологий получения стали во второй половине XX века.

43

Во-первых, технический прогресс позволил получать в промышленных масштабах чистый кислород, что сразу перевернуло соотношение сил между мартеном и конвертерами. Первые эксперименты с применением чистого кислорода для плавки были проведены еще в 1933–1936 годах в Киеве под руководством инженера Николая Мозгового. А с 1952 года технология стала использоваться в массовом промышленном производстве на заводах австрийской металлургической компании VOEST. Собственно, технология использования кислородных конвертеров известна также под альтернативным именем «процесс Линц—Донавитц», в честь двух австрийских городов, где впервые были построены промышленные кислородные конвертеры. Кислородный конвертер позволял получать сталь в десять раз быстрее мартена, он отличается гораздо более высокой энергоэффективностью (мартеновская печь требует внешнего обогрева в течение всей плавки, конвертер разогревается сам). А использование чистого кислорода позволило избавиться от дополнительных примесей в стали и возможности плавить только чугун. Вторым фактором против мартена стало развитие электрометаллургии. Первые экспериментальные электродуговые печи были построены еще в 1870-х годах. По иронии судьбы патент на электродуговую печь получил все тот же Карл Сименс — фактический изобретатель мартеновской печи. В 1907 году под руководством французского инженера Поля Эру был построен первый электрометаллургический завод в США. Долгое время распространение технологии упиралось в ограничение мощностей электрогенерации. Но во второй половине XX века мир увидел как взрывной рост электроэнергетики, так и совершенствование самой технологии электрометаллургии. Если в 1965 году электродуговая печь на тонну стали требовала 630 киловатт электроэнергии и 6,5 килограмма электродов, то к 1990-м этот показатель опустился до 350 киловатт и 2,2 килограмма.

Наконец, третьим технологическим аргументом против мартена стало распространение во второй половине XX века машин непрерывного литья заготовки (МНЛЗ). В 1952 году был выдан первый патент на машину подобного типа, к 1970-м МНЛЗ получили широчайшее распространение в металлургии развитых стран, а затем стали непременным атрибутом мировой металлургии вообще. И с мартеном, из-за

Мировой ассоциации производителей стали (WSA), объем производства мартеновской стали в мире сократился с 195,4 млн тонн в 1974 году до 6,8 млн тонн в 2016-м. Доля мартеновского производства в общем объеме мировой выплавки стали за тот же временной период сократилась с 30% менее чем до 0,5%. Снижение роли мартеновского производства наблюдалось и в нашей стране. Если в 1974 году на мартены пришлось 67% всей советской стали, то в 1990-м – чуть более 51%.

В Советском Союзе поднимался вопрос о возможности физического прекращения мартеновского производства. Но, как следует из выкладок советских экономистов, перепрофилирование средних размеров металлургического предприятия с мартенов на конвертеры стоило бы порядка 100–110 млн рублей в ценах конца 1970-х годов. И в условиях довольно наплевательского отношения к окружающей среде и планово-дешевых энергоносителей это сочли нецелесообразным.

Ситуация принципиально изменилась с переходом экономики России на рыночные рельсы и повышением внимания к экологии. Часть печей была остановлена из экономических соображений. В 2013 году Минпромторг стал настаивать на выводе из эксплуатации всех мартеновских печей еще до конца 2015 года. На мартеновское производство в 2013 году в России приходилось 28 процентов промышленных выбросов в атмосферу и свыше шести процентов сброса сточных вод. «Северсталь» полностью отказалась от мартеновских печей (а их в Череповце было 12!) в 2011 году, ММК — в

44

2003 году, «Евраз» - в 2006-м.

Отметим, что в общей сложности в России объем производства мартеновской стали упал с 33,5 млн. тонн в 1992 году до 1,6 млн. тонн в 2016-м. Доля мартена в общенациональной выплавке стали за тот же период сократилась с 50 до 2,4%.

Конструкция мартеновской печи.

Мартеновская печь представляет собой сооружение из огнеупорного кирпича, усиленное рядом металлических балок, которые образуют внешний каркас. Рабочее пространство печи ограничено сверху сводом, снизу - подом, спереди и сзади - стенками, по бокам - головками. Головки служат для подачи топлива и воздуха в рабочее пространство печи, а также для отвода из нее продуктов сгорания. Печь имеет вид овальной чаши, в ней происходит процесс плавки. Передняя стенка имеет ряд окон для загрузки шихтовых материалов, а задняя – клетку для выпуска металла.

В основе процесса мартеновской плавки лежат окислительные процессы, в результате которых из шихты получают жидкую сталь заданного состава. В мартеновских печах плавка идет за счет тепла пламени, образующегося при горении в рабочем пространстве печи смеси доменного и коксового газов.

При попадании в рабочее пространство печи газ соприкасается с воздухом и воспламеняется. Под действием этого тепла шихта нагревается и плавится. Одновременно с расплавлением металла происходит окисление его основных компонентов. Основной окислитель - кислород, который засасывается в рабочее пространство печи из атмосферы. Железо шихты при окислении переходит в закись железа, а примеси - в соответствующие оксиды: кремнезем, закись марганца, окись углерода и т. п. Окись углерода удаляется из печи с дымовыми газами, остальные примеси переходят в шлак. Перемешивание металла при выделении пузырьков окиси углерода способствует окислению примесей. Когда металл покрывается слоем шлака, непосредственное окисление примесей кислородом воздуха становится невозможным, и дальнейшее окисление протекает за счет закиси железа.

