CC BY
218
УДК 621.365.2:[602.9:502.174] ББК К327.4
Ю.М. МИРОНОВ, АН. МИРОНОВА
ПОВЫШЕНИЕ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДУГОВЫХ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ С ПОМОЩЬЮ ОПТИМИЗАЦИИ ИХ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ
Ключевые слова: себестоимость выплавки тонны стали, расход электроэнергии, электрические потери, тепловые потери, снижение потерь, предварительный нагрев шихты, горелки, кислород, утилизация отходящих газов.
Из экономического анализа выявлены основные направления снижения себестоимости выплавки тонны стали на дуговых печах, определена роль в этом процессе снижения энергопотребления. Рассмотрены мероприятия по снижению электрических потерь за счет оптимизации режимов, изменения конструктивных элементов печей и уменьшения частоты тока. Описаны методы снижения тепловых потерь через футеровку, с отходящими газами и во время «горячих» и «холодных» простоев дуговых печей. Проанализирован энергетический баланс дуговой сталеплавильной печи. Показано, что существенное снижение энергопотребления кроме снижения потерь энергии может быть достигнуто за счет мероприятий по повышению энтальпии шихты с помощью ее подогрева с помощью топливно-кислородных горелок как вне печи, так и во время процесса расплавления металла. Эффективным методом оптимизации является утилизация тепла отходящих газов. Рассмотрены различные способы этого процесса. Описаны методы снижения расхода электроэнергии за счет оптимизации электрических режимов плавки.
Рассмотрим вопросы энергосбережения на наиболее распространенных и самых энергоемких электротехнологических установках (ЭТУ) - дуговых сталеплавильных печах (ДСП). Эти вопросы являются одними из главных в обеспечении высокой экономической эффективности электроплавки в ДСП.
Известно, что основным показателем экономической эффективности процесса плавки является себестоимость 1 т выплавленного металла при неукоснительном выполнении требований по его качеству.
Себестоимость выплавки стали
5 = 5 + + ^3 = а + Ь + V с^,, О
где 51 - условно-постоянные общезаводские и общецеховые расходы; 52 -часть себестоимости, зависящая от производительности О; 53 - часть себестоимости, зависящая от расхода ресурсов (электроэнергии - электродов ^эл, ферросплавов Wф, футеровочных материалов ^фут и т.д.); с, - цены соответствующих ресурсов.
При изменении условий производства происходит изменение технико-экономических показателей печей - производительности и расходов ресурсов. При этом относительное изменение себестоимости
Д5=— = - 5ОДО + V 5.ДЯ>.,
5 & / 1 I I
где —О = —, — = —— доли себестоимости, приходящиеся на каждый показа— —
к7Т ДО . Д^
тель - производительность и ресурсы; ДО =-, Дм>± =--— относительные
О
изменения технико-экономических показателей.
Производительность печи связана с «горячей» производительностью соотношением
° = °ТОР К,
где К = хГОР/х, хГОР и х - «горячий» период и время полного цикла плавки. Тогда можно показать, что
Д— = А— = -—О (ДОГОР + ДК) + X —- ДЪ. (1)
Из вышесказанного следует, что минимизация себестоимости связана с увеличением доли «горячей» производительности печи и доли «горячего» времени плавки, а также снижением расхода всех ресурсов. Эта многоплановая нелинейная задача решается различными методами, причем каждый из них влияет как на производительность, так и на экономию ресурсов.
Экономия электроэнергии является одной из составляющих снижения себестоимости выплавки стали. Рассмотрим основные мероприятия по энергосбережению, попутно учитывая и изменение других составляющих себестоимости.
Рассмотрим энергетический баланс ДСП, который может быть записан следующим образом:
Ж + Жш + Жх + Ж = Жм + гэ,п + Жт,п ± Жакк, (2)
где Жс - электроэнергия, потребляемая электропечной установкой из энергосистемы; Жш - энтальпия шихты и газов, поступающих в рабочее пространство ДСП; Жх - химическая энергия экзо- и эндотермических реакций окисления, восстановления и шлакообразования; Жг - количество тепловой энергии, вводимой в рабочее пространство ДСП с помощью топливно-кислородных горелок ТКГ; Жм - энтальпия сливаемого жидкого металла и шлака (полезный расход энергии); Жэ,п - электрические потери в источнике питания и вторичном токоподводе (до рабочего пространства печи); Жт,п - тепловые потери из рабочего пространства печи; Жакк - изменение энтальпии футеровки (плюс - при нагреве, минус - при остывании) [2]. При анализе баланса за весь период плавки этой составляющей можно пренебречь.
