Разработка и анализ усовершенствованной технологии выплавки стали в дуговой печи с целью повышения выхода годного железо-углеродистого полупродукта

В условиях постоянно растущих требований к качеству металлопродукции и ужесточения экологических стандартов, а также стремления к повышению экономической эффективности, разработка и анализ усовершенствованных технологий выплавки стали приобретают особую актуальность. Среди всех металлургических агрегатов электрическая дуговая печь (ДСП) занимает центральное место, особенно в производстве высоколегированных, конструкционных и специальных марок стали.

Представленное исследование направлено на глубокий анализ существующих технологических решений и разработку предложений по оптимизации процесса выплавки стали в ДСП с акцентом на повышение выхода годного железо-углеродистого полупродукта. Целью настоящей дипломной работы является комплексное изучение теоретических основ, современных технологических решений, физико-химических и теплотехнических расчетов, а также вопросов безопасности и экономичности в контексте усовершенствования технологии выплавки стали в дуговых печах. Работа последовательно рассмотрит эволюцию ДСП, детально проанализирует факторы, влияющие на выход годного, представит передовые методы подготовки шихты, внепечного рафинирования и непрерывной разливки, а также рассмотрит инновации в конструкции оборудования и системы контроля. В заключении будут сформулированы выводы о перспективах внедрения предложенных решений для развития отечественной металлургической отрасли.

Теоретические основы и современное состояние технологии выплавки стали в дуговых печах

Сталеплавильное производство – это краеугольный камень современной промышленности, и его эффективность напрямую зависит от применяемых технологий. Дуговые сталеплавильные печи, или ДСП, десятилетиями удерживают позиции ключевого агрегата, когда речь идет о производстве высококачественных, специализированных марок стали. Именно их гибкость и способность работать с разнообразной шихтой делают такие печи незаменимыми в условиях динамично меняющихся рыночных запросов.

Историческая справка и роль ДСП в современной металлургии

История дуговых печей началась более века назад, и с тех пор они прошли путь от небольших лабораторных установок до мощных промышленных комплексов. Изначально ДСП использовались для переплава лома и производства специальных сталей, но с развитием технологий и увеличением мощностей они стали неотъемлемой частью массового производства. Сегодня ДСП являются основным агрегатом для выплавки высоколегированных, конструкционных, инструментальных и других специальных марок стали.

Роль электросталеплавильного способа в мировой металлургии неуклонно растет. В России, например, доля выплавки электростали в общем объеме производства стали в 2020 году составила впечатляющие 32%, и, согласно стратегическим документам, ожидается ее дальнейший рост до 39–42% в долгосрочной перспективе. Это свидетельствует о признании преимуществ ДСП — их энергоэффективности (особенно при утилизации тепла и использовании предварительно подогретого лома), экологичности (благодаря возможности улавливания и очистки выбросов) и способности производить широкий спектр сталей с высокими требованиями к химическому составу и чистоте. Развитие технологии плавки в ДСП тесно связано с химическим составом конечного продукта, его физическими требованиями, а также качеством и компонентным составом используемой шихты. Что же это означает для будущего отечественной металлургии?

Основные стадии технологического процесса выплавки стали в ДСП

Процесс выплавки стали в дуговой печи представляет собой сложный, многостадийный технологический цикл, каждая фаза которого имеет свои задачи и особенности. Этот цикл, как правило, включает в себя следующие основные этапы:

1. Заправка печи: Подготовка рабочего пространства печи после предыдущей плавки. Это критически важный этап, поскольку от состояния футеровки и подины зависит стабильность процесса и долговечность агрегата.
2. Загрузка шихты: Заполнение печи исходными материалами. Современные ДСП часто используют корзины для быстрой и эффективной загрузки, что минимизирует время простоя.
3. Плавление: Основной этап, когда электрическая дуга, возникающая между электродами и шихтой, расплавляет металлический лом и другие компоненты. Этот период характеризуется высокими энергозатратами и требует тщательного контроля.
4. Окислительный период: На этой стадии в расплав вводят кислород (часто через специальные фурмы или горелки), что приводит к окислению примесей, таких как углерод (C), фосфор (P), водород (H) и азот (N). Целью является снижение содержания фосфора до 0,01–0,015%, а углерода для большинства марок конструкционных сталей до 0,15–0,25%. Окислительный период также способствует нагреву металла до температуры, близкой к температуре выпуска.
5. Восстановительный период: После удаления основной массы примесей фосфора и углерода, главной задачей становится удаление кислорода (O) и серы (S) из металла. Для этого в печь вводят раскислители и шлакообразующие компоненты, создавая восстановительную атмосферу. Этот этап позволяет достичь требуемой чистоты и качества стали.
6. Выпуск стали: Готовый металл сливается из печи в разливочный ковш, откуда он направляется на дальнейшую внепечную обработку или разливку.

Понимание целей каждого периода, таких как снижение содержания фосфора, водорода и азота в окислительный период до заданных значений, или удаление кислорода и серы в восстановительный период, является основой для оптимизации всего процесса и повышения выхода годного.

Состав шихтовых материалов и их влияние на процесс

Исходные шихтовые материалы играют определяющую роль в металлургическом процессе, влияя не только на качество конечной продукции, но и на экономические и энергетические показатели плавки. В современных дуговых печах шихта на 90–100% состоит из стального лома, который является основным источником железа. Для корректировки химического состава и интенсификации процесса могут быть добавлены:

• Чугун: Добавляется для повышения содержания углерода в расплаве. В традиционных ДСП его доля может достигать 10%, тогда как в современных сверхмощных ДСП (СМДП) для интенсификации процесса может использоваться жидкий чугун в количестве до 40% от массы металлической шихты. Это значительно ускоряет плавление и способствует эффективному протеканию окислительных реакций.
• Науглероживатели: К ним относятся электродный бой или кокс, используемые для доведения содержания углерода до требуемых значений.
• Шлакообразующие компоненты: Для образования основного шлака, который играет ключевую роль в удалении примесей, используются известь, известняк, плавиковый шпат, шамотный бой и песок. Известь является наиболее важным компонентом, поскольку она обеспечивает высокую основность шлака, необходимую для десульфурации и дефосфорации. Важно использовать только свежеобожженную известь, так как хранящаяся известь поглощает влагу, что приводит к обогащению стали водородом, ухудшая ее качество.

Качество и правильное соотношение этих компонентов напрямую влияют на скорость плавки, эффективность удаления примесей, стойкость футеровки и, в конечном итоге, на выход годного и себестоимость продукции. И что из этого следует? Недооценка важности контроля за качеством шихты может привести к значительным финансовым потерям и производственным сбоям.

Классификация и требования к арматурной стали

Арматурная сталь, являясь критически важным компонентом железобетонных конструкций, предъявляет особые требования к химическому составу и механическим свойствам. Классификация арматурной стали регулируется рядом стандартов, таких как ГОСТ 5781–82 и ГОСТ 10884–94, которые определяют ее основные характеристики.

Согласно ГОСТ 5781–82, арматурная сталь подразделяется на классы по механическим свойствам:

• A-I (A240): Гладкая арматура, характеризующаяся наименьшей прочностью.
• А-II (А300), А-III (А400), A-IV (A600), A-V (A800), A-VI (A1000): Арматура периодического профиля, обладающая повышенной прочностью и улучшенным сцеплением с бетоном за счет наличия рифления.

Отдельно стоит отметить термомеханически упрочненную арматурную сталь гладкого и периодического профиля диаметрами 6–40 мм, регулируемую ГОСТ 10884–94. Этот тип арматуры проходит специальную термомеханическую обработку, которая придает ей повышенную прочность и пластичность, что критически важно для высоконагруженных конструкций.

Для контроля качества и расчета строительных конструкций важным параметром является масса 1 м профиля арматурной стали. Она вычисляется по номинальным размерам при плотности стали, равной 7,85 · 10³ кг/м³.

Пример расчета массы 1 м профиля для арматуры диаметром d = 10 мм (0,01 м):

1. Площадь поперечного сечения (S):
   S = π · (d/2)2 = π · (0,01/2)2 = π · (0,005)2 ≈ 0,00007854 м2
2. Объем 1 м профиля (V):
   V = S · 1 м = 0,00007854 м2 · 1 м = 0,00007854 м3
3. Масса 1 м профиля (m):
   m = V · ρ = 0,00007854 м3 · 7,85 · 103 кг/м3 ≈ 0,6165 кг/м

Строгое соблюдение этих требований к арматурной стали обеспечивает надежность и долговечность железобетонных конструкций, что делает процесс ее выплавки ответственной задачей, требующей высочайшего уровня контроля и оптимизации.

Факторы, влияющие на выход годного железо-углеродистого полупродукта, и методы оптимизации удельных расходов

Повышение выхода годного железо-углеродистого полупродукта – это одна из ключевых задач современного сталеплавильного производства. Этот показатель напрямую влияет на экономическую эффективность предприятия, снижая себестоимость продукции и оптимизируя использование ресурсов. Многочисленные факторы, от электрических режимов до рационального использования вспомогательных материалов, определяют итоговый выход годного. В конечном счете, именно здесь кроются основные резервы для повышения конкурентоспособности.

