Смирнов А.Н., Сафонов В.М. и др. Металлургические мини-заводы

Подождите немного. Документ загружается.

лава 2. Д

говая электропечь – агрегат для выплавки… 121

А1. Адаптация конструкции печи к применению

легковесного лома сводится к существенному увеличению объема

рабочего пространства за счет увеличения высоты стен.

Конструкция 110-тонной электродуговой печи постоянного тока

компании «SMS Demag» на заводе «Sailzgitter Stahl AG»

(Германия) адаптирована к применению легковесного скрапа с

целью устранения потерь тепла, которые были вызваны большим

количеством подвалок шихты. Соотношение

диаметра кожуха к

высоте стен этой печи достигает 1,97. Технические показатели

работы ДСП во многом обусловлены возможностью загрузки

шихты без подвалок и характеризуются низким уровнем

потребления электроэнергии (менее 350 кВт×ч/т), а также

высокой производительностью - 1,1 млн. т в год при 36 плавках

ежесуточно (максимальный показатель - 41 плавка) [132].

Аналогичную конструкцию и показатели имеет ДСП компании

«Danieli» (табл. 2.3) [167].

Таблица 2.3. Сравнительные показатели работы ДСП

Danarc Plus

Показатель

ДСП

традиционная

ДСП

Danarc Plus

Масса плавки, т 100-150 100-150

Удельный расход:

электроэнергии, кВт×ч/т

электродов, кг/т

кислорода, м

/т

410

1,9(AC)

1,4(DC)

Холодный лом

300-320

1,7(AC)

1,2(DC)

30-35

А2. Для плавления шихты с высоким содержанием прямо-

восстановленного железа (DRI или HBI) применяют, например,

122 Металлургические мини-заводы

печи постоянного тока со спаренными электродами, которые по-

зволяют создать стабильную горячую зону плавления. Ниже при-

ведены основные параметры печи компании «Danieli», установ-

ленной на заводе «Hylsa» (Мексика) [156]:

Вместимость печи, т 200;

Масса стали в ковше, т

135;

Электрическая мощность, МВА

4×52;

Номинальная продолжительность плавки, мин

55;

Диаметр кожуха, мм

7300;

Диаметр графитированных электродов

, мм

711;

Максимальная сила тока дуги, кА

190.

Ванна печи имеет высокие стены из-за образования в ходе

плавки большого количества вспененного шлака и вмещает в

себя немалую массу болота (65 т), что обеспечивает работу

электрической дуги на жидкую ванну в течении всей плавки. При

этом нагрев и плавление прямовосстановленного железа

происходит

в том числе за счет тепла печного шлака. Для

твердого железа с повышенной пористостью (из-за его низкой

теплопроводности) такие условия нагрева более благоприятны с

точки зрения повышения выхода годного и эффективности

работы печи. Расположение отверстий в своде печи для ввода

шихтовых материалов обеспечивает их подачу в область между

электродами.

А3. На заводах с полным металлургическим циклом

электропечи адаптируют к применению жидкого чугуна в

шихте, так как электродуговые печи традиционной конструкции

могут экономически эффективно работать при наличии в шихте

до 30% жидкого чугуна [168]. Конструкция агрегата

адаптируется с учетом специфики технологического процесса и

должна обеспечить удобство заливки чугуна, удаление большого

лава 2. Д

говая электропечь – агрегат для выплавки… 123

количества печного шлака, дополнительные методы

обезуглероживания, предотвращение негативных последствий

бурной реакции окисления углерода и т.п.

Известны следующие технологические варианты заливки

жидкого чугуна:

• заливка жидкого чугуна с последующей завалкой лома по-

зволяет существенно увеличить степень использования

объема ванны и производительность агрегата, так как

электропечь работает с полным выпуском плавки (без

бо-

лота);

• порционная заливка сверху после проплавления централь-

ной части шихты и образования жидкой ванны; технология

позволяет быстро заливать весь жидкий чугун, но при этом

усиленно изнашивается футеровка подины печи, а в случае

протекания бурной реакции - водоохлаждаемые панели;

• заливка чугуна через рабочее окно с помощью переносно-

го желоба

требует дополнительного кранового времени,

эту технологию невозможно использовать на ранних ста-

диях плавки, так как рабочее окно печи может быть сво-

бодно только после проплавления некоторой части твер-

дой шихты;

• технология заливки чугуна в период работы печи с исполь-

зованием стационарного бокового желоба, установленного

в кожухе ДСП; чугун в желоб

подают из ковша, помещен-

ного на стационарный опрокидыватель или на наклоняе-

мый чугуновоз.