Главным в балансе является полезное тепло, необходимое для нагрева металла шихты до температуры плавления, его расплавления и перегрева до температуры слива Жм . Известно, что теоретический удельный расход энергии составляет для разных марок стали 360-390 кВтч/т. В то же время суммарный расход энергии на дуговых печах составляет 700-800 кВтч/т для печей малой и средней емкости и 480-580 кВтч/т для современных большегрузных печей, что свидетельствует о росте общего КПД печей от 0,4-0,45 до 0,7-0,75 (рис. 1) [1]. Это связано с уменьшением отношения теплоотдающих поверхностей к объему металла.
Л 0,8 0,6 0,4 0,2 0
0 20 40 60 80 100
в, т
Рис. 1. Влияние емкости ДСП на КПД
Доля расхода электроэнергии в балансе будет иметь вид
Жс = Жм + Жэ,п + Жт,п - (Жш + Жх + Жг). (3)
Из анализа (3) следует, что снижение расхода электроэнергии может быть получено как за счет снижения электрических и тепловых потерь, так и за счет использования других видов энергии, т.е. использования комплексного нагрева.
1. Мероприятия по снижению потерь энергии
Электрические потери. Электрические потери в электрическом контуре печи определяют электрический КПД Лэ и, соответственно, удельный расход электроэнергии. Они зависят от рабочего тока печи, активного сопротивления токоподвода и частоты используемого тока.
Одним из основных мероприятий по снижению электрических потерь является оптимизация конструкции токоподвода. Наибольшую долю в потерях (13-20%) дают кабельные гирлянды. Поэтому особое внимание уделяется рациональному взаимному расположению источника питания и печи. Для уменьшения длины гибких кабельных гирлянд ДСП располагают так, чтобы выводы средней фазы трансформатора или трансформатор в целом были сдвинуты относительно оси печи на 1-1,5 м в сторону сливного носка. Минимизируют и расстояния между печью и трансформатором, для чего оптимизируют расположение механизмов перемещения электродов, поворота свода и т. д. Для уменьшения протяженности участка расшихтовки в последние годы ряд зарубежных фирм перешел к изготовлению трансформаторов с выводами, соответствующими использованию на печи схемы вторичного токо-подвода «триангулированная звезда на электродах».
На современных печах использование эркерного слива металла позволяет существенно сократить длину кабельных гирлянд. Это в совокупности с возможным снижением температуры слива из-за компактности струи дает снижение удельного расхода электроэнергии на 15-30 кВтч/т.
Для снижения потерь на сверхмощных печах отказываются от трубошин, заменяя их токоведущими биметаллическими рукавами электрододержате-лей. При этом удается добиться снижении активного (в 2,4 раза) и индуктив-
ного (в 1,6 раза) сопротивлений этого участка короткой сети, что позволило на печах емкостью 80-85 т фирмы Ва&сЬе 81а1уегке (ФРГ) увеличить полезную мощность на 8,5% и коэффициент мощности с 0,81 до 0,84 [6].
Для снижения электрических потерь и повышения электрического КПД ДСП имеет значение не только активное сопротивление токоподвода, но и реактивное. Его снижение позволяет для обеспечения требуемой мощности дуг работать при меньших токах, что вызывает снижение электрических потерь и удельного расхода электроэнергии.
Значительная доля электрических потерь связана с электромагнитным взаимодействием токоподвода с окружающими конструкциями. Для их снижения необходимо удалять конструкции от проводников на расстояние не менее 0,4-0,5 м, для разрыва контуров предусматривать изоляционные вставки, а иногда и выполнять элементы конструкций из немагнитных материалов.
