Оценка и пути достижения экологической чистоты металлургического производства

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 2400 

Кафедра металлургии стали и ферросплавов

Л.М. Симонян 
А.А. Хилько 
 

Оценка и пути достижения 
экологической чистоты 
металлургического 
производства 

Методические указания  
к выполнению курсовой работы 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета 

Москва  2014 

УДК 669.01 
 
С37 

Р е ц е н з е н т  
канд. техн., наук. доц. Ю.М. Кочнов 

Симонян, Л.М. 
С37  
Оценка 
и 
пути 
достижения 
экологической 
чистоты 
металлургического производства : метод. указ. к выполнению 
курсовой работы / Л.М. Симонян, А.А. Хилько. – М. : Изд. Дом 
МИСиС, 2014. – 29 с. 
 

В 
методических 
указаниях 
приведен 
алгоритм 
расчета 
состава 
пылегазовых выбросов ДСП с последующей доводкой на агрегате 
комплексной обработки стали АКОС (на примере выплавки стали марки 
35ГС). В первом разделе рассмотрены процессы образования пыли и газов 
при выплавке  стали. Во втором разделе приведен алгоритм расчета состава 
пылегазовых выбросов ДСП. 
Предназначены для студентов направления 150400.62 «Металлургия» 
профиля «Металлургия техногенных и вторичных ресурсов» и направления 
150400.68 «Металлургия» профилей «Современные исследования материалов 
и процессов в черной металлургии» и «Технологический менеджмент 
в металлургии черных металлов». 

 

 
© Л.М. Симонян, 
А.А. Хилько, 2014 

Содержание 

Предисловие 
4 
1 Пылегазовые выбросы  при выплавке стали в электропечах 
5 
1.1 Общие сведения 
5 
1.2 Газообразные выбросы 
5 
1.3 Пылевые выбросы 
6 
2 Расчет состава пылегазовых  выбросов из ДСП на основе  
материального баланса плавки 
9 
2.1 Расчет металлошихты  для плавки стали марки 35ГС 
9 
2.2 Расчет состава пылегазовых выбросов 
15 
2.3 Материальный баланс плавки 
27 
Список использованных источников 
28 
 

Предисловие 

Методическое пособие разработано для выполнения курсовой 
работы по дисциплинам «Оценка и пути достижения экологической 
чистоты 
металлургического 
производства», 
«Экологические 
последствия металлургического производства», «Экологическая 
экспертиза». Основные задачи курсовой работы – изучение 
технологического процесса, приобретение навыков использования 
данных 
для 
проведения 
расчетов 
металлошихты 
и 
оценки 
пылегазовых выбросов. 
Пособие состоит из двух разделов: 1 – «Пылегазовые выбросы 
при выплавке стали в электропечах», содержащего общие сведения о 
пылегазовых выбросах; 2 – «Расчет состава пылегазовых выбросов 
из ДСП на основе материального баланса плавки», описывающего 
методику расчета материального баланса плавки.  

В работе над пособием принимала участие студентка гр. ММЧ
12-5 Н.Ш. Исакова.

1 Пылегазовые выбросы  
при выплавке стали в электропечах 

1.1 Общие сведения 

По данным World Steel Association [1], мировое производство 
стали в 2012 г. составило 1,519 млрд т. В число крупных 
производителей входят: Китай – 716,5 млн т; Япония – 107,2 млн т; 
США – 88,7 млн т; Индия – 77,6 млн т; Российская Федерация – 
70,4 млн т; Южная Корея – 69 млн т; Германия – 42,7 млн т; Турция – 
35,89 млн т; Бразилия – 34,5 млн т; Украина – 32,98 млн т; Италия – 
27,3 млн т. Доля стали, произведенной в электропечах, в среднем 
составляет около 40 % от общего объема выплавляемой стали, 
а в некоторых странах она достигает 70 % и выше. Следует отметить, 
что спрос на металл продолжает расти.  
В России за этот период было выплавлено 70,4 млн т стали, из 
них около 20 млн т в дуговых сталеплавильных печах (ДСП). Объем 
выбросов металлургическими предприятиями загрязняющих веществ 
в атмосферный воздух составил 4469,1 тыс. т, в том числе твердых 
веществ – 306,0 тыс. т, жидких и газообразных – 4163,1 тыс. т (из них 
SO2 – 2487,5, CO – 1501,3, NOx – 122,8 тыс. т). Одна треть выбросов  
(1555,2 тыс. т) приходится на производство ферросплавов, стали, 
проката, из них на долю крупнейших производителей приходится, 
тыс. т:  ОАО «Северсталь» (г. Череповец) – 315,3, ОАО НЛМК 
(г. Липецк) – 280,5.  
Объем 
отходов 
в 
металлургическом 
производстве 
и 
производстве готовых металлических изделий составил 175,25 млн т, 
в том числе количество пыли, уловленной в процессе очистки 
технологических газов, составило порядка 3 млн т. 