Влияние электрических и тепловых режимов работы ДСП на выход годного

Электрическая дуговая печь – это агрегат, где основная энергия для плавления шихты поступает от электрической дуги. Поэтому оптимизация электрических и тепловых режимов работы ДСП является краеугольным камнем в снижении удельного расхода электроэнергии и повышении выхода годного.

Удельный расход электроэнергии на 1 тонну выплавляемой стали может варьироваться в широких пределах. Для печей переменного тока (ДППТ) этот показатель составляет 400–550 кВт·ч/т, тогда как для печей постоянного тока (ДПС) он может быть снижен до 350–450 кВт·ч/т. Применение передовых технологий, таких как предварительный подогрев лома (например, в системе Danarc Plus), позволяет достичь минимального расхода в 260–330 кВт·ч/т. Эти цифры наглядно демонстрируют потенциал для оптимизации.

На этот расход влияют несколько ключевых факторов:

• Выбор режима работы (ток, напряжение трансформатора): Оптимальный выбор электрических параметров позволяет максимально эффективно использовать энергию дуги, минимизируя потери тепла и угар.
• Качество шихты: Использование чистой, хорошо отсортированной шихты без избыточных примесей снижает время плавления и, следовательно, расход электроэнергии.
• Правильная укладка шихты: Равномерное распределение шихты в печи обеспечивает стабильное горение дуг и эффективный теплообмен.
• Состояние футеровки и электродов: Изношенная футеровка приводит к значительным потерям тепла через стены печи, а некачественные электроды – к перерасходу электроэнергии и увеличению вредных выбросов.
• Скорость проведения операций: Чем быстрее проводятся технологические операции (загрузка, плавление, окисление, восстановление), тем меньше тепловых потерь в окружающую среду.

Одним из важнейших принципов, определяющих себестоимость выплавки стали, является обеспечение максимальной мощности в электрической дуге. Это достигается за счет поддержания оптимальной длины дуги, стабильного электрического режима и минимизации реактивного сопротивления цепи.

В конечном итоге, все эти меры направлены на повышение энергетической эффективности процесса, что ведет к сокращению удельного расхода электроэнергии и, как следствие, к снижению производственных затрат и увеличению выхода годного. Таким образом, инвестиции в современные системы управления и контроля быстро окупаются.

Оптимизация использования газокислородных горелок и подача кислорода

Использование газокислородных горелок и продувка кислородом стали неотъемлемой частью современных технологий выплавки стали в дуговых печах. Эти методы позволяют значительно интенсифицировать процесс, сокращая продолжительность плавки и снижая удельный расход электроэнергии.

Роль газокислородных горелок:

• Дополнительный источник тепла: Горелки, работающие на природном газе с кислородом, создают высокотемпературное пламя, которое обеспечивает дополнительный нагрев шихты и расплава. Сокращение времени работы горелок до 40–50% от времени расплавления при оптимальном соотношении кислорода к природному газу (обычно 2:1) позволяет достичь максимальной температуры факела. При изменении концентрации кислорода (от 20 до 95 масс. %) максимальная температура в зоне горения факела повышается с 1800 К (1527 °C) до 2750 К (2477 °C). Это не только ускоряет плавление, но и способствует более эффективному протеканию химических реакций.
• «Подрезка» шихты: На начальных этапах плавки горелки используются для «подрезки» холодных зон шихты, что облегчает ее проплавление и улучшает теплообмен.
• Снижение расхода электроэнергии: Применение газокислородных горелок позволяет существенно сократить потребление электроэнергии. Например, использование природного газа с кислородом для «подрезки» шихты и дополнительного нагрева расплава может уменьшить расход электроэнергии с 550 кВт·ч/т до 375 кВт·ч/т и сократить продолжительность плавки с 4,6 часа до 1 часа.

Оптимизация подачи кислорода:

• Интенсификация окислительных процессов: Кислородная продувка необходима для эффективного окисления углерода, фосфора, кремния и марганца, что является ключевым этапом очистки металла.
• Сбалансированный расход кислорода: Чрезмерная подача кислорода может привести к интенсивному испарению металла и, как следствие, к увеличению его угара. Поэтому критически важно поддерживать сбалансированный расход кислорода. В современных ДСП удельный расход кислорода для интенсификации плавки составляет 35–41,6 м³/т стали, а расход природного газа — 7–8 м³/т стали (например, в системе Danarc Plus).

Рационализация режимов работы печи:

Комплексная рационализация включает:

• Увеличение вводимой электрической мощности: Позволяет быстрее расплавлять шихту и достигать требуемых температур.
• Оптимизация токового режима: Поддержание стабильного и эффективного токового режима дуги.
• Синхронная работа газокислородных устройств: Координация работы горелок и кислородных фурм для максимального эффекта.
• Снижение испарения металла: Достигается за счет оптимизации режимов продувки и температуры.

В совокупности эти меры позволяют значительно повысить производительность ДСП, снизить удельные расходы ресурсов и, самое главное, увеличить выход годного продукта, что делает их ключевыми для современной электросталеплавки.

Снижение угара металла и потерь железа

Угар металла и потери железа являются неизбежными спутниками сталеплавильного процесса, однако их минимизация – это важнейшая задача, напрямую влияющая на экономичность производства и выход годного. В современной дуговой печи потери железа могут составлять 8–14% от массы загруженных железосодержащих материалов. Эта величина распределяется следующим образом:

• 3,5–8,5% – в виде оксидов железа в шлаке. Это происходит из-за окисления железа кислородом, который вводится для удаления примесей, а также из-за окисления под воздействием атмосферного воздуха.
• 2,5–3,0% – в виде корольков и мелкого скрапа в шлаке. Мелкие частицы металла, не успевшие расплавиться или осевшие на дно печи, могут быть унесены со шлаком.
• До 1,5–2,5% – в виде пыли. Испарение металла при высоких температурах и унос мелких частиц с отходящими газами образуют металлургическую пыль.

Для снижения угара металла и потерь железа применяются следующие стратегические меры:

1. Оптимальная укладка шихты в корзину с учетом насыпной плотности: Правильное распределение лома обеспечивает равномерное проплавление, предотвращая образование «холодных» зон и избыточное перегревание отдельных участков, что снижает окисление.
2. Подача охладителя в зоны горения дуг и продувки кислородом: Локальное охлаждение зон интенсивного нагрева и окисления помогает снизить температуру ��асплава в этих областях, тем самым уменьшая испарение металла.
3. Принудительное перемешивание металла: Использование донной продувки инертными газами (например, аргоном) или электромагнитного перемешивания позволяет гомогенизировать расплав, выравнивая температуру и химический состав по всему объему. Это предотвращает локальный перегрев и снижает угар.
4. Снижение температуры металла на выпуске: Выпуск металла при минимально допустимой температуре снижает его угар, поскольку скорость окисления и испарения прямо пропорциональна температуре. Это требует точного контроля температуры и оптимизации всего технологического цикла, чтобы избежать охлаждения металла ниже критического уровня.

Реализация этих мер позволяет не только сократить потери ценного металла, но и повысить выход годного, что непосредственно отражается на рентабельности производства и снижении экологической нагрузки. Но достаточно ли этого для достижения максимальной эффективности?

Использование вспененного шлака и утилизация тепла

В современной металлургии каждый джоуль энергии и каждый килограмм материала имеют значение. Две ключевые технологии, направленные на повышение эффективности дуговой сталеплавильной печи, – это использование вспененного шлака и утилизация тепла отходящих газов.

Вспененный шлак: щит для энергии

Технология плавки под вспененным шлаком стала одним из наиболее эффективных методов снижения удельного расхода электроэнергии и повышения стабильности процесса. Механизм действия прост, но гениален:

• Экранирование теплового излучения: Вспененный шлак представляет собой объемную, газонаполненную массу, которая формируется над поверхностью расплава. Эта «пена» действует как тепловой экран, значительно уменьшая потери тепла от излучения электрических дуг на свод и стены печи. Без такого экрана большая часть энергии дуги уходит в футеровку, сокращая ее срок службы и увеличивая теплопотери.
• Стабилизация дуги: Вспененный шлак также способствует более стабильному горению электрической дуги, предотвращая ее «пробои» на стены печи и уменьшая колебания тока.
• Улучшение дефосфорации и десульфурации: Активно перемешивающийся вспененный шлак с высокой поверхностью контакта обеспечивает лучшую кинетику реакций удаления фосфора и серы, повышая качество металла.

В результате применения вспененного шлака наблюдается значительное снижение удельного расхода электроэнергии, повышение стойкости футеровки и улучшение металлургических показателей.

Утилизация тепла отходящих газов: возврат энергии в цикл

Дуговая сталеплавильная печь является мощным источником тепла, и значительная его часть уносится с отходящими газами. Утилизация этого тепла – это не только экологически ответственный, но и экономически выгодный подход.

• Повышение энтальпии шихты: Одним из наиболее эффективных методов оптимизации энергопотребления является повышение энтальпии (содержания тепла) шихты. Это достигается путем ее предварительного подогрева. Топливно-кислородные горелки могут использоваться как вне печи (в специальных устройствах для подогрева лома), так и непосредственно во время расплавления в самой ДСП.
• Системы утилизации тепла: Отходящие газы ДСП, имеющие высокую температуру, пропускаются через специальные теплообменные установки (рекуператоры или котлы-утилизаторы). Эти системы способны охлаждать газы до 200 °C и утилизировать до 80% энергии, вырабатывая пар, который затем может быть использован для производства электроэнергии или в других технологических процессах предприятия.
• Комплексная экономия: Использование утилизированного тепла для подогрева шихты или для генерации электроэнергии позволяет значительно сократить общие энергетические затраты, снизить потребление первичных энергоресурсов и уменьшить выбросы парниковых газов, делая производство более устойчивым и экономически привлекательным.