Добавление в шихту флюсов (извести или известняка) способствует удалению из металла серы и фосфора. Затем шлак, образовавшийся при плавке, сливают. Во время плавки берутся пробы металла для определения его химического состава и, при необходимости, доведения этого состава до требуемого. Когда металл доведен до нужного состава, в него вводят раскислители (обычно ферросплавы), чтобы отобрать кислород у закиси железа. Если нужно, после раскисления вводят легирующие элементы: ферротитан, феррохром, высококремнистый ферросилиций, чистый никель и другие. После чего сталь выпускают из печи в ковш.

46

Дефицит теплоты при подогреве и плавлении шихты компенсируется дополнительным сжиганием топлива через газокислородную фурму.

Использование теплоты уходящих газов

Теплота уходящих газов мартеновских печей в значительной степени используется для подогрева воздуха в регенераторах. После регенераторов температура уходящих газов составляет от 500°С до 900°С. Теплота отходящих газов после регенераторов используется в котлах-утилизаторах.

Рис. 4 – Схема размещения котла-утилизатора на газоотводящем тракте мартеновской печи.

За мартеновскими печами устанавливают водотрубные конвективные котлыутилизаторы. Параметры получаемого пара: давление рп≤ 4,5 МПа, температура перегретого пара tпп ≤ 450°С. Удельная паропроизводительность составляет окло 0,4 т. пара/т. стали.

Установка котлов-утилизаторов за мартеновскими печами снижает температуру отходящих газов до 150-200°С, что позволяет установить дымосос, обеспечить принудительную тягу и увеличить производительность печи.

Расчет схемы комплексного использования теплоты уходящих газов

В данном расчете рассмотрена мартеновская печь, за которой устанавливается регенератор, охлаждающий продукты сгорания с 1562,6ºС до 500ºС и котел-утилизатор, который с 458,42ºС охлаждает продукты сгорания до 200ºС (рис.5)

47

Рис. 9. Схема комплексного использования теплоты уходящих газов в плавильном цехе.

1.1. Характеристики природного газа

Источник газа – Уртабулакское месторождение

Состав газа:

СН4 – 87,2% С2Н6 – 1,99% С3Н8 – 0,32% С4Н10 – 0,13% С5Н12 – 0,15% H2S – 5,5% N2 - 1,11% СО2 - 3,6%

Плотность газа ρ – 0,836 кг/м3 Низшая теплота сгорания по таблице34440 кДж/м3

Определение объемов воздуха, расходуемого на горение, и образующихся продуктов сгорания.

возд = 4,76 ∙ 1,85 = 8,81 м3

4. Расчет объема двуокиси углерода, м3:

2 = 0,01 ∙ ( 2 + 4 + 2 ∙ 2 6 + 3 ∙ 3 8 + 4 ∙ 4 10 + 5 ∙ 5 12) (1.4)2 = 0,01 ∙ (3,6 + 87,2 + 2 ∙ 1,99 + 3 ∙ 0,32 + 4 ∙ 0,13 + 5 ∙ 0,15) = 0,97 м3

5. Расчет объема водяного пара (без учета влаги содержащейся в воздухе и газе),

м3:

2 = 3,76 ∙ 1,85 ∙ 1,1 + 1,11 ∙ 0,01 = 7,66 м3

Без учета избытка воздуха, м3:

20 = 3,76 ∙ 1,85 + 1,11 ∙ 0,01 = 6,96 м3

7. Объем избыточного кислорода, м3:

изб = 1,85 ∙ (1,1 − 1) = 0,185

2

8. Объем сухих продуктов сгорания, м3:

9.Суммарный объем продуктов сгорания, м3:

-для tмах

Состав сухих продуктов сгорания в процентах по объему составит:

СО2 = 2/ сг ∙ 100 = (0,97/8,815) ∙ 100 = 11,00% О2 = 2/ сг ∙ 100 = (0,185/8,815) ∙ 100 = 2,10%

2 = 2/ сг ∙ 100 = (7,66/8,815) ∙ 100 = 86,90%

49

Исходя из состава продуктов сгорания, для дальнейших расчетов, корректируем и принимаем коэффициент избытка воздуха α=1,06

Расчет схемы комплексного использования теплоты в плавильном цехе

Произведем расчет потерь теплоты по формуле:

где Z1 – коэффициент, зависящий от температуры продуктов сгорания и степени их разбавления избыточным воздухом, т.е. содержания в сухих продуктах полного сгорания CО2, а в продуктах неполного сгорания суммы (CО2+CО+CH4),

tух.г. печь – температура уходящих из печи продуктов сгорания топлива, оС;

tвозд – температура окружающего воздуха, 20 оС.

2печь = 0,01 ∙ 5 ∙ (1600 − 0,85 ∙ 20) = 79,15%

Коэффициент использования топлива (КИТ) в данной работе определяем без учета теплоты вследствие неполноты сгорания q3.

где tII ' – температура продуктов сгорания на входе в рассчитываемую степень, оС; tI '' – температура продуктов сгорания на выходе из предшествующей ступени, оС;

z1 - коэффициент, соответствующий выходным параметрам продуктов сгорания и степени их разбавления избыточным воздухом из предшествующей ступени;

z2 - коэффициент, соответствующий входным параметрам продуктов сгорания и степени их разбавления избыточным воздухом в последующую ступень;

Δt – падение температуры на один погонный метр, оС. Для целей данной работы принимаем 2 оС;

В результате прохождения продуктов сгорании по газоходу происходит их разбавление избыточным воздухом за счет подсоса. Вследствие чего изменяется коэффициент избытка воздуха . Для целей данной работы принимаем на один метр газохода =+0,01. Длина газохода принимается равной 3 м. Следовательно, на входе в регенератор =1,09.

Исходя из =1,09 состав продуктов сгорания будет следующим: CО2 = 10,7%, О2 = 1,95%, N2 = 87,35%.

, = (1600 ∙ 5/5,1 − 2 ∙ 3) = 1562,6 °С