CC BY
133
УДК 669.187
РАЦИОНАЛЬНЫЕ СПОСОБЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПЛАВКИ В СОВРЕМЕННЫХ ДУГОВЫХ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ПЕЧАХ
Ю.А. Гудим, И.Ю. Зинуров, А.Д. Киселев, АЖ Шумаков
Прогресс в развитии электротехники, машиностроения, производства огнеупоров и электродов, появление водоохлаждаемых панелей стен и свода позволили в последней четверти XX века скачкообразно интенсифицировать плавку стали в результате широкого применения сверхмощных дуговых печей и разработанной для них современной технологии плавки с использованием «альтернативных» источников энергии. Показатели электроплавки стали продолжают улучшаться.
Однако по-прежнему остаются актуальными проблемы максимального увеличения производительности дуговых печей при сравнительно небольших дополнительных капитальных затратах, уменьшении тепловых нагрузок от мощных электрических дуг на футеровку печи за счет увеличения расхода «альтернативных» источников энергии при уменьшении расхода электроэнергии на плавку.
В современном электросталеплавильном производстве используют как раздельно, так и комплексно различные способы интенсификации плавки:
- применяют топливо-кислородные горелки для подогрева и ускорения плавления лома;
- окисляют газообразным кислородом дополнительно вводимый в печь углерод для увеличения прихода тепла;
-окисляют газообразным кислородом часть железа шихты для увеличения прихода тепла и ускорения формирования основного окислительного шлака;
-используют жидкий чугун в качестве составляющей шихты для ускорения расплавления лома за счет физического тепла и тепла реакций окисления составляющих чугуна;
- подогревают лом, используя физическое тепло отходящих печных газов;
-применяют специальные фурмы для дожигания СО в рабочем пространстве печи;
- используют газообразный кислород для интенсификации окислительного периода плавки;
- применяют донную или глубинную продувку ванны инертным газом;
- применяют специально подготовленный лом, работают с «болотом» на вспененном шлаке.
В результате «массированного» применения различных способов интенсификации в современных электросталеплавильных цехах существенно возросли удельные расходы «альтернативных» энергоносителей: природного газа до 8-10 м3/т стали, кокса или угля до 15 кг/т; газообразного кислорода до 45 м3/т. В связи с этим длительность
плавки в сверхмощных печах большой емкости сократилась до 40-60 мин. Но, к сожалению, снизился выход жидкого металла до 86-92 % от массы загруженных железосодержащих материалов (в старых печах, работавших без существенной интенсификации плавки выход годного по железу составлял не менее 96-96,5 %). За плавку в современной дуговой печи теряется 8-14 % железа шихтовых материалов, из них 3,5-8,5 % в виде оксидов железа шлака, 2,5-3,0 % - в виде корольков и мелкого скрапа в шлаке и до 1,5-2,5 % с отходящими газами. Возросшие объемы производства электростали делают актуальной проблему рециклинга железа, содержащегося в печных шлаках и шламах газоочистки.
Использование различных видов «альтернативной» энергии в современных сверхмощных печах неравноценно при учете величины эксплуатационных затрат, влияния на себестоимость выплавляемого металла. Экономическая эффективность применения конкретного вида «альтернативной» энергии при выплавке стали в дуговой печи в значительной степени определяется стоимостью одного кВт ч тепловой энергии, усвоенной выплавляемой сталью.
Нами выполнена сравнительная оценка стоимости одного кВт ч тепловой энергии, полученной металлом и шлаком, на одном из отечественных заводов при использовании различных энергоносителей (см. таблицу).
При проведении расчетов приняли следующие допущения: степень полезного использования расплавом тепла, выделяющегося в электрических дугах, составляет 75 %; в стоимость тепловой энергии, полученной ванной от дуг, включена стоимость израсходованных электродов; усвоение тепла от окисления кислородом железа и других компонентов шихты (Мп, БО - 100 %, усвоение тепла от сжигания природного газа в газокислородных горелках - 50 %; степень дожигания СО до С02 в объеме печи - 50 %; усвоение тепла от дожигания СО - 30 %. Температуру заливаемого в печь чугуна принимали равной 1300 °С. Стоимость израсходованного кислорода и затраты на его подогрев учитывали для всех вариантов его использования.