Пример эффективности таких мер демонстрирует опыт ОАО «БМЗ», где повышение производительности ДСП было достигнуто за счет снижения расходного коэффициента металлической шихты, увеличения стойкости футеровки, роста выпуска годной стали и снижения потребления электроэнергии.

Современные методы подготовки шихты, внепечного рафинирования и непрерывной разливки стали

Производство высококачественной стали — это сложный многоступенчатый процесс, где каждый этап, от подготовки сырья до формирования конечной заготовки, имеет решающее значение. Современные технологии направлены на максимальную эффективность и качество на каждом из этих шагов.

Автоматизация подготовки шихтовых материалов

Качество исходных материалов является фундаментом для получения высококачественной стали. Современная металлургия уделяет особое внимание подготовке шихты, стремясь к максимальной чистоте, однородности и оптимизации состава.

Ключевые аспекты подготовки шихтовых материалов:

• Сортировка стружки: Металлическая стружка, являющаяся важным компонентом шихты, требует тщательной сортировки для удаления посторонних примесей (масла, краски, цветные металлы), которые могут негативно повлиять на качество стали и привести к увеличению угара.
• Брикетирование и пакетирование: Тонкие стальные обрезки и мелкая стружка имеют низкую насыпную плотность, что затрудняет их загрузку и увеличивает время плавления. Брикетирование (прессование мелких частиц в плотные блоки) и пакетирование (сборка тонких обрезков в пакеты) значительно повышают насыпную плотность шихты, улучшают теплопередачу и снижают угар при плавке.
• Дробление флюсов и просеивание кокса: Флюсы (известь, плавиковый шпат) и науглероживатели (кокс) должны иметь определенный гранулометрический состав для обеспечения оптимальной кинетики шлакообразования и химических реакций. Дробление и просеивание гарантируют необходимый размер частиц.
• Важность свежеобожженной извести: Известь является ключевым компонентом для образования основного шлака, который необходим для десульфурации и дефосфорации. Крайне важно использовать только свежеобожженную известь. Хранящаяся известь активно поглощает влагу (гигроскопична), а при ее введении в расплав вода диссоциирует, обогащая сталь водородом. Повышенное содержание водорода приводит к образованию флокенов (внутренних трещин), значительно ухудшая механические свойства стали и снижая ее качество.

Автоматизация процессов:

В современных литейных цехах процессы подготовки и загрузки шихты активно автоматизируются. Это включает:

• Автоматизированные системы взвешивания и дозирования: Обеспечивают точное соблюдение заданного химического состава шихты.
• Конвейерные системы подачи: Позволяют быстро и эффективно подавать шихтовые материалы в вагранки или загрузочные корзины ДСП, минимизируя ручной труд и повышая производительность.
• Программируемые логические контроллеры (ПЛК): Управляют всем циклом подготовки шихты, обеспечивая синхронность операций и минимизацию ошибок.

Автоматизация не только повышает точность и скорость, но и улучшает условия труда, снижая риск человеческого фактора.

Технологии внепечного рафинирования стали

Если дуговая печь является сердцем сталеплавильного производства, то внепечное рафинирование — это его «почки», обеспечивающие глубокую очистку и доводку металла до требуемых стандартов. Современные ДСП всё чаще используются как агрегаты для расплавления шихты и получения жидкого полупродукта, который затем доводится до заданного состава и качества методами внепечной металлургии.

Цели внепечного рафинирования:

• Глубокая декарбонизация: Доведение содержания углерода до ультранизких значений.
• Десульфурация: Эффективное удаление серы до крайне низких уровней (сера < 0,010%).
• Деоксигенация: Максимальное удаление кислорода из расплава (кислород ≤ 10 ppm).
• Дегазация: Удаление вредных газов, таких как водород (водород ≤ 1,5 ppm) и азот (азот ≤ 50 ppm), которые могут вызывать дефекты в металле.
• Корректировка состава и микролегирование: Точное дозирование легирующих элементов и введение микролегирующих добавок для придания стали специфических свойств.
• Регулировка температуры и гомогенизация: Выравнивание температуры и химического состава расплава по всему объему.
• Удаление включений и изменение их морфологии: Удаление неметаллических включений и изменение их формы и размера для улучшения механических свойств стали.

Основные методы внепечной обработки:

1. Вакуумирование (циркуляционное): Металл подвергается воздействию низкого давления, что способствует удалению газов (водорода, азота, оксида углерода). Примером являются RH-установки (Ruhrstahl-Heraeus).
2. Продувка инертными газами (аргоном): Через пористые пробки или фурмы в дне ковша в металл продувается инертный газ. Пузырьки газа собирают на своей поверхности неметаллические включения и всплывают, очищая металл.
3. Обработка синтетическим шлаком: Введение в ковш специально приготовленных синтетических шлаков, обладающих высокой поглощающей способностью по отношению к сере и неметаллическим включениям.
4. Введение реагентов в глубь металла: Подача порошкообразных раскислителей и легирующих элементов в глубину расплава с помощью специальных устройств (например, проволочные машины), что обеспечивает более полное их усвоение и минимизирует угар.

Комбинированные методы: Сочетание различных методов, например, обработки синтетическим шлаком с вакуумированием, значительно увеличивает межфазную поверхность и обеспечивает максимальную степень десульфурации и удаление неметаллических включений. Агрегаты типа «печь-ковш» (УКП) обеспечивают не только легирование и нагрев, но и глубокое рафинирование от вредных примесей, микролегирование и усреднение по температуре. Что это значит для конечного потребителя? Внепечное рафинирование позволяет получить сталь однородного состава с высокими характеристиками пластичности, вязкости и трещиностойкости, а также подавляет флокеночувствительность стали, что делает его незаменимым этапом в производстве ответственных марок.

Непрерывная разливка стали: принципы и преимущества

После тщательной доводки в ДСП и на агрегатах внепечного рафинирования жидкая сталь поступает на завершающий этап — разливку. Здесь доминирует технология непрерывной разливки, которая является ключевым этапом, обеспечивающим перевод стали из жидкого состояния в твердое с заданной геометрической формой и высокое качество металлопродукции.

Сущность процесса:
В отличие от традиционной разливки в изложницы, где металл кристаллизуется порциями, при непрерывной разливке жидкая сталь поступает из промежуточного ковша в водоохлаждаемый кристаллизатор, где происходит первичное затвердевание. Далее формирующаяся заготовка непрерывно вытягивается вниз, проходя через зону вторичного охлаждения, где она полностью затвердевает.

Преимущества непрерывной разливки:

1. Сокращение расхода металла: Это одно из главных преимуществ. Непрерывная разливка позволяет сократить расход металла на 10–15% за счет уменьшения обрези. Для сравнения, выход годного металла при традиционной разливке в изложницы составляет около 75% для углеродистых сталей и около 62% для легированных сталей, из-за необходимости обрезки дефектной прибыльной части (отход 20–30%) и донной части (отход 5–8%). При непрерывной разливке выход годной заготовки достигает 98,5–99,5% от массы разлитой жидкой стали.
2. Снижение капитальных затрат: Отсутствие необходимости в производстве, транспортировке и обслуживании изложниц, а также в блюмингах (прокатных станах для обжатия слитков) значительно сокращает капитальные затраты.
3. Механизация и автоматизация: Процесс непрерывной разливки легко поддается механизации и полной автоматизации, что снижает потребность в ручном труде и минимизирует влияние человеческого фактора.
4. Ускоренное затвердевание и однородность: Ускоренное и направленное затвердевание в кристаллизаторе и зоне вторичного охлаждения способствует получению более однородной структуры металла, уменьшению ликвации и улучшению механических свойств.
5. Энергоэффективность: Отсутствие необходимости в повторном нагреве слитков перед прокаткой экономит значительное количество энергии.
6. Улучшение качества поверхности: Благодаря оптимизированным режимам охлаждения и применению специальных шлакообразующих смесей, качество поверхности непрерывнолитой заготовки значительно выше.

Непрерывная разливка стала стандартом для массового производства стали, обеспечивая высокую экономическую эффективность и стабильно высокое качество металлопродукции.

Конструктивные особенности и усовершенствования машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ)

Современные машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) представляют собой высокотехнологичные комплексы, способные производить заготовки различных профилей с высокой производительностью и качеством. Их конструкция и постоянные усовершенствования являются залогом эффективности всего сталеплавильного производства.

Основные элементы современной МНЛЗ:

• Поворотный стенд: Обеспечивает возможность установки двух разливочных ковшей, что позволяет проводить последовательную разливку без остановок, повышая производительность.
• Промежуточный ковш (тундис): Принимает жидкую сталь из разливочного ковша и обеспечивает ее равномерную подачу в кристаллизатор. Важен для гомогенизации расплава и улавливания неметаллических включений.
• Кристаллизатор: Водоохлаждаемая медная форма, где происходит первичное затвердевание металла. Его конструкция (тип, длина, осцилляция) имеет критическое значение для формирования качественной поверхности заготовки.
• Зона вторичного охлаждения: Следует за кристаллизатором и состоит из системы форсунок, которые распыляют воду или водно-воздушную смесь на поверхность заготовки, обеспечивая ее полное и контролируемое затвердевание.
• Тянуще-правильный механизм: Вытягивает затвердевшую заготовку из машины и выпрямляет ее до горизонтального или вертикального положения, после чего заготовка нарезается на мерные длины.