Очень важным фактором энергосбережения на ДСП является устойчивость горения дуги, особенно в начальный период плавки. Увеличение в этот период несинусоидальности тока вызывает рост потерь электроэнергии за счет более резкого проявления поверхностного эффекта в проводниках и снижение [1]. Поэтому все меры по повышению устойчивости горения дуги благотворно сказываются на расходе электроэнергии. Сюда относятся и меры по повышению начальной температуры шихты и энтальпии шихты WШ, что обеспечивается как ее предварительным нагревом, так и использованием топливно-кислородных горелок (ТКГ) в начальный период плавки.
Тепловые потери. Тепловые потери ДСП состоят из потерь через футеровку, с отходящими газами и потерь во время простоев.
Анализ тепловых потерь через футеровку показывает, что мощность тепловых потерь слабо меняется во время отдельных периодов плавки. В результате этого энергия потерь через футеровку изменяется примерно пропорционально длительности периодов, а суммарная - «горячему» времени плавки. Удельные тепловые потери составляют в среднем 0,4 кВтч/т(мин), а в конце плавки они достигают 1,7 кВт ч/т(мин). Поэтому основным направлением снижения тепловых потерь является снижение времени плавки, т.е. повышение «горячей» производительности печей. Интенсификация плавки достигается самыми различными методами, главным из которых является повышение удельных мощностей печей. В настоящее время на современных сверхмощных печах удельные мощности достигают 1000 кВ А/т и выше. Кардинальным решением является вынос большинства металлургических операций из ДСП в устройства внепечного рафинирования металла, обладающие более низкими энергетическими характеристиками. При этом длительность плавки снижается до 0,5-1,0 ч при удельных расходах электроэнергии 400 кВтч/т и ниже. Конечно, на таких печах футеровка заменяется водоохлаждаемыми панелями. Однако на крупных печах это не вызывает значительного роста тепловых потерь, особенно при использовании вспененных шлаков. Более того, с учетом уменьшения расходов огнеупоров в 5-10 раз и графитированных электродов на 3040% это мероприятие обеспечивает не только снижение энергетических затрат, но и значительное снижение себестоимости стали [5].
Тепловые потери с отходящими газами составляют значительную часть всех потерь энергии. Они определяются энтальпией технологических высоконагретых газов.
Доля тепла, теряемого с отходящими газами за время плавки, в энергетическом балансе ДСП возрастает при сокращении цикла плавки с увеличением емкости и мощности ДСП, расходов топлива и кислорода. На печах небольшой и средней мощности емкостью 3-50 т ЖТПГ в период плавления составляет 6-8%, на 200-тонных ДСП мощностью 60 МБЛ 21-22%, а на высокомощных (75 МБ-А) 100-тонных ДСП при длительности плавления около 1 ч ЖШ,Г достигает 25%.
Удаление и очистка газов требуют дополнительных энергетических затрат, увеличивающих расход электроэнергии на выплавку стали на 10-20%. Энергетические затраты на транспортировку газов во многом связаны с конструкцией системы принудительного отсоса газов. В последние годы чрезмерно энергоемкие системы газоудаления с вытяжными зонтами заменяют на значительно более экономичные с использованием газо-шумоизолирующих камер (укрытий) в комбинации с отсосом газов через дополнительное отверстие в своде и сводовый патрубок и тщательным уплотнением электродных отверстий с помощью керамических или водоохлаждаемых уплотнителей. Такие системы позволяют сочетать охрану окружающей среды от шума и пылегазовых выбросов. При этом экономия электроэнергии на газоудаление достигает 30%.
Характерной особенностью ДСП является одновременное присутствие в отходящих газах больших количеств окиси углерода и кислорода, что объясняется плохим смешиванием газов в рабочем пространстве. Поэтому происходит дожигание газов с помощью дальнейшего смешивания с воздухом или кислородом. Температура отходящих газов в период плавления составляет 1100-1300°С, а в окислительный период достигает 1350-1550°С. Для возможности использования газоочистки газы должны быть охлаждены до 80-250°С. На старых печах это производится с помощью дополнительного подсоса холодного воздуха. Для снижения энергетических затрат (в 2,0-2,5 раза) на современных печах охлаждение газов осуществляют в специальных конвективных трубчатых теплообменниках. Но наиболее эффективным является использование тепла отходящих газов для предварительного нагрева шихты или в энергетических целях для получения перегретого пара. Утилизация ЖТП,Г в таких установках позволяет полностью скомпенсировать тепловые потери и энергетические затраты, связанные с газоудалением.