Приводимые в таблице результаты расчетов показывают, что наименьшая стоимость 1 кВт ч тепловой энергии, переданной металлу и шлаку, обеспечивается при сжигании природного газа в газокислородных горелках, она намного ниже стоимости энергии, передаваемой металлу и шлаку дугами. Наиболее высокой является стоимость
Стоимость 1 кВт-ч энергии (в), усваиваемой металлом и шлаком, при использовании различных ее видов
Вид энергии G
руб. %
Электроэнергия, вводимая в печь 1,22 100,0
Энергия реакции окисления железа шихты газообразным кислородом 2,89 236,9
Энергия окисления углерода шихты (лома, кокса, порошка углерода) газообразным кислородом 1,53 125,4
Энергия от сжигания природного газа в газокислородных горелках 0,39 32,0
Энергия, полученная от применения жидкого чугуна (физическое тепло и энергия реакций окисления компонентов чугуна кислородом) 2,30 188,5
тепловой энергии, получаемой при окислении железа шихтовых материалов газообразным кислородом. Энергия, получаемая расплавом от окисления углерода, вносимого ломом и коксом, несколько дороже, чем энергия, вносимая дугами, но замена дорогостоящего кокса на более дешевый уголь, существенно снизит ее стоимость.
Поэтому для снижения расходов по переделу и, соответственно, себестоимости стали, производство ее в дуговой электропечи желательно организовать таким образом, чтобы увеличить долю энергии, вносимой в рабочее пространство газокислородными горелками и окислением углерода кислородом и уменьшить количество железа, окисляемого газообразным кислородом.
Использование в шихте жидкого чугуна заметно сокращает продолжительность расплавления шихты, но стоимость 1 кВт ч энергии, передаваемой при этом металлу и шлаку, высока вследствие значительной цены чугуна.
Из приведенного на рис. 1 энергетического баланса типичной плавки в современной сверхмощной дуговой печи (ЕАЕ), доля энергии сжигания природного газа в газокислородных горелках в приходной части баланса сравнительно невелика и находится на уровне 10 %. В большинстве случаев в современных дуговых печах установлены стационарные стеновые газокислородные горелки, мощность и продолжительность работы которых ограничены из-за недожога топлива, возникающего при прохождении продуктов полного сгорания природного газа через нагретый лом. С увеличением температуры лома и приближением к температуре плавления недожог топлива резко возрастает. Поэтому стационарные стеновые горелки могут эффективно работать не более 15 мин от включения печи, а повышение их единичной мощности не имеет смысла, так как еще более сокращает время эффективной работы горелок.
Несмотря на это, металлурги стремятся найти способы организации более дешевого расплавления лома с повышенным расходом «первичных» или «альтернативных» теплоносителей (природного газа и угля), особенно учитывая меньшее суммарное выделение «парникового» газа С02.
Электроэнергия 410 кВт-ч/т (65%)
~~щ Энергия газокислородных горелок 60 кВт-ч/т (10%)
Энергия экзотермическких реакций 160 кВт-ч/т (25%)
Общая энергия 630 кВт ч/т 100%
>
Отходящий газ 140 кВт-ч/т (22%)
Электрические потери 10 кВт-ч/т (2%)
Охлаждение водой 50 кВт-ч/т (8%)
Шлак 50 кВт-ч/т (8%)
Сталь 380 кВт-ч/т (60%)
Рис. 1. Типичный энергетический баланс плавки стали в современной сверхмощной дуговой печи
К настоящему моменту предложены и частично используются следующие способы увеличения расхода «альтернативных» теплоносителей при расплавлении лома:
-увеличение количества стеновых горелок в электропечи без увеличения их единичной мощности;
- применение горелок, позволяющих изменять направление факела с увеличенной единичной мощностью;
- разделение времени работы топливокислородных горелок и электрических дуг (двухстадийный процесс плавки в электропечи; концепция FAF-топливно-дуговой печи);
- разделение в пространстве сжигания топлива и работы электрических дуг (агрегат SMS Demag и др.).
Каждый из этих способов имеет свои достоинства и недостатки и может применяться на практике.
Увеличение числа горелок создает определенные трудности по их размещению в стенах печи и увеличивает затраты на обслуживание печной установки. Несмотря на это, известна успешно работающая 90-тонная печь Dañare, на которой установлены 12 горелок общей мощностью 42 МВт [1].
Удобнее увеличивать единичную мощность газокислородных горелок, сделав их поворотными, способными изменять направление факела в значительных пределах. При работе такой горелки факел перемещается от уже нагретых к относительно холодным объемам лома, зона действия факела увеличивается в несколько раз и во столько же раз может быть увеличена полезная мощность горелки.
В 80-е годы XX века в НИИМе (г. Челябинск) под руководством профессора Ю.Н. Тулуевского были созданы поворотные сводовые горелки мощностью 15 МВт [2]. Эти горелки успешно применяли на 100-тонных печах ЧМК и 200-тонных печах завода «Красный Октябрь», причем на 200-тонной печи суммарная мощность двух сводовых и одной оконной горелки составила 40 МВт [2].