Высокая производительность электропечи, работающей с

применением жидкого чугуна может быть достигнута при обес-

печении высокой скорости нагрева и обезуглероживания распла-

ва и организации надежной системы удаления шлака.

124 Металлургические мини-заводы

Электропечь мини-завода «Huta Czestochowa» (Польша)

вместимостью 100 т с трансформатором мощностью 65/78 МВА

заключена в герметичную камеру, предотвращающую выделение

пыли и значительно снижающую уровень шума. Плавка ведется с

применением до 40% жидкого чугуна. Кислород для ускорения

процесса подается через две фурмы, размещенные на манипуля-

торах и фурмы в подине со стороны рабочего окна. Периодиче

ски через газокислородные горелки вводится кислород для дожи-

гания оксида углерода в рабочем пространстве печи.

Суммарный расход кислорода достигает 40,0 м

/т стали,

природного газа - 4,5 м

/т. По тепловому балансу работы печи

поступает тепла, %: 35 - в виде электроэнергии, 28 - от химиче-

ских реакций, 22 - с жидким чугуном и 15 - от сгорания природ-

ного газа. Расход электроэнергии составляет 210-220 кВт×ч/т.

Продолжительность плавки (45 мин) позволяет вести разливку

непрерывным способом - плавку на плавку [169].

На заводе «Nucor Steel» (США) установлены две 150-

тонные ДППТ Unarc

мощностью 2×80 МВА конструкции «SMS

Demag». Форма рабочего пространства адаптирована под техно-

логию выплавки стали с применением от 25% до 100% жидкого

чугуна. Печи имеют купольный свод и увеличенный объем рабо-

чего пространства. Высокие стены обеспечивают глубокий слой

шихты, необходимый для эффективного его подогрева печными

газами, при этом сохраняется достаточно пространства для ин

тенсивного догорания СО.

Горелочно-фурменная система состоит из восьми кисло-

родных горелок общей мощностью 38 МВт, кислородной и ки-

слородно-углеродной фурм (общий расход кислорода 13

тыс.м

/ч), а также дополнительной углеродной фурмы для вспе-

нивания шлака. Продолжительность плавки не более 42 мин.

лава 2. Д

говая электропечь – агрегат для выплавки… 125

«Conarc», являясь наиболее радикальным вариантом адап-

тации компании «SMS Demag», обеспечивает высокую степень

технологической гибкости процесса и позволяет оперативно из-

менять состав шихты во всем диапазоне - от чисто электродуго-

вой со 100% загружаемого скрапа до чисто кислородно-

конвертерной технологии. В электропечах такой конструкции,

как правило, выплавляют сталь для производства плоского про-

ката,

к которому предъявляют более жесткие требования по со-

держанию остаточных цветных металлов. Замена скрапа жидким

чугуном не только вводит новый источник первичной энергии,

но и позволяет регулировать концентрацию остаточных элемен-

тов по их максимально допустимому уровню, который задан

техническими, технологическими и экономическими требова-

ниями к качеству различных видов продукции [132].

Комбинация конвертера

и дуговой печи в одном агрегате

дает следующие преимущества по сравнению с обычной дуго-

вой печью: широкий выбор металлошихты; высокая производи-

тельность; низкий расход электроэнергии в результате исполь-

зования химической энергии окисления примесей металлоших-

ты; уменьшение требуемой электрической мощности; снижение

удельного расхода электродов; уменьшение фликер-эффекта и

возможность работы при

маломощных электросетях; снижение

затрат на электрооборудование.

А4. Адаптация конструкции электропечи к условиям

технологической утилизации тепла отходящих газов

заключается в увеличении ее объема и изменении формы

рабочего пространства. Причем расположение шихтовых

материалов в рабочем пространстве и движение печных газов

должно быть организовано таким образом, чтобы обеспечивалась

максимальная продолжительность пребывания и длина пути

потока отходящего газа в непосредственном контакте с

126 Металлургические мини-заводы

загруженным ломом.