1.2 Газообразные выбросы 

Первичные газовые выбросы составляют 80 – 90 % от их 
общего количества. Они образуются в процессе плавлении, 
окисления и рафинирования металла в самой печи при работе под 
током, когда рабочее пространство закрыто сводом. Улавливание 
этих выбросов осуществляют обычно прямым газоотсосом через 
отверстие в своде или арке рабочего окна печи. 

Вторичные пылегазовые выбросы образуются при заправке 
печи и завалке шихты, а также при выпуске металла. Эти выбросы 
кратковременны и составляют 10 – 20 % от их общего количества. 
Их не удается уловить с помощью прямого газоотсоса из печи. Для 
их улавливания над печью устанавливается зонт. 
Объем 
выбросов 
зависит 
от 
применяемого 
сырья, 
технологического режима плавки, использования интенсификаторов, 
способа отвода газов от печи и т.д. [2]. По ходу плавки состав газов 
в зависимости 
от 
скорости 
выгорания 
углерода 
изменяется 
в следующих пределах [3]: 

Компоненты 
СО 
СО2 
Н2 
О2 
N2 

Содержание, % объемн. 
15 – 25 
5 – 11 
0,5 – 35 
3,5 – 10 
61 – 72 

На режим газовыделения оказывает влияние ряд факторов, и 
в первую 
очередь 
подсос 
воздуха 
в 
печь, 
который 
зависит 
от внутрипечного давления, качества уплотнения имеющихся зазоров, 
наличия автоматического регулирования процесса выплавки и т. п.  
В таблице 1.1 приведены количественные характеристики 
выбросов газов из дуговых электросталеплавильных печей при 
работающей системе газоочистки и отсосе газов через отверстие 
в своде печи.  

Таблица 1.1 – Выбросы газов из дуговых электросталеплавильных печей 

Вместимость 
печи, т 
Масса 
садки, т 

Мощность 
трансформатора, 
кВ·А 

Количество газов, 
выбрасываемых из 
печи, м3/ч 

Удельные 
выбросы 
газа, м3 на 
1 т стали 

5 
7,0 
3 000 
~ 700 

10 
11,5 
5 000 
~ 1100 

20 
25,0 
7 000 
~ 2300 

40 
45,0 
15 000 
~ 4000 

100 
11,0 
25 000 
~ 8000 

От 350 
до 450 

1.3 Пылевые выбросы 

Одним из главных источников пылеобразования в ДСП 
являются электрические дуги. Под действием электрических дуг 
в относительно малом объеме выделяется большое количество 
тепловой энергии и устанавливаются весьма высокие температуры, 
достигающие 3000 – 3500 °С. Это приводит к образованию пылевых 
выбросов как из-за электрической эрозии поверхности кусков 