Тепловые потери во время простоев. Значительное влияние на производительность печей и расход электроэнергии оказывает длительность простоев ДСП, вызванных либо проведением таких технологических операций, требующих отключения дуг, как заправка подины, загрузка шихты, выпуск плавки и др., либо организационными задержками. Отношение времени работы ДСП под током к длительности цикла плавки в ряде случаев еще не превышает 0,5-0,6, хотя при современной организации производства этот показатель может достигать 0,7-0,9.
При технологических или аварийных простоях ДСП с закрытым рабочим пространством потери тепла и дополнительный расход электроэнергии относительно невелики. Каждый час такого простоя увеличивает тас примерно на 10 кВтч/т. При завалке или подвалке шихты, когда открытое рабочее пространство ДСП, нагретое до высоких температур, интенсивно излучает тепло в окружающую среду, энергетические потери увеличиваются во много раз. Каждая минута простоя ДСП с открытым рабочим пространством из-за потерь тепла связана с дополнительным расходом электроэнергии в среднем от 3,0 до 1,5 кВт ч/т, что приводит к росту удельного расхода энергии до 10 кВт ч/т при каждой подвалке шихты [5].
Уменьшению длительности таких операций и потерь тепла открытым рабочим пространством способствуют увеличение быстродействия механизмов поворота свода на крупных ДСП или выката ванны на малых ДСП, механизмов подъема и передвижения завалочного крана, ускорение заправки подины с помощью заправочных машин, а также рациональная организация операций по загрузке шихты и сокращение числа подвалок. Длительность отключения ДСП для загрузки одной корзины шихты на современных печах может быть сокращена до 3 мин. Получил распространение метод работы ДСП с оставлением части жидкого металла на подине, при котором наряду с другими преимуществами продолжительность заправки в расчете на одну плавку сокращается в 3-5 раз и составляет не более 6 мин даже с учетом установки графитированных электродов. Получают распространение и печи с увеличенным объемом ванны, что позволяет снизить число подвалок шихты.
Простои по организационным причинам могут быть разделены на простои из-за недостаточной согласованности работы плавильного и литейного отделений и на простои, вызванные спецификой графика работы цеха.
Простои из-за несогласованности работы отделений чаще всего являются «горячими» с нахождением в ванне печи подготовленного к сливу металла. При этом печь вынуждены периодически включать для подогрева металла, компенсируя тепловые потери. Каждая минута простоя увеличивает расход электроэнергии на выплавку одной тонны стали на 3-5 кВтч. При средней продолжительности «горячих» простоев 15-30 мин дополнительные потери электроэнергии могут достигать 45-150 кВтч/т. Более весомо отражается на экономике плавки выгорание легирующих элементов, что увеличивает расход ферросплавов, снижение выхода годного металла за счет его «угара», повышение расхода дорогих и дефицитных электродов и др.
Простои, связанные со спецификой графика работы цеха, в основном «холодные». Электрические печи простаивают без металла в выходные дни, при отсутствии заказов, а периоды максимальной нагрузки энергосистемы при наличии ограничения электропотребления, во время ремонтов и т.д. Во время «холодных» простоев печи энергии не потребляют. Однако при их остывании теряется тепло, аккумулированное футеровкой печи, которое соизмеримо с энергией, затрачиваемой на плавку. При включении печи после
простоя для компенсации этих потерь необходимо затратить электроэнергии примерно в два раза больше.
Большое значение имеет длительность простоя [9]. Печи остывают инерционно, но достаточно быстро. Так, в течение 20 мин температура футеровки стен снижается с 1900°С до 1350°С, а свода - с 1400 до 1000°С. Снижения скорости остывания печи можно достигнуть загрузкой ванны шихтой, чем широко пользуются на практике. Однако и при этом простой более 1 ч вызывает снижение температуры печи до 600-700°С и почти полную потерю запасенной в кладке энергии.
«Холодные» простои имеют и более серьезные, чем дополнительные расходы энергии, экономические последствия. При прерывистом режиме работы возрастает число теплосмен футеровки стен и свода и электродов. Это приводит к возникновению в них термических напряжений и значительному снижению их стойкости, уменьшению длительности межремонтных кампаний футеровки и резкому перерасходу огнеупорных материалов и электродов.
