CC BY
217
ВВ/ЛГГГГ^ГГГ^ЛЛ^ГГГЯ
УДК 669.71. 8 Поступила 14.12.2015
РАБОТА ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОЙ ПЕЧИ С ЖИДКИМ ОСТАТКОМ МЕТАЛЛА
OPERATION OF THE ELECTRIC ARC FURNACE WITH LIQUID RESIDUES METAL
А. Б. СТЕБЛОВ, ГНУ «Физико-технический институт НАНБеларуси», г. Минск, Беларусь, ул. Купревича, 10. E-mail: anver_Steblov@mail.ru.
A. B. STEBLOV, Physical and Technical Institute ofNational Academy of Sciences of Belarus, Minsk, Belarus, 10, Kuprevich str. E-mail: anver_Steblov@mail.ru.
Исследованиями установлено положительное влияние увеличения массы жидкого остатка (болота) в электродуговой печи ДСП-160 с 10 до 20-30 т на повышение выхода годного и снижения удельного расхода электроэнергии на 1 т жидкого металла.
Investigations have shown a positive impact of increasing the mass of the liquid residue (swamps) in an electric arc furnace EAF-160, from 10 to 20-30 tonnes on increasing of usable output and reducing the specific energy consumption per ton of liquid metal.
Ключевые слова. Электродуговая печь (ДСП), жидкий остаток «болота», выход годного, удельный расход электроэнергии на 1 т жидкого металла.
Keywords. Electric arc furnace (EAF), liquid residue «swamp», output of suitable, specific energy consumption per ton of liquid metal.
В технической литературе и отчетах по работе электродуговых сталеплавильных печей (ДСП) различных заводов приводятся данные о положительном влиянии массы жидкого остатка «болота» на энерготехнологические показатели ДСП и выгод годного [1-9] . Эти выводы основаны как на физических методах исследования и математическом моделировании процесса ведения плавки с жидким остатком, так и на статистических показателях работы электродуговых печей переменного тока различной мощности . Статистический подход имеет свои преимущества перед физическим методом выявления зависимостей между параметрами и функцией отклика Это относительная простота использования и быстрое получение результата, точность прогнозирования и возможность использования полученных уравнений в автоматизированной системе управления . Недостатком является возможность использования полученных результатов только на конкретном производстве, где были получены данные для статистического анализа
За последние 30 лет на металлургических предприятиях доля болота в ДСП с верхней загрузкой шихты увеличилась с 13,6 до 22% . Оптимальная масса болота для каждой конкретной печи определяется исходя из общего объема металла в плавке и геометрии ванны .
Данные по массе «болота» электродуговых плавильных печей переменного тока приведены в табл . 1.
Таблица 1
Предприятие Емкость печи, т Масса плавки, т Масса болота, т % к массе плавки
ОАО «ММК», Россия ЭДП переменного тока типа Данарк VAI FUCHS 180 30 16,6
НСМЗ, г Ревда, Россия VAI FUCHS EAF AC E 120 15 12,5
Gerdau Amensteel USA Джексонвиль ДСП-100 Danieli 100 18 18,0
Nucor Jewett, Техас Concast AG SMS Demag 80 140 82 10 15 25-35 12,5 11,0 30-42
агггг^ IT гс лтита /В7
-1 (82), 2016 / U И
Продолжение табл.1
Предприятие Емкость печи, т Масса плавки, т Масса болота, т % к массе плавки
ПФ ТОО Кастинг, Павлодар, Украина ДСП-25 28 3 10,7
ЗАО «ММЗ», Приднестровье ДСП-120 110 10 10
Истил, Украина ДСП 136 120 16 13,3
ОАО «БМЗ», Беларусь ДСП-100 100 10-15 10-15
ОАО «ОМК», г Выкса, Россия ДСП-160 160 30 18,75
Рис . 1 .Изменение РК
ДСП
Масса болота,
в зависимости от массы «болота»
