А. С. АДАМОВА
Н. В. ГРИГОРЬЕВА

РЕСУРСОИ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

А. С. АДАМОВА, Н. В. ГРИГОРЬЕВА

РЕСУРСОИ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
Учебно-методическое пособие
по выполнению практических и лабораторных работ

Волгоград
2022

УДК 621.746 (075)
Рецензенты:
группа литейного производства АО «ВМК «Красный Октябрь»,
начальник группы А. С. Кравченко
зам. главного металлурга ОАО «Волгограднефтемаш»
П. П. Кравченко
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Волгоградского государственного технического университета

Адамова, А. С.
Ресурсо- и энергосбережение : уч.-метод. пособие по выполнению практических и лабораторных работ / А. С. Адамова, Н. В. Григорьева ; ВолгГТУ. – Волгоград, 2022. – 64 с.
ISBN 978-5-9948-4448-9
Содержит методические указания по лабораторным и практическим работам по курсам «Энергосбережение в металлургии» для направления 22.03.02
«Металлургия», профиль «Литейное производство черных и цветных металлов» и «Ресурсо- и энергосбережение в машиностроении» для направления
15.03.01 «Машиностроение», профиль «Машины и технология литейного производства».
В пособии изложено содержание практических и лабораторных работ по
ресурсо- и энергосбережению в машиностроении и металлургии; приведены
краткие теоретические сведения, перечень оборудования, инструментов и материалов, даны объем и порядок выполнения работ, а также методические указания по составлению отчетов и перечень контрольных вопросов.
Предназначено для студентов, обучающихся по направлениям 22.03.02
«Металлургия», профиль «Литейное производство черных и цветных металлов» и 15.03.01 «Машиностроение», профиль «Машины и технология литейного производства».
Ил. 1. Табл. 4. Библиогр. : 5 назв.

ISBN 978-5-9948-4448-9

© Волгоградский государственный
технический университет, 2022
© А. С. Адамова, Н. В. Григорьева, 2022

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение

4

ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ

5

Практическое занятие 1
История развития вопроса ресурсо- и энергосбережения

5

Практическое занятие 2
Основные направления экономии материальных ресурсов

7

Практическое занятие 3
Использование материалов со специальными свойствами
в целях экономии ресурсов

13

Практическое занятие 4
Основные пути сокращения производственных потерь и отходов

17

Практическое занятие 5
Энергосбережение и энергоэффективность

21

Практическое занятие 6
Альтернативная энергетика

24

Практическое занятие 7
Нанотехнологии как ресурсосберегающие технологии

31

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

35

Лабораторная работа 1
Расчет экономии природного газа при использовании котла-утилизатора

35

Лабораторная работа 2
Расчет статей прихода тепла при плавке стали
в дуговой сталеплавильной печи

42

Лабораторная работа 3
Расчет статей расхода тепла при плавке стали
в дуговой сталеплавильной печи

48

Лабораторная работа 4
Составление энергетического баланса плавки стали
в дуговой сталеплавильной печи

56

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

63

3

ВВЕДЕНИЕ
Данное учебно-методическое пособие предназначено для студентов,
обучающихся по направлениям 22.03.02 «Металлургия» (профиль «Литейное производство черных и цветных металлов») и 15.03.01 «Машиностроение» (профиль «Машины и технология литейного производства»).
Цель данного пособия – формирование у студентов совокупности
знаний, охватывающих основные направления снижения расходования материалов, рационального потребления природных и энергетических ресурсов и особенности современных энергосберегающих процессов в производстве.
Пособие составлено таким образом, что ознакомившись с содержанием работ и изучив рекомендованную литературу, студенты могли самостоятельно решать поставленные задачи исследования.
В пособии представлены практические работы, где рассматриваются
вопросы, касающиеся рационального расходования материальных ресурсов и способы их экономии, энергосбережение и энергоэффективность,
способы экономии технологической энергии и другие.
Представленные лабораторные работы посвящены изучению основных тенденций экономии энергоресурсов при подготовке и осуществлении
производственных процессов машиностроительных предприятий и выработке на их основе решений по применению необходимых энергосберегающих технологий в условиях конкретного производства.
Данное учебно-методическое пособие составлено в соответствии с
рабочими программами дисциплин «Ресурсо- и энергосбережение в машиностроении» (15.03.01 «Машиностроение») и «Энергосбережение в металлургии» (22.03.02 «Металлургия»).

4

ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ
Практические занятия направлены на обобщение, систематизацию,
углубление и закрепление теоретических знаний, развитие самостоятельности учащихся в изучении материала. Также практические занятия способствуют формированию умений применять полученные знания и умения
на практике.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 1
ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ВОПРОСА РЕСУРСО- И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ

Цель занятия
Изучение студентами истории возникновения и развития вопроса ресурсо- и энергосбережения в металлургии и машиностроении. Изучение
основных понятий и определений.
Теоретическая часть
Машиностроение является основой промышленного производства.
Для изготовления продукции машиностроении затрачивается большое количество энергии и материальных ресурсов. При этом для повышения качества продукции, его надежности и конкурентоспособности требуются
все более новые и современные решения и технологии, от которых зависит
развитие научно-технического и производственного потенциала страны.
В свою очередь, для обеспечения развития новых технологий также
необходимы запасы ресурсов и энергии, однако они не безграничны: некоторые полезные ископаемые находятся в остром дефиците или близки к
исчерпанию. Именно поэтому проблема ограниченных запасов природных
ресурсов и дефицита энергоисточников вызвала необходимость разработки
5

программ по ресурсо- и энергосбережению.
Ресурсо- и энергосбережение – это организационная, экономическая,
техническая, научная, практическая, информационная деятельность, методы, процессы, комплекс организационно-технических мер и мероприятий,
сопровождающие все стадии жизненного цикла изделий, направленные на
рациональное использование и экономию ресурсов и энергии и на вовлечение в хозяйственный оборот возобновляемых источников энергии. Ресурсо- и энергосбережение является одной из самых серьезных задач XXI
века и может быть отнесена к стратегическим задачам государства.
Поводом для осмысления значимости ресурсо- и энергосбережения
послужило развитие международного сотрудничества.
В 70-х годах ХХ века случился первый энергетический кризис – была сокращена добыча нефти, в результате чего спрос на энергоносители
существенно вырос и значительно превысил предложение. Это событие
вызвало ускоренное развитие ядерной энергетики, поиск альтернативных
источников энергии и особое внимание к энергосбережению. Некоторые
европейские страны, такие как Великобритания, Дания, Франция, Германия, Норвегия значительно продвинулись в вопросах рационального расходования всех видов ресурсов и экономии энергии, накопили достаточно
богатый опыт и выразили готовность поделиться им.
Возросшая активность в вопросах энергосбережения в нашей стране
потребовала развития нормативно-правовой базы. Были приняты законы и
постановления Правительства, главной целью которых стало повышение
эффективности использования топливно-энергетических ресурсов и создание необходимых условий для перевода экономики страны на энергосберегающий путь развития.
Основными задачами ресурсо- и энергосбережения являются:
–сохранение природных ресурсов;
– рациональное использование и экономия материальных ресурсов;
6

– обеспечение экономически эффективного и безопасного использования вторичных материальных ресурсов;
– экономия топлива и энергии (в том числе электрической энергии и
тепловой, включая энергию пара, воды, сжатого воздуха, кислорода).
Таким образом, успешное развитие промышленности может быть
построено только на основе уменьшения расхода материальных ресурсов и
энергии, применения новых материало- и энергоэффективных технологических процессов на этапах изготовления и эксплуатации машин.
Содержание занятия
Занятие рассчитано на 2 часа.
В ходе выполнения занятия рассматриваются следующие вопросы:
1. Причины возникновения вопроса ресурсо- и энергосбережения.
2. Цели и задачи ресурсо- и энергосбережения.
3. Основные понятия и определения.
Контрольные вопросы
1. Что такое ресурсо- и энергосбережение?
2. В связи с чем возникла проблема экономии ресурсов и энергии?
3. Назовите цели и задачи ресурсо- и энергосбережения.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 2
ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ЭКОНОМИИ МАТЕРИАЛЬНЫХ РЕСУРСОВ

Цель занятия
Изучение основных конструктивных и технологических направлений
экономии ресурсов, призванных обосновать пути снижения расхода материалов при производстве изделий. Изучение студентами способов произ7

водства заготовок, их достоинства и недостатки. Научить студентов выбрать, обосновать и доказать целесообразность выбора прогрессивных методов получения заготовок и изготовления деталей.
Теоретическая часть
Для производства изделия машиностроения затрачиваются ресурсы:
энергия, топливо, материалы, прочее сырье, и стоимость этих затрат составляет около 60 % общей себестоимости продукции машиностроения,
при этом стоимость материалов, в основном металлов, составляет 25–26 %
для разных машин. Поскольку цены на сырье постоянно растут, его доля в
подсчете общей себестоимости изделия увеличивается. Поэтому целесообразным является экономичное расходование материалов.
Существуют следующие пути экономии материалов:
1) уменьшение массы изделия;
2) использование более дешевых материалов;
3) сокращение брака и отходов;
4) использование вторичных отходов и ресурсов;
5) повышение долговечности изделия.
Самым основным и очевидным способом снизить затраты материальных ресурсов на изготовление какого-либо изделия – это уменьшить
его массу, или материалоемкость изделия.
Материалоемкость изделия – это расход материальных ресурсов, необходимых на изготовление, эксплуатацию и ремонт изделия, включая все
его составные детали. В свою очередь, материалоемкость деталей учитывает расходы, затраченные на их изготовление, расходы материалов из-за
потерь в ходе производства (брак при изготовлении, потери при транспортировке и хранении и т.д.).
Однако здесь важно отметить, что снижение массы изделия не должно отражаться на его качестве, надежности и эксплуатационных характе8

ристиках. Напротив, в некоторых случаях оправдано несколько увеличить
массу изделия или машины (например, используя массивные станины,
применяя металл вместо пластика и проч.), если это позволит повысить ресурс работы машины, ее надежность, и тем самым снизить расходы на ремонт, замену деталей.
Способы снижения материалоемкости изделия следующие:
1) совершенствование конструкции изделия;
2) применение новых материалов;
3) создание эффективных технологических процессов.
Экономия и рациональное потребление материальных ресурсов возможны на каждом этапе изготовления и эксплуатации изделия, машины,
механизма, устройства. Выделяют следующие направления экономии материалов:
– конструктивные: на этапе проектирования за счет совершенствования конструкции изделия, выбора используемых материалов, снижения массы готового изделия, уменьшения отходов и потерь при его изготовлении;
– технологические: экономия достигается при соблюдении технологичности конструкции изделия, при внедрении передовых технологий и
методов обработки, выполняется на этапе подготовки технологической документации и разработки маршрутно-операционных карт;
– эксплуатационные: за счет уменьшения расхода материалов на восстановление оборудования, ремонт и запчасти;
– организационно-экономические: за счет использования стандартизации и унификации, стимулирования персонала и др.
Использование данных способов экономии материальных ресурсов
может быть как раздельным, так и в сочетании друг с другом. Наиболее
целесообразным является одновременное сочетание работы конструктора
9

