CC BY
56
вследствие затвердевания, определяемое по формулам (15), %; й[Е]х и й[Я]х - уменьшение концентраций элементов вследствие химической реакции, %.
Так как изменение концентраций элементов вследствие химической реакции по-прежнему связано соотношением (12), а текущие концентрации - соотношением (11), то создается система четырех уравнений, решив которую можно найти концентрации элементов Е и Я в жидком металле после увеличения массы затвердевшего металла на величину йш. Следовательно, пользуясь пошаговым методом, можно проследить за изменениями, происходящими в системе Бе-Е-Я при одновременном затвердевании жидкого ме -талла и химической реакции (10).
Процесс одновременного затвердевания металла и протекания реакции образования ЕЯ„ будет продолжаться до тех пор, пока не затвердеет весь жвдкий металл или пока вследствие повышения концентрации какого-либо третьего
элемента Э не создадутся условия для течения реакции
[Э] + п[Щ = ЭЯ„ (18)
в подсистеме Бе-Э-Я. Для новых условий затвердевания также можно составить систему уравнений в дифференциалах, аналогичную рас -смотренной, решив которую можно вычислить изменения содержания в жвдком металле элементов Е, Я и Э при увеличении массы затвердевшего металла на величину йш.
Систему уравнений в дифференциалах можно получить и для случая затвердевания металла с протеканием трех химических реакций одновременно. Таким образом, рассматривая пошаговым методом изменения, происходящие в многоком -гоненгном металлическом расплаве, можно получить полную информацию о структуре затвердев -шего металла.
УДК 669.1+669.18 В.Е. Рощин
ЭЛЕКТРОПЛАВКА - НЕИЗБЕЖНЫЙ ПУТЬ РАЗВИТИЯ МЕТАЛЛУРГИИ РОССИИ И УРАЛА
Состояние черной металлургии СССР до 60-х годов XX века соответствовало мировому уровню развития техники и технологии, а по некоторым показателям и превосходило его. Однако появле-ние возможности использовать в большом количестве кислород для интенсификации металлургических процессов привело у нас к неоправданно интенсивному его применению в мартеновском производстве, в то время как в мировой практике новые возможности были использованы более рационально и привели к созданию нового высо-копроизводигельного сталеплавильного процес-са - кислородно-конвертерного.
Конвертер изначально приспособлен для продувки металла газом, а интенсивная продувка чистым кислородом вместо воздуха не только существеню увеличила скорость превращения чугуна в сталь, но и обеспечила заметное повышение качества конверторного металла. В результате передел жвдкого чугуна в сталь мартеновским способом стал нецелесообразным.
Лишившись жвдкого чугуна, мартеновская печь могла превратиться в ломоплавильный агрегат. Однако для переплава лома более удобной является дуговая сталеплавильная печь (ДСП),
в которой завалка шихты через свод одной-двумя бадьями осуществляется значительно быстрее мульдовой завалки через рабочие окна мартенов -ской печи, а высокая (несколько тысяч градусов) температура дуги обеспечивает быстрый нагрев и плавление лома. Таким образом, мартеновская печь и при работе на твердой шихте не выдерживает конкуренции уже с дуговыми печами.
По этим причинам начиная с 60-х годов мартеновское производство в мировой практике быстро вытесняется сначала кислородно-конверторным процессом, а позднее - кислородноконверторным и электросталеплавильным и к 2000 году практически исчезло (рис. 1).