Для нахождения оптимума по массе болота необходимо учитывать, что с ростом массы болота производительность ДСП снижается (в ковш сливается меньше металла) . При увеличенном болоте больше накопленного тепла в печи, следовательно, выше конвективный теплообмен в жидком металле, однако происходит снижение КПД за счет преимущественно открытого горения дуг, поэтому следует учитывать и корректировать технологический режим плавления в зависимости от фактической массы жидкого остатка от предыдущей плавки . Болото от предыдущей плавки позволяет быстрее плавить шихту. Обеспечивается стабильный электрический режим, позволяющий вводить в рабочее пространство печи максимально возможный уровень активной мощности . Тепло жидкого остатка металла при завалке шихты на отдельных плавках может достигать 30% от теоретически необходимого тепла. Остатки жидкого металла позволяют при интенсивном введении кислорода за более короткое время получить быстро реагирующие шлаки для дефосфорации . Также сохраняется энергия оставшихся в печи шлаков, что способствует десульфурации При работе с болотом более эффективно используются фурмы для продувки металла кислородом и углеродсодержащими порошками; ранний процесс шлакообразования способствует образованию жидкого и однородного шлакового покрова; активнее протекают реакции на границе шлак-металл, обеспечивая оптимальное содержание в шлаковом расплаве оксидов железа . Концентрация газов в металле снижается, сталь меньше окисляется
В данной работе приведены результаты исследований по влиянию массы болота на выход годного (РКдсп) и энерготехнологические показатели работы ДСП-160 Выксунского металлургического завода . РКдсп - расходный коэффициент на электродуговой печи, вычисляемый как отношение массы шихты к массе жидкого металла на выпуске из печи:
, т/масса металла на выпуске из ДСП, т.
В соответствии с контрактом на поставку ДСП-160 фирмой Danieli рекомендуемая масса болота - 30 т, однако фактически завод работал со средней массой болота около 10 т. Металл из печи полностью сливался в среднем после 170 плавок . Масса болота фиксируется в автоматизированной системе контроля технологических параметров «СПЛАВ» как разница между массой загруженной шихты и слитой жидкой стали в сталеразливочный ковш до подачи в него ферросплавов Также на каждой плавке осуществляется визуальный контроль глубины ванны щупом через завалочное окно печи
На рис . 1 показано изменение РКдсп от массы болота, которое построено по выборке из 9252 плавок . Каждая точка на рисунке представляет собой совокупность идентичных данных, поэтому после обработки выборки по стандартной программе в EXCEL таких плавок осталось n = 604 . Получено корреляционное уравнение для прогнозирования РКдсп в зависимости от изменения массы болота от 0 до 30 т:
РКДСП = 1,2337 - 0,00003Х3 + 0,0016Х2 - 0,0269Х, (1)
где Х - масса болота в интервале 0-26 т.
Множественный коэффициент корреляции R = 0,67 . Стандартная ошибка сош = 0,027 .
РК = S
^ДСП - ^всей шихты
И1Г ГГТГгГ гг ГЛГТГГТЛЛТГГГГГГ_
/ 1 (82), 2816-
Разброс значений (среднеквадратичное отклонение) по выборке вокруг среднего значения составляет довольно большую величину с = 0,07 . Это видно и на рисунке: РКдсп = 1,1 присутствует и на массе болота, равной 0,1 т и при 26 т. Всего в выборке присутствовало 1724 плавки с массой болота до 5 т, в том числе 58 плавок после слива жидкого остатка полностью и ремонта подины .
В табл . 2 приведены данные (средние значения по выборке) по некоторым технологическим факторам плавки (всего исследовалось 58 факторов), статистически значимо влияющие на РКдсп в интервалах изменения жидкого остатка «болото» .