и технолога по снижению материалоемкости изделий.
Существенно сократить материалоемкость изделия можно на этапе
его изготовления путем рационального выбора для каждого конкретного
случая способа получения заготовки: литье, ковка, штамповка, прокат,
сварка, порошковая металлургия. Выбор того или иного способа изготовления деталей оказывает значительное влияние на материалоемкость изделия, главным образом – путем снижения расхода материалов на технологические отходы (стружка, угар металла при плавке и нагреве, технологический брак) и потери в ходе производства (брак при изготовлении, потери
при транспортировке и хранении и т.д.). Прогрессивные формообразующие методы позволяют уменьшить объем последующей механической обработки, а иногда и полностью ее исключить, вследствие чего достигается
существенная экономия ресурсов. Поэтому с целью снижения материалоемкости деталей необходимо взвешенно подходить к выбору способа их
изготовления.
Одним из основных способов производства заготовок является литье.
С помощью литья можно получать отливки из любого сплава практически
любой конфигурации, размеров и массы. Наиболее точные способы литья
(литье под давлением, литье по выплавляемым и выжигаемым моделям)
позволяют полностью исключить механическую обработку деталей, при
этом обеспечивая заданную размерную точность и необходимую чистоту
поверхности.
Еще одним способом производства заготовок является обработка металла давлением, в частности – ковка (ротационная, путем обжатия и др.) и
штамповка (холодная и горячая). Получаемые детали имеют высокую размерную точность, поверхность хорошего качества, почти не требуют в
процессе изготовления обработки резанием. Значительная экономия металла достигается за счет отсутствия облоя. В случае использования холодной штамповки устраняются потери металла на угар и отходы в окали10

ну, образующейся в процессе нагрева. Также детали характеризуются высокими показателями механических свойств за счет того, что в процессе
обработки давлением в металле ликвидируются внутренние дефекты и
обеспечивается однородность его структуры.
Сварка является основным способом соединения деталей при изготовлении металлоконструкций и находит широкое применение как ресурсосберегающий метод. Сварка может применяться в сочетании с литьем и
штамповкой – это литосварные и штампосварные заготовки, у которых материалоемкость на 40 % ниже «чистых» литья или штамповок, однако трудоемкость сварки выше. Появление новых методов сварки – плазменная,
диффузионная, квантовая, ультразвуковая, лазерная – дает возможность
сваривать детали из любых материалов: металлов, неметаллов, полимеров,
керамики и проч. Сварка может осуществляться в вакууме, в космосе, под
водой и т.д.
В порошковой металлургии изделия производят из порошков металлов с размерами частиц от 0,1 мкм до 0,5 мм путем формования холодным
прессованием и последующей высокотемпературной обработкой (спекание). Порошковая металлургия экономична в отношении материалов (коэффициент использования порошка составляет более 97 %) и позволяет
получать точные детали, не требующие механической обработки, с нужными механическими, электрическими и магнитными свойствами. Кроме
того, использование порошковой металлургии позволяет получать изделия
с уникальными свойствами, используя многокомпонентные смеси, объединяя металлические и неметаллические компоненты, а также изделия различной пористости (фильтры) с регулируемой проницаемостью, подшипники скольжения с эффектом самосмазывания и т.д.
Содержание занятия
Занятие рассчитано на 4 часа.
11

В ходе выполнения занятия рассматриваются следующие вопросы:
1. Пути экономии материальных ресурсов.
2. Анализ возможности вторичного использования материалов и отходов.
3. Способы снижения материалоемкости изделия.
4. Основные направления экономии материалов.
5. Способы получения заготовок в машиностроении. Виды, достоинства, недостатки, возможности способов: литье, обработка металлов давлением, сварка, порошковая металлургия.
Контрольные вопросы
1. Для каких целей нужно прибегать к экономии и рациональному
использованию материальных ресурсов?
2. Что такое материалоемкость изделия? Каким образом она определяется и что учитывает?
3. Какие требования предъявляются к технологичности конструкций
деталей и машин?
4. Каким образом стандартизация может влиять на экономию материальных ресурсов?
5. Каким образом можно добиться снижения материалоемкости деталей на этапе их изготовления?
6. Какие способы получения заготовок Вы знаете? В чем состоят
преимущества каждого из способов получения заготовок по сравнению с другими способами?
7. Какой способ получения заготовок Вы считаете наиболее универсальным и почему?
8. Какие методы получения заготовок являются прогрессивными и
почему?

12

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 3
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАТЕРИАЛОВ
СО СПЕЦИАЛЬНЫМИ СВОЙСТВАМИ В ЦЕЛЯХ ЭКОНОМИИ РЕСУРСОВ

Цель занятия
Изучить применяемые в промышленности материалы со специальными свойствами и возможность использования взамен них других материалов, не уступающих по требуемым свойствам.
Теоретическая часть
В промышленности применяется огромное множество материалов,
разных по своим свойствам, и служащих для придания необходимых характеристик готовому изделию: материалы, обеспечивающие коррозионную стойкость изделия; материалы для изготовления деталей узлов трения;
особопрочные материалы; износостойкие материалы и т.д.
Стоимость подобных материалов со специальными свойствами высока, что не дает возможности изготавливать изделия полностью из них.
Кроме того, данные материалы не всегда могут гарантировать получение
требуемых конструктивных свойств: например, придают твердость, но не
обеспечивают прочность изделия. Поэтому применение материалов со
специальными свойствами должно быть целесообразным и рациональным,
а в качестве альтернативы в промышленности нашли применение материалы-заменители.
Зачастую специальные свойства изделию требуются только в поверхностном слое: например, повышенная коррозионная стойкость, твердость, износостойкость, улучшенные оптические свойства или более благородный внешний вид. Для этого на поверхностный слой изделия наносят
металлические покрытия того металла, который будет обеспечивать необходимые свойства. К технологиям нанесения металлических покрытий от13

носятся: наплавка, плакирование, металлизация, гальванизация, напыление
и т.д. Эти технологии позволяют рационально расходовать дорогостоящие
материалы, толщина получаемого слоя составляет от 1 микрона до 1,5
миллиметра.
Одной из основных областей использования материалов со специальными свойствами и их заменителей является защита от коррозии. Коррозия повреждает все металлы, что наносит огромный ущерб промышленности. В некоторых случаях необходимо предусматривать запас на коррозионное разрушение, увеличивая толщину стенки изделия, что повышает
расход металла. Поэтому важно иметь возможность защитить поверхность
изделия от коррозии путем нанесения защитных покрытий или используя
специальные материалы.
Конструкционные углеродистые стали, которые широко распространены в машиностроении, имеют низкую коррозионную стойкость из-за
присутствия примесей серы. Для повышения коррозионной стойкости стали легируются хромом и никелем, однако в таком случае повышается их
стоимость. Применение безникелевых сталей в ряде случаев обеспечивает
значительный экономический эффект, поскольку стоимость безникелевых
нержавеющих сталей ниже, а по коррозионной стойкости они не уступают
хромоникелевым сталям.
Еще одним путем экономичного использования материалов, в том
числе и в целях защиты от коррозии, является применение биметаллов, состоящих из различных по свойствам металлов и сплавов. Замена обычного
металлического изделия биметаллическим позволяет сэкономить дефицитные материалы, так как они используются в виде тонкого плакирующего
слоя (от 5 до 20 % общей толщины). Основа биметалла обеспечивает изделию основные характеристики: прочность, пластичность, свариваемость,
теплопроводность, а плакирующий слой придает поверхности специальные
свойства: коррозионную устойчивость, износостойкость, твердость и др.
14

Замена углеродистых сталей низколегированными позволяет значительно уменьшить массу деталей при сохранении прочностных и технологических характеристик изделий.
Алюминиевые сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью
во многих средах, имеют низкую плотность. Также алюминиевые сплавы
имеют высокие литейные свойства, что позволяет получать изделия сложной формы, не требующие обработки резанием и, следовательно, экономить на затратах на механическую обработку. В случае замены стали алюминиевым сплавом возможно снизить вес изделия более чем на 50 %, сохранив при этом требуемые технологические свойства.
К эффективным заменителям металла в изделиях машиностроения
относятся железобетон и пластмассы.
Железобетонные конструкции отличаются высокой прочностью, жесткостью, точностью, трещиностойкостью, длительным сопротивлением
многократно повторяющимся ударным и вибрационным нагрузкам. Использование железобетона в таких изделиях как станины, опорные плиты,
гидроцилиндры и плунжеры позволяет значительно уменьшить расход металла и тем самым снизить стоимость изделий.
Использование пластмасс и других синтетических материалов в машиностроении позволяет существенно сократить металлоемкость изделия и
сэкономить металл. Из пластмасс изготавливают детали конструкционного
назначения, корпусные детали, зубчатые колеса, шкивы, маховики и т.д.
Также существенную экономию материалов можно достичь, применяя специальные износостойкие материалы для изготовления деталей узлов трения:
– Износостойкие материалы с малым взаимным внедрением – одна из
трущихся поверхностей обладает высокой твердостью и однородностью механических свойств. Например, высокая твердость электрического хрома и
его однородность позволяют повысить износостойкость деталей в 5-15 раз.
15

– Износостойкие самосмазывающиеся материалы – материалы,
имеющие основу из пористого металла, пропитанные смолами или пластмассами. Такие материалы имеют низкий коэффициент трения и могут работать без смазки.
– Полимерные материалы для узлов трения. Полимеры обладают более низким коэффициентом трения, меньшим износом, не чувствительны к
ударам и колебаниям, более дешевы и технологичны. Способность полимеров работать при смазке водой является важным их преимуществом перед металлами.
Содержание занятия
Занятие рассчитано на 4 часа.
В ходе выполнения занятия рассматриваются следующие вопросы:
1. Применение в промышленности материалов со специальными
свойствами.
2. Материалы, обеспечивающие коррозионную стойкость изделия.
3. Использование биметаллов.
4. Материалы для изготовления деталей узлов трения.
5. Заменители металлов: пластмассы, железобетон, полимеры.
Контрольные вопросы
1. В каких целях необходимо использовать заменители металла?
2. Каким образом можно обеспечить коррозионную защиту металлов?
3. Какие материалы можно использовать в узлах трения?
4. В чем особенность биметаллических изделий?
5. В чем состоят преимущества использования железобетонных конструкций по сравнению с металлическими?
16

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 4
ОСНОВНЫЕ ПУТИ СОКРАЩЕНИЯ
ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПОТЕРЬ И ОТХОДОВ

