CC BY
26
УДК 621.745.4
ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ЭДП ПРИ ВВОДЕ СИНТИКОМА ПО ХОДУ ПЛАВКИ
Г.А. Дорофеев, П.Р. Янтовский, Я.М. Степанов
Рассмотрены особенности энергетики дуговой электропечи при использовании в шихте брикетов синтикома на основе Ее - О - С. Показана возможность полного использования железосодержащих отходов производства непосредственно в электропечах.
Ключевые слова: энергетика, электродуговая печь, синтиком, брикеты, теплообмен, изобарный потенциал, охладитель, теплоотдача.
Развитие электросталеплавильного производства сопровождается непрерывным ростом мощности источников питания - трансформаторов и повышением удельной электрической мощности печи. Эти факторы обеспечили существенное сокращение продолжительности наиболее длительного периода плавки-плавления и всей плавки в целом, увеличение производительности, повышение коэффициента использования установленной мощности. Благодаря этому достигнуто существенное улучшение технологических и энергетических параметров выплавки стали, в частности снижение удельного расхода электроэнергии до 310...330 кВт*ч/т стали. Последним во времени инновационным достижением является создание сверхмощных высокоимпедансных электродуговых печей (ЭДП) с особо высоким вторичным напряжением.
На базе стремительного прогресса в конструировании ЭДП и технологии электроплавки сформировалась концепция мини-заводов нового поколения, являющаяся основой дальнейшего развития [1].
При использовании в качестве энергоносителя электричества обеспечивается весьма высокий уровень рабочих значений температуры, существенно превышающий обычный.
Для современных ЭДП рабочая температура в зоне горения дуг достигает 15000 0С. Это значение во много раз превышает температуру топливных источников теплоты, именно тепловую энергию реакций горения топлива и экзотермичекой реакции окисления углерода, не превышающих 2000...2700 0С. Электродуговой нагрев отличает также высокая концентрация энергии. Удельная энергонапряженность ЭДП достигает порядка 15 МВт/т расплава. По этому параметру электродуговой нагрев существенно превосходит источники энергии, используемые в сталеплавильных процессах - топливные и энтальпийные. Электродуговой нагрев обеспечивает более эффективное использование энергии и повышенное значение теплово-
го КПД в пределах 50...80 % по сравнению с другими видами энергии. К преимуществам электричества следует отнести также более высокую экологическую чистоту.
Достоинства и преимущества электродугового нагрева, отмеченные выше, не могут заслонить ряд побочных нежелательных эффектов, связанных с природой этого источника энергии, существенно снижающих его эффективность. При этом с увеличением номинальной удельной мощности трансформаторов ЭДП негативные явления усиливаются. Наиболее существенными из них являются относительное ухудшение энергетики печи, проявляющееся в том, что по мере роста электрической мощности печи сверх некоторого предела термический КПД ее перестает увеличиваться и начинает падать. Энергетический КПД даже сверхвысокомощных ЭДП не превышает 65 %, в лучшем случае 70 %, что примерно соответствует коэффициенту полезного использования тепла в кислородных конвертерах.
Другим недостатком применения электроэнергии в виде электрических дуг является чрезмерная концентрация тепла в зоне их горения. Вследствие этого температура локальных участков поверхности металлической ванны под дугами достигает температуры кипения железа оцениваемой по разным источникам в пределах 2800...3200 0С.
Физически это означает огромный десятикратный перегрев железа над температурой его плавления, не имеющих аналогов в сталеплавильных процессах. Данное явление до известной степени можно отнести к разряду патологических.
Следствием этого является интенсивное развитие испарения железа, сопровождающееся дополнительными затратами тепла, увеличение потерь металла, снижение выхода годного, увеличение количества пыли в отходящих газах. Негативные последствия приведенным перечнем не исчерпываются, их можно продолжать и далее.
В качестве возможного технического решения данной проблемы предложено вводить по ходу плавки в наиболее горячую центральную зону печи брикеты синтикома на основе смеси рудного сырья техногенного и природного происхождения с углеродистым восстановителем [2]. Основные их свойства и характеристики приведены в монографиях [3,4].