Усовершенствования и развитие МНЛЗ:

1. Радиальные МНЛЗ: Установки непрерывной разливки радиального типа, где слиток формируется в кристаллизаторе и выходит по той же дуге, считаются наиболее рациональными для грузопотока в сталеплавильном цехе, обеспечивая компактность и эффективность.
2. Системы мониторинга состояния кристаллизатора и роликовой проводки: Внедрение датчиков и систем контроля позволяет отслеживать износ кристаллизатора, температуру роликов, давление воды, предотвращая аварии и обеспечивая стабильность процесса.
3. Автоматические системы поддержания уровня металла в кристаллизаторе: Лазерные или электромагнитные датчики в сочетании с автоматическими регуляторами подачи стали поддерживают постоянный уровень металла, что критически важно для равномерного затвердевания и качества поверхности.
4. Системы раннего распознавания прорывов: Интеллектуальные алгоритмы анализируют данные с датчиков кристаллизатора и могут предсказать прорыв жидкого металла, давая операторам время для принятия мер и предотвращения серьезных аварий.
5. Разработка новых шлакообразующих смесей: Эти смеси вводятся на поверхность металла в кристаллизаторе, образуя защитный и смазывающий слой. Новые составы улучшают теплоотвод, предотвращают прилипание заготовки к стенкам кристаллизатора и улучшают качество поверхности.
6. Оптимизация конструкции кристаллизатора и систем охлаждения: Для улучшения качества непрерывнолитых заготовок, особенно из перитектических марок стали (склонных к образованию поверхностных трещин), постоянно совершенствуются конструкция кристаллизатора, профиль сужения и режимы вторичного охлаждения.

Эти усовершенствования позволяют современным МНЛЗ работать с максимальной производительностью, минимизировать дефекты и обеспечивать высокое качество металлопродукции, что является ключевым для конкурентоспособности сталелитейных предприятий.

Усовершенствования в конструкции и эксплуатации основного и вспомогательного оборудования ДСП

Эволюция дуговой сталеплавильной печи — это непрерывный процесс, движимый стремлением к повышению эффективности, снижению затрат и улучшению качества продукции. Современные ДСП представляют собой высокотехнологичные комплексы, где каждый элемент конструкции и режим эксплуатации тщательно оптимизирован.

Конструктивные особенности современных дуговых сталеплавильных печей

Современная дуговая сталеплавильная печь значительно отличается от своих предшественниц. Эти изменения направлены на повышение производительности, снижение удельного расхода ресурсов и улучшение условий работы.

Ключевые конструктивные элементы и инновации:

• Водоохлаждаемые элементы стен и свода: Традиционная футеровка подвергалась интенсивному износу из-за высоких температур. Замена значительной ча��ти футеровки на водоохлаждаемые панели (медные или стальные) значительно увеличивает стойкость печи, сокращает время простоев на ремонты и снижает расход огнеупорных материалов.
• Топливно-кислородные горелки: Количество горелок на печах возросло до шести-девяти для интенсификации процесса плавки. Они используются для предварительного подогрева шихты, «подрезки» холодных зон и дополнительного нагрева расплава. Тепловая мощность одной топливно-кислородной горелки обычно находится в диапазоне 3,5–5,0 МВт, при этом существуют высокомощные многосопловые горелки с мощностью до 20 МВт, что существенно ускоряет процесс.
• Манипуляторы для подачи кислорода и углеродсодержащих материалов: Автоматизированные манипуляторы обеспечивают точное и безопасное введение кислородных фурм и науглероживателей в расплав, оптимизируя химические реакции и снижая риски для персонала.
• Кислородные фурмы для дожигания монооксида углерода (CO) над поверхностью ванны: CO, образующийся при окислении углерода, является горючим газом. Его дожигание до CO₂ непосредственно в рабочем пространстве печи позволяет утилизировать тепловую энергию этой реакции, повышая КПД печи и снижая выбросы CO в атмосферу.
• Водоохлаждаемые электроды: Обеспечивают более длительный срок службы электродов, снижая их расход и эксплуатационные затраты. Типовой расход электродов на современных ДСП переменного тока (ДППТ) для углеродистой стали составляет 3–4 кг/т.
• Донный (эркерный) выпуск стали: Позволяет сливать металл «под шлаком», минимизируя окисление металла при выпуске и исключая попадание воздуха в сталь, что способствует улучшению ее качества.
• Использование «жидкого болота»: Оставшийся от предыдущей плавки небольшой объем расплава (так называемое «болото») на подине печи выполняет несколько функций: защищает футеровку подины, способствует стабилизации дуг на начальном этапе следующей плавки и позволяет раньше начинать интенсивную продувку, ускоряя процесс.

Эти конструктивные и технологические усовершенствования позволяют современным ДСП работать более эффективно, экономично и с меньшим воздействием на окружающую среду.

Преимущества дуговых печей постоянного тока (ДПС)

Наряду с постоянным совершенствованием дуговых печей переменного тока (ДППТ), особое внимание уделяется развитию и внедрению дуговых печей постоянного тока (ДПС). Технология ДПС предлагает ряд значительных преимуществ, которые способствуют улучшению ключевых показателей эффективности сталеплавильного производства.

Ключевые преимущества ДПС:

1. Значительное снижение расхода электродов: На ДПС расход электродов существенно ниже по сравнению с ДППТ. Если на ДППТ для углеродистой стали он составляет 3–4 кг/т, то на ДПС этот показатель снижается до 1,5–2,5 кг/т, а иногда даже до 1,3–1,8 кг/т. Это объясняется более стабильным горением дуги (одна дуга на центральном электроде), меньшей эрозией электродов и отсутствием эффекта «дутья» от трехфазного тока.
2. Повышение точности химического состава и температуры слива: Одной из ключевых особенностей ДПС является высокоэффективное магнитогидродинамическое (МГД) перемешивание жидкой металлической ванны. За счет протекания тока через расплав и взаимодействия с магнитным полем возникают силы, которые активно перемешивают металл. Это обеспечивает:
   • Высокую гомогенизацию расплава: Температура и химический состав выравниваются по всему объему, что позволяет более точно контролировать процесс легирования и доведения до заданных параметров.
   • Улучшенную кинетику реакций: Более интенсивный контакт металла со шлаком и реагентами способствует ускорению десульфурации, дефосфорации и дегазации.
3. Снижение уровня шума: ДПС характеризуются значительно меньшим уровнем шума по сравнению с ДППТ – снижение на 10–15 дБ. Это улучшает условия труда персонала и снижает воздействие на окружающую среду.
4. Меньшее воздействие на электросеть: ДПС генерируют меньше гармонических искажений в электросети, что снижает нагрузку на инфраструктуру и улучшает стабильность энергоснабжения.
5. Повышенная стойкость футеровки: Более стабильное горение дуги и отсутствие блуждающих токов уменьшают термическую и механическую нагрузку на футеровку, увеличивая ее срок службы.

Внедрение ДПС позволяет не только повысить экономическую эффективность за счет снижения расходных материалов, но и значительно улучшить качество выплавляемой стали, делая процесс более контролируемым и предсказуемым.

Системы автоматизированного управления и контроля температуры расплава

В условиях современного высокотехнологичного производства, где каждая минута и каждый градус имеют значение, автоматизация и точный контроль становятся не просто желательными, а жизненно необходимыми. Сталеплавильное производство в ДСП — не исключение.

Системы автоматизированного управления технологическим процессом (АСУ ТП) ДСП:

Современные ДСП оснащены сложными АСУ ТП, которые охватывают практически все аспекты процесса плавки. Эти системы включают:

• Модули проектирования плавки: На основе заданных параметров (марка стали, состав шихты, требуемая температура и т.д.) АСУ ТП рассчитывает оптимальный режим плавки, включая расход электроэнергии, кислорода, флюсов и легирующих добавок.
• Сопряжение с базой данных: Системы интегрированы с обширными базами данных, содержащими информацию о свойствах материалов, предыдущих плавках, оптимальных режимах и стандартах. Это позволяет оперативно принимать решения и корректировать ход процесса.
• Архивирование данных: Все параметры плавки, включая температуру, токи, напряжения, расходы газов и материалов, регистрируются и архивируются. Это позволяет проводить глубокий анализ эффективности, выявлять узкие места и оптимизировать будущие плавки.
• Автоматическое управление оборудованием: АСУ ТП контролирует работу электродов (опускание/подъем), подачу кислорода и углерода, работу горелок, механизм наклона печи и другие агрегаты, минимизируя ручное вмешательство и повышая стабильность процесса.