Цель занятия
Изучить способы сокращения производственных потерь и отходов.
Изучить возможности восстановления дефектных отливок, использующиеся при этом технологии и материалы. Изучить способы упрочнения деталей с целью увеличения срока их службы и, следовательно, снижения расходования материалов.
Теоретическая часть
Одним из способов рационального и экономичного использования
материалов является сокращение производственных потерь и ликвидация
отходов.
Наибольшее количество отходов металла образуется в заготовительных производствах. Потери в литейном производстве связаны с угаром металла, часть металла теряется в отходах отработанной формовочной смеси.
При обработке металла давлением металл теряется при нагреве, на образование окалины, облой, заусенцы. Главные отходы механической обработки
– это стружка.
Сократить объем потерь и отходов можно с помощью применения
новых и прогрессивных способов формообразования, путем приближения
заготовки к требуемым размерам, что уменьшает или полностью исключает механическую обработку, а следовательно, и непроизводственные затраты металла.
Существуют следующие пути снижения производственных потерь и
отходов:

17

1. Применение эффективных методов разделки исходного материала
на заготовки. Отходы при резке металла на заготовки могут достигать 1012 % от общей массы металла. Важно не только использовать более современное оборудование (для уменьшения опилок, стружки), вовлекать во
вторичное производство отходы резки (концевые части, брак), но и применять рациональный раскрой металла.
2. Снижение потерь на угар и отходы в окалину. Данные потери составляют 1-4 % от массы заготовки и зависят от конструкции печи и атмосферы в ней, от отношения площади металла к его объему и от других
факторов. Перспективным является нагрев металла в защитной или нейтральной атмосфере, предохраняющей металл от окисления и образования
окалины.
3. Снижение отходов в виде стружки. Чтобы уменьшить количество
снимаемой стружки при механической обработке заготовок, необходимо
выполнять их максимально точными, с размерами, близкими или равными
требуемым. Для этого необходимо применять прогрессивные способы получения заготовок (прецизионное литье, точная штамповка) для получения
изделий с минимальными допусками и припусками на обработку.
4. Восстановление дефектных изделий. Все методы получения заготовок формируют на их поверхностях или в теле дефекты, а это зачастую
приводит к браку изделий, который может доходить до 0,5 %. В настоящее
время существуют технологии восстановления дефектных изделий.
Наиболее радикальные методы восстановления дефектных изделий
подразумевают разделку и последующее заплавление дефекта основным
материалом, однако в этом случае возможно появление внутренних напряжений и микротрещин на поверхности изделия.
Более современные способы исправления дефектов, таких как микротрещины и микропористость, предполагают использование полимерных
материалов, с помощью которых под давлением «пропитывают» деталь. К
18

таким материалам относится Дихтол – устраняет дефекты величиной до
0,1 мм и, кроме того, образует на поверхности изделия защитное антикоррозионное покрытие.
Для исправления более крупных дефектов, например, раковин на поверхности изделия, применяют Пластикметалл. Это двухкомпонентный
металлополимер, который заливается в полость раковины, полимеризуется, и впоследствии деталь можно обрабатывать на станке и эксплуатировать, нагружая теми же усилиями, что и бездефектное изделие.
5. Увеличение срока службы деталей и достижение равномерного их
износа. В промышленности расходы на замену деталей и ремонт машин
достигают достаточно больших значений, поэтому целесообразно повышать срок службы деталей, чтобы ремонт приходилось делать как можно
реже. Применение высококачественных материалов в ряде случаев обеспечивает повышение срока службы деталей машин, и, следовательно, снижение расхода запасных частей. Выбор разных материалов для различно нагруженных деталей одной и той же машины повышает срок службы машины в целом. Для этой же цели применяют различные методы упрочняющей
технологии.
Повысить эксплуатационные свойства деталей и тем самым увеличить срок их службы можно различными видами упрочнения поверхности:
– упрочнение термическими, химико-термическими и комбинированными (термодиффузионными) способами обработки:
 термические методы (закалка, закалка с отпуском и др.);
 химико-термическая обработка (цементация, азотирование,
цианирование, диффузионное насыщение металлами).
– упрочнение наклепом;
– упрочнение термомеханической обработкой;
– упрочнение наплавкой. Наплавка применяется для упрочнения
вновь изготовляемых деталей машин и является одним из наиболее гибких
19

методов восстановления и увеличения срока службы изношенных деталей
машин;
– упрочнение нанесением на рабочие поверхности деталей материалов с высокими эксплуатационными свойствами (антифрикционные, коррозионностойкие, жаростойкие покрытия и др.).
Содержание занятия
Занятие рассчитано на 4 часа.
В ходе выполнения занятия рассматриваются следующие вопросы:
1. Способы сокращения производственных потерь и отходов.
2. Восстановление дефектных изделий. Методы, применяемые материалы и их характеристики.
3. Способы упрочнения поверхности деталей.
4. Пути увеличения сроков службы деталей и способы достижения
равномерного износа деталей.
Контрольные вопросы
1. Каким образом можно сократить производственные потери и
уменьшить отходы?
2. Какие существуют способы упрочнения поверхности деталей, и в
каких целях они применяются?
3. Каким образом можно сократить потери на угар и отходы в окалину?
4. Каким образом можно уменьшить отходы в виде стружки?
5. Каким образом можно исправить дефекты в виде микротрещин и
микропористости?
6. Перечислите методы восстановления дефектных изделий.

20

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 5
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ

Цель занятия
Изучение способов энергосбережения и рационального использования энергетических ресурсов. Изучение способов экономии энергии в
промышленности.
Теоретическая часть
Энергия в машиностроении – наиболее ценный ресурс, поскольку
благодаря затрачиваемой энергии становится возможным получить продукцию.
В среднем затраты на энергию составляют 10 % от всех производственных расходов, а в такой энергоемкой отрасли как сталелитейная промышленность – до 40 %. Промышленность имеет огромный потенциал
энергосбережения и эффективного расходования энергии.
Энергосбережение – это потребление меньшего количества энергии
или отказ от ее использования, достигаемые путем реализации организационных, правовых, технических, технологических, экономических и иных
мер. Энергосбережение призвано сохранить природные ресурсы и уменьшить загрязнение окружающей среды выбросами продуктов сгорания топлива.
Энергоэффективность – это рациональное использование энергетических ресурсов, при котором получение необходимого результата достигается с использованием меньшего количества энергии. Чем выше технологический прогресс, выше уровень развития техники и технологий, тем большую
энергоэффективность можно достичь. Эффективность приводит к сбережению энергии, например, использование светодиодных ламп вместо ламп
накаливания позволяет сократить потребление электроэнергии в 6 раз.
21

В настоящее время основными источниками получения энергии являются ископаемые виды топлива: уголь, газ и нефть. Запасы этих природных ресурсов не безграничны и рано или поздно они закончатся, поэтому
все более активно развивается альтернативная энергетика: водород, солнечная энергия, ветряная энергия, энергия приливов и отливов, геотермальная и биотопливная энергия.
Во всем мире идет постоянный рост спроса на энергию и, следовательно, развитие энергосберегающих технологий становится более значимым становится.
Одной из технологий энергосбережения является когенерация – это
процесс одновременного получения тепла и электричества с помощью когенераторной установки. Когенераторная установка вырабатывает электричество, сжигая топливо. В процессе работы вырабатывается тепло, которое является вторичным энергоресурсом и может быть направлено, например, на обогрев помещений. Таким образом, когенерация позволяет
максимально использовать энергию первичного топлива.
Применение когенерации особенно оправдано в холодный период
года, когда необходимо обогревать помещения. В летнее время, напротив,
помещения необходимо охлаждать и в этом случае может быть использована тригенерация – процесс совместного получения электричества, тепла
и холода. Для выработки холода используются абсорбционные бромистолитиевые холодильные установки. Тригенерация позволяет использовать
генерирующую установку круглый год, не снижая высокий КПД энергетической установки в летний период, когда потребность в вырабатываемом
тепле снижается.
В промышленности часто используется оборудование, которое часть
времени работает с пониженной нагрузкой: конвейеры, насосы, вентиляторы и т.д. Существенно сократить энергопотребление таких механизмов позволяют конденсаторные установки и частотно регулируемые приводы,
22

при их использовании можно сэкономить 30–50 % потребляемой электроэнергии.
Примером энергосбережения является использование теплонасосных
установок для отопления и горячего водоснабжения. В качестве источника
тепла тепловые насосы могут использовать тепло грунта, грунтовых вод,
природных водоемов, солнечную энергию, промышленные стоки, отработанный пар, тепло вентиляционных выбросов и т.д. с температурой от +3
до +40 °С. Применение теплонасосных установок способствует утилизации
до 45 % низкопотенциальной теплоты, что повышает энергоэффективность.
Машиностроение является одним из самых крупных потребителей
как электрической, так и тепловой энергии, поэтому вопросы экономии
всех видов энергетических ресурсов и их эффективного расходования
чрезвычайно важны.
Содержание занятия
Занятие рассчитано на 4 часа.
В ходе выполнения занятия рассматриваются следующие вопросы:
1. Энергосбережение и энергоэффективность. Суть понятий, цели.
2. Энергосберегающие технологии: достоинства, проблемы реализации.
3. Применение технологий энергосбережения в промышленности.
Контрольные вопросы
1. Что такое энергосбережение; энергоэффективность?
2. Какие энергосберегающие технологии Вы знаете?
3. Назовите способы эффективного расходования энергетических
ресурсов.
4. Что такое когенерация; тригенерация?
23

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 6
АЛЬТЕРНАТИВНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

Цель занятия
Изучение студентами альтернативных источников энергии, их достоинств, недостатков, сложностей в эксплуатации, а также перспектив развития альтернативной энергетики.
Теоретическая часть
Альтернативная энергетика становится все более значимой в современном мире. В отличие от ископаемых видов топлива – нефти, природного газа и угля – альтернативные источники энергии не истощаются, поэтому их называют возобновляемыми или неисчерпаемыми.
Применение неисчерпаемых источников энергии (вода, солнце, ветер и т.д.) набирает все большую популярность, и причиной тому является колоссальные запасы энергии, которые можно получить. Однако на
сегодняшний день добыча энергии с помощью альтернативных источников остается дорогой и связана с технологической сложностью установок, дороговизной оборудования, необходимостью перестройки энергетической инфраструктуры и т.д. Тем не менее, темпы роста альтернативной энергетики сравнялись с темпами роста традиционной, мировым
компаниям становится выгодно инвестировать свои средства в проекты
по развитию и использованию нетрадиционных источников энергии и,
следовательно, в скором времени нас ждет эра экологически чистой возобновляемой энергии.
К альтернативным источникам энергии относятся:
 солнечная энергия;
 энергия ветра;
 геотермальная энергия;
24