Сводовые поворотные горелки сложны в обслуживании, и в настоящее время их не применяют.
Рис. 2. Схема установки высокомощных газокислородных горелок в рабочем окне и эркерной части печи
Более эффективным вариантом воплощения идеи изменяющегося направления факела является установка высокомощной поворотной горелки в
имеющемся эркере печи [3]. Горелку вводят в рабочее пространство через отверстие в крышке эркера только на время нагрева лома, затем выводят из печи и отводят в сторону, чтобы не мешать обслуживанию печи (рис. 2).
Еще большее увеличение доли альтернативного тепла от сжигания природного газа может быть достигнуто в дуговых печах со специально устроенными эркерами для ввода в рабочее пространство печи мощных поворотных газокислородных горелок.
Наиболее эффективно принцип максимального использования тепла от снижения природного газа и каменного угля в рабочем пространстве дуговой печи может быть реализован при ведении двухстадийного процесса плавки в топливнодуговой печи (РАЕ), предложенной Ю.Н. Тулуев-ским с соавторами [2, 4, 5]. На первой стадии процесса в этой печи лом подогревается топливокислородными горелками, затем почти до температуры плавления теплом угля, окисляемого газообразным кислородом, на второй стадии лом плавится и нагревается расплав теплом электрических дуг.
Из приведенного на рис. 3 расчетного энергетического баланса плавки в ЕАБ, видно, что тепло, вводимое в БАЕ электроэнергией, составляет 14 % общего прихода тепла.
Природный газ 182 кВт-ч/т (29%)
™_____________________,
~А. Углерод
_________3 179 кВт-ч/т (29%)
----------щ Подогретый скрап (650°)
---------3 106 кВт-ч/т (17%)
---------^ Электроэнергия
------3 91 кВт-ч/т (14%)
------^ Химические реакции
------ 70 кВт-ч/т ( 11%)
Общая энергия 628 кВт-ч/т
______ Прочие потери
25 кВт-ч/т (4%)
------Отходящие газы
--------- 68 кВт-ч/т (11%)
► Водяное охлаждение 100 кВт-ч/т (16%)
► Шлак
50 кВт-ч/т (8%)
Жидкая сталь 385 кВт-ч/т (61%)
Рис. 3. Расчетный энергетический баланс двухстадийного процесса плавки стали в топливно-дуговой печи (РАР), оборудованной высокомощными газокислородными горелками
Еще большее уменьшение доли тепла электрических дуг в общем расходе энергии на произ-
водство стали из лома может быть получено при разделении в пространстве сжигания альтернативных теплоносителей и работы электрических дуг, фирма SMS Demag GmbH предлагает для этого схему, предусматривающую расплавление лома в вертикальном прямоточном реакторе теплом «альтернативных» теплоносителей, нагрев и рафинирование расплава в рядом расположенной дуговой печи (EAF), и сообщает о готовности к внедрению этой схемы в производство [6]. Возможны и другие варианты реализации подобной схемы.
Таким образом, для улучшения показателей передела лома в сталь процесс производства металла желательно организовать так, чтобы увеличить долю энергии, вносимой природным газом и углем, и уменьшить количество железа, окисляемого газообразным кислородом.
Литература
1. Мичшан, А. Печь Dañare фирмы Danieli в плавильном цехе завода фирмы ABS / А. Мичшан,
Г. Лаварони, А. Фиор // Электрометаллургия. -2000.-№4. -С. 8-14.
2. Факельно-дуговые процессы электроплавки / Ю.Н. Тулуевский, В. Г. Мизин, И.Ю. Зинуров и др. // Сталь. - 1988. -№ 8.- С. 42-46.
3. Пат. Российская Федерация, № 18387736. Дуговая сталеплавильная печь / Ю.Н. Тулуевский, А.Г. Мянник, И.Ю. Зинуров и др.
4. Toulouevski, Y.N. Two-stage Fuel Arc Furnace (FAF) - new concert for energy optimization in electric syeel-making / Y.N. Toulouevski, A. Fleisher, I. Y. Zinurov // Metallurgical Plant and Technology International. - 1998. - № 5. October. - P. 76-82.
5. Toulouevski, Y.N. Outlook for reduction in energy consumption of electric are furnaces / Y.N. Toulouevski, I. Y. Zinurov // 7‘h European Electric Steel-making Conference, Venece, Italy. - 2002, Proceedings. - V. 1. -P. 157-164.
6. Falkenreck, U. New scrap-based steelmaking process predominantly using primary energy / U. Falkenreck, W. Weischedel//MPT International. — 3/2007. -P. 52-55.