Вышесказанное свидетельствует от том, что даже без применения дополнительных видов энергии и утилизации тепла проведенные мероприятии по снижению потерь могут существенно повлиять на энергопотребление печей и повысить экономическую эффективность плавки стали в ДСП.
2. Экономия электроэнергии за счет подогрева шихты с помощью топливно-кислородных горелок (ТКГ) и применения кислорода
Из анализа выражения (3) видно, что одним из эффективных методов снижения расхода электроэнергии является увеличение энтальпии загружаемой шихты Жш. Это можно осуществить двумя способами: подогревом шихты с помощью дополнительных источников энергии и с помощью утилизации тепла отходящих газов [2].
При реализации первого способа нагрев производится либо вне печи, либо внутри. В первом случае загрузочные корзины с шихтой устанавливаются в специальных камерах, имеющих топливно-кислородные горелки. Нагрев производят до 200-400°С, что обеспечивает введение дополнительного тепла 35-45 кВтч/т. При этом требуется израсходовать около 7 м3/т газа. Однако стоимость газового нагрева более чем в три раза ниже нагрева в электрических дугах [3], что и определяет экономический эффект от применения предварительного нагрева шихты. Нагрев корзин в камерах связан с рядом недостатков - снижением прочности корзин, возникновением экологических проблем, решение которых значительно снижает экономический эффект от применения такого вида нагрева шихты.
Значительно эффективнее происходит нагрев шихты непосредственно в самой печи при использовании альтернативных видов энергии (сжигание газа, применение кислорода) тем более, что при этом возникает ряд технологических эффектов, позволяющих повысить производительность печи. В современных печах в пространстве печи устанавливаются топливно-кислород-
ные горелки ТКГ различной конструкции (рис. 2). Их суммарная мощность может достигать 50% от мощности трансформатора.
а б
Рис. 2. Зоны нагрева шихты с помощью ТКГ (штриховка): а - стеновые; б - поворотные вертикальные ТКГ
ТКГ применяют в начальный период плавки для подогрева еще сравнительно холодной шихты, устанавливают их так, чтобы в первую очередь греть шихту в «холодных» зонах между электродами. Это позволяет сократить время периода расплавления и уменьшить расход электроэнергии на 20-60 кВт-ч/т.
Одновременно с использованием ТКГ в этот период применяют газообразный кислород для дожигания СО и окисления углерода шихты и примесей. Необходимо отметить, что это связано с дополнительными затратами, связанными с получением кислорода (см. таблицу). Но значительное повышение химической составляющей Жх баланса энергии (3) и технологические возможности кислорода по ускорению расплавления «тяжелого» лома и предотвращению «настылей» позволяют не только повысить производительность печей, но и снизить расход электроэнергии до 30 кВтч/т. В современных печах ТКГ и кислородные фурмы объединяют в единые устройства.
Стоимость 1 кВт-ч энергии, усвоенной металлом и шлаком при использовании ее различных видов [3]
Вид энергии Стоимость 1 кВт-ч энергии, %
Электроэнергия, вводимая в печь 100
Энергия окисления углерода шихты (лома, кокса, порошка углерода) газообразным кислородом 125,4
Энергия от сжигания природного газа в газокислородных горелках 32,0
На рис. 3 показан типичный баланс энергии в высокомощной дуговой печи. Его рассмотрение показывает, что применение ТКГ и кислорода позволяет в значительной степени заместить электроэнергию.
Электроэнергия 410 хВтч/т (65%)
Сталь 380 кВт-ч/т (60%) Рис. 3. Типичный энергетический баланс плавки стали в современной высокомощной печи (без утилизации тепла)
3. Экономия электроэнергии с помощью утилизации тепла отходящих газов
Эффективным методом снижения расхода электроэнергии является использование тепла отходящих газов для нагрева шихты. В настоящее время работают различные варианты установок, реализующих этот принцип.
Наиболее распространен внепечной метод, в котором камера нагрева шихты встроена в тракт отсоса газов. На рис. 4. приведена схема наиболее простой установки для нагрева шихты без рециркуляции отходящих газов. Ее недостатком является недостаточное снижение температуры газов. Поэтому чаще используют установки с двойной, а иногда и с тройной рециркуляцией газов.