 биотопливо;
 водород;
 энергия водных потоков;
 энергия морских приливов и волн;
 биомасса.
Солнечная энергия (гелиоэнергетика).
Энергия солнца – наиболее перспективный источник энергии. Солнце всего за три дня посылает на Землю столько энергии, сколько ее содержится во всех разведанных запасах ископаемых, а той энергии, что Солнце
посылает за один день, хватило бы всей планете на год.
Для преобразования энергии солнечных лучей в полезную энергию
применяются следующие технологии:
– концентрационные (гелиотермальные): используют температуру
солнечных лучей. В системе электростанции, работающей с использованием технологии концентрирования солнечной энергии, имеются элементы,
содержащие жидкость. Под воздействием солнечного тепла жидкость нагревается, образуется перегретый пар, который затем вращает турбину
электрического генератора. Подобные электростанции могут работать
круглые сутки: часть энергии накапливается в течение дня и сохраняется в
специальном термальном хранилище, а затем используется для получения
электричества в темное время суток.
– фотоэлектрические: для выработки электроэнергии используется
именно солнечный свет. В данной технологии используются солнечные
батареи – панели с ячейками, состоящие из двух слоев различных полупроводниковых материалов. Производимое электричество может накапливаться в аккумуляторах и использоваться при необходимости.
Солнечная энергия доступна и неисчерпаема, она может быть использована для освещения улиц и домов, в системах отопления и горячего
водоснабжения, однако солнечная энергетика имеет свои недостатки.
25

Наиболее существенное ограничение использования энергии солнца
– это зависимость от погоды и времени суток. В некоторых широтах или
при сложном ландшафте и географическом положении использование солнечной энергии становится либо затруднено, либо слишком дорого.
Высокая стоимость солнечных электростанций и солнечных панелей,
которая связана со сложностью конструкции и производства установок,
использованием при изготовлении редких элементов (индий и теллур).
При использовании солнечной энергии в промышленности возникает
необходимость дублирования солнечных энергетических установок традиционными источниками энергии для обеспечения бесперебойного электроснабжения.
Еще одним недостатком является экологический аспект. Солнечная
энергия – это чистая энергия, ее производство не связано с выбросом вредных веществ, например, угарного газа, однако само производство фотоэлементов и панелей является химически грязным. Солнечные фотоэлементы содержат опасные вещества (свинец, кадмий, галлий, мышьяк), которые пагубно влияют на экологию, поэтому утилизация фотоэлементов
должна проводиться с соблюдением всех норм.
Солнечные электростанции занимают достаточно большую площадь,
нанося вред экосистеме и дикой природе, лишая зверей привычных мест
обитаний и вызывая их деградацию. Под воздействием солнца панели нагреваются, повышается температура атмосферы над электростанцией, что
влияет на климат, нарушая естественный температурный режим.
Энергия ветра
Ветроэнергетика – это способ получения энергии (электрической,
механической, тепловой и т.д.) путем преобразования кинетической энергии воздушных масс в атмосфере. Использование ветра в качестве движущей силы известно уже давно, эта отрасль энергетики является одной из
самых быстроразвивающихся технологий возобновляемой энергии.
26

Преобразование энергии ветра в электрическую энергию осуществляется с помощью ветрогенераторов. Нередко их объединяют в сети, в результате чего получается ветровая электростанция. Полученная электроэнергия накапливается в аккумуляторах или идет напрямую в сеть к потребителям. Также возможно получение электричества с последующим
преобразованием его с помощью тепловых насосов в тепло для обогрева
помещений и получения горячей воды.
Использование ветряных электростанций целесообразно в тех местах, где имеется высокий среднегодовой уровень ветра. Наземные ветряные электростанции, как правило, располагают на вершинах холмов или
возвышенностей, поскольку скорость ветра возрастает с высотой. Также
оправдано применение ветряных электростанций в прибрежных и шельфовых (10–60 км от берега) зонах, поскольку вблизи моря дуют регулярные
морские ветра.
Ветряные электростанции работают круглый год, но сильно зависят
от постоянства ветровых потоков. В зимнее время наблюдается увеличение
их производительности, так как зимой усиливаются ветра, и даже обледенение лопастей не является помехой – отмечены случаи улучшения аэродинамических характеристик профиля лопасти.
Одним из недостатков ветроэнергетики является шумовое загрязнение. Низкие частоты около 7 Гц опасны для человека и животных. Низкочастотные колебания передаются через почву и вызывают ощутимый дребезг стекол в домах на расстоянии до 60 м от ветроустановок, поэтому жилые

дома

располагаются

на

расстоянии

не

менее

300

м

от

ветрогенераторов.
Ветрогенераторы способны оказывать воздействие на климатические
условия того района, где они установлены. При работе ветрогенераторы
изымают часть кинетической энергии движущихся воздушных масс, что
приводит к снижению скорости их движения. Как следствие, воздушные
27

массы успевают сильнее нагреться летом и охлаждаться зимой, изменяется
влажность воздуха. Однако здесь есть и положительный момент: большие
ветроэлектростанции могут существенно ослабить ураганы, уменьшая экономический ущерб от их воздействия.
Современная ветроэнергетика развивается значительными темпами.
Для увеличения мощности ветряной электростанции лопасти ветрогенераторов меняют на более современные, мощные, имеющие большую ометаемую площадь. И, как следствие, возникает вопрос переработки лопастей
ветрогенератора. Лопасти изготавливают из полимерного композита, который не предназначен для вторичного использования, а его переработка
экономически нецелесообразна. В настоящее время отработавшие лопасти
складируют на полигонах для отходов или попросту закапывают на свалках, и это представляет собой проблему для экологии.
Геотермальная энергия
Геотермальная энергетика направлена на получение энергии, используя тепловую энергию недр Земли. Геотермальная энергия может
быть представлена в виде пара, горячих вод (гидротерм), смеси пара и воды (парогидротерм), тепла сухих горных пород (терм).
Существует два основных способа использования геотермальной
энергии: прямое использование тепла и производство электроэнергии.
Прямое использование тепла, которое идет на обогрев помещений и обеспечение горячего водоснабжения, является наиболее распространенным
применением энергии недр. Преобразовать геотермальную энергию в электрическую можно с помощью геотермальных электростанций, представляющих собой генераторные установки, использующие горячие подземные
воды или пар.
Геотермальная энергетика наиболее распространена в районах активной вулканической деятельности с многочисленными гейзерами, где
горячие воды приближены к поверхности земной коры.
28

Температура недр Земли возрастает с глубиной (примерно 2,5 °С на
каждые 100 м), поэтому в геологически малоактивных районах добыча тепла производится посредством использования тепла горных пород. Для
этого бурятся две скважины, в одну из них закачивается вода, которая нагревается, забирая тепловую энергию недр и попадает в смежную скважину, откуда выходит в виде пара, который затем поступает к генераторным
установкам.
Геотермальная энергетика не зависит от времени года и суток, погодных условий, что является ее достоинством. Экономическая эффективность геоэлектростанций зависит от температуры используемого тепла и, в
случае использования скважин, от их глубины. Для генерации электроэнергии требуется скважина глубиной несколько километров, что требует
больших капиталовложений, поэтому практически все крупные геотермальные электростанции расположены в местах повышенного вулканизма.
Для минимизации ущерба окружающей среды отработанные термальные воды, содержащие вредные вещества (сероводород, углекислый
газ, свинец, мышьяк, аммиак, и т.д.), используют вторично, закачивая их
обратно в скважины. Это не только решает проблему утилизации сбросных
вод, но и способствует восполнению запасов геотермального теплоносителя и поддерживает давление в водоносном пласте.
Биотопливо
Биотопливную энергию можно разделить на биодизель (топливо получают из масличных культур) и биоэтанол (по сути, спирт, который получают из всего, что содержит целлюлозу). Биоэтанол и биодизель производят из растений, которые можно постоянно выращивать и которые поглощают углекислый газ в процессе своей жизни и выделяют в атмосферу
кислород.
Ограничением использования биотоплива являются низкие температуры (при –15 С застывает и непригоден к использованию) и способность
29

поглощать влагу из атмосферы, что может вызвать расслоение топлива и
образование конденсата.
Водород
К перспективным альтернативным источникам энергии можно отнести водород. Применение водорода в двигателях увеличивает их КПД до
75 % (КПД двигателя внутреннего сгорания – 40 %). Кроме того, водородное топливо является экологически чистым, так как в процессе его сгорания образуется водяной пар. Следовательно, при использовании водородного топлива в транспорте выхлопные газы отсутствуют, что позволяет
существенно улучшить атмосферу городов.
Альтернативные источники энергии очень важны, и их применение
является своего рода вкладом в будущее нашей планеты. Ученые предполагают, что в ближайшее время человечество полностью перейдет на альтернативные источники энергии, что позволит избежать энергетического
кризиса, связанного с исчерпанием невозобновляемых ресурсов.
Содержание занятия
Занятие рассчитано на 4 часа.
В ходе выполнения занятия рассматриваются следующие вопросы:
1. Предпосылки использования альтернативной энергетики.
2. Альтернативные источники энергии: достоинства и недостатки:
– солнечная энергия;
– ветряная энергия;
– геотермальная энергия;
–биотопливная энергия.
3. Возможности и перспективы использования альтернативных источников энергии.

30

Контрольные вопросы
1. Что такое альтернативная энергетика?
2. Что относится к неисчерпаемым источникам энергии?
3. Какие технологии существуют для преобразования солнечной
энергии в полезную? В чем их суть?
4. Каков принцип действия ветрогенераторов?
5. Какие способы использования геотермальной энергии Вы знаете?
6. Назовите ограничения использования альтернативных источников
энергии.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 7
НАНОТЕХНОЛОГИИ
КАК РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ

Цель занятия
Изучение нанотехнологий, применяемых в машиностроении, способствующих рациональному расходованию материальных и энергетических
ресурсов.
Теоретическая часть
Нанотехнологии являются современными прогрессивными технологиями, которые играют значимую роль в эффективном расходовании материалов и экономичном пользовании энергоресурсов.
Распространение нанотехнологий в сфере машиностроения позволит
сократить долю сырья, материалов, а также энергии в себестоимости готового продукта. А проводимые исследования, направленные на изучение
возможностей наноструктурных материалов, позволят расширить области
их применения.
31

Наноструктурные материалы – это вещества, состоящие из частиц с
размерами от 1 до 100 нм. Наноразмерные частицы придают материалам
особые свойства, которые отсутствуют у аналогичных по химическому составу, но не имеющих наноструктуры материалов: изменяются магнитные,
тепло- и электропроводные свойства, уменьшается температура плавления.
Ввиду столь малого размера наночастиц и их уникальных свойств,
применение наноматериалов вызывает опасения: они могут проникать через все биологические мембраны, кожу, накапливаться в тканях, самоорганизовываться в более сложные структуры, влиять на протекание биохимических реакций в организме, проникая в структуру ДНК, способны модифицировать ее.
Работа с наноматериалами требует особых условий: необходимы
устройства создания чистых зон, специальной атмосферы или вакуума,
специальные диагностические и экспериментальные средства (электронные и сканирующие зондовые микроскопы), суперкомпьютеры для моделирования строения и свойств нанообъектов, требуются особые условия
для хранения и транспортировки наноматериалов и др.
Исследованием наноматериалов, изучением их свойств, способов получения, использования и утилизации занимается наука наноматериаловедение. Поскольку наука разрабатывает новые наноматериалы с уникальными свойствами, совершенствует уже существующие и улучшает их характеристики – необходимо искать новые сферы и способы применения
наноматериалов.
К наноматериалам, в частности, относятся нанокристаллические металлы и сплавы, тонкопленочные одно- и многослойные покрытия, нанопористая керамика и полимеры, нанокомпозиты и др. Наноматериалы используются в машиностроении и, в частности, в литейном производстве.
Например, применяются для легирования и модифицирования металлов,
модифицирования и активации связующих.
32