Предложенная идея базируется на том, что брикеты синтикома будут забирать на себя для своего нагрева и расплавления часть энергии, выделяющейся в зоне горения дуг и тем самым охлаждать ее и снижать температуру. С этой точки зрения данный композит выполняет роль своеобразного холодильника, аккумулируя часть тепла, уносимого из печи отходящими газами.
В общем случае электропечь как тепловой агрегат подчиняется второму началу термодинамики. Согласно этому закону изменение изобарного потенциала описывается соотношением
Ав = АИ - Т • АБ. (1)
81
Зону горения дуг отличает весьма высокая температура газов. Поэтому произведение Т ■ АБ существенно превышает изменение энтальпии АН. Пренебрегая первым членом в выражении изобарного потенциала, получаем
АО = -Т ■АБ. (2)
Для теплообмена в зоне горения дуг зависимость теплового КПД примет вид
71АБ1 - Т2 АБ 2 = 1 - Т2АБ2 (3)
Т1АБ1 Т1АБ1 ,
где Т1 и Т2 - соответственно температура газов в зоне горения дуг и на выходе из неё, 0К; Д81 и А82 - соответственно изменение энтропии газа в зоне горения дуг и на выходе из неё, Дж/(град. * моль).
Как следует из данного выражения, снижение температуры газов, отходящих из зоны горения, и уменьшение изменения их энтропии в результате ввода в эту зону холодных материалов повышают тепловой КПД печи. Одновременно с этим уменьшается испарение пыли и повышается степень её ассимиляции шихтой.
С увеличением номинальной удельной мощности трансформатора температура источника тепла - зоны горения дуг Тг непрерывно возрастает. Параллельно и одновременно возрастает и Т2 - температура отходящих газов. По этой причине разница (Т - Т2) с ростом мощности электропечи увеличивается весьма слабо. Соответственно этому величина п, характеризующая эффективность тепловой работы печи, с ростом удельной мощности трансформатора, достигнув определённого максимума, перестаёт увеличиваться. Исходя из этого, для совершенствования энергетики печи необходимо ограничить рост Т2 при увеличении мощности трансформатора за счёт лучшего охлаждения зоны выделения тепла.
Наиболее рациональным способом достижения этой цели является ввод в зону горения дуг материалов, имеющих повышенную аккумулирующую способность. Эти материалы выполняют роль своеобразных холодильников, так как обладают более высоким тепловосприятием по сравнению с металлоломом и газовой фазой. Введение таких материалов снижает Т2 и увеличивает тепловой КПД печи.
Наиболее подходящим материалом для этого являются синтиком в виде окускованного сырья на основе системы «железо - углерод - кислород», в частности, «оксиды железа - углеродистый восстановитель (науг-лероживатель)» [2,3]. Восстановление железа в них носит эндотермический характер, способствуя тем самым охлаждению зоны горения дуг.
Теоретически значение п может приблизиться к единице. Это означало бы, что все тепло дуг расходуется только на расплавление синтикома и восстановление железа. Однако такой режим не реализуем и, более того,
не представляет практического интереса, поскольку общей задачей электроплавки является полное расплавление компонентов шихты, а не только синтикома.
Вводимые в электропечь брикеты синтикома содержат в своем составе твердый окислитель в виде оксидов железа и углеродистый восстановитель, причем в виде тесной смеси, обладающей весьма развитой поверхностью реагирования. В процессе их нагрева и расплавления в них начинается карботермическая реакция [3,4]. Продуктами реакции является металлическое железо, восстановленное углеродом из оксидов, а также монооксид углерода. Данная реакция является эндотермической и требует значительных затрат энергии. В общем виде она имеет вид
(Ре203)Т + 2СТ = 2[ Её] Ж + 3[Ш] - 5,616 МДЖ / кг железа. (4)
Из реакции следует, что получение железа прямого восстановления в жидком виде из исходных холодных материалов сопровождается расходами тепла в количестве 5,616 МДж/кг, или 1,56 кВт*ч/кг металла.
Эндотермический процесс восстановления железа, происходящий в центральной зоне печи, прилегающей непосредственно к зоне горения дуг, вызывает дополнительный отвод тепла. Благодаря этому температура в зоне горения и потери тепла снижаются, причем значительно. Оценим возможное снижение потерь тепла с отходящими из зоны горения дуг газами.