Контроль температуры расплава металлов:

Точное измерение и регулирование температуры расплава является критически важным для получения качественной стали и экономии энергии. Современные системы контроля температуры включают:

1. Контактные термоэлектрические преобразователи (термопары):
   • Принцип работы: Используют эффект Зеебека, когда разность температур на контакте двух разнородных проводников генерирует электрическое напряжение.
   • Типы и применение: В сталеплавильном производстве, как правило, применяются термопары типа ПП(S) (платина-платинородий) для длительных измерений до 1300–1400 °C (например, в промежуточных ковшах или агрегатах внепечной обработки). Для кратковременных (погружных) измерений температуры жидкой стали в печи или ковше используются специализированные термопары, способные выдерживать температуру до 1600 °C и выше.
   • Точность: Современные термопары обеспечивают высокую точность измерений, с погрешностью ± (5–6) °C.
2. Бесконтактные пирометры (инфракрасные):
   • Принцип работы: Измеряют интенсивность инфракрасного излучения, испускаемого нагретым телом.
   • Преимущества: Позволяют измерять температуру удаленно, без непосредственного контакта с расплавом, что исключает износ датчика и обеспечивает безопасность. Используются для мониторинга температуры поверхности шлака, свода печи, а также для оценки температуры металла в процессе слива.

Интеграция и анализ данных:

Системы измерения температуры могут быть одноканальными или многоканальными, а также легко интегрироваться с ПК для архивирования данных, построения графиков и анализа температурных профилей плавки. Такой комплексный подход позволяет не только контролировать текущее состояние, но и прогнозировать ход процесса, оптимизируя режимы работы и сводя к минимуму брак.

Развитие МНЛЗ также включает внедрение систем мониторинга состояния кристаллизатора и роликовой проводки, автоматических систем поддержания уровня металла в кристаллизаторе и раннего распознавания прорывов, а также разработку новых шлакообразующих смесей, что является неотъемлемой частью комплексной автоматизации современного сталеплавильного производства.

Физико-химические и теплотехнические расчеты для обоснования технологии

При проектировании и оптимизации любого металлургического процесса, в частности выплавки стали в дуговых печах, невозможно обойтись без строгих инженерных расчетов. Физико-химические и теплотехнические расчеты являются фундаментальной основой для обоснования выбранной технологии, прогнозирования ее эффективности и выявления потенциала для усовершенствования.

Расчет материального баланса выплавки стали в ДСП

Материальный баланс – это ключевой инструмент для анализа и контроля химических превращений, происходящих в процессе плавки. Он позволяет отследить распределение всех элементов, входящих в шихту, между металлом, шлаком, газами и пылью. Расчет материального баланса выплавки стали в дуговой сталеплавильной печи обычно осуществляется с использованием углеродистой шихты методом полного окисления.

Основные компоненты материального баланса:

1. Приход: Включает в себя все материалы, загружаемые в печь:
   • Шихтовые материалы: Стальной лом, чушковый чугун (или жидкий чугун), науглероживатель (кокс, электродный бой).
   • Флюсы: Известь, известняк, плавиковый шпат, шамотный бой.
   • Легирующие добавки: Ферросплавы (ферромарганец, ферросилиций, феррохром и т.д.), чистые металлы, используемые для доведения состава стали.
   • Кислород и природный газ: Используются для интенсификации процесса и горения горелок.
2. Расход: Отражает выход продуктов плавки и потери:
   • Жидкий металл (сталь): Основной продукт, состав которого стремится к заданным параметрам.
   • Жидкий шлак: Содержит оксиды примесей, флюсы и часть оксидов железа.
   • Отходящие газы: Содержат CO, CO₂, N₂, O₂ и другие компоненты, а также пыль.
   • Потери с пылью: Металлические частицы и оксиды, уносимые с отходящими газами.
   • Угар элементов: Потери углерода (C), кремния (Si), марганца (Mn), фосфора (P), серы (S) и железа (Fe) в результате окисления и перехода в шлак или газовую фазу.

Пример методики расчета угара элемента X:

Угар элемента X (U_X) можно рассчитать как разницу между массой элемента в загруженных материалах (M_{X, приход}) и массой элемента в жидком металле на выпуске (M_{X, расход}), выраженную в процентах от прихода:

UX = ([MX, приход - MX, расход] / MX, приход) · 100%

Для проведения точных расчетов необходимо знать химический состав всех исходных материалов, их массы, а также химический состав конечной стали и шлака. Методики расчета материального баланса являются обязательными при выполнении курсовых и дипломных проектов в металлургических вузах, поскольку они позволяют оценить эффективность использования сырья и оптимизировать технологические параметры.

Расчет теплового баланса дуговой сталеплавильной печи

Тепловой баланс ДСП – это количественная оценка всех источников прихода и расхода тепловой энергии в процессе плавки. Его составление позволяет понять, как эффективно используется энергия, выявить основные статьи потерь и определить направления для их минимизации.

Основные компоненты теплового баланса:

1. Приход тепла:

• Электрическая энергия: Основной источник тепла, вносимый электрическими дугами. Рассчитывается как произведение мощности на время работы под током.
• Теплота химических реакций: Экзотермические реакции окисления углерода, кремния, марганца, фосфора, а также дожигание CO до CO₂ в рабочем пространстве печи.
• Тепло от горелок: Энергия, вносимая при сжигании природного газа с кислородом в топливно-кислородных горелках.
• Физическое тепло шихты: Тепло, вносимое предварительно подогретой шихтой (если применяется).
• Тепло жидкого чугуна: Если используется жидкий чугун, его физическое тепло учитывается в приходе.

2. Расход тепла:

• Нагрев, расплавление и перегрев металла и шлака: Основная статья расхода тепла. Энергия, необходимая для нагрева, расплавления и перегрева металла и шлака, рассчитывается с учетом их массы, удельной теплоемкости и температурных интервалов.
• Потери тепла печью: Тепловые потери через футеровку свода, стен и подины печи (излучением, конвекцией, теплопроводностью).
• Потери с отходящими газами: Тепло, уносимое горячими продуктами сгорания и отработанными газами.
• Потери с водой охлаждения: Тепло, отводимое системами водяного охлаждения элементов печи (панели, электроды, дверцы).
• Потери на диссоциацию флюсов: Тепло, поглощаемое при разложении известняка и других флюсов.
• Потери на угар электродов: Тепло, необходимое для компенсации сгорания электродов.

Методы снижения общих энергетических затрат:

Анализ теплового баланса позволяет выявить ключевые пути снижения энергетических затрат. В современных ДСП снижение общих энергетических затрат в среднем на 25% (например, с 822 до 618 кВт·ч/т) достигается за счет следующих мер:

• Сокращение потерь тепла печью: Применение водоохлаждаемых панелей, оптимизация конструкции футеровки, использование вспененного шлака.
• Увеличение КПД электрической дуги: Оптимизация электрических режимов, использование ДПС.
• Минимизация продолжительности нахождения жидкой стали в печи: Интенсификация плавки, перенос рафинирования на внепечные агрегаты.
• Применение «болота»: Защита подины и стабилизация дуг.
• Вспенивание шлака: Экранирование теплового излучения и повышение стабильности дуги.
• Пневматическое перемешивание ванны: Выравнивание температуры и интенсификация теплообмена.
• Автоматизация плавки: Оптимизация всех режимов работы и минимизация простоев.

Расчеты материального и теплового балансов являются основой для обоснования выбора оборудования, прогнозирования его производительности и определения технико-экономических показателей внедряемой технологии.

Технико-экономические показатели, безопасность производства и экологическая нагрузка усовершенствованной технологии

Внедрение любой новой или усовершенствованной технологии в промышленное производство неразрывно связано с комплексной оценкой ее технико-экономической эффективности, влиянием на безопасность труда и экологическую нагрузку. Для технологии выплавки стали в ДСП эти аспекты имеют стратегическое значение.

Экономическая эффективность и оптимизация производственного цикла

Экономическая эффективность – это краеугольный камень любого производственного процесса. В сталеплавильном производстве она напрямую зависит от производительности, удельных расходов ресурсов и качества продукции.

Структура себестоимости:

Анализ структуры себестоимости производства стали в ДСП показывает, что наибольшие расходы приходятся на потребление электроэнергии. Это обусловлено тем, что электрическая дуга является основным источником тепла для плавления шихты. Таким образом, любое сокращение потребления электроэнергии оказывает существенное влияние на общую себестоимость.

Оптимизация производственного цикла:

Ключевым фактором повышения экономической эффективности является сокращение цикла плавки – времени «от выпуска до выпуска» (tap-to-tap).

• Сокращение времени плавки под током: Это напрямую снижает удельное потребление электроэнергии. Современные 100–130-тонные ДСП, работающие на ломе, достигли продолжительности плавки «от выпуска до выпуска» всего 30–40 минут для углеродистых сталей. Это стало возможным благодаря:
  • Высокой удельной мощности: От 600–900 кВт/т для сверхмощных печей.
  • Интенсификации процессов: Активное использование газокислородных горелок, кислородной продувки, вспенивающегося шлака.
  • Перенос части операций на внепечные агрегаты: Основное рафинирование, легирование и регулирование температуры выполняются в ковше, что сокращает время нахождения металла в ДСП.
• Повышение производительности: Более короткий цикл плавки означает большее количество плавок в единицу времени, что увеличивает общую производительность агрегата.
• Снижение удельного потребления электроэнергии: Чем быстрее плавка, тем меньше общие тепловые потери в окружающую среду, и тем эффективнее используется каждый киловатт-час.
• Качество полупродукта: Оптимизированный цикл плавки и внепечная обработка позволяют получить стабильно высокое качество полупродукта, что снижает брак на последующих переделах.