Легирование и модифицирование металлов с помощью наноматериалов осуществляется путем нанесения на форму или модель специального
покрытия, содержащего наноструктурированные модифицирующие и легирующие элементы. В результате полученные отливки имеют более высокие антифрикционные свойства и триботехнические характеристики, повышается конструкционная прочность.
Добавка в формовочные и стержневые смеси нанопорошков из техногенных металлоотходов улучшает свойства смесей и позволяет воздействовать на процессы, происходящие при заливке и кристаллизации металла.
Использование наноматериалов может быть применимо для модифицирования силикатных связующих – жидкого стекла. В этом случае
улучшается выбиваемость и регенерация жидкостекольных смесей.
Наноматериалы могут применяться для механической активации
глинистых связующих. Активация ведется в измельчающих устройствах с
добавлением наноразмерных веществ (ПАВ, техногенные отходы, натрийсодержащих добавки), способствующих улучшению технологических
свойств глин и впоследствии формовочных смесей, например, увеличивается термостойкость огнеупорного покрытия, повышаются прочностные
свойства за счет увеличения адгезионных характеристик.
Применение наноматериалов в противопригарных покрытиях позволяет не только улучшить свойства самого покрытия (вязкость, седиментационная устойчивость) и стойкость окрашенного слоя, но и способствует
снижению шероховатости отливки, уменьшая затраты на механическую
обработку.
Развитие нанотехнологий и расширение сфер их применения в промышленности на сегодняшний день является одним из главных направлений научно-технического прогресса. Нанотехнологии позволяют получать
более качественные изделия машиностроения, эффективно и рационально
расходуя при этом материальные и топливно-энергетические ресусры.
33

Содержание занятия
Занятие рассчитано на 4 часа.
В ходе выполнения занятия рассматриваются следующие вопросы:
1. Наноматериалы и нанотехнологии: сущность, получение, сложности использования.
2. Применение наноматериалов в промышленности и литейном производстве в частности.
Контрольные вопросы
1. Какие материалы относятся к наноразмерным?
2. Чем занимается наука наноматериаловедение?
3. В чем опасность применения наноразмерных материалов?
4. В каких отраслях промышленности могут использоваться наноматериалы и нанотехнологии? Приведите примеры.
5. Каким образом наноматериалы используются в литейном производстве?

34

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ
Лабораторные работы направлены на получение знаний об основных
тенденциях экономии энергоресурсов при подготовке и осуществлении
производственных процессов машиностроительных предприятий и выработке на их основе решений по применению необходимых энергосберегающих технологий в условиях конкретного производства.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1
РАСЧЕТ ЭКОНОМИИ ПРИРОДНОГО ГАЗА
ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ КОТЛА-УТИЛИЗАТОРА

Цель работы
Определить

количество

пара,

вырабатываемого

котлом-

утилизатором, установленным за металлургической печью, а также рассчитать годовую экономию топлива (природного газа).
Содержание занятия
Занятие рассчитано на 4 часа.
В ходе выполнения занятия рассматриваются следующие вопросы:
1. Использование вторичных энергетических ресурсов (ВЭР) на металлургических предприятиях
2. Производится расчет годовой экономии топлива (природного газа) при
использовании котла-утилизатора.
Теоретическая часть
Использование вторичных энергетических ресурсов (ВЭР) является
одним из основных направлений энергосбережения и экономии топливо энергетических ресурсов во всех сферах хозяйства, в том числе, и в про35

мышленности. Особенно это касается наиболее энергоемких отраслей
промышленности, в которых использование ВЭР может оказаться кардинальным или даже единственным способом снижения потребления энергии.
Вторичные энергоресурсы (ВЭР) - энергия, заключенная в основном
или побочных продуктах технологического процесса, которую невозможно
использовать в данном технологическом процессе, но можно частично или
полностью использовать в другом технологическом процессе.
Например, производство чугуна в доменной печи является источником следующих ВЭР:
 теплота основного продукта (чугуна), температура чугуна на выпуске из
печи tвыпч = 1350…1400 ○С;
 энергия побочных продуктов
- теплота шлака, температура шлака на выпуске tвыпшл = 1450-1550 ○С;
- физическая теплота доменного газа tвыпд.г. = 150…350 ○С;
- химическая энергия доменного газа, теплота сгорания доменного
газа Qрн= 3…5 МДж/м3;
- избыточное давление доменного газа Рд.г. ≤0,25–0,35 Мпа;
- теплота охладителя элементов конструкции доменной печи (нагретая вода при водяном охлаждении или пар при испарительном охлаждении).
Следует подчеркнуть, что к ВЭР относится именно та энергия продуктов технологического процесса, которую невозможно использовать в
данном технологическом процессе и следует утилизировать (полезно использовать) в другом технологическом процессе. Использование ВЭР по
технической терминологии представляет собой утилизацию. В том случае,
если энергия продуктов технологического процесса возвращается в тот же
технологический процесс, то это рекуперация (возвращение).
Источниками ВЭР металлургии являются:
36

• процессы подготовки железорудного сырья (агломерация и окомкование железорудного концентрата), коксование углей, обжиг известняка,
производства огнеупоров и ферросплавов;
• процессы производства чугуна в доменной печи и внедоменные
процессы получения железа;
•

сталеплавильные

процессы

(мартеновский,

кислородно-

конвертерный, электросталеплавильный).
В металлургии можно выделить три основных направления использования ВЭР:
1. Использование горючих ВЭР в качестве топлива.
2. Использование теплоты отходящих газов технологических печей
и агрегатов для выработки пара или нагретой воды в котлах-утилизаторах
(КУ).
3. Применение систем испарительного охлаждения (СИО), что позволяет получить при охлаждении элементов конструкций печей и агрегатов, насыщенный пар.
Эти направления являются основными по следующим причинам:
– на их долю приходится максимальная выработка энергетической
продукции (нагретой воды, пара, электроэнергии) при использовании ВЭР;
– касаются практически всех переделов металлургического производства;
– являются основными направлениями использованиями ВЭР для
другихотраслей промышленности.
Котлы-утилизаторы – теплоутилизационные установки, предназначенные для выработки пара или нагретой воды путем использования теплоты отходящих газов технологических печей и агрегатов.
Большое разнообразие конструкций, характеристик и назначений
котлов-утилизаторов делает целесообразным их классификацию. В прин37

ципе классификация котлов-утилизаторов не отличается от обычных топливных котлов, но имеет ряд особенностей.
В качестве основных вариантов классификации можно выделить
следующие:


В зависимости от вида получаемого теплоносителя котлы- утилиза-

торы разделяются на водогрейные, паровые и пароводогрейные, причем
паровые котлы могут быть как с выработкой насыщенного, так и перегретого пара.


В зависимости от вида теплоносителя, который проходит по трубам

поверхностей нагрева, котлы-утилизаторы разделяются на газотрубные,
т.е. по трубам проходят отходящие газы, и водотрубные, в трубах проходят
вода, пароводяная смесь или пар.


В зависимости от способа циркуляции пароводяной смеси в испари-

тельных поверхностях нагрева котлы-утилизаторы разделяются на котлы с
естественной циркуляцией, многократной принудительной и без циркуляции, т.е. прямоточные. Возможна также и комбинированная циркуляция.


В зависимости от температуры, поступающей в котел-утилизатор от-

ходящих газов, котлы-утилизаторы разделяются на низкотемпературные (с
температурой газов до 800-900 ○С, кратковременно до 1100 ○С) и высокотемпературные

при

температуре

отходящих

газов

свыше

1100-

1200 ○С.


В зависимости от величины параметров получаемого пара котлы-

утилизаторы разделяются на котлы-утилизаторы низких параметров (давление пара до 1,4 МПа, температура перегретого пара до 280-300 ○С), повышенных параметров (соответственно, до 4,5 МПа и 450 ○С) и высоких
параметров (до 10-14 МПа и 500-550 ○С).

38



В зависимости от конструкций поверхностей нагрева, определяемых

температурой отходящих газов, котлы-утилизаторы разделяются на конвективные, радиационные и радиационно-конвективные.


В зависимости от конфигурации газохода, в котором размещаются

поверхности нагрева, котлы-утилизаторы разделяются на вертикальные,
горизонтальные, П-образные, а также Г-образные, U-образные и прочих
конфигураций.
На металлургических предприятиях и других отраслей промышленности можно выделить в качестве основных три типа котлов-утилизаторов:
а) Газотрубные конвективные котлы паропроизводительностью 330т/ч.
б) Водотрубные конвективные котлы паропроизводительностью 1250т/ч.
в) Водотрубные радиационно-конвективные и радиационные котлыутилизаторы - охладители конвертерных газов (ОКГ) с максимальной паропроизводительностью 130-370 т/ч при средней паропроизводительности,
соответственно, 30-80 т/ч.
Несмотря на сравнительно невысокие паропроизводительности отдельных котлов-утилизаторов по сравнению, например, с энергетическими
котлами, суммарная их производительность при использовании отходящих
газов от ряда технологических печей и агрегатов цеха (или предприятия в
целом) может оказаться весьма значительной и дать соответственно большую экономию топлива.
Методика проведения работы
На рисунке приведена схема водотрубного котла-утилизатора. Согласно своем варианту (таблица) необходимо провести расчет количества
пара, вырабатываемого котлом-утилизатором и стоимости сэкономленного
природного газа.
39

Расчетная схема водотрубного котла-утилизатора:
1 – вход продуктов сгорания; 2 – конвективный пучок; 3 – выход газов

Исходные данные
Номер варианта

1

начальная температура газов tг1, °С
конечная

темпера-

тура газов tг2, °С
объемный

расход

газов Vг, м3/ч

2

3

4

5

6

7

8

700

650

730

670

735

710

680

705

160

165

155

170

168

163

170

158

12000

12150

11500

15000

13800

12100

13000

11800

давление пара, вырабатываемого кот-

40·105 Па (40 ат)

лом-утилизатором
Pп
теплоемкость газов

1,16

Сг, кДж/(кг °С)
энтальпия пара i",
кДж/кг
температура

насы-

щения пара tн.п, °С
температура

пита-

тельной воды tп.в, °С
энтальпия
тельной

2800

2760

2810

2730

2807

2770

2778

2783

250,3

250,0

250,6

255,0

253,5

250,8

251,0

252,5

105

110

100

102

101

100

105

110

440

460

430

440

435

430

440

460

питаводы

i',

кДж/кг

40

Физические параметры теплоносителей:
средняя температура газов: tгср =

, °С;

плотность газов при tгср: ρг = 1,293·(273/(273+tгср)), кг/м3.
Уравнение теплового баланса котла-утилизатора:
Vг ρг Сг (tг1 - tг2 ) φ = D (i" - i').
Из уравнения теплового баланса котла-утилизатора рассчитаем количество пара, вырабатываемого котлом-утилизатором:
, кг/ч,

D=

где φ = 0,95 - коэффициент использования теплоты.
Количество сэкономленного природного газа за 1 час:
Вт =
где

м3/ч,

= 35000 кДж/ м3 - теплота сгорания природного газа;

η = 0,9 - коэффициент полезного действия.
= Вт ·24·360 м3/год.