При расходе 10 кг/т брикетов синтикома (или 1%) и общем содержании в них 50 % железа из данного количества композита будет получено дополнительно 5 кг нового железа как продукта карботермического восстановления. На эти цели будет израсходовано 1,56*5=7,8 кВт*ч энергии. Это количество энергии синтиком отнимает у газов, покидающих печь и которые представляют тепловые потери, снижающие энергетический КПД. Величина этих потерь варьируется в весьма широком диапазоне - от 60 до 150 и даже 220 кВт*ч/т стали. Примем для расчета минимальную величину этого параметра равной 60 кВт*ч/т как наиболее достоверную. С учетом этого на долю тепла, отнятого у отходящих газов и израсходованных на получение железа прямого восстановления и равного 7,8 кВт*ч, приходится 7,8/60*100=13 %.
Следовательно, введение в печь по ходу плавки синтикома снижает потери с отходящими на 7,8 кВт* ч/т стали, или на 13 %. Дополнительно отнятое у газов тепло расходуется на нагрев синтикома и восстановление железа. Это увеличивает значение энергетического КПД печи примерно на 2...2,5 %. Одновременно с этим усиливается перенос тепла в зоне горения дуг.
Теплообмен излучением в зоне, состоящей из твердых тел, образующих замкнутое пространство, заполненное излучающим высокотемпературным газом и раскаленными электродами, описывается известным законом Стефана-Больцмана:
Я = с
( Тг-1 . 100,
(т \ 1100 )
(5)
где С - приведенный коэффициент излучения на металл, Вт/(м2 * 0К4).
При расчетах теплообмена в зоне горения дуг удобно воспользоваться понятием коэффициента теплоотдачи излучения, равным
с
аЛ =
'ТГ л4
V
г 100 )
Ст Л
100
Тг - Т
(6)
М
В процессе нагрева и плавления металлолома и других холодных материалов значение коэффициента теплоотдачи излучением аЛ изменяется от начальной Тм.н до конечной температуры Тм.к. В силу этих причин для расчетов теплообмена в зоне горения дуг используют среднее геометрическое значение
а сР =
^л
а н а к
лл
(7)
Отсюда средний коэффициент теплоотдачи излучения в зоне горения дуг будет
с
а сР =
4(Тг - Тмк У(Тг - Тн)
(8)
При температуре газов Тг, равной 3500 и 4000 К, температуре металла - конечной 1850 0К и начальной 300 0К и коэффициенте излучения 3,1 Вт/(м2 * 0К4) значения коэффициента теплоотдачи излучения для зоны горения дуг составят соответственно 2000 и 2750 Вт/(м2 * 0К4). Из формулы (8) следует, что ввод брикетов синтикома увеличивает значения коэффициента теплоотдачи примерно на 10...30 %, подтверждая тем самым эффективность ввода охлаждающих материалов в зону горения дуг.
Полученное значение характеризует данный материал - синтиком -как весьма сильный охладитель. Охлаждающая способность его определяется протекающей в нем эндотермической реакцией восстановления железа и задается на стадии изготовления.
Регулируя содержание оксидов железа и восстановителя в синти-коме, а также удельный расход материала, легко обеспечить требуемый температурный режим зоны горения дуг, обеспечивающий повышение эффективности усвоения тепла и снижение испарения железа. Расчетные значения охлаждающей способности синтикома, по-видимому, является несколько заниженным, поскольку не учитывает теплового КПД в локаль-
4
4
4
ной зоне печи. Однако совмещение места плавления синтикома и зоны подвода тепла увеличивают использование тепла. Поэтому можно считать приведенную выше оценку близкой к реальной.
Результаты промышленных испытаний в печах различной конструкции и вместимости, проведенные в России и странах Европы, подтвердили корректность предложенного решения. Согласно результатам ввод брикетов синтикома а количестве до 30...35 кг/т стали улучшает тепловую работу ЭДП без увеличения удельных энергозатрат.
Одновременно с этим достигается соответствующее повышение выхода железа и сокращение пылеобразования. Увеличение расхода материала сверх этого значения приводит к росту удельных расходов электроэнергии по сравнению с работой печи без применения синтикома.