Нагрев шихты отходящими газами в настоящее время осуществляется и с помощью устройств, совмещенных с самой печью. Наиболее распространены шахтные дуговые печи фирмы Fuchs Systemtechnic (Германия) [6] (рис. 5). Такие печи реализуют два метода экономии электроэнергии: использование тепла отходящих газов для нагрева шиты в шахте и снижение простоев и потерь энергии при дополнительных подвалках шихты.
Процесс плавки протекает следующим образом. После слива металла удерживающие пальцы в нижней камере шахты освобождаются и прогретая шихта попадает в ванну. Пальцы поднимаются, пальцы второй камеры освобождаются, и шихта перемещается в нижнюю камеру и т.д. Так последовательно осуществляются прогрев шихты и ее перемещение в ванну с расплавленным металлом. Эксплуатация десятков печей Fuchs, в том числе и в России, показало, что экономия электроэнергии составляет 280-300 кВт-ч/т. Дополнительным преимуществом шахтных печей является задержка ломом выделяющейся в печи пыли, что приводит к увеличению выхода годного металла на 1%.
Рис. 4. Схема установка для нагрева шихты без рециркуляции отходящих газов: 1 - печь; 2 - установка для нагрева лома; 3 - загрузочная корзина; 4 - дымосос
1 - шахта; 2 - удерживающие пальцы; 3 - ТКГ
Другим вариантом утилизации тепла отходящих газов являются печи СО^ТЕЕЬ (рис. 6) [4]. Нагрев шихты, перемещающейся в печь через туннель с помощью конвейера, осуществляется как с помощью ТКГ, так и с помощью утилизации тепла проходящих через туннель газов. Это позволяет сэкономить 53 кВтч/т электроэнергии.
Рис. 6. Принцип действия печи СО^ТЕЕЬ: 1 - топливно-кислородные горелки; 2 - корпус конвейера; 3 - шихта
4. Оптимизация электрических режимов плавки
Наряду с вышеописанными конструктивными, технологическими и энергетическими мероприятиями по повышению эффективности плавки в ЛСП большое значение имеют вопросы оптимизации электрических режимов печей.
Критерии оптимизации режимов различны в разные периоды плавки. Все они основываются на критерии минимизации себестоимости выплавленного металла при увеличении производительности и максимальном энергосбережении.
В период расплавления шихты при отсутствии ограничения электропотребления стремятся ввести максимальную мощность в режиме максимальной излучательной способности дуги («коэффициент износа футеровки» Яр)
при относительных токах I = II =0,5-0,6 [2]. Это осуществляется использо-
/ 1к
ванием повышенных вторичных напряжений (до 1600 В), предвключенных реакторов и длинных дуг, обеспечивающих высокие КПД дуги и электрический КПД (рис. 7) [10]. В результате увеличивается скорость расплавления металла при снижении расхода электроэнергии. При этом обеспечивается уменьшение вредного влияния на сеть из-за низкой кратности тока КЗ [8]. По мере прохождения периода расплавления напряжение, а следовательно, и длина дуги должны постепенно снижаться и наводится вспененный шлак.
В период нагрева жидкого металла критерии оптимизации режима меняются. Главным является согласование времени нагрева металла до температуры слива с временем технологических операций по рафинированию металла при максимальном снижении электропотребления.
Рабочая точка режима перемещается в сторону относительных токов, соответствующих максимуму коэффициента нагрева металла КИН (( = 1/1к = 0,8 - 0,85) и выбору напряжения и мощности трансформатора по требуемой скорости нагрева метала (рис. 8) [2, 10]. При этом желательно обеспечить заглубление дуг в шлак и металл.
Лд
1д
Рис. 7. Влияние длины дуги на КПД дуги в различные моменты плавки: кривая 1 - проплавление колодцев; 2 - начало раскрытия колодцев; 3 - доплавление шихты; 4 - нагрев жидкой ванны металла; 5 - нагрев металла с наведенным вспененным шлаком
Рпот , o.e.
Рд.м
0,8 0,6 0,4 0,2 e.e
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 I, о.е.
Рис. 8. Влияние тока печи на относительные тепловые потери: кривая 1 - ДСП-6; 2 - ДСП-25
Длительность периода нагрева жидкого металла велика только на литейных и спецэлектрометаллургических печах малой и средней емкостей. На печах большой емкости этот период значительно сокращен из-за переноса металлургических операций в агрегаты внепечного рафинирования.