В последние три десятилетия XX века технико-экономические показатели работы дуговых сталеплавильных печей (расход электродов, продолжительность плавки, расход электроэнергии и др.) существенно улучшились (рис. 2). Это было связано с изменением ряда технических, конструктивных и технологических факторов. Удель-ная мощность печных трансформаторов увеличилась в 4.. .5 раз и достигла 800... 1000 кВ-А/т садки печи Футеровка свода, за исключением внутреннего кольца вокруг электродов, и стен, начиная с
высоты 200...300 мм над уровнем порога, замене -на водоохлаждаемыми панелями, что позволяет сверхмощным ДСП работать на длинных дугах с более высоким напряжением и, следовательно, с более высоким электрическим коэффициентом полезного действия без опасения быстрого износа этих элементов конструкции. Для экранирования стен и свода от излучения длинных дуг и повы-шения теплового коэффициента начали применять искусственное вспенивание шлака. С целью улучшения горения дуг и более быстрого нагрева лома в начале плавки освоена работа с остатком в печи жидкого металла предыдущей плавки (с «болотом »). Эркерное устройство с внецентренным выпускным устройством в подине позволило вы -пускать металл из печи в ковш без шлака, что обеспечило возможность последующей эффективной внепечной обработки.
Для повышения технико-экономических пока -зателей работы ДСП важным является использование тепла отходящих газов, так как примерно 20 % вводимой в ДСП мощности уносится газами в виде физического и химического тепла [2]. Разработаны прогрессивные технологические процессы в ДСП с интенсивной продувкой металла кисло -родом, дожиганием СО в рабочем пространстве печи и применением топливных горелок. Для утилизации тепла отходящих газов на подогрев шихты фирмой Technint Technologies предложен и ре -ализован туннельный подогреватель конвейерной системы непрерывной подачи лома в печь [2]. Используют также ДСП системы FucThs с шахтой на своде, в которой шихта подогревается поступаю -щим из печи отходящим газом.
В современных сверхмощных ДСП процесс плавки сводится к форсированному плавлению шихты, во время которого производят дефосфо-рацию и частичное обезуглероживание , и кратковременного окислитель -ного периода, во время которого продувкой кислородом окисляют до необходимого содержания углерод, а жидкий металл нагревают до
1550... 1600° С. Продолжительность
работы ДСП под током сократилась до 28.35 мин, а общая продолжительность цикла плавки - до
40.45 мин. Фактически возможности сокращения продолжительности плавки в электропечах в настоящее время ограничиваются тепловоспри-ятием шихты, и они близки к теоре-тическому пределу. В результате совершенствования конструкции и
технологического процесса расход электроэнергии уменьшился до 250.300 кВт-ч/т. Годовая производительность 100-тонных ДСП до-
стигла 1 млн т стали.
Большое влияние на технико-
экономические показатели производ-ства стали оказала внепечная обработка ее. Она позволила не только отказаться от восстановительного периода плавки и длительного окислительного периода и соответственно значительно повысить производи-
тельность ДСП, но и уменьшить также расход электроэнергии и материалов. Главное же, оказалось возможным существенно улучшить качество стали, получать сталь с принципиаль-но новыми свойствами, например
Рис.1. Доля различных способов производствастали в мире в конце XX века
Рис. 2. Нововведения и изменениепараметров электроплавки
в 1965-2000 годах
ультранизкоуглеродистую со свободными междоузлиями (Ш-сталь). Кроме того, внепечная обработка в значительной мере ликвидировала разницу в возможности получения стали одинакового состава независимо от типа плавильного агрегата - мартеновской печи, конвертера или ДСП. Внепечная обработка стала непременным элементом технологии сталеплавильного производства.
Значительное повышение технико-экономических показателей работы ДСП при сохранении и даже улучшении качества стали сделали электроплавку вполне конкурентоспособной с плавкой в конвертерах. В дуговых печах стало целесооб-разным выплавлять не только легированную сталь так называемого электропечного сортамента с повышенными требованиями! по ряду показателей качества, как это делалось в течение предыдущих десятилетий, но и обычную углеродистую. Выбор способа выплавки стал определяться главным образом достаточным наличием шихты определенного типа - жвдкого чугуна или лома, а также и ее стоимостью.