Причиной этого является то, что возросшие затраты на восстановление железа уже не перекрываются экономией энергии в результате повышения энергетического КПД печи и сокращения потерь тепла, обусловленных меньшим развитием экзотермического процесса испарения железа.
Количество железосодержащих отходов разного вида на мини-заводах не превышает 30 кг/т выплавляемой стали и несколько меньше верхнего предела расхода 35 кг/т стали. Это открывает возможность полного и эффективного использования всех образующихся в электросталеплавильном производстве железосодержащих отходов непосредственно в собственных электродуговых печах.
Выполненные аналитические и экспериментальные исследования, а также промышленные испытания позволили разработать новый способ выплавки стали в электродуговых печах [2]. Способ предусматривает ввод брикетов синтикома по ходу плавки в непрерывном или дискретном режиме, а также конструкцию печи, адаптированную к условиям данной технологии.
Предложенный способ прошел широкую апробацию в ЭДП и подтвердил возможность полной утилизации окалины и других железосодержащих отходов производства непосредственно в процессе выплавки стали. Возможное количество вводимого по ходу плавки синтикома определяется конструкцией ЭДП, составом материала и энерготехнологическими параметрами плавки и являются индивидуальными. Тепловые резервы ЭДП не являются бесконечными и имеют свои пределы. Именно в рамках этих возможностей необходимо выбирать расход охлаждающих материалов. По данным авторов он составляет 30...35 кг/т выплавляемой стали. Дальнейшее увеличение количества вводимого синтикома неизбежно будет сопровождаться возрастанием расхода энергии, обусловленного эндотермических характером получения нового железа, восстановленного из оксидов.
Выбор определяется балансом интересов, что выгоднее - получить дополнительное количество железа ценой увеличения затрат на его восстановление либо отказаться от этого, избегая излишних расходов энергии.
Список литературы
1. Инновационное развитие электросталеплавильного производства: монография / А.Г. Шалимов, А.Е. Семин, М.П. Галкин, К. А. Косарев. М.: Металлургиздат, 2014. 308 с.
2. Патент РФ № 2539890. Способ выплавки стали в электродуговой печи и электродуговая печь. Опубл. 27.01.2015. Бюл. № 3.
3. Шахпазов Е.Х., Дорофеев Г. А. Новые синтетические композиционные материалы и технология выплавки стали с их использованием. М.: Интерконтакт Наука, 2008. 272 с.
4. Дорофеев Г.А. Афонин С.З. Шевелев Л.Н. Энерготехнологические особенности использования синтикома при выплавке стали в электродуговых печах. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013.112 с.
Дорофеев Генрих Алексеевич, канд. техн. наук, доц., imsk@ lisl.ru, Россия, Тула, ООО «НПМП Интермет-Сервис»,
Янтовский Павел Рудольфович, генеральный директор, sintikom@,mail.ru, Россия, Тула, ГК «Ферро-Технолоджи»,
Степанов Ярослав Михайлович, генеральный директор, sintikom@,mail.ru, Россия, Тула, ООО «НПП «Инновационные технологии и материалы»
FEATURES OF THE THERMAL REGIME OF THE EAF WHEN YOU ENTER SINTICOM
DURING MELTING
G.A. Dorofeev, P.R. Yanlovskiy, Y.M. Slepanov
The peculiarities of energy electric arc furnace when used in the charge of briquettes sinlicom based on Fe - O - C. Shows the possibility of full use iron-containing waste produc-lion in eleclric furnaces.
Key words: energy, electric arc furnace, sinticom, briquettes, heat, Isobaric potential, chiller, heat transfer.
Dorofeev Genrikh Alekseevich, candidate of technical sciences, docent, imsk@,listru, Russia, Tula, LLC «NPMP Internet-Service»,
Yantovskiy Pavel Rudolfovich, general director, sintikom@,mail. ru, Russia, Tula, Ferro-Technology Group,
Stepanov Yaroslav Mihajlovich, general director, sintikom@,mail. ru, Russia, Tula, Production Enterprise «Innovative technologies and materials» LLC