Годовая экономия природного газа:

Стоимость сэкономленного природного газа: S = к ·

руб/год,

где к = 4,5 руб/м3 – стоимость 1 м3 природного газа.
Содержание отчета
Отчет должен содержать:
1. Цель работы.
2. Содержание работы и краткую теоретическую часть.
3.

Расчет

количество

пара,

вырабатываемого

котлом-

утилизатором, количество и стоимость сэкономленного природного газа.
Контрольные вопросы
1. Что такое вторичные энергоресурсы?
2. Что является источниками ВЭР металлургии?
3. Что такое котел-утилизатор?
41

4.

Перечислите основные варианты классификации котлов-

утилизаторов.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2
РАСЧЕТ СТАТЕЙ ПРИХОДА ТЕПЛА ПРИ ПЛАВКЕ СТАЛИ В ДУГОВОЙ
СТАЛЕПЛАВИЛЬНОЙ ПЕЧИ

Цель работы
Рассчитать статьи прихода тепла при плавке стали в дуговой сталеплавильной печи.
Содержание занятия
Занятие рассчитано на 4 часа.
В ходе выполнения занятия рассматриваются следующие вопросы:
1.

Количество тепла, вносимое электрической энергией.

2.

Рассчитывается тепло, вносимое чугуном, тепло, вносимое

шихтой, тепло экзотермических реакций, тепло шлакообразования, тепло
от окисления электродов, тепло, вносимое металлом и шлаком.
Теоретическая часть
Дуговая сталеплавильная печь - электрическая плавильная печь, в
которой используется тепловой эффект электрической дуги для плавки металлов и других материалов. Крупные дуговые электропечи являются
мощными потребителями электроэнергии и оснащены индивидуальными
печными трансформаторами для преобразования электроэнергии высокого
напряжения в энергию низкого напряжения.
Главным условием правильной эксплуатации ДСП является рациональный энергетический режим в течение плавки. В разные периоды плавки энергетический режим будет отличаться. Энергоемкий процесс нагрева
и расплавления твердой металлошихты целесообразно проводить на мак42

симально возможной мощности для сокращения длительности этого периода. Энергетический период (плавление) занимает свыше половины
времени всей плавки. Расход энергии составляет 60-80 % общего расхода
электроэнергии. Технология выплавки стали связана с меньшими энергозатратами, часть необходимой тепловой энергии может выделяться непосредственно в объеме жидкого металла при экзотермических реакциях.
Энергетический режим технологического периода плавки должен обеспечивать необходимую температуру металла и футеровки. При отсутствии
экзотермических процессов и газокислородных горелок тепловая мощность ДСП полностью выделяется в дугах. При разработке режима нагрева
в печи учитывают следующие условия: расплавлять металлошихту необходимо за минимально короткое время, определяемое величиной экономически оптимальной мощности трансформатора печи; подводить соответствующее количество тепловой энергии, определяемой из теплового баланса
за определенный период плавки; подводить мощность для компенсации
тепловых потерь и нагрева футеровки таким образом, чтобы избежать ее
перегрева. Расчет процесса плавления шихты очень сложен. Кроме того,
практика показывает, что энергетический режим периода расплавления зависит от большого числа факторов, не поддающихся расчету (насыпная
плотность шихты, способ ее укладки, количество тепла, потерянного при
простоях, и т.п.). Поэтому энергетические режимы отдельных плавок
сильно различаются.
Методика проведения работы
Статьи прихода тепла:
1.

Количество тепла, вносимое электрической энергией W1. Из-

меряют с достаточно высокой точностью счетчиками активной энергии,
который устанавливают на печи. Количество тепла W, ГДж, определяется
по формулам:
43

= KPэл.сн·

,

= KPэл.ок·

,

+

где К — коэффициент использования мощности (К = 0,93 и К = 0,97 соответственно в период плавления и окислительный период); Pэл.сн и Pэл.ок мощность, вводимая соответственно в период плавления и в окислительный период, МВт; tпл и tок — время соответственно периода плавления и
окислительного периода (здесь tпл = 25 мин, tок = 12 мин).
Количество тепла, вносимое с жидким чугуном. Определяется

2.

по формуле:
=
где

,

– масса жидкого чугуна, кг (

= 30000 кг);

– средняя удель-

ная теплоемкость жидкого чугуна в интервале температур 1200-1300°С
кДж/(кг·К);

– температура соответственно заливаемого чугуна и

его плавления ( = 1300°С,

= 1200°С);

= 217,72 кДж/кг;

– сред-

няя удельная теплоемкость твердого чугуна в интервале температур 0-1200
°C, кДж/(кг·К) (принимаем 0,745 кДж/(кг·К)).
3. Количество тепла, поступающего с шихтой:
а) вносимого шихтой до 800 °С,

б) вносимого шихтой второй корзины, имеющей начальную температуру 20 °C,
,
где Кусв - коэффициент теплоусвоения при подогреве шихты отходящими
газами; mш1 и mш2 - масса шихты в первой и второй корзине соответственно, кг; Сш1 и Сш2 — удельная теплоемкость скрапа первой и второй корзины соответственно, Дж/(кг·К); tш - температура, при которой шихта загружается в печь, °C; tн — начальная температура шихты, °C.
4. Количество тепла, поступающего с известью:
,
44

где Сизв - удельная теплоемкость извести (принимаем 0,760 кДж/(кг·К)).
5. Количество тепла, вносимое доломитом (mдол = 1000 кг):
,
где Сдол – теплоемкость доломита (принимаем 1213 Дж/(кг·К) при
температуре

= 20°C.

6. Тепло экзотермических реакций W6. Для определения W6 необходимо предварительно составить материальный баланс, с помощью которого устанавливают состав и количество исходных материалов и продуктов плавки. Эффективное использование W6 во многом

определяет

энергетическую

эффективность

ДСП.

Тепло

экзотермических реакций определяем по формуле
W6 = mэл·∆Hэл,
где mэл — масса элемента, окисляющегося за период, кг; ∆Hэл - тепловой эффект реакции окисления элемента, МДж/кг.
Тепло экзотермических реакций определяем суммированием теплот реакций (таблица ).
Тепло экзотермических реакций
Экзотермическая реакция

mэл, кг

∆Hэл, МДж/кг

424,468

29,51

[Mn] + 0,5{O2} → (MnO)

166,59

7,14

[Fe] + 1,5{O2} → (Fe2O3)

8787,319

7,29

[Fe] + 0,5{O2} → (FeO)

1198,271

4,11

[CO] + 0,5{O2} → (CO2)

2218,277

10,08

[C] + 0,5{O2} → (CO)

1127,341

11,43

2[P] + 2,5{O2} → (P2O5)

54,42

21,57

2[Cr] + 1,5{O2} → (Cr2O3)

115,534

11,33

[Si] + 2(FeO) →(SiO2) + 2[Fe]

81,852

13,11

[Mn] + 2(FeO) →(MnO) + [Fe]

33,36

3,23

2[P] + 5(FeO) →(P2O5) + 5[Fe]

8,13

3,06

2[Cr] + 3(FeO) →(Cr2O3) + 3[Fe]

29,886

4,70

[Si] + {O2} → (SiO2)

45

7. Тепло, поступающее от газокислородных горелок W7:
· ,
где N - количество работающих горелок, шт.; P - мощность горелки,
Вт (Р = 3·106 Вт);

- время работы горелок, мин (составляет 85 % от

времени продолжительности плавки или

= 40·0,85 = 34 мин). При-

нимаем N = 6.
8.

Тепло шлакообразования W8:
W8 =

где

и

,

– тепло, образующееся за счет протекания химиче-

ских реакций:
2(CaO) + (SiO2) → (CaO)2SiO2
3(CaO) + (P2O5) → (CaO)3P2O5
= 25,171·108 Дж,

Принимаем
9.

= 6,733·108 Дж.

Тепло от окисления электродов. Тепло, выделенное в печи от

окисления графитизированных электродов, можно определить только
ориентировочно несмотря на то, что взвешиванием можно точно установить массу израсходованных за плавку (или за период) электродов.
При определении W9 следует помнить, что не вся масса израсходованных электродов сгорает в печи.
W9 = 0,6 · ∆mэ · qC,
где ∆mэ — масса израсходованных электродов, кг (принимаем 195 кг);
= qC — тепловой эффект окисления графита, МДж/кг. Принимаем qC =
33,5 МДж/кг.
10. Тепло, вносимое металлом и шлаком от предыдущей плавки:
W10 = Wм + Wшл,
Wм = mм Cм tм,
46

Wшл = mшл Cшл tшл,
где mм, mшл — масса металла и шлака соответственно, кг; См, Сшл — теплоемкость металла и шлака соответственно (принимаем См = 0,838
Вт/(м·град), Сшл = 1,25 Вт/(м·град).
Тогда W10 = 15000 · 0,838 · 1667 + 3321,70 · 1,25 · 1700 = 20,013 ГДж.
11.

Тепло, вносимое воздухом и газообразным кислородом:
W11 = V cв T,

где V — объем воздуха или кислорода, м3; св — теплоемкость воздуха
или

кислорода,

кДж/(м3·К)

(принимаем св = 1,327 кДж/(м3·К)); Т —

температура воздуха или кислорода, К (принимаем Т = 293 К).
Тогда:
Wв = 644,286 · 1,327 · 293 = 0,19 · 109 Дж,
Wк = 8450,580 · 1,31 · 293 = 2,273 · 109 Дж.
W11 = Wв + Wк = (0,19 + 2,273) · 109 = 2,463 ГДж.
Содержание отчета
Отчет должен содержать:
1. Цель работы.
2. Содержание работы и краткую теоретическую часть.
3.

Расчет статей прихода тепла при плавке стали в дуговой стале-

плавильной печи.
Контрольные вопросы
1. Что входит в статьи прихода тепла?
2. Как рассчитывается количество тепла, вносимое электрической
энергией?
3. Какие реакции рассчитываются для определения статьи «тепло
экзотермических реакций»?
4. Как рассчитывается количество тепла, поступающего с шихтой?
47

5. Как рассчитывается тепло от окисления электродов?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3
РАСЧЕТ СТАТЕЙ РАСХОДА ТЕПЛА ПРИ ПЛАВКЕ СТАЛИ В ДУГОВОЙ
СТАЛЕПЛАВИЛЬНОЙ ПЕЧИ

Цель работы
Рассчитать статьи расхода тепла при плавке стали в дуговой сталеплавильной печи.
Содержание занятия
Занятие рассчитано на 4 часа.
В ходе выполнения занятия рассматриваются следующие вопросы:
1. Количество тепла, вносимое электрической энергией.
2. Рассчитывается полезный расход энергии, тепло, уносимое газами потери с охлаждающей водой, тепловые потери электродами, тепло, уносимое частицами Fe2O3, потери при открытом своде и электрической сетью,
потери через футеровку, тепло, аккумулированное кладкой, потери через
рабочее окно.
Теоретическая часть
Крупные дуговые электропечи являются мощными потребителями
электроэнергии и оснащены индивидуальными печными трансформаторами для преобразования электроэнергии высокого напряжения в энергию
низкого напряжения. Трансформатор состоит из обмоток высокого и низкого напряжения. На первичной обмотке имеется ряд отпаек от разного
числа витков, что позволяет изменять соотношение числа витков первич48

ной и вторичной обмоток и величину вторичного напряжения. Регулировать мощность можно либо переключая схемы содержания первичных обмоток трансформатора (со «звезды» на «треугольник» и наоборот), либо
включая и отключая части обмоток и изменением коэффициента трансформации. Современные трансформаторы обеспечивают примерно одинаковую номинальную мощность на нескольких верхних ступенях напряжения, что позволяет в период плавления работать на меньших токах и снизить электрические потери в цехе. На практике пользуются вторым
вариантом. Аппарат для переключения напряжения позволяет под нагрузкой осуществлять переход с одной области на другую, изменяя скачкообразную величину напряжения. Печные трансформаторы рассчитаны на режим работы с периодической кратковременной перегрузкой до 20% с последующей

длительной

работой

на

номинальном

токе.

Поэтому

энергетический режим представляет собой график изменения мощности по
ходу плавки в виде числа и величины ступеней мощности или напряжения
электропечного трансформатора. Этому графику соответствует определенный расход электрической энергии, который задают специальному дозатору в виде программы плавки для автоматического регулирования и управления. Технологически рациональные соотношения геометрических размеров

рабочего

пространства

ДСП

обеспечивают

благоприятное

распределение тепловых потоков, величины которых зависят от мощности
дуг, т. е. от подводимой к электродам мощности. Поэтому рациональный
энергетический режим в течение плавки является необходимым условием
правильной эксплуатации ДСП. В разные периоды плавки энергетический
режим будет отличаться. Энергоемкий процесс нагрева и расплавления
твердой металлошихты целесообразно проводить на максимально возможной мощности для сокращения длительности этого периода. Энергетический период (плавление) занимает свыше половины времени всей плавки.
Расход энергии составляет 60–80 % общего расхода электроэнергии. Тех49

нология выплавки стали связана с меньшими энергозатратами, часть необходимой тепловой энергии может выделяться непосредственно в объеме
жидкого металла при экзотермических реакциях. Энергетический режим
технологического периода плавки должен обеспечивать необходимую
температуру металла и футеровки. При отсутствии экзотермических процессов и газокислородных горелок тепловая мощность ДСП полностью
выделяется в дугах. При разработке режима нагрева в печи учитывают
следующие условия:
— расплавлять металлошихту необходимо за минимально короткое
время, определяемое величиной экономически оптимальной мощности
трансформатора печи;
— подводить соответствующее количество тепловой энергии, определяемой из теплового баланса за определенный период плавки;
— подводить мощность для компенсации тепловых потерь и нагрева
футеровки таким образом, чтобы избежать ее перегрева.
Расчет процесса плавления шихты очень сложен. Кроме того, практика показывает, что энергетический режим периода расплавления зависит
от большого числа факторов, не поддающихся расчету (насыпная плотность шихты, способ ее укладки, количество тепла, потерянного при простоях, и т.п.). Поэтому энергетические режимы отдельных плавок сильно
различаются.
Для того чтобы обеспечить плавное изменение мощности печного
трансформатора, необходимо использовать ступенчатое. На начальной
стадии нагрева вводится только половина номинальной мощности. Затем
начинается период закрытого горения дуг, когда перегрев футеровки невозможен. На этом участке вводят электротехнически допустимую максимальную мощность, превышающую номинальную в 1,2 и более раз. Затем
мощность понижают во избежание перегрева футеровки.
Энергетический режим периода расплавления имеет несколько сту50

пеней мощности, которые регулируются ступенями вторичного напряжения U2 л. Применение трансформаторов c большим числом ступеней напряжения, переключаемых под нагрузкой, позволяет вести процесс по любому заданному графику в зависимости от температуры футеровки и шлака. Так, в крупнотоннажных ДСП при насыпной плотности шихты 0,8–1,2
т/м3 оказывается возможным почти весь процесс расплавления проводить
при максимальной мощности, снижая ее только в конце периода, так как за
время энергетического периода температура футеровки очень часто не
достигает даже температуры шлака. Практические графики нагрева очень
часто отличаются от расчетных.
Методика проведения работы
Статьи расхода тепла:
1.

Полезный расход энергии:
=Wм + Wшл,

При расчете учитывается средняя теплоемкость металла в интервале от температуры загружаемой шихты до температуры плавления (от 20
до 1500 °С), скрытая теплота плавления металла, средняя теплоемкость
металла в интервале температур от и до заданной температуры металла
(от 1073 до1773 К).
Завалка металлолома в печь производится двумя корзинами: 50 т
— холодный лом в основную завалку совместно с чугуном; 60 т — подогретый лом до 800 °С в шахтном подогревателе во вторую подвалку.
В расчете учитываем Wм = 135,567 ГДж и Wшл = 32,214 ГДж.
2.

Потери тепла с отходящими газами:
= Vi

где V — объем выделяющихся газов (принимаем 3532,086 м3), i — энтальпия газообразных продуктов реакции, кДж/ м3.
51

Энтальпия продуктов реакции находится для каждого из газов:
iCO = 0,2664 · 1112,06 = 296,252 кД/м3
iCO2 = 0,6468 · 1718,95 = 1111,817 кД/м3
iH2 = 0,0001 · 1055,12 = 0,106 кД/м3
iN2 = 0,0867 · 1094,65 = 94,906 кД/м3
3.

Потери с охлаждающей водой:
= Cp · G ·ρ · ∆t · τ,

где Ср — удельная изобарная теплоемкость воды (принимаем 4200
Дж/(кг·К); G — средний расход воды, м3/ч (табл. 4.1); ρ - плотность
воды при температуре t, кг/м3 (ρ = 995,19 кг/ м3; t - средняя температура воды (таблица ); τ - длительность периодов плавки, ч.
Исходные данные для определения потерь тепла
Температура воды по периодам плавСредний

ки
Охлаждаемые элементы

на входе tвх, C

на выходе tвых, C

расход воды
3

G, м /ч

1

2

1

2

Панели ванны

28

28

32

33

750

Панели свода

28

28

35

40

290

Панели шахты

28

28

36

37

1140

Удерживающие пальцы

28

28

31

39

428

Примечание. 1 — период нагрева и плавления, 2 — окислительный период. Если ДСП оснащена шахтным подогревателем лома, то считать по данным 2*.

4.

Тепловые потери электродами. При завалке, подвалке, ска-

чивании шлака и по другим причинам электроды находятся вне рабочего пространства печи около 20 мин. За это время они охлаждаются,
отдавая свою тепловую энергию окружающей среде:
52

= Wизл + Wконв.
При расчете потерь тепла электродами учитывается их количество , расчетная поверхность теплообмена, коэффициент излучения абсолютно черного тела, равный 20,77 кДж/(м2·ч·К4), время нахождения электродов вне печи, средняя температура электрода, температура окружающего пространства и коэффициент теплоотдачи (учитываем Wизл = 2,976
МДж и Wконв= 0,647 МДж.
Тепло, уносимое частицами Fе2O3:

5.

= 12176,713·(1,23·1600 + 209,34) = 26,513 ГДж.
Потери излучением при открытом своде печи:

6.

=
где

и

+

,

– потери тепла при средней температуре внутренней по-

верхности свода печи и поверхности ванны при выпуске
Результаты замера температуры t, °C, для расчета потерь тепла через ограждения рабочего пространства печи приведены ниже:
центр свода печи

1542 °C

панели свода

1127 °C

низ шахты

910 °C

дно ванны после выпуска

1680 °C

напротив окна (после выпуска)

1500 °C

При расчете потерь излучением при открытом своде печи принимает
= 5,61·108 Дж и
7.

= 17,293·108 Дж.

Расход тепла на эндотермические реакции. Энергетические за-

траты эндотермических процессов связаны с нагревом и испарением
влаги, вносимой загружаемыми в печь материалами, разложением оксидов железа, железной руды, карбонатов кальция (при недопале извести) или гидратов оксида кальция (при гидратации извести), шлако53

образованием. Из реакций, происходящих в печи, эндотермическими
являются реакции десульфурации, обезуглероживания, восстановления
и процессы испарения элементов. Для более общей оценки эндотермических реакций принимаем удельные энергетические затраты на эндотермические процессы равными 50–150 МДж/т:
= (50…150)mo,
где mo — емкость печи, равная 150 т.
8.

Тепловые потери электрической сетью. Эти потери связаны с

тем, что при прохождении тока по проводнику в нем выделяется тепло,
которое частично рассеивается в окружающее пространство. Электрические потери зависят от конструкции токоотвода, параметров электрического режима и стабильности горения электрических дуг. В состав
электрических потерь входят потери в шинах высокого напряжения,
трансформаторе, вспомогательной аппаратуре и короткой сети.
По закону Джоуля-Ленца:
= I 2Rτ,
где I — сила тока, А (по данным печи I = 60 кА); R — сопротивление
(12,019 · 10-4 Ом); τ — время работы печи под током (2400 с).
Однако не все тепло рассеивается в пространстве, и поэтому точное определение этой доли тепловых потерь затруднено.
9.

Потери тепла теплопроводностью через футеровку. Опреде-

лим потери тепла через подину печи. Футеровка подины состоит из
магнезитовой набивки — 150 мм и магнезитовой футеровки — 570
мм. (принимаем их как один слой) толщиной 720 мм (для всех емкостей) и шамота-легковеса толщиной 180 мм. Температура внутренней
поверхности подины t1 = 1680 °C, температура наружной поверхности
кожуха t2 = 260 °C. Принимая во внимание значения температур на границе раздела слоев, средние температуры слоев и коэффициенты теп54

лопроводности потери тепла через подину равно:
= 2808,255 · (50,868 + 31,557) · 3180 = 0,74 ГДж.
10.

Тепло, аккумулированное кладкой. На периодически дейст-

вующих печах кладка то перегревается, то охлаждается. Поэтому футеровка печи может в определенные периоды плавки получать тепло излучением из рабочего пространства печи или возвращать его. Следовательно, аккумулированное тепло может иметь разный знак. Если
периоды охлаждения невелики, то температуру кладки в среднем можно
считать постоянной, а режим работы печи стационарным. Но если рабочая температура футеровки выше температуры, при которой начинается ее разогрев, то:
= mкл · ∑Сi ti,ср,
где mкл - масса кладки (mкл = 123000 кг); Сi - средняя теплоемкость
соответствующего слоя футеровки, Дж/(кг·К); ti,ср - средняя температура этого слоя футеровки, °C.
Среднюю температуру каждого слоя футеровки при ее разогреве
можно определить на основании расчета теплопроводности футеров ки
или измерениями с помощью термопар:
С i = С м + С ш.
где См — теплоемкость магнезита (См = 1230,293 Дж/(кг·К); Сш - теплоемкость шамота (Сш = 960 Дж/(кг·К)).
При этом
11.

= 276,93 ГДж.
Потери тепла излучением через рабочее окно. Размеры рабоче-

го окна ШПД следующие: ширина а = 0,8 м, высота в = 0,9 м, толщина
стенки s = 0,75 м.
= С0 (

) ФFτ

где Со — коэффициент излучения абсолютно черного тела, Вт/(м
2·К) (С = 5,67); Т — температура печи, К (Т = 1680 + 273 = 1953 К); Ф
о
п
п
55

— коэффициент диафрагмирования; F — площадь открытого окна, м

2

(F = 0,8·0,9 = 0,72 м2);  — время работы с открытым окном, с ( = 1200 с).
Принимаем

= 051 ГДж.
Содержание отчета

Отчет должен содержать:
1. Цель работы.
2. Содержание работы и краткую теоретическую часть.
3.

Расчет статей расхода тепла при плавке стали в дуговой стале-

плавильной печи.
Контрольные вопросы
1. С чем связаны энергетические затраты эндотермических процессов?
2. Что учитывается при расчете потерь тепла теплопроводностью
через футеровку?
3. С чем связаны тепловые потери электрической сетью?
4. Что учитывается при расчете тепловых потерь электродами?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 4
СОСТАВЛЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО БАЛАНСА ПЛАВКИ СТАЛИ
В ДУГОВОЙ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОЙ ПЕЧИ

Цель работы
Составить энергетический баланс плавки стали в дуговой сталеплавильной печи и определить эффективность использования различных
видов энергии в ДСП.
56

Содержание занятия
Занятие рассчитано на 4 часа.
В ходе выполнения занятия рассматриваются следующие вопросы:
1. Составление энергетического баланса плавки стали в ДСП.
2.

Расчет электрического, теплового и общего коэффициента

полезного действия.
Теоретическая часть
На предприятиях энергетические балансы разрабатываются для разных целей: исследовательских, аналитических, при наладке энергооборудования, для нормирования энергопотребления и планирования производства. Многообразие видов энергетических балансов требует четкого представления о том, какой именно баланс разрабатывается и для каких целей.
Энергетический баланс – система показателей, характеризующих процесс
преобразования энергии или снабжения ею потребителей и отражающих
равенство подведенной энергии, с одной стороны, и суммы полезной энергии и потерь  с другой [2]. Энергетические балансы классифицируются по
следующим признакам: 1. По видам энергии: электрический, тепловой, топливный, на промышленных предприятиях также по видам местных энергоносителей (сжатого воздуха и газов, холода, воды и т.д.). К этой классификационной группе относится и сводный энергетический баланс, в котором все виды энергии переводятся в одни и те же энергетические единицы
и суммируются.
Любой энергетический баланс состоит из приходной и расходной частей. Приходная часть энергобаланса содержит количественный перечень
энергии, поступающей посредством различных энергоносителей (ископаемое топливо и ядерное горючее, газ, пар, вода, воздух, электрическая энергия). Расходная часть энергобаланса определяет расход энергии всех видов
во всевозможных ее применениях, потери при преобразовании энергии од57

ного вида в другой, потери при транспортировке, а также энергию, накапливаемую в специальных устройствах (например, в гидроаккумулирующих
установках, тепловых бойлерах и т.д.). Если целью составления энергобаланса является определение количества топлива, необходимого для непосредственного использования, а также для преобразования в электрическую

энергию

и

тепло,

то

такой

баланс

называется

топливно-

энергетическим (ТЭБ). Топливно-энергетический баланс – обобщающая
характеристика объемов добычи, переработки, транспорта, преобразования
и распределения первичных, переработанных и преобразованных видов
топлива и энергии, начиная от стадии добычи топливно-энергетических
ресурсов (ТЭР) и кончая стадией подачи всех видов топлива и энергии к
энергопотребляющим установкам. Составление ТЭБ необходимо при определении потребности в различных видах топлива того или иного промышленного предприятия, отраслей экономики, района, города или страны, а также при планировании развития энергетики отдельных регионов и
страны в целом. Основными видами энергии, потребляемыми в промышленности, городском, сельском хозяйстве и в быту, являются тепловая и
электрическая энергия. Поэтому часто необходимо, удобно и достаточно
составлять частные (частичные) энергобалансы – тепловые и электрические. Так как основным энергоносителем, применяемым в технологических процессах, является электричество, то электрические балансы (ЭБ)
имеют значение и широко распространены именно в промышленности.
Составление энергетического баланса предприятия, предусмотренное ГОСТ 27322 – 87, представляет достаточно сложную задачу, но его
анализ обеспечивает выработку исчерпывающих мер по энергосбережению и эффективному использованию энергетических ресурсов. Энергетический баланс составляется вначале в материальной форме по каждому используемому энергоресурсу, а затем в условном топливе. Синтетический
баланс в условном топливе позволяет наметить пути повышения энерго58

эффективности – снижение потребления, замену одних энергоресурсов
другими и т.д. Анализ расходной части баланса по корпусам, участкам,
подразделениям предприятия, установкам позволяет обнаружить заметные
центры потерь и наметить меры по снижению потерь. Учитывая, что имеет
место относительная взаимозаменяемость энергоресурсов, изменения доли
каждого ресурса, оптимизация баланса осуществляется за счет снижения
потерь и структурной перестройке баланса.
Эффективность использования ТЭР может быть установлена на основе системы показателей энергоэффективности:
 удельные расходы ТЭР на единицу выпускаемой продукции;
 энергоемкость выпускаемой продукции – отношение потребления
всех видов ТЭР в тоннах условного топлива к годовому объему продукции
в денежном выражении;
 энергетическая составляющая в себестоимости продукции в процентах;
 КПД, потери и др. технические показатели.
При анализе энергоэффективности предприятия важной задачей является учет затрат на энергию при калькуляции себестоимости продукции,
куда, как правило, отдельной строкой не входит стоимость топлива и энергии. Это связано с отсутствием учета ТЭР по отдельным технологическим
циклам производства большинства видов продукции, с большой номенклатурой продукции предприятия, а также с тем, что многие виды продукции
изготавливаются из комплектующих, произведенных в различных подразделениях предприятия.
Методика проведения работы
Внести результаты расчета энергетического баланса выплавки
стали с учетом подогрева лома в ДСП в таблицу и рассчитать электрический, тепловой и общий коэффициент полезного действия.
59

Энергетический баланс плавки стали в ДСП
Статья прихода

ГДж %

Статья расхода

ГДж %

Полезный расход энер-

Электроэнергия,

гии,
Тепло, вносимое чугуном,

Тепло, уносимое газами

Тепло, вносимое шихтой,

Потери с охлаждающей
водой,

Тепло, вносимое другими

Тепловые потери элек-

материала ми,

тродами,

+

Тепло экзотермических ре-

Тепло, уносимое части-

акций,

цами Fe2O3,

Тепло, поступающее от

Потери при открытом

ГКГ,

своде,

Тепло шлакообразования,

Тепло эндотермических
реакций,

Тепло от окисления элек-

Потери электрической

тродов,

сетью,

Тепло, вносимое металлом

Потери через футеровку,

и шлаком
от предыдущей плавки,
Тепло кислорода и воздуха

Тепло, аккумулированное
кладкой,
Потери через рабочее окно,

ИТОГО

100,0 ИТОГО

60

100,0

Эффективность использования различных видов энергии в ДСП
принято характеризовать величиной электрического КПД — ηэл, который учитывает потери электрической энергии при подводе ее к рабочему пространству; теплового КПД — ηт, который учитывает пол- ноту
использования энергии в рабочем пространстве и общего — ηобщ, который показывает насколько эффективно используются все виды энергии
в электропечной установке. Общий КПД — η характеризует как конструктивные особенности печи, так и условия ее эксплуатации и может
служить универсальным параметром для сравнения работы различных
печей.
Электрический коэффициент полезного действия:
ηэл =
Тепловой коэффициент полезного действия:
ηт =
Общий коэффициент полезного действия:
ηобщ =
Удельный расход электроэнергии на тонну выплавленной стали составит:
6

= (35,1 · 10 ) / 124,2 = 282,61 кВт·ч/т.

Содержание отчета
Отчет должен содержать:
1. Цель работы.
2. Содержание работы и краткую теоретическую часть.
3. Расчет энергетического баланса плавки стали в ДСП.
61

Контрольные вопросы
1.

Для чего на предприятиях требуется разработка энергетиче-

ских балансов?
2. Какие показатели рассматриваются при использовании ТЭР ?
3.

Что является важной задачей при анализе энергоэффективно-

сти предприятия?
4.

Чем характеризуется эффективность использования различ-

ных видов энергии в ДСП ?

62

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ресурсо- и энергосберегающие технологии в машиностроении :
учебное пособие / Г. П. Кремнев, Ф. В. Новиков. – Д. : ЛИРА,
2016. – 297 с.
2. Энерго- и ресурсосбережение : учеб. пособие / А. А. Черенцова ;
[науч. ред. Л. П. Майорова]. – Хабаровск : Изд-во Тихоокеан. гос.
ун-та, 2018. – 125 с.
3. Опыт и перспективы использования нанотехнологий и наноматериалов в литейном производстве / Ю. А. Николайчик [и др.] // Литейщик России. – 2021. – № 1. – С. 29-33.
4. Энергосбережение на промышленных предприятиях : учеб. пособие / Г. Н. Климова. – Томск : Изд-во Томского политехнического
университета, 2008. – 186с.
5. Расчеты материальных и энергетических балансов при выплавке
стали в дуговых сталеплавильных печах : учебно-методическое
пособие / А.А. Журавлев, В.Ф. Мысик, А.В. Жданов. — Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2016.— 128 с.

63

Учебное издание
Анна Сергеевна Адамова
Наталья Владимировна Григорьева

РЕСУРСО- И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
Учебно-методическое пособие
по выполнению практических и лабораторных работ

Редактор Н. Н. Кваша
Темплан 2022 г. (учебники и учебные пособия). Поз. № 78.
Подписано в печать 13.07.22. Формат 60х84 1/16. Бумага газетная.
Гарнитура Times. Печать офсетная. Усл. печ. л. 3,72. Уч-изд. л. 3,12.
Тираж 100 экз. Заказ №
Волгоградский государственный технический университет.
400005, г. Волгоград, просп. В. И. Ленина, 28, корп. 1
Отпечатано в типографии Издательства ВолгГТУ.
400005, г. Волгоград, просп. В. И. Ленина, 28, корп. 7

64