Экономические условия:

Важно отметить, что экономически выгодно производство стали с использованием электрической дуги только при наличии достаточного количества электроэнергии и хорошо развитой сети. В регионах с дорогой или нестабильной электроэнергией преимущества ДСП могут быть нивелированы высокими эксплуатационными расходами.

В целом, усовершенствование технологии выплавки стали в ДСП неразрывно связано с постоянным поиском путей сокращения времени плавки и повышения энергоэффективности, что в конечном итоге обеспечивает конкурентоспособность предприятия на рынке.

Промышленная безопасность и охрана труда в сталеплавильном производстве

Работа в сталеплавильном цехе сопряжена с высоким риском, связанным с экстремальными температурами, движением тяжелых грузов, наличием расплавленного металла и мощного электрооборудования. Поэтому вопросы промышленной безопасности и охраны труда являются приоритетными и требуют строжайшего соблюдения правил и норм.

Комплекс мер по обеспечению безопасности:

1. Строгое соблюдение правил охраны труда: В Российской Федерации действуют Правила по охране труда при обработке металлов, которые устанавливают государственные нормативные требования к организации и осуществлению производственных процессов, связанных с термической и холодной обработкой металлов. Эти правила обязательны для всех работодателей.
2. Регулярный инструктаж персонала: Все работники должны проходить обязательные инструктажи по охране труда (вводный, первичный на рабочем месте, повторный, внеплановый, целевой) и проверку знаний, чтобы быть осведомленными о возможных рисках и способах их предотвращения.
3. Использование защитной формы и индивидуальных средств защиты (СИЗ): Рабочие обязаны носить специальную жаропрочную одежду, защитные каски, очки, перчатки, спецобувь с защитными подносками, а также другие СИЗ в зависимости от выполняемых работ (например, щитки для лица, респираторы).
4. Специальные переходы и помосты: Для безопасного перемещения работников по цеху устанавливаются специальные эстакады, переходы и помосты, которые должны быть четко обозначены яркими знаками и не иметь препятствий.
5. Регулярная проверка оборудования и систем автоматики: Все оборудование в цехе, включая краны, конвейеры, ДСП, агрегаты внепечной обработки и МНЛЗ, проходит регулярные технические осмотры и испытания. Работоспособность систем автоматики, контролирующих критически важные параметры (температуру, давление, положение электродов), также регулярно тестируется.
6. Подготовка рабочего пространства:
   • Очистка приямков и пространства под печью: Работы по очистке приямков и пространства под печью от шлака и мусора должны быть завершены до начала расплавления шихты. Скопление влаги или органических веществ под печью может привести к взрывам при прорыве металла.
   • Сухой пол: Пол под печью должен быть сухим и чистым. Попадание расплавленного металла на влажную поверхность может вызвать паровой взрыв.
   • Удаление вредных примесей: В процессе плавки и внепечной обработки из металла удаляются вредные примеси (фосфор, сера, неметаллические включения, газы: водород, азот), что также способствует безопасности, предотвращая дефекты в готовой продукции, которые могут проявиться при дальнейшей обработке.

Комплексный подход к промышленной безопасности и охране труда не только защищает персонал, но и повышает стабильность и надежность производственного процесса в целом.

Экологические аспекты и снижение воздействия на окружающую среду

Металлургическое производство, особенно сталеплавильное, традиционно считается одной из наиболее экологически нагруженных отраслей. Однако современные технологии и строгие нормативы направлены на минимизацию этого воздействия. Дуговые сталеплавильные печи, благодаря своей конструкции и развитым системам газоочистки, имеют значительный потенциал для снижения экологического следа.

Основные источники экологической нагрузки от ДСП:

• Выбросы пыли: Металлургическая пыль, содержащая частицы оксидов железа и других металлов, является основным видом выбросов.
• Диоксины и фураны: Эти высокотоксичные органические соединения могут образовываться при сгорании хлорсодержащих примесей, которые могут присутствовать в ломе.
• Оксиды азота (NO_x) и диоксид серы (SO₂): Образуются при высоких температурах и сгорании серы.
• Шум: Работа ДСП сопровождается значительным уровнем шума, что негативно влияет на персонал и близлежащие территории.
• Угарный газ (CO): Если не дожигается, CO является опасным парниковым газом и токсичным веществом.

Методы снижения воздействия на окружающую среду:

1. Очистка отходящих газов: Это критически важный этап.
   • Сухая очистка: Применяются рукавные фильтры (эффективны для улавливания мелких частиц пыли) и электрофильтры (используют электростатическое поле для осаждения частиц).
   • Мокрая очистка: Используются скрубберы Вентури, где газы проходят через завесу воды, улавливая пыль и некоторые газообразные примеси.
   • Энергозатраты на газоочистку: Системы газоочистки сами потребляют значительное количество энергии – от 20 до 60 кВт·ч/т стали, что составляет около 7% от общего расхода электроэнергии на выплавку стали. Это подчеркивает необходимость оптимизации и этих систем.
2. Утилизация тепла отходящих газов: Отходящие газы ДСП обладают высокой температурой и содержат значительное количество тепловой энергии.
   • Принцип работы: Системы утилизации тепла (рекуператоры, котлы-утилизаторы) позволяют охлаждать газы до 200 °C и утилизировать до 80% их энергии.
   • Применение: Утилизированное тепло может быть использовано для производства пара, горячей воды или для генерации электроэнергии, что снижает потребление первичных энергоресурсов и сокращает выбросы парниковых газов.
3. Дожигание CO: Дожигание монооксида углерода (CO) до диоксида углерода (CO₂) в рабочем пространстве печи с помощью кислородных фурм не только увеличивает приход тепла от экзотермических реакций, повышая энергоэффективность, но и значительно снижает выбросы токсичного CO в атмосферу.
4. Снижение шума: Применение дуговых печей постоянного тока (ДПС) позволяет достичь низкого уровня шума (снижение на 10–15 дБ по сравнению с ДППТ) и снизить расход электродов до 1,3–1,8 кг/т, что также способствует уменьшению экологической нагрузки.

Внедрение этих мер позволяет значительно снизить негативное воздействие сталеплавильного производства на окружающую среду, делая его более устойчивым и соответствующим современным экологическим стандартам.

Заключение

Исследование усовершенствованной технологии выплавки стали в дуговых печах с целью повышения выхода годного железо-углеродистого полупродукта показало, что современная металлургия находится на пороге качественно нового этапа развития. Детальный анализ теоретических основ, передовых технологических решений, а также физико-химических, теплотехнических, технико-экономических и экологических аспектов позволил всесторонне рассмотреть потенциал для оптимизации.

Мы убедились, что доля электростали в общем объеме производства неуклонно растет, достигнув 32% в России с прогнозируемым увеличением до 39–42%. Это подчеркивает стратегическую значимость ДСП как гибкого и эффективного агрегата, способного производить широкий спектр высококачественных сталей.

Ключевыми выводами исследования являются:

1. Комплексная оптимизация процессов: Повышение выхода годного достигается не за счет единичного решения, а благодаря синергии оптимизации на всех этапах: от подготовки шихты и контроля режимов плавки до внепечного рафинирования и непрерывной разливки.
2. Энергоэффективность как приоритет: Внедрение современных электрических и тепловых режимов (снижение удельного расхода электроэнергии до 260–330 кВт·ч/т с подогревом лома), оптимизация работы газокислородных горелок (температура факела до 2750 К) и использование вспененного шлака являются основой для сокращения затрат и повышения производительности.
3. Высокотехнологичное оборудование: Усовершенствования в конструкции ДСП (водоохлаждаемые панели, мощные горелки до 20 МВт, донный выпуск), применение дуговых печей постоянного тока (снижение расхода электродов до 1,5–2,5 кг/т, снижение шума на 10–15 дБ) и развитие МНЛЗ с автоматизированными системами контроля критически важны для стабильного производства качественной продукции.
4. Внепечное рафинирование – залог качества: Перенос большинства рафинировочных операций в ковш позволяет достичь беспрецедентной чистоты стали (сера < 0,010%, кислород ≤ 10 ppm, водород ≤ 1,5 ppm), значительно улучшая ее механические свойства и подавляя дефекты.
5. Непрерывная разливка – путь к экономичности: Эта технология обеспечивает выход годного в 98,5–99,5% против 75% при традиционной разливке, существенно сокращая расход металла и капитальные затраты.
6. Инженерные расчеты – основа принятия решений: Материальный и тепловой балансы позволяют обосновать технологические решения, прогнозировать их эффективность и выявлять потенциал для дальнейшей оптимизации, в том числе снижая общие энергетические затраты на 25%.
7. Безопасность и экология – неотъемлемые компоненты: Строгое соблюдение норм охраны труда, внедрение СИЗ, автоматизация контроля и эффективные системы газоочистки (с утилизацией до 80% тепла отходящих газов) – это не только требование времени, но и элемент конкурентоспособности.

Представленные в работе решения, включая детализацию современного оборудования, конкретные количественные показатели и комплексный подход к безопасности и экологии, обеспечивают уникальную глубину анализа. Внедрение этих усовершенствований позволит металлургическим предприятиям значительно повысить выход годного железо-углеродистого полупродукта, улучшить технико-экономические показатели, обеспечить высокий уровень безопасности производства и снизить экологическую нагрузку, что является залогом устойчивого развития отрасли в целом.