Таблица 2
Параметр (среднее значение) Масса болота, т
0 5 15 более 20
ркдсп 1,227 1,12 1,107 1,088
Масса болота, т 0 5,7 10,4 20,4
Сумма металлошихты, т 193,3 175,6 175,1 175,9
Масса металла на выпуске, т 158,2 156,0 158,2 161,7
Количество корзин 2,8 2,3 2,3 2,2
Суммарная длительность плавки, мин 79,2 63,1 62,8 62,2
Суммарная длительность плавки без простоев, мин 57,9 55,4 55,3 55,1
Время под током, мин 53,4 41,4 41,4 41,0
Длительность работы без тока, мин 15,4 12,6 12,4 12,4
Рафинирование, мин 21,4 15,9 15,9 14,4
Длительность технологических простоев, мин 21,28 7,73 7,44 7,18
Удельный расход электроэнергии на тонну, кВт.ч/т 465,1 405,8 401,1 400,4
Суммарная электроэнергия на плавку, МВт 75,4 64,6 64,8 65,9
Удельный расход газа, м3/т 7,2 5,6 5,7 5,2
Удельный расход графита, кг/т 11,5 9,3 9,0 8,9
Удельный расход кислорода О2, м3/т 39,3 35,2 33,6 31,4
Удельный расход извести, кг/т 58,3 51,5 50,1 46,7
Удельный расход угля, кг/т 2,8 1,6 1,03 1,06
Последний замер С, % 0,088 0,103 0,11 0,106
Последний замер Р,% 0,008 0,006 0,006 0,006
Последний замер Оррт 639,5 716,6 696,9 685,5
Последний замер Сррт 0,089 0,083 0,088 0,085
Содержание FeO в шлаке, % 31,3 33,2 32,2 33,2
Из таблицы видно, что худшие показатели по РКдсп = 1,227 и основным технологическим параметрам относятся к плавкам без болота .
В процессе работы статистически подтверждена гипотеза по влиянию массы болота на энергетические показатели работы ДСП и, как следствие, на РКдсп • Вопреки мнению о снижении производительности печи при увеличении массы жидкого остатка на плавках с увеличенным болотом > 20 т масса слитого металла увеличилась в среднем на 2,5 т
Полученное выражение позволяет сделать прогнозный расчет выхода годного (РКдсп) по жидкой стали, слитой из ДСП:
РКДСП = Х0 + Х1 + Х2 -Х3 -Х4 -Х5 + Х6 + Х7 + Х8 -Х9 • (2)
Ниже приведены коэффициенты регрессии для членов уравнения, по которому выполняется расчет.
Номер фактора Параметры Коэффициенты Стандартная ошибка
Х0 Свободный член 0,95 0,0048
Х1 Количество корзин +0,0027 0,0007
Х2 Удельный расход О2, м3/т +0,0033 0,00008
Хэ Лом 2АШ, шредированный лом, т -0,00018 0,00002
Х4 Масса болота, т -0,0021 0,000098
Х5 У т ^чугун? * -0,0008 0,00007
Х6 Длительность простоев, мин +0,0002 0,00005
Х7 Увремя под током, мин +0,002 0,00011
Х8 Удельный расход графита, кг/т +0,0015 0,00016
Х9 Последний замер Срип -0,037 0,0094
R = 0,82, сош = 0,022
_агтггг г: гспгшст Iте I со
-1 (82), 2016/ 11«
В табл . 3 даны расчетные значения РКдСП для различных вариантов распределения факторов Х1-Х9 действующей технологии: параметры на минимальном, среднем и максимальном уровнях. Для обеспечения достоверности статистических выводов рассматривали однородные совокупности данных, объединенных в генеральную совокупность из выборок со статистически равными по средним значениям и дисперсиям исследуемых факторов . Для получения уравнения (2) были использованы данные плавок с однородной по составу шихтой в завалке и технологией выплавки . Тем не менее, установлено, что при всех равных условиях на плавках с минимальным жидким остатком или его отсутствие усредненное значение загружаемых корзин по выборке данных возрастает. Также на этих плавок увеличиваются общая длительность плавки, удельные расходы потребления электроэнергии и вводимых энергетических составляющих в виде углерода, кислорода и газа
Таблица 3
Номер фактора Параметры Значение параметра технологии
минимальное среднее максимальное оптимальное
+Х1 Количество корзин 2 2,31 4 2
+Х2 Удельный расход О2, м3/т 31,8 34,1 35,9 35
Лом 2АШ, т 0 21,7 91 60
-Х4 Масса болота, т 0 9,12 33,5 25
-Х5 У т чугуна' 0 20,1 41,2 20
+Хб Длительность простоев, мин 0 7,7 29,6 0
+Х7 ^длительность под током, МИН 32,2 41,5 61,2 36
+Х8 Удельный расход графита, кг/т 4,2 9,1 20,2 10
-Х9 Последний замер Сррт 0 0,09 0,8 0,12
Значение расчетного РКДСП при выбранных параметрах технологии
РКДСП 1,045 1,113 1,329 1,063
Оптимальное значение РКдсп = 1,063 соответствует средним значениям статистически значимо влияющих факторов при количестве завалочных корзин 2, массе «болота» 25 т, несколько повышенных расходах кислорода (35,0 м3/т), графита (10 кг/т), длительности работы печи под током 36 мин, длительности простоев 0 мин
Наряду с полученными уравнениями для расчета РКдсп были установлены зависимости влияния массы болота на энерготехнологические параметры плавки: удельный расход электроэнергии на 1 т и длительность работы ДСП под током (рис . 2) .