С точки зрения экономии энергоресурсов весьма

заманчивым представляется технологическое использование

тепла отходящих печных газов, которые составляют

существенную часть теплового баланса электропечи (более 19%)

[170].

Шахтные печи конструкции «Fuchs Systemtechnik» были

разработаны на базе обычной дуговой печи, объем которой уве-

личен с помощью так называемой шахты, устанавливаемой над

сводом печи [136]. Шахта, через

которую загружают в печь до

60% шихты, может отводиться в сторону для обычной завалки

бадьей. Поперечное сечение шахты ограничено, поэтому крупно-

габаритный лом, пакеты и стружка не предназначены для подог-

рева и загружаются первой бадьей в ванну печи. Последующими

бадьями среднегабаритный лом и продукцию шредерной уста-

новки загружают через шахту. Лом

подогревается в шахте печи

за счет тепла отходящих газов и с помощью газокислородных го-

релок, расположенных в нижней части шахты.

После загрузки первой корзины в шахту начинается про-

цесс плавления шихты и подогрев лома в шахте отходящими га-

зами и горелками. Продолжительность плавки составляет 50-55

мин (35-40 мин под нагрузкой). Опыт работы на

шахтных печах в

Дании (1988 г.) и Англии (1992 г.) показал, что шихта перед

плавкой может нагреваться до 800°С [171]. По данным работы

[172], подогрев лома до температуры 800-1000°С в шахтных пе-

чах позволяет достигнуть экономию электроэнергии до 100 - 200

кВт×ч/т. В мире насчитывалось восемь шахтных печей, но начи-

ная с 1996 года, печи такого

типа практически не строились, а

новые агрегаты начали оснащать системой разделения рабочего

пространства.

лава 2. Д

говая электропечь – агрегат для выплавки… 127

А5. Применение систем утилизации тепла среды,

охлаждающей поверхность рабочего пространства. Наряду с

подогревом лома широкое распространение получают способы

утилизации тепла воды, охлаждающей стены, свод и газоход

электропечи.

Современный электросталеплавильный агрегат невозмож-

но эксплуатировать без системы охлаждения поверхности рабо-

чего пространства. Тепло, уносимое с охлаждающей средой, со-

ставляет около 10% расходной части

теплового баланса. К

сожалению, в случае применения традиционной системы

водяного охлаждения с нагревом воды до 40-50°С процесс

утилизации тепла недостаточно эффективен и имеет

ограниченное применение [175].

В перспективе наибольший интерес представляет

утилизация тепла охлаждающей среды в случае применения

испарительного охлаждения. Сущность системы испарительного

охлаждения состоит в использовании скрытой теплоты парообра-

зования для

отвода тепла от охлаждаемых элементов рабочего

пространства в результате применения кипящей оборотной воды.

В этом случае тепло, отбираемое охлаждающей средой, затрачи-

вается на ее испарение.

Систему испарительного охлаждения для охлаждения эле-

ментов мартеновских и электрических печей успешно применяли

в СССР и за рубежом, начиная с 1950 г. [176, 177]. Имеются све-

дения о

том, что система испарительного охлаждения с начала

80-х годов успешно применяется при исключительно высоких те-

пловых нагрузках в рабочем пространстве дуговых печей на за-

водах в городах Оберхаузене и Бохуме (Германия) [178, 179].

Так, при производительности дуговой печи, около 70 т/ч количе-

ство энергии, получаемой за счет утилизации отходящего тепла

системы испарительного

охлаждения, составляло 39 кВт×ч/т.

128 Металлургические мини-заводы

особной.

Пароохлаждаемые панели печи работают под высоким

давлением и естественно к ним предъявляют более жесткие

требования, что повышает их стоимость. В связи с успешными

результатами эксплуатации этой системы можно считать, что

система испарительного охлаждения прошла техническую про-

верку в электродуговых печах и является достаточно

работосп

Б. Разделение рабочего пространства печи на зоны, в од-

ной из которых проходит процесс плавления шихты, а в другой

(или других) нагрев шихтовых материалов с последующей утили-

зацией тепла в ванне агрегата. Способ требует принципиально

новых подходов в части увязки продолжительности и режимов

технологических операций в ванне печи с процессом нагрева

шихты. Организация зоