CC BY
174
УДК 669.187. 25. 001.5
Казачков Е.А., Чепурной А.Д.
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОСТАЛЕПЛАВИЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Доля электростали в общемировом производстве стали непрерывно увеличивается, и составляет в настоящее время более 30 %, а в США она приближается к 40 % [1]. Особенно быстрыми темпами развития характеризуется электросталеплавильное производство стран Азии: Китая, Кореи, Саудовской Аравии, Ирана.
Причинами, обусловившими быстрый рост производства электростали во всем мире, определяются рядом преимуществ электроплавки по сравнению с другими способами получения стали:
• большая гибкость процесса электроплавки и слабая зависимость процесса
от состава исходного сырья;
• ряд марок легированной стали можно производить только в электрических
сталеплавильных печах;
• возможность перерабатывать большое количество скрапа, поскольку доля скрапа в составе металлошихты может доходить до 100 %;
• легкость автоматизации процесса;
• лучшая возможность создания экологически чистого процесса в связи с ма-
лым количеством выделяемых газов и сравнительной легкостью улавливания пылевыделений.
Черная металлургия является одной из ведущих отраслей промышленности Украины. На ее долю приходится 19,9 % общего объема промышленного производства. Несмотря на значительный спад производства (в 1994 г. выплавлено стали на 8,6 млн. т меньше, чем в 1993 г), экспорт продукции черной металлургии Украины составил в 1994 г. 3285,2 млн. долл. [4].
Приоритетным направлением в развитии сталеплавильного производства Украины должна стать реконструкция и техническое перевооружение действующих предприятий. Необходимость технологической перестройки сталеплавильного комплекса Украины определяется преобладанием устаревших способов выплавки стали и крайней изношенностью основного оборудования.
Так, 54 % стали выплавляется в мартеновских печах, а удельный .вес электростали составляет только 2,5 %. В отрасли используется устаревшее оборудование, износ которого оценивают в 65 %. Закончился нормативный срок эксплуатации 92 % мартеновских печей и 86 %электропечей. На агрегатах со сроком службы выше нормативного производится около 50 % всей продукции [4]. Для вывода черной металлургии Украины из критического состояния требуются значительные инвестиции и правильная оценка приоритетных направлений развития всего металлургического комплекса.
Одним из таких приоритетных направлений является расширение производства электростали, замена устаревших сталеплавильных агрегатов современными электросталеплавильными установками, а также широкое использование новых технологических разработок в производстве электростали.
Основная масса электростали производится в настоящее время в дуговых сталеплавильных печах (ДСП). От их конструкции, рационального соотношения емкости печи и мощности печного трансформатора, рациональной технологии плавки зависит эффективность работы ДСП, производительность агрегатов и себестоимость стали. На современном этапе развития металлургии, дуговые сталеплавильные печи, наряду с кислородным конвертером, являются одними из основных агрегатов сталеплавильного производства. В ДСП выплавляют стали широкого сортамента - высококачественные высоколегированные (коррозионностойкие, трансформаторные, подшипниковые, инструментальные и др.), низколегированные, конструкционные и специальные стали. ДСП особенно большой вместимости (100-200 т) используют для выплавки рядовых углеродистых сталей, особенно в составе мини-заводов.
Производительность и экономичность ДСП в последние годы заметно
повысилась. Это обусловлено разработкой и применением ряда технологиче-
ских мероприятий, модернизацией и дальнейшим совершенствованием всех узлов печей, а также вспомогательного оборудования [2,3,6-12]. Сюда, в частности относятся:
• повышение установленной электрической мощности печных трансформаторов;
• широкое применение в процессе плавки кислорода и топливо-кислородных горелок;
• применение водоохлаждасмых элементов стен и свода вместо огнеупорной футеровки;
• перевод ДСП на питание постоянным током;
• использование специальных донных фурм для продувки ванны кислородом и
аргоном с целью перемешивания ванны и интенсификации процесса окисления примесей.
Значительное увеличение мощности печных трансформаторов и создание так называемых сверхмощных ДСП позволили существенно сократить длительность периода плавления. В начале периода плавления электроды, двигаясь вниз, проплавляют в шихте "колодцы". После стабилизации положения электродов происходит постепенное повышение уровня жидкой ванны. Шихта плавится снизу и глубина "колодцев" постепенно уменьшается. При наличии "колодцев" шихта плавится в режиме "закрытого" горения дуг. В это время можно вводить значительную мощность без заметного перегрева кладки, которая экранируется от электрических дуг не расплавившейся шихтой. Время закрытого горения дуг составляет 70-80 % от общей продолжительности периода плавления. Эффективное использование мощности печного трансформатора в конце периода плавления и в окислительный период плавки обеспечивается применением водоохлаждаемых стеновых панелей и свода, а также наведением в период расплавления шихты пенистых шлаков, хорошо экранирующих электрические дуги и позволяющих работать на более высоком вторичном напряжении. Вспенивание шлака обеспечивается вдуванием в ванну порошка кокси-ка. За последние 30 лет удельная мощность печных трансформаторов на сверхмощных ДСП увеличилась с 200-260 до 800 кВ А/т.
Для интенсификации расплавления шихты используют газообразный кислород (подрезка сварившихся кусков лома и подплавление металлозавалки в "холодных" зонах). Подача кислорода осуществляется как через водоохлаждас-мую фурму сверху, так и через специальные донные фурмы. Донные фурмы выполняют работу окисления, нагрева и перемешивания ванны. В подине располагается до 4-х фурм. Конструкция донных фурм выполнена по принципу "труба в трубе". По центральной трубке подается кислород. По наружной трубе подается смесь азота с метаном. Внутри трубки расположены термопары, по показаниям которых оценивается износ фурм. Износ составляет около 1 мм/плавку. Стойкость фурмы - до 200 плавок. Фурмы заменяют при смене (ремонте) подины или заглушают до ближайшего ремонта подины. В последнее время для интенсификации перемешивания ванны через донные фурмы ведут продувку инертным газом [13].
Интенсификация процесса расплавления шихты осуществляется также с помощью топливно-кислородных горелок (ТКГ). Стеновые ТКГ располагаются в относительно холодных зонах ДСП между электродами. Более эффективным является использование мощных сводовых поворотных ТКГ с управляемым направлением факела. На одну ДСП устанавливают одну-две поворотные ТКГ и вводят их в рабочее пространство через свод вблизи стен. При использовании таких ТКГ на крупнотоннажных ДСП, продолжительность расплавления шихты сокращается на 10-15 % с соответствующим сокращением расхода электроэнергии.
В современных сверхмощных ДСП с целью экономии электроэнергии используют предварительный подогрев скрапа теплом отходящих из печи газов или специальными газовыми горелками [14]. Подогрев лома в загрузочных
бадьях до 4000 С обеспечивает экономию электроэнергии до 70-75 кВт. ч/т стали и сокращение длительности плавления на 10-12 %.
Рассмотренные мероприятия позволили значительно сократить расход электроэнергии, снизить затраты на огнеупоры и сократить длительность плавки (от выпуска до выпуска) в 100-150-т ДСП до 60-70 мин. Важнейшей задачей совершенствования технологии электроплавки в ДСП является снижение расхода электроэнергии путем использования альтернативных ее источников (твердое топливо, кислород, природный газ) и использование теплоты отходящих газов. Комплексное использование этих источников в ДСП позволит уменьшить расход электроэнергии до 320 кВт.ч/т стали, т.е почти вдвое по сравнению с обычной технологией плавки [6]. •
Дополнительным источником экономии электроэнергии может стать применение в ДСП жидкого углеродистого полупродукта, получаемого расплавлением стального лома в вагранке с горячим дутьем. Этот способ был испытан на ряде заводов в Претории и Японии [5]. Сопоставление фактических эксплуатационных характеристик показало, что при использовании в вагранке доменного кокса (крупнее 60 мм) и вдувании мелкого кокса, обеспечивается производство жидкого чугуна состава:3,5-4 % С, 0,1-0,3 % Si и 0,005-0,040 % S. Расходные показатели на 1 т полученного таким способом чугуна составляют:
около 100 кг кокса, 40 кг коксика, обогащение горячего дутья при 600°С кислородом до 25 %. Применение такого жидкого чугуна при выплавке стали в ДСП позволяет значительно снизить расход электроэнергии и сократить продолжительность плавки. Так, при доле жидкого чугуна в шихте около 20 %, экономия электроэнергии составляет 70-90 кВт. ч/т. Увеличение доли жидкого чугуна до 40-45 % обеспечивает экономию электроэнергии в размере 150-180 кВт. ч/т [5].
Основной объем производимой в настоящее время электростали выплавляется в ДСП, которые питаются переменным током. Эти печи обладают рядом недостатков: относительно низким коэффициентом мощности, дают мощные толчки и помехи в питающую энергосистему, требуют дорогостоящих устройств для компенсации искажения формы кривой напряжения, cos q> и фазово-частотных отклонений, имеют высокий уровень шума, доходящий до 120 дБ. С целью устранения этих недостатков, разработаны конструкции ДСП, работающих на постоянном токе [7,9,10,18,19]. Разработка конструкций крупных ДСП постоянного тока началась только в 80-е годы, когда благодаря прогрессу полупроводниковой технологии себестоимость диодов и тиристоров большой мощности уменьшилась, в результате чего значительно снизилась стоимость источников постоянного тока.
Конструкция ДСП постоянного тока в принципе такая же, как и ДСП переменного тока, за исключением того, что в днище печи устанавливается электрод специальной конструкции или делается специальная электропроводящая подина [10]. Преимущества ДСП постоянного тока по сравнению с печами переменного тока заключаются в следующем:
1) снижение удельного расхода электродов не менее, чем в два раза;
2) значительное уменьшение уровня шума;
3) снижение расхода электроэнергии на 5-10 % и огнеупорных материалов на
30 %;
4) более спокойный электрический режим, резко уменьшающий помехи в питающей энергосистеме;
5) протекание постоянного тока по всему объему ванны, что улучшает перемешивание ванны.
Специальная конструкция подового электрода позволяет провести 1300 плавок без ремонта. Снижение себестоимости при использовании ДСП постоянного тока составляет 5,1 долл. на 1 т жидкой стали при плавке в печи садкой 100 т [7].
В высокомощных ДСП, работающих по современной технологии, производится расплавление шихты, удаление фосфора, плавка идет под одним шлаком и многие металлургические операции (легирование, дегазация, десульфура-ция и др.) переносятся в ковш. Внепечная обработка электростали обеспечивает существенное снижение вредных примесей в металле и значительное повышение его качества [15-17].
Таким образом, современная дуговая печь по сути превратилась в плавильный агрегат, в значительной мере освобожденный от металлургической обработки стали.
Преимущественное развитие электросталеплавильного производства является одним из главных направлений технического прогресса в металлургическом производстве. По оценочным расчетам, общая энергоемкость выплавки стали в ДСП вдвое ниже, чем в кислородных конвертерах, удельные приведенные затраты примерно одинаковы, а капиталоемкость на 1 т стали ниже в 1,5-1,8 раза [3].
Поэтому расширение производства электростали в Украине на базе современных конструкций ДСП и эффективных технологий представляется весьма перспективным.
Перечень ссылок
1. Стомахин А.Я. Современный технический уровень и перспективы развития электросталеплавильного производства//Тр. 3 Конгр. сталеплавильщиков. Москва, 10-15 апр. 1995,-М.: Металлургия. -1996,-С.175-181.
2. Состояние и тенденции развития технологии металлургического производства/ Э.Шульц, Д.Амелинг, Б.Герстенберг и др.// Черные металлы. 1989, N 22, С. 3-11.
3. Никольский Л.Е., Зинуров И.Ю. Оборудование и проектирование электросталеплавильных цехов. - М.: Металлургия. 1993,- 272 с.
4. Состояние и перспективы развития черной металлургии Украины // Кокс и химия. -
1995,-N 12.-С. 37-39.
5. Штеффен Р. Результаты восьмого немецко-японского семинара по основам производства чугуна и стали // Черные металлы. 1995,- Май,- С.6-12.
6. Ниллс Р. Новые тенденции в развитии металлургической технологии // Тр.З Конгр. сталеплавильщиков. Москва, 10-15 апр. 1995.-М.: Металлургия. - 1996,- С.19-26.
7. Вайсингер X., Тенденции развития производства чугуна и стали // Там же. С. 104-110.
8. Мавродис Дж., Бедин М. Концепция "Данарк", - усовершенствование технологии выплавки в дуговых печах переменного тока // Там же,- С. 265-261.
: 9. Окороков Г.Н., Шалимов Ал.Г., Шарф Г. Применение агрегатов постоянного тока в сталеплавильном производстве // Там же. С. 253-258.
- 10. ШтиклерX., Стенквист С.-Э., ЗигаВ. Дуговая электропечь постоянного тока фирмы ABB - два года эксплуатации с проводящей подиной // Там же, С. 259-265. -
11. Федосеенко В.А., Затаковой Ю.А., Клачков A.A. Модернизация сталеплавильного производства // Там же. - С. 152-153.
12. Sourses of iron beyond 2000 // Steel Times. - 1995, v.223, N 5,- P.E25-E27,E30.
13. Survay of bottom stirring in the electric arc furnace / Pawliska V., Pesce L.P., Faggionato A., Cappelli G. // MPT - Metallurgical Plant and Technology. 1991,- N 5,- P. 22-29.
14. Экономия электроэнергии в дуговых сталеплавильных печах / Тулуевский Ю.Н., Зинуров И.Ю., ПоповА.К. и др. М.: Энергоатомиздат. 1987. - 103 с.
г 15. НиллесИ, МарикХ. Необходимость применения внепечной обработки металла для удовлетворения требований потребителей стали // Черные металлы. 1989,- N 22.-
С. 26-34.
16. Хайнен К.Х., Шшеффес Б., Оберхойзер П.-Г. Преимущества внепечной обработки при производстве специальных сталей // Черные металлы, 1990,- N 8,- С. 36-40.
17. КудринВ.А. Внепечная обработка чугуна и стали. М.: Металлургия. 1992. - 336 с.
18. К еле 3. Сопоставление дуговых печей, работающих на постоянном и переменном токе//Черные металлы. 1994,-N 10,-С. 7-11.
19. Шлебуш В., Нике Э.Х. Новые разработки для дуговых сталеплавильных печей постоянного тока // Черные металлы. 1994,- N 11,- С. 23-26.