Традиционно крупные металлургические за -воды с полным металлургическим циклом (так называемые "интегрированные") повышение эффективности и минимизацию затрат связывают с увеличением масштаба производства. Однако эта стратегия дает все меньший и меньший положительный результат. Благодаря колосальному прогрессу в области! техники и технологии элек-тросталеплавильшго производства, созданию высокопроизводительных криволинейных машин непрерывного литья сортовых заготовок и высокоскоростных сортовых прокатных станов в последние годы все большую эффективность проявляют так называемые мини-заводы. Мини-завод включает в себя одну или несколько технологических линий, состоящих из дуговой электропечи, набора агрегатов внепечной обработки стали, машины непрерывного литья заготовок и прокатных станов [3, 4].
По сравнению с интегрированными заводами мини-заводы обладают рядом преимуществ:
1) требуют небольшой (примерно в 8-15 раз меньше) площади для размещения оборудования при одинаковой производитель -ности;
2) имеют малые сроки проектирования и минимальные сроки окупаемости;
3) имеют более низкие капиталовложения ($150-300 на 1 т готовой продукции в сравнении с $650-1000 для интегрированного завода);
4) обладают возможностью хорошего согла-сования работы технологических агрегатов
«ДСП - АКОС - МНЛЗ - прокатные станы» в широком диапазоне годовой произ -водительности;
5) используют высокопроизводительные ме -ханизированные мелкосортные и мелкосортно-проволочные станы с небольшой численностью обслуживающего персонала;
6) имеют простейшую организационную структуру, обеспечивающую технологиче -скую гибкость, производство проката не -большими партиями для нужд потребите -лей внутри данного региона;
7) имеют минимальные транспортные расходы, исключают перевозки сырья и продукции на большие расстояния;
8) обладают возможностью оперативной ре -конструкции отдельных агрегатов с целью повышения эффективности производства в целом.
Таким образом, современное понятие «минизавод» включает в себя минимальные затраты на производство, минимальные выбросы технологических отходов, минимальный производственный цикл, минимальные простои оборудования при максимальных производительности! и рента -бельшсти Еще недавно это понятие включало в себя и относительно небольшой (0,1...2,2 млнт) объем производства. Однако сегодня появляются мини-заводы с годовым производством проката более 4 млн т. Поэтому вместо термина «минизавод» все чаще стало использоваться название «электросталеплавильный комплекс», поскольку основным элементом такого комплекса является дуговая сталеплавильная печь, которая обеспечивает выплавку металла и определяет технологические и технико-экономические показатели работы комплекса в целом.
Изначально электросталеплавильные комплексы были ориентированы на переработку металлического лома. Поскольку практически весь лом загрязнен примесями цветных металлов, которые резко ухудшают качество поверхности листового проката, то соответственно они ориентировались на производство сортового прока-та. Однако в ряде случаев электросталеплавильные комплексы встраиваются в структуру интегрированных заводов и имеют возможность ра-ботать со значительной (до 40%) долей жвдкого чугуна в шихте (например, комбинат «Северсталь») или размещаются в одной технологической линии с установками по производству ме -таллизованного железа (Оскольский металлургический комбинат). В результате разбавления лома первородным сырьем - чугуном или метал-лизованным железом в таких электросталепла-
вильных комплексах появляется возможность выплавлять сталь не только для сортового, но и для плоского проката. Чтобы такой комплекс мог рентабельно производить листовой прокат, необходимо создание рентабельной машины не -прерывного плоского литья, имеющей такие же показатели, как машины непрерывного литья сортовых заготовок.
Примером электросталеплавильного минизавода для производства листового проката может служить комбинат НАЭЕЕЭ в Саудовской Аравии, вторая очередь которого построена в составе 150-тонной ДСП, установки ковш-печь и слябовой МНЛЗ с кристаллизатором сечением 165^2200 мм [5]. Шихта для выплавки стали включает металлизованное железо и лом в соотношении 3:1.
Предполагается [3], что доля продукции минизаводов будет быстро увеличиваться и в ближайшие годы превысит 50% мирового производства стали. При этом определяющими будут, безусловно, экономические факторы. Пока же эти факторы более благоприятны для классического минизавода , ориентированного на переработку только лома и производство сортового проката (рис. 3). Наиболее энергозатратной в настоящее время является электроплавка металлизованного сырья, причем наибольший вклад вносят затраты на топливо - уголь и газ. Именно по этой! причине минизаводы по переработке металлизованного сырья получили широкое распространение в странах Ближнего Востока, Северной Африки, Латинской Америки, где много дешевых энергоносителей. Энергозатраты при производстве стали по схеме руда-чугун-сталь занимают промежуточное положение, однако основная доля энергозатрат при этой схеме приходится на кокс. Учитывая стреми-
5,5 МВтч/т
— 1,75 МВт-ч/т-
чугун-сталь
электроплавка элекгроплавка окатышей скрапа
Рис. 3. Энергозатраты наосновные сталеплавильные процессы
тельный рост цен на этот энергоноситель, можно ожвдать, что в ближайшем будущем этот способ получения стали станет более дорогим даже по сравнению с процессами переработки металлизованного сырья.
На Урале в ДСП выплавляют менее 7 % всей стали, т.е. доля стали, выплавляемой в ДСП, значительно меньше, чем в развитых странах и даже в России в целом. Поэтому одной из главных задач развития черной металлургии Урала является опережающее развитие электро-сталеплавильшго производства. Повышение доли электростали в общей массе ее производства позволит использовать преимущества работы конвертеров и дуговых печей, дополняющих друг друга по типу потребляемой шихты - чугуну и стальному лому.
Это особенно актуально для Челябинской области, где имеется острый дефицит железорудного сырья, а доля электростали, выплавляемой в электропечах, составляет лишь 12 % общего производства стали [6]. Вряд ли целесообразно ориентироваться и на использование в электропечах жидкого чугуна, поскольку сырье и топливо для его получения перевозятся железнодорожным транспортом на расстояние более 2000 км. Переработка дефицитного и дорогого чугуна более выгодна конверторным процессом; при этом не возникает и проблем с получением плоского проката.
В более далекой перспективе на территории Челябинской области предстоит осваивать комплексную переработку титаном агнетиговых руд. Титаномагнетигы Южного Урала, запасы которых исчисляются миллиардами тонн, имеют повышенное содержание ценных примесей - титана и ванадия. Высокое содержание титана делает невозможным переработку этих руд дутье-выми процессами, в том числе доменным, вследствие образования тугоплавких ниг-рвдов и загущения доменных шлаков. Для обеспечения возможности нормальной
работы доменных печей титаном агнетиго-вую руду приходится разбавлять другими, не содержащими титан, рудами, как это делается в настоящее время с свдериго-выми рудами. При этом можно обеспе-чить приемлемый режим работы доменной печи, но ценой потери титана и вана-дия со шлаками
Вместе с тем, переработка свдери-товых и титаном агнетиговых руд и комплексное извлечение всех ценных
компонентов комплексных титаномаг-
нетитовых руд не представляют прин-
□ другие
□ уголь/газ
□ кислород
□ эл.энергия
□ мазут
□ кокс
ципиальных затруднений при восстановитель - металлургии Челябинской области является
ной плавке в рудотерминеских печах [7, 8]. По- получение в электрических печах не только
этому дальней перспективой развития черной стали, но и чугуна.
Библиографический список
1. Уточкин Ю.И., Семин А.Е. Электросталеплавильное производство в России должно преодолеть тридцатилетнее отставание // Электрометаллургия. 2004. № 6. С. 2-6.
2. Смоляренко В.Д., Мюллер Ф. Электросталеплавильное производство в первом десятилетии XXI века // Электрометал-лургия. 2004. № 8. С. 2-6.