шихты, так и за счет испарения железа и других элементов, 
содержащихся в шихте и жидкой ванне. Наличие значительных 
электродинамических и газодинамических сил в зонах дугового 
разряда, особенно в высокомощных печах, приводит также 
к интенсивному разбрызгиванию жидкой ванны и к выбросам 
образующихся частиц металла и шлака из этих зон вместе с газами 
с высокой скоростью. Наиболее крупные частицы металла и шлака 
возвращаются 
в 
расплав 
под 
действием 
сил 
гравитации 
и турбулентных пульсаций газов, а остальные выносятся газовыми 
потоками из печи. 
Другим источником интенсивного пылеобразования является 
продувка жидкой ванны кислородом. При продувке металла кислородом 
образование пыли происходит в результате дробления капель жидкого 
металла в струе кислорода и выхода на поверхность ванны пузырей CO, 
а также испарения элементов жидкого металла и шлака в реакционной 
зоне, температура которой достигает 2700 – 2800 °С. Интенсивность 
пылеобразования в этот период зависит от ряда факторов – 
интенсивности подачи кислорода, концентрации углерода и температуры 
металла, конструкции кислородной фурмы, её положения относительно 
поверхности 
ванны. 
В 
период 
продувки 
ванны 
кислородом 
интенсивность пылеобразования в ДСП достигает, по сравнению 
с другими периодами плавки, максимальных значений. 
Количество 
уловленной 
пыли, 
образующейся 
в 
электросталеплавильном производстве, составляет более 15 – 20 кг 
на 1 т стали, или, с учетом объема производства электростали в 
России, 400 тыс. т в год. В 100-т ДСП каждый час образуется 
примерно 2 т пыли. Поэтому одной из важнейших экологических 
проблем электроплавки является проблема пылеобразования, а одной 
из задач – подавление его в процессе плавки.  
Снижение пылеобразования позволяет не только снизить 
нагрузку на окружающую среду, но и улучшить техникоэкономические характеристики процесса плавки путем увеличения 
выхода годного, способствует сохранению природных ресурсов, 
вовлекаемых в производство, снижению выбросов токсичных 
веществ в атмосферу (все компоненты пыли отрицательно влияют на 
окружающую среду), минимизации количества отходов. 
В результате очистки отходящих газов от пыли удается  
справиться лишь с одной стороной проблемы охраны окружающей 
среды – минимизацией загрязнения атмосферы. Другая сторона 
проблемы связана с хранением и/или утилизацией образовавшихся 

отходов в виде уловленной пыли, для чего необходимо проведение 
всестороннего анализа процесса утилизации с целью последующего 
возврата пыли в технологический процесс.  
Во время плавки выход газов изменяется, его максимальные 
значения достигаются в период кипения. Максимальный выход газов 
может происходить в течение до 30 мин и превышать средний 
уровень на 60 – 70 %. 

2 Расчет состава пылегазовых  
выбросов из ДСП на основе  
материального баланса плавки 

Задание 
Рассчитать состав пылегазовых выбросов ДСП с последующей 
доводкой на агрегате комплексной обработки стали АКОС 
на примере стали марки 35ГС. 

2.1 Расчет металлошихты  
для плавки стали марки 35ГС 

Исходные данные 

В таблице 2.1 приведен химический состав стали марки 35ГС. 

Таблица 2.1 – Химический состав стали 35ГС, % 

C 
Si 
Mn 
Cr 
Ni 
S 
P 
Cu 
Fe 

0,3 – 0,37 0,6 – 1,2
0,8 – 1,2 
≤0,3 
≤0,3 
≤0,045 
≤0,04 
≤0,3 
Остальное 

В таблице 2.2 приведен расчетный состав металлошихты. 
В таблице 2.3 представлен состав шлакообразующих материалов. 

Таблица 2.2 – Состав металлошихты (расчетный), % 

Материал 
C 
Si 
Mn 
Cr 
Ni 
S 
P 
Cu 
Fe 
Сумма

Углеродистый лом
0,25
0,30 0,50 0,30 0,30
0,05 
0,04 
0,3 97,96 100,00

Чугун 
4,00
1,00 0,80
– 
– 
0,02 
0,05 
– 
94,13 100,00

Таблица 2.3 – Состав шлакообразующих материалов, % 

Материал Доля, % FeO
Fe2O3 MnO
SiO2 Al2O3
CaO 
MgO P2O5 Сумма

Агломерат
1,5 
12,00 64,00 
0,02 10,00
0,60 
12,58
0,80 
– 
100,00

Известь 
2,0 
– 
– 
– 
2,50 
1,00 
93,00
3,30 0,20 100,00

В завалку подается известь в количестве 2 % и агломерат 
в количестве 1,5 % от массы металлошихты. 
В таблице 2.4 приведен состав легирующих. В таблице 2.5 
представлены 
значения 
коэффициента 
усвоения 
элементов, 
в таблице 2.6 – технологические параметры ДСП. 

Таблица 2.4 – Состав легирующих, % 

Материал 
C 
Si 
Mn 
Cr 
S 
P 
Fe 

ФС75 
0 
77,00 
0,4 
0,4 
0,02 
0,050 
22,130 

ФМн90 
0,18 
0,01 
90,4 
0 
0,01 
0,064 
9,336 

Таблица 2.5 – Значение коэффициента усвоения элементов 

Элемент 
C 
Si 
Mn 
Cr 
Ni 
Fe 

Kусв, % 
90 
85 
90 
95 
97 
96 

Таблица 2.6 – Технологические параметры печи 

Параметр 
Ширина, мм 
Высота, мм 
Площадь, м2 
Высота до пят 

свода, мм 

Размеры 
рабочего окна 
1450 
1045 
1,52 
2070 

Расчет соотношения «лом – чугун» 

Расчет рассмотрен на примере выплавки стали марки 35ГС 
(таблица 2.7) в печи вместимостью 100 т.  

Таблица 2.7 – Усредненный состав стали, % 

C 
Si 
Mn 
Cr 
Ni 
S 
P 
Cu 
Fe 

0,32 
0,7 
0,9 
0,3 
0,3 
0,045 
0,04 
0,3 
97,095 

Для обеспечения дегазации расплава необходимо, чтобы 
в период расплавления окислилось 0,2 % углерода, в период 
окисления – 0,4 %, итого за время плавки должно окислиться 0,6 % 
углерода. Следовательно, с учетом того что в металле к концу плавки 
должно остаться 0,3 % углерода, в шихте его должно содержаться 

 
0,3 + 0,6 = 0,9 %. 
 

Если доля лома в металлошихте составляет Х, то с учетом 
содержания углерода в ломе и чугуне (см. таблицу 2.2) количество 
углерода составляет  

 
0,25Х + 4 (1 – Х) = 0,90 %, 

где 0,25  – содержание углерода в ломе, %; 4  – содержание 
углерода в чугуне, %. 

Отсюда Х = 0,83, т.е. доля лома составляет 83 %. 
Тогда доля чугуна в металлошихте составляет 

1 – Х = 1 – 0,83 = 0,17, или 17 %, 

а отношение количества лома к количеству чугуна 

 
0,83
4,78
0,17 =
0,83
4,78
0,17 =
. 

В таблице 2.8 приведен состав металлошихты в завалке. 

Таблица 2.8 – Состав металлошихты в завалке, % 

Материал 
Доля, %
C 
Si 
Mn
Cr 
Ni 
S 
P 
Cu 
Fe 

Углеродистый 
лом 
83 
0,21
0,25 0,42
0,25
0,25 
0,04 0,03 0,25
81,31 

Чугун 
17 
0,68
0,17 0,14
– 
– 
0 
0,01
0 
16,00 

Завалка 
100 
0,89
0,42 0,55
0,25
0,25 
0,04 0,04 0,25
97,31 

Для успешной дефосфорации рекомендуется обеспечивать 
основность шлака на уровне 2 – 3. В окислительный период в ванну 
присаживают до 1,5 – 2 % извести от массы шихты. 
Необходимое количество металлошихты для получения 100 т 
готового металла определяется следующим образом:  

 
97,095   100 000
104 075 кг,
97,3 
 4 ⋅
=
−
 

где 97,095 – содержание железа в готовой стали, %; (97,3 – 4) –
содержание железа в шихте за вычетом окислившегося (4 %) за время 
плавки, %. 

Для обеспечения раннего шлакообразования, предохраняющего 
металл от окисления, и для дефосфорации в процессе плавления в завалку 
подается известь в количестве 2 % и  агломерат в количестве 1,5 % 
от массы шихты.  
В таблице 2.9 приведен состав завалки. 

Таблица 2.9 – Состав завалки 

Материал 
Содержание, % 
Масса, кг 

Лом 
83,0 
104 075 · 0,827 = 86 382,5 

Чугун 
17,0 
17 692,8 

Итого 
100,0 
104 075,3 

Агломерат 
1,5 
1561,1 

Известь 
2,0 
2081,5