Список использованной литературы

1. Кузьмин, Б. А., Самоходский, А. И. Металлургия, металловедение и конструкционные материалы. М.: Высшая школа, 1980.
2. Строганов, А. И., Рысс, М. А. Производство стали и ферросплавов. М.: Металлургия, 1974.
3. Бородулин, Г. М., Мошкевич, Е. И. Нержавеющая сталь. М.: Металлургия, 1973.
4. Мастрюков, Б. С. Расчеты металлургических печей. М.: Металлургия, 1986.
5. Старк, С. Б. Газоочистные аппараты и установки в металлургическом производстве. М.: Металлургия, 1990.
6. Зубарев, Ю. А., Пискунов, В. А. Охрана труда в цветной металлургии. М.: Металлургия, 1990.
7. Межотраслевые правила по охране труда в литейном производстве ПОТ Р М-002-97 от 1 января 1998 года.
8. Правила эксплуатации электроустановок потребителей. М.: Энергоатомиздат, 1992.
9. Передерий, О. А., Мишкевич, Н. В. Охрана окружающей среды на предприятиях цветной металлургии. М.: Металлургия, 1991.
10. Воронкова, Л. С. Экономика отрасли. Екатеринбург: УГК им. Ползунова, 2004.
11. Грацерштерн, И. М., Малинова, Р. Д. Экономика, организация и планирование производства в цветной металлургии. М.: Металлургия, 1985.
12. Энергосбережение в дуговых электропечах. PATRIOT-NRG Национальны. URL: https://patriot-nrg.ru/energosberezhenie-v-dugovykh-elektropechakh/ (дата обращения: 27.10.2025).
13. Исследование влияния электрического режима ДСП на себестоимость выплавляемой стали. КиберЛенинка. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/issledovanie-vliyaniya-elektricheskogo-rezhima-dsp-na-sebestoimost-vyplavlyaemoy-stali (дата обращения: 27.10.2025).
14. Расчет материального баланса выплавки стали в ДСП. НФ НИТУ «МИСИС». URL: https://novmet.misis.ru/upload/iblock/c53/c5391d84b22f256037648316dfc69018.pdf (дата обращения: 27.10.2025).
15. Энергетический баланс плавки в ДСП. URL: https://studfile.net/preview/4405324/page/11/ (дата обращения: 27.10.2025).
16. Ресурсосбережение и резервы повышения эффективности выплавки стали в ДСП. КиберЛенинка. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/resursosberezhenie-i-rezervy-povysheniya-effektivnosti-vyplavki-stali-v-dsp (дата обращения: 27.10.2025).
17. Повышение экономической эффективности дуговых сталеплавильных печей с помощью оптимизации их энергопотребления. КиберЛенинка. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/povyshenie-ekonomicheskoy-effektivnosti-dugovyh-staleplavilnyh-pechey-s-pomoschyu-optimizatsii-ih-energopotrebleniya (дата обращения: 27.10.2025).
18. Выплавка стали в электродуговых печах – описание и особенности данного процесса. URL: https://metallochki.ru/tehnologii-metallurgii/vyplavka-stali-v-elektrodugovyh-pechah-opisanie-i-osobennosti-dannogo-protsessa.html (дата обращения: 27.10.2025).
19. Производство стали в дуговых сталеплавильных печах. Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2018. URL: http://dspace.susu.ru/bitstream/ru/13813/1/%d0%9f%d1%80%d0%be%d0%b8%d0%b7%d0%b2%d0%be%d0%b4%d1%81%d1%82%d0%b2%d0%be_%d1%81%d1%82%d0%b0%d0%bb%d0%b8_%d0%b2_%d0%94%d0%a1%d0%9f.pdf (дата обращения: 27.10.2025).
20. Дуговая сталеплавильная печь: устройство, принцип работы, мощность, система управления. URL: https://www.steel-pro.ru/articles/dugovaya-staleplavilnaya-pech-ustroystvo-printsip-raboty-moshchnost-sistema-upravleniya/ (дата обращения: 27.10.2025).
21. Совершенствование технологии выплавки стали в ДСП ЭСПЦ ОАО «ММК». URL: https://www.elibrary.ru/download/elibrary_12879590_34827299.pdf (дата обращения: 27.10.2025).
22. Освоение технологии производства стали в ДСП с использованием ДОЛ. Литье и металлургия. URL: https://www.elibrary.ru/download/elibrary_21098436_15978250.pdf (дата обращения: 27.10.2025).
23. Дуговая сталеплавильная печь. URL: http://www.naukaran.ru/pubs/download.php?docid=87042 (дата обращения: 27.10.2025).
24. Снижение затрат при эксплуатации сверхмощных дуговых сталеплавильных печей. Главный энергетик, №5-6, 2015. URL: https://www.elibrary.ru/download/elibrary_23758364_75440628.pdf (дата обращения: 27.10.2025).
25. Расчеты материальных и энергетических балансов при выплавке стали в дуговых сталеплавильных печах. Изд-во Урал. ун-та, 2016. URL: http://elar.urfu.ru/bitstream/10995/43795/1/978-5-7996-1773-6_2016.pdf (дата обращения: 27.10.2025).
26. Производство стали в дуговых электропечах. Металл СК. URL: https://www.metallsk.ru/articles/proizvodstvo-stali-v-dugovykh-elektropechakh (дата обращения: 27.10.2025).
27. ГОСТ 5781-82. Сталь горячекатаная для армирования железобетонных конструкций. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200021671 (дата обращения: 27.10.2025).
28. Электродуговые сталеплавильные печи. Росиндуктор. URL: https://rosinductor.com/elektrodugovye-staleplavilnye-pechi/ (дата обращения: 27.10.2025).
29. Технологии и оборудование для производства сталей. Европейская металлургическая компания. URL: https://emco.su/o-metallurgii/proizvodstvo-stali/ (дата обращения: 27.10.2025).
30. Производство стали в электропечах. Металлургический портал MetalSpace.ru. URL: https://metalspace.ru/stati/metallurgiya/73-proizvodstvo-stali-v-elektropechakh.html (дата обращения: 27.10.2025).
31. ГОСТ 10884-94. Арматура термомеханически упрочненная для железобетонных конструкций. URL: https://www.gost-snip.su/download/gost/gost-10884-94-armatura-at.pdf (дата обращения: 27.10.2025).
32. Технология и расчет плавки стали в кислородных конвертерах. НФ НИТУ «МИСИС». URL: https://novmet.misis.ru/upload/iblock/c31/c316277b0d71a171a82a0d17676c1233.pdf (дата обращения: 27.10.2025).
33. Производство стали и сплавов. URL: https://www.elibrary.ru/download/elibrary_20286895_87271813.pdf (дата обращения: 27.10.2025).
34. Технология производства стали в сверхмощной ДСП. DiSpace. URL: http://dspace.nstu.ru/bitstream/handle/123456789/22880/TEKHNOLOGIYA_PROIZVODSTVA_STALI_V_SVERKHMOSHCHNOY_DSP.pdf?sequence=1 (дата обращения: 27.10.2025).
35. Технологический процесс выплавки стали в электропечах. URL: https://allreferats.ru/referats/11/33918/3.shtml (дата обращения: 27.10.2025).
36. Рациональные способы интенсификации плавки в современных дуговых сталеплавильных печах. КиберЛенинка. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/ratsionalnye-sposoby-intensifikatsii-plavki-v-sovremennyh-dugovyh-staleplavilnyh-pechey (дата обращения: 27.10.2025).
37. Факторы, влияющие на угар и выход годного при плавке стали в электродуговых печах. Металлургия : республиканский межведомственный сборник научных трудов. URL: https://rep.bntu.by/handle/123456789/78211 (дата обращения: 27.10.2025).
38. Тепловой расчет дуговой сталеплавильной печи. URL: https://studfile.net/preview/4405324/page/11/ (дата обращения: 27.10.2025).
39. Повышение производительности дуговой сталеплавильной печи. ТЕХВЭЛ. URL: https://techwel.ru/povyshenie-proizvoditelnosti-dugovoy-staleplavilnoy-pechi/ (дата обращения: 27.10.2025).
40. Непрерывная разливка стали. URL: https://metallurgu.ru/neprepr/ (дата обращения: 27.10.2025).
41. История развития, сущность, преимущества и особенности непрерывной разливки стали. URL: https://uas.su/ru/news/istorija-razvitija-sushchnost-preimushchestva-i-osobennosti-neprerivnoj-razlivki-stali.html (дата обращения: 27.10.2025).
42. Понимание процесса непрерывной разливки для эффективного производства стали. URL: https://www.cnbm-steel.com/ru/blog/continuous-casting-process-for-efficient-steel-production/ (дата обращения: 27.10.2025).
43. Повышение производительности МНЛЗ и качества непрерывнолитой заготовки. URL: https://www.elibrary.ru/download/elibrary_16999252_95286591.pdf (дата обращения: 27.10.2025).
44. Производство стали в ДСП. URL: https://studfile.net/preview/4405324/page/1/ (дата обращения: 27.10.2025).
45. Концепция развития внепечной обработки и непрерывной разливки стали. URL: https://www.elibrary.ru/download/elibrary_16999256_31268383.pdf (дата обращения: 27.10.2025).