Рассмотренный выше материал показывает, что в настоящее время в мире и в России применяются современные ДСП, реализующие разнообразные методы повышения экономической эффективности и снижения энергопотребления. Современные печи отличаются большими размерами корпуса и лучшими показателями работы. Удельные мощности в среднем составляют 1,0 MB-А/т при максимуме 1,5 MB А/т, коэффициент излучательной способности дуги увеличен до 250 кВт-В/см2. Снижение удельного расхода электроэнергии характерно в основном для печей в странах с запасами химической энергии и при использовании нового поколения газовых горелок и инжекторов кислорода, а также методов утилизации тепла. Уменьшение продолжительности плавки достигается путем увеличения количества горелок и инжекторов кислорода и повышения их мощности. В новых печах мощность горелок составляет до 40-50% электрической мощности.
Примером высокоэффективных современных ДСП может служить установленная на заводе компании lcdas Celik Energy Tersane v. Ulasim Sayayi AS 175-т дуговая печь конструкции фирмы Concast AG с трансформатором мощностью 168 МВА, работающая с горелками мощностью 39 МВт и с подогревом лома [7]. Производительность печи составляет 230 т/ч при расходе электроэнергии 325 кВт-ч/т (с холодным ломом) и 290 кВт-ч/т (при нагреве лома до 200°С), удельном расходе кислорода 47 м3/т.
Литература
1. Миронов Ю.М. Электротехника электрометаллургических печей дугового, резистивно-го и смешанного нагрева. М.: ИНФРА-М, 2018. 336 с. DOI: 10.12737/monography 5acf67dd383773..64112431.
2. Миронова А.Н., Миронов Ю.М. Энерготехнологическая эффективность дуговых сталеплавильных печей / под ред. Ю.М. Миронова. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 1999. 354 с.
/ S—-
\
/ у \ 2
3. Тулуевский Ю.Н., Зинуров И.Ю. Инновации для дуговых сталеплавильных печей. Научные основы выбора. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2010. 347 с.
4. Ферри М.Б. Самая крупная в мире установка CONSTEEL снабжает сталью производство полосы на заводе Arvedi // Сталь. 2010. № 11. С. 31-34.
5. Adams W., Allameddine S., Bowman B., Lugo M., Palge S., Stafford P. Total energy consumption in arc furnaces. MPT Int., 2002, 25, no. 6, рр. 44-50.
6. Alzetta F., Poloni A., Ruscio E. Revolutionary new hidh-tech electric arc furnact. MPT International, 2006, no. 5, pp. 48-55.
7. Cottardi R., Miani G., Partyka A., Movak H.A. Design and performance of UUCP (Ultrahigh chemical power) EAF. Steel Times Int., 2006, no. 6, pр. 17-19.
8. Mironov Yu.M. Effect of the Secondary Current Lead Resistances on the Properties of an Arc Steel-Melting Furnace as a Receiver and Transformer of Electric Power. Metally (Russian Metallurgy), vol. 2009, no. 8, pp. 1-5. D0I:10.1134/S0036029509080138.
9. Mironov Yu.M., Petrov V.G. Heat loss and energy efficiency of Arc Steel-Melting furnaces. Russian Metallurgy (Metally), 2010, vol. 2010, iss. 12, pp. 1141-1144. DOI: 10.1134/S0036029510120141.
10. Mironov Yu.M., Petrov V.G. Thermal Operation of Arc Foundry Furnaces. Metally (Russian Metallurgy), 2010, vol. 2010, iss. 6, pp. 522-525.
МИРОНОВ ЮРИЙ МИХАЙЛОВИЧ - доктор технических наук, профессор кафедры электротехнологий, электрооборудования и автоматизированных производств, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (mironovu@mail.ru).
МИРОНОВА АЛЬВИНА НИКОЛАЕВНА - доктор технических наук, профессор кафедры электротехнологий, электрооборудования и автоматизированных производств, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (Almir37@mail.ru).
Yu. MIRONOV, A. MIRONOVA
ECONOMIC EFFICIENCY INCREASE OF ELECTRIC ARC FURNACES BY OPTIMIZING THEIR ENERGY CONSUMPTION
Key words: cost of smelting of a ton of steel, electricity consumption, power loss, heat loss, reduction of losses, preheating of charge, burners, oxygen, waste gas disposal.