В исследуемую базу данных включены плавки, назначаемые на стали марок 09Г2С-2, 22ГЮ-7, 17Г1С, 2пс . Количество плавок после отсева ошибочных измерений составило п = 2641.
Из рисунка видно, что масса болота более 15 т существенно влияет на исследуемые факторы . На плавках с болотом около 20 т эти показатели снижены в среднем на 15% в сравнении при загрузке шихты на сухую подину. Технологические параметры выплавки полупродукта в ДСП-160 приведены в табл . 4 .
О 5 10 15 20 25 30 35 0 5 10 15 20 25 30 35
Масса болота, т Масса болота, т
а б
Рис . 2 . Влияние массы жидкого остатка в печи «болото» на удельный расход электроэнергии (а) и длительность работы под
током (б)
7П / А ГТТТгГ? г: ГТГГГГТЛ ГТГГГГТ ■ 11 / 1 (82), 2816-
Таблица 4
Фактор Параметр технологии Среднее Максимум Минимум
Y Удельный расход электроэнергии, кВт-ч/т 404,71 527,4 349,3
+Х1 У т ^масса металлошихтьр 175,62 209,9 148,2
-Х2 Масса болота, т 9,26 33,5 0
+Х3 У длительность работы под током, мин 41,72 70,2 32,9
+Х4 Рафинирование, мин 16,23 35,9 7,8
+Х5 ^длительность плавки без простоев, МИН 55,45 76 52,1
+Х6 Удлительность пшстоев, МИН 7,88 29,5 0
+Х7 Удельный расход извести, кг/т 51,29 93,6 35,1
Было получено регрессионное уравнение для расчета суммарного количества электроэнергии на плавку:
Т(кВт-ч/т) = 145,06 + 20,92Х1-1,83Х2 + 1,31Х3 + 0,3Х4 + 0,033Х5 + 0,216Х6 + 0,7Х7, (3)
Я = 0,79, сош = 15,9, п = 6204 .
В табл . 5 приведены расчетные значения удельного расхода электроэнергии на 1 т по уравнению (3) в зависимости от вариантов распределения значимых параметров: все факторы на среднем уровне; все факторы имеют максимальные значения; все факторы имеют минимальные значения .
Таблица 5
Варианты Т, кВт'ч/т +ХЬ т -Х2, т +Х3, мин +Х4, мин +Х5, мин +Х6, мин +Х7, кг/т
Среднее 404,7 175,6 9,26 41,7 16,23 55,45 7,88 51,3
Оптимум 371,2 195 30 37 15 50 3 45
Анализ уравнения (3) показывает, что расчетное значение Т(УкВт»ч/т) при оптимальных параметрах ниже на 33,5 кВт^ч/т в сравнении с распределением параметров на среднем уровне .