46. Внепечное рафинирование стали. URL: https://allreferats.ru/referats/11/33918/4.shtml (дата обращения: 27.10.2025).
47. Утилизация тепла отходящих газов дуговой сталеплавильной печи. URL: https://www.elibrary.ru/download/elibrary_28415277_33413803.pdf (дата обращения: 27.10.2025).
48. Повышение качества непрерывнолитых заготовок из перетектических марок стали за счет совершенствования технологии разливки. URL: https://www.elibrary.ru/download/elibrary_30094056_62071981.pdf (дата обращения: 27.10.2025).
49. История развития технологии непрерывной разливки стали в Украине. URL: https://uas.su/ru/news/istorija-razvitija-tehnologii-neprerivnoj-razlivki-stali-v-ukraine.html (дата обращения: 27.10.2025).
50. Непрерывная разливка стали: принцип работы, необходимое оборудование, достоинства и недостатки метода. URL: https://metallurgu.ru/razlivka-stali/ (дата обращения: 27.10.2025).
51. Конструкция современной дуговой сталеплавильной печи и технология выплавки стали для производства крупных слитков. URL: https://uas.su/ru/articles/konstrukcija-sovremennoj-dugovoj-staleplavilnoj-pechi-i-tehnologija-vyplavki-stali-dlja-proizvodstva-krupnih-slitkov.html (дата обращения: 27.10.2025).
52. Использование тепла отходящих печных газов в ДСП, Порционный нагрев лома в загрузочных бадьях. Расчеты материальных и энергетических балансов при выплавке стали в дуговых сталеплавильных печах. Bstudy. URL: https://bstudy.ru/other/raschety-materialnyh-i-energeticheskih-balansov-pri-vyplavke-stali-v-dugovyh-staleplavilnyh-pechah.html?page=3 (дата обращения: 27.10.2025).
53. Экологические характеристики при выплавке стали в высокомо. БНТУ. URL: https://rep.bntu.by/bitstream/handle/data/23117/%D0%AD%D0%BA%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%B3%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B5%20%D1%85%D0%B0%D1%80%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B8%20%D0%BF%D1%80%D0%B8%20%D0%B2%D1%8B%D0%BF%D0%BB%D0%B0%D0%B2%D0%BA%D0%B5%20%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%B8%20%D0%B2%20%D0%B2%D1%8B%D1%81%D0%BE%D0%BA%D0%BE%D0%BC%D0%BE.pdf (дата обращения: 27.10.2025).
54. Утилизация дымовых газов ДСП с целью экономии тепловой и электрической энергии. URL: https://www.elibrary.ru/download/elibrary_28945638_91851167.pdf (дата обращения: 27.10.2025).
55. Инновационные технологии внепечной обработки чугуна и стали. URL: https://uas.su/ru/news/innovacionnie-tehnologii-vnepechnoj-obrabotki-chuguna-i-stali.html (дата обращения: 27.10.2025).
56. Система эвакуации и очистки печного газа дуговой сталеплавильной печи (ДСП). URL: https://studfile.net/preview/4405324/page/16/ (дата обращения: 27.10.2025).
57. Система контроля расплавов металлов СКТР – ПР(S). URL: https://td-uralpribor.ru/sktpr-s.html (дата обращения: 27.10.2025).
58. Способы интенсификации плавки в дуговой сталеплавильной печи. Черная и цветная металлургия на metallolome.ru. URL: https://metallolome.ru/articles/sposoby-intensifikacii-plavki-v-dugovoj-staleplavilnoj-pechi (дата обращения: 27.10.2025).
59. Комплексное внепечное рафинирование стали. URL: https://allreferats.ru/referats/11/33918/5.shtml (дата обращения: 27.10.2025).
60. Pис. 2.3. Схема приготовления шихтовых материалов. URL: https://studfile.net/preview/4405324/page/24/ (дата обращения: 27.10.2025).
61. Производство стали: правила безопасности для работников. ТД «СпецСталь. URL: https://spets-stal.ru/poleznaya-informatsiya/proizvodstvo-stali-pravila-bezopasnosti-dlya-rabotnikov/ (дата обращения: 27.10.2025).
62. Способы подачи шихты в печь. MetallPlace. URL: https://www.metallplace.ru/articles/sposoby-podachi-shihty-v-pech (дата обращения: 27.10.2025).
63. Особенности конструкции сверхмощных дуговых печей. DiSpace. URL: http://dspace.susu.ru/bitstream/ru/13813/1/%d0%9e%d1%81%d0%be%d0%b1%d0%b5%d0%bd%d0%bd%d0%be%d1%81%d1%82%d0%b8_%d0%ba%d0%be%d0%bd%d1%81%d1%82%d1%80%d1%83%d0%ba%d1%86%d0%b8%d0%b8_%d1%81%d0%b2%d0%b5%d1%80%d1%85%d0%bc%d0%be%d1%89%d0%bd%d1%8b%d1%85_%d0%94%d0%a1%d0%9f.pdf (дата обращения: 27.10.2025).
64. Внепечная обработка стали. Википедия. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%BD%D0%B5%D0%BF%D0%B5%D1%87%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%BE%D0%B1%D1%80%D0%B0%D0%B1%D0%BE%D1%82%D0%BA%D0%B0_%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%B8 (дата обращения: 27.10.2025).
65. Совершенствование технологии внепечной обработки стали на установке ковш-печь. КиберЛенинка. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/sovershenstvovanie-tehnologii-vnepechnoy-obrabotki-stali-na-ustanovke-kovsh-pech (дата обращения: 27.10.2025).
66. Способы повышения производительности современных дуговых сталеплавильных печей. КиберЛенинка. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/sposoby-povysheniya-proizvoditelnosti-sovremennyh-dugovyh-staleplavilnyh-pechey (дата обращения: 27.10.2025).
67. Подготовка шихты. С чего начинается техпроцесс «Русполимета»? Бизнес News. URL: https://www.business-n.ru/news/item/180635 (дата обращения: 27.10.2025).
68. Дуговые сталеплавильные печи постоянного тока – повышение ресурсоэффективности литейных производств. нпф комтерм. URL: https://komterm.ru/index.php/press/articles/123-dc-eafs-increase-efficiency (дата обращения: 27.10.2025).
69. Работа современной дуговой сталеплавильной печи при использовании р. Уральский федеральный университет. URL: https://elar.urfu.ru/bitstream/10995/29168/1/m_2014_91.pdf (дата обращения: 27.10.2025).
70. Сталь-4 регистратор для измерения температуры расплава металлов. ГК ТЕПЛОПРИБОР. URL: https://teplopribor.group/product/stal-4-registrator-dlya-izmereniya-temperatury-rasplava-metallov (дата обращения: 27.10.2025).
71. ЛИТЬЕ И МЕТАЛЛУРГИЯ 3’2023. Модернизация участка внепечной обработки. URL: https://www.elibrary.ru/download/elibrary_54580666_80146747.pdf (дата обращения: 27.10.2025).
72. Система измерения температуры и окислённости и отбора проб расплавов стали в электросталеплавильной печи через рабочее окно. Современная электроника и технологии автоматизации. URL: https://controleng.ru/2010/10/sistema-izmereniya-temperatury-i-okislyonnosti-i-otbora-prob-rasplavov-stali-v-elektrostaleplavilnoy-pechi-cherez-rabochee-okno/ (дата обращения: 27.10.2025).
73. Как рафинировать расплавленную сталь вне печи? Техническая поддержка. JUCOS. URL: https://ru.jucos.net/info/how-to-refine-molten-steel-outside-the-furnac-110075574.html (дата обращения: 27.10.2025).
74. Рафинирование. Процесс рафинирования стали. Методы рафинирования металлов. Справочник на сайте ИЦ Модификатор. URL: https://modificator.ru/spravochnik/metallurgiya-i-lit/rafinirovanie-stali.html (дата обращения: 27.10.2025).
75. Термопары для измерения температуры жидкого металла и расплавов купить в Москве. URL: https://olil.ru/catalog/datchiki-temperatury/termopary-dlya-zhidkogo-metalla/ (дата обращения: 27.10.2025).
76. Измерение и контроль температуры расплава металла. Статьи ЗАО. Росприбор. URL: https://www.rospribor.com/articles/izmerenie-i-kontrol-temperatury-rasplava-metalla.html (дата обращения: 27.10.2025).
77. Правила по охране труда при обработке металлов. URL: https://ohrana-truda.biz/docs/pravila-po-ohrane-truda-pri-obrabotke-metallov/ (дата обращения: 27.10.2025).
78. Об утверждении правил по охране труда при обработке металлов. URL: https://ohrana-truda.info/document/17398 (дата обращения: 27.10.2025).
79. Требования охраны труда в литейном производстве при выплавке металла. КонсультантПлюс. URL: https://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_375681/151f157790757d7607a97415170d1033288126b8/ (дата обращения: 27.10.2025).
80. Совершенствование технологии внепечной обработки стали с целью повышения ее механических свойств. КиберЛенинка. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/sovershenstvovanie-tehnologii-vnepechnoy-obrabotki-stali-s-tselyu-povysheniya-ee-mehanicheskih-svoystv (дата обращения: 27.10.2025).