3. Смирнов Н.А. Новое поколение мини-заводов // Электрометаллургия. 2004. №6. С.6-8.
4. Процессы непрерывной разливки / Смирнов А.Н., Пилюшенко В.Л., МинаевА.А. идр. Донецк: ДонНТУ, 2002. 536 с.
5. Смоляренко В.Д. Электросталеплавильный мини-завод ИД0ЕЕ0-2 по производству стального листа // Электрометал -лургия. 2004. № 10. С. 2-7.
6. Поволоцкий Д.Я., Рощин В.Е., Мальков Н.В. Сырьевая базаиструктурасталеплавильногопроизводстваУрала // Сталь. 2001. № 9. С. 36-39.
7. Мальков Н.В., Рощин А.В., Рощин В.Е. Оценка возможности использования высокомагнезиальных бакальских сидерито-вых руд для получения чугуна в электрической рудовосстановительной печи // Вестник ЮУрГу. 2003. № 2(18). С. 20-23.
8. Мальков Н.В., Рощин В.Е., Поволоцкий Д.Я. Рудовосстановительная плавка в электрических печах - возможная перспектива производства чугуна и стали на Южном Урале //Современные проблемы электрометаллургии стали: Материалы XII Междунар. конференции. Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2004. С. 23-30.
УДК 621.74
А.В. Афонаскин, И.Д. Авдреев, Д.В. Князев, B.C. Малиновский, В.Д. Малиновский
ОБ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ДУГОВЫХ ПЕЧЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ ПРИ ВЫПЛАВКЕ ЧУГУНА И СТАЛИ
На сталечугунолигейном заводе (СЧЛЗ) ОАО «Курганмашзавод» для плавки чугуна и стали используют дуговые печи переменного тока (ДСП) ДС-5МТ номинальной емкостью 5 т сплава. Технические возможности этих печей позволяют выплавлять широкую гамму литейных сплавов из черных металлов с высокими показателями качества независимо от качества поступающих шихтовых материалов. Это обстоятельство выгодно отличает СЧЛЗ от других предприятий, оснащенных, например, индукционными печами, пассивными в технологическом отношении.
Большая номенклатура литья, высокое его качество и невысокая стоимость отливок обеспечивают стабильный сбыт литья, ритмичную работу предприятия.
На заводе освоен выпуск 5 тыс. наименований отливок из различных марок сталей: углеродистых, легированных и высоколегированных, а также чугунов серых от СЧ15 до СЧ30 и высокопрочных от ВЧ40 до ВЧ70.
Недостатком ДСП являются высокий угар шихтовых материалов - 5-6,5%, большой расход графигированных электродов - 5,5 кг/т и более, пылегазовыбросы во время плавки значительно превышают предельно допустимые. Уровень
шума, воздействующего на персонал, достигает 103-105 дБ.
Для повышения рентабельности производства многие фирмы предлагают реконструкцию ДСП, заключающуюся в увеличении мощности печного трансформатора, использовании кислорода, газокислородных горелок, вспененного шлака и др. Это обеспечивает снижение удельного расхода электроэнергии, графигированных электродов, ускоряет темп плавления. Однако после реконструкции работа печей возможна только с «болотом» - остатком металла в печи в количестве 1030% от вместимости ванны, угар шихты увеличивается до 9-12%, многократно увеличиваются пылегазовыбросы и генерируемый печами шум, а затраты на энергоносители, в состав которых входят железо, легирующие элементы переплавляемой шихты и чугун, сгорающие в процессе плавки, электроэнергию, газ, кислород, угольный порошок, увеличивают, а не уменьшают затраты на передел. При наличии «болота» затруднителен переход с одной марки металла на выплавку другой, а угар шихты, состоящей в литейном производстве на 40-60% из возврата собственного производства, приведет к сверхвысоким потерям основного металла и ферросплавов, исключит экономичный переплав легированной шихты, приве-