В данном уравнении максимальное влияние среди исследуемых факторов имеет масса шихты . Влияние массы всей шихты Х1 на искомую функцию составляет 6% . Другие факторы оказывают меньшее влияние . Например, влияние болота составляет 4% на каждые 10 т шихты . В целом в зависимости от технологии расход электроэнергии можно существенно снизить не менее чем на 30% . В уравнение не включены кислород, уголь, газ, которые снижают потребление электроэнергии на 1 т металла, но в данной выборке они имеют не высокую статистическую значимость
По удельному расходу электроэнергии Х(кВт»ч/т) можно рассчитать суммарное количество поданной электроэнергии на плавку Т(УМВт):
Т(УМВт) = 0,175Х(кВт-ч/т) - 4,623, Я = 0,92, сош = 10,4 . (4)
Таким образом, среднему значению удельного расхода электроэнергии на 1 т жидкой стали 404,7 кВт.ч/т соответствует суммарное значение мощности электроэнергии на всю плавку 66,20 МВт
Используя результаты исследований, ОАО «ОМК» во втором полугодии 2015 г. увеличил массу болота до 20 т и более, что положительно сказалось на экономических показателях работы цеха и снижении фосфора в металле на сливе в ковш . Если на плавках с болотом до 5 т содержание фосфора было в конце плавки 0,0066%, то на плавках с болотом более 20 т он снижается до 0,0058% . Содержание Р2О5 в шлаке не изменилось и составляет 0,522% .
В данной статье не приводятся подробные сведения по влиянию энерготехнологических режимов на окисленность шлака БеО и РКдсп • Следует отметить, что изменение заводской технологии коснулось не только увеличения массы болота (Мб) в среднем от 9,3 до 22,4 т, но также уменьшен объем подаваемого в печь кислорода в среднем с 47,6 до 34,12 м3/т. Это привело к снижению БеО в шлаке в среднем с 37,7 до 27,4%, соответственно снизился и расходный коэффициент на плавку
Получено уравнение, позволяющее рассчитать влияние массы болота и БеО на РКдсп:
РКдсп = 1,09 - 0,004(Мб) + 0,002 БеО, Я = 0,92, сош= 10,4 . (5)
Из уравнения (5) следует, что увеличение массы болота (Мб) с 9,12 до 22,4 т в среднем за период исследования и снижение БеО в шлаке на 10% уменьшает расчетное РКдсп с 1,128 до 1,0552, что дает экономию шихты 6,4 кг/т
мтг^г. ктмттг. /т|
-1 (82), 2016 /II
Выводы
Проведенные статистические исследования данных по 58 технологическим факторам выплавки жидкого полупродукта в ДСП-160 ОАО «ОМК» свидетельствуют о положительном влиянии увеличения массы болота (жидкого остатка) в печи . В среднем увеличение от 9,12 до 22,4 т снизило расходный коэффициент при выплавке с 1,113 до 1,063, удельный расход электроэнергии на 1 т жидкой стали снизился с 404,7 до 371,2 кВт-ч/т, длительность работы печи под током уменьшилась с 41,7 до 37 мин .
Литература
1. A d a m s W. , A l a m e d d i n e S . , B o w m a n B . , L u g o N . , P a l g e S . , S t a f f o r d P. Total energy consumption in arc furnaces // MPT Int . 2002. Vol . 25 . no . 6 . pp . 44-46 . 48-50 (англ . ) .
2 .О п ф е р м а н A . , Г р о с с е A . , Б а у м г а р т н е р C . , Р а й д и н г е р Д. Повышение эффективности использования энергии // Черные металлы . 2010 . Февраль . С . 57-62.
3 .Г у д и м Ю . А . , З и н у р о в И. Ю . , К и с е л е в А .Д. , Ш у м а к о в А . М. Рациональные способы интенсификации плавки в современных дуговых сталеплавильных печах // Электрометаллургия . 2005 . № 9 . С . 2-6 .
4 .К о з ы р е в Н .А . , Г о д и к Л. А . , Д е м е н т ь е в В . П . , О б ш а р о в М. В . , Ш у к л и н А .В . Отработка технологии выплавки «на болоте» рельсовой стали в дуговых электропечах // Черная металлургия . 2003 . № 10 . С . 45-47.
5 .К р и в ч е н к о Ю .С . , М а л и к А .А . , У г о л к о в В .А . , П о п о в В . П . Строительство литейно-прокатного комплекса
000 «ОМК-Сталь» в Выксе . Сталеплавильное производство // Металлургическая и горнорудная промышленность . 2009 . № 1. С.12-20 .
6 .С т р а ш н о в М . М. , К а ц Я .Л . Методика расчета оптимальных параметров работы в ДСП-60 для снижения расхода электроэнергии и увеличения выхода годного // Черные металлы . 2006 . Сентябрь . С . 21-25 .