The main directions of cost reduction in smelting a ton of steel in electric arc furnace shave been determined and the role of reducing energy consumption in this process has been defined from economic analysis. Actions to reduce power losses due to melting conditions optimization, structural changes of the furnaces and current frequency reduction are considered. Methods to reduce heat losses from waste gases through the lining and during "hot" and "cold" downtime of arc furnaces are described. Energy balance of the electric arc furnace is analyzed. It is shown that significant energy consumption reduction in addition to reducing energy losses can be achieved due to the increase of charge enthalpy by heating it using fuel and oxygen burners both outside the furnace and during the process of metal melting. An effective method of optimization is waste gas heat recovery. Various ways of this process are considered. Methods to reduce energy consumption by optimizing electric melting conditions are described.
References
1. Mironov Yu.M Elektrotehnika elektrometallurgicheskikh pechei dugovogo, rezistivnogo i smeshannogo nagreva [Electrical engineering to Electrometallurgy arc furnaces, resistive and mixed heating]. Moscow, INFRA-M. Publ., 2018, 336 р. DOI: 10.12737/monography 5acf67dd383773..64112431.
2. Mironov Yu.M., ed.; Mironova A.N., Mironov Yu.M. Energotehnologicheskaya effektivnost' dugovykh staleplavil'nykh pechei [Effectiveness of Energotechnological arc steel furnaces]. Cheboksary, Chuvash State University Publ., 1999, 354 р.
3. Tuluevskii Yu.N., Zinurov I.Yu. Innovacii dlya dugovykh staleplavil'nykh pechei. Nauchnye osnovy vybora [Innovation for electric arc furnaces. Scientific basis for selection]. Novosibirsk, State Technicasl University Publ., 2010, 347 p.
4. Ferri M.B. Samaya krupnaya v mire ustanovka CONSTEEL snabzhaet stal'yu proizvodstvo polosy na zavode Arvedi [World's largest installation CONSTEEL supplying steel production at the plant strips Arvedi]. Stal', 2010, no. 11, pp. 31-34.
5. Adams W., Allameddine S., Bowman B., Lugo M., Palge S., Stafford P. Total energy consumption in arc furnaces. MPT Int., 2002, 25, no. 6, pp. 44-50.
6. Alzetta F., Poloni A., Ruscio E. Revolutionary new hidh-tech electric arc furnact. MPT International, 2006, no. 5, pp. 48-55.
7. Cottardi R., Miani G., Partyka A., Movak H.A. Design and performance of UUCP (Ultrahigh chemical power) EAF. Steel Times Int., 2006, no. 6, pp. 17-19.
8. Mironov Yu.M. Effect of the Secondary Current Lead Resistances on the Properties of an Arc Steel-Melting Furnace as a Receiver and Transformer of Electric Power. Metally (Russian Metallurgy), vol. 2009, no. 8, pp. 1-5. DOI: 10.1134/S0036029509080138.
9. Mironov Yu.M., Petrov V.G. Heat loss and energy efficiency of Arc Steel-Melting furnaces. Russian Metallurgy (Metally), 2010, vol. 2010, iss. 12, pp. 1141-1144. DOI: 10.1134/S0036029510120141.
10. Mironov Yu.M., Petrov V.G. Thermal Operation of Arc Foundry Furnaces. Metally (Russian Metallurgy), 2010, vol. 2010, iss. 6, pp. 522-525.
MIRONOV YURI - Doctor of Technical Sciences, Professor, Department of Electrotechnics, Electric Equipment and of Automated Productions, Chuvash State University, Russia, Cheboksary (mironovu@mail.ru).
MIRONOVA ALVINA - Doctor of Technical Sciences, Professor, Department of Electrotechnics, Electric Equipment and of Automated Productions, Chuvash State University, Russia, Cheboksary (Almir37@mail.ru).
Формат цитирования: Миронов Ю.М., Миронова А.Н. Повышение экономической эффективности дуговых сталеплавильных печей с помощью оптимизации их энергопотребления // Вестник Чувашского университета. - 2018. - № 3. - С. 79-92.