7 .Б е л к о в с к и й А .Г. , К р а с н я н с к и й М. В . , К а ц Я .Л. Повышение эффективности производства стали на электрометаллургических заводах малой производительности // Бюлл . Черная металлургия. 2015 . № 2 . С . 40-48 .
8 .Б е л к о в с к и й А .Г. , К а ц Я .Л . , С и в а к Б .А . , П а с е ч н и к Н .В . Будущее дуговых сталеплавильных печей в специализации их конструкции // Черные металлы . 2013 . Март. С . 14-19 .
9 .Х р а п к о С .А . , С т а р о с о ц к и й А .В . , З а й ц е в М. В . , О н и щ у к С .В . , Т и щ е н к о И . П . Расчет температуры металла в дуговой печи с учетом массы «болота» // Системные технологии . 2010 . № 2(67) . С . 81-87 .
References
1. A d a m s W. , A l a m e d d i n e S . , B o w m a n B . , L u g o N . , P a l g e S . , S t a f f o r d Р. Total energy consumption in arc furnaces . MRT Int. 2002. Vol . 25, no . 6 . 44-46, 48-50 pp . (ingl. ).
2 . О p f e r m a n A . , G r o s s e A . , B a u m g a r t n e r S . , R a i d i n g e r D . Povyshenie effektivnosti ispolzovanij energii [Improving the efficiency of energy use], Chernie metally = Ferrous metals, 2010 . February, pp . 57-62 .
3 . G u d i m Y. , Z i n u r o v I . , K i s e l y o v A . , S h u m a k o v A . Razionalnie sposoby intesificasii plavki v sovremennyh dugovyih staleplavilnih pechah [Rational ways of intensification of melting in modern electric arc furnaces . ]. Electrometallurgiya = Electrometallurgy, 2005, no 9, pp 2-6
4 .K o z y r e v N . , G o d i k L . , D e m e n t ' e v V. Otrabotka technologii vyplavki «та bolote» relsovoj stali v dugovyh pechah [Testing technology of smelting «the swamp» of rail steel in electric arc furnaces] . Chernaya metallurgiya = Ferrous Metallurgy, 2003, no . 10, pp . 45-47.
5 .K r i v c h e n k o Y. , M a l i k A . , U g o l k o v V. , P o p o v V. Stroitelstvo litejno-prokatnogo kompleksa OOO «ОМК-STAL» v Vykse [Construction foundry-rolling complex LLC «OMK-Steel» Vyksa . Steelmaking] . Metallurgicheskaya i gornorudnaya promyshlennost' = Metallurgical and mining industry, 2009, no . 1, pp . 12-20 .
6 . S t r a s h n o v M. , K a t z Y. Metodika pascheta optimalnyh parametov raboty v DSP-60 dlya snizheniy rashoda elektroenergii
1 uvelicheniy vyhoda godnogo [The methodology for calculating the optimal parameters of the DSP-60 in order to reduce power consumption and increase the yield of usable], Chernie metally = Ferrous metals. September, 2006, pp . 21-25 .
7 . B e l k o v s k y A . , K r a s n y a n s k y M . , K a t z Y. Povyshenie effectivnosti proizvodstva stali na elektrometallurgicheskih zavodah maloy proizvoditelnosti [Increasing the efficiency of production of steel on steel plant with low productivity], Chernie metallurgiya = Ferrous metallurgy, 2015, no . 2, pp. 40-48 .
8 . B e l k o v s k y A . , K a t z J. , S i v a k B . , P a s e c h n i k N Budushee dugovyh staleplavilnyh pechey v spetsializatsii ih konstruktsii [The future of electric arc pechey- specialization in their design] . Chernie metally = Ferrous metals, march, 2013, pp . 14-19 .
9 . H r a p k o S . , S t a r o s o t s k y A . , Z a i t s e v M . , O n i s c h u k S . , T i s h c h e n k o I . Raschet temperature metalla v dugovoy pechi s uchetom massy «bolota» [Calculation of metal temperature in arc furnaces taking into account the mass of «Swamp»] . Sistemnye technologii = System technologies, 2010, no . 2 (67), pp . 81-87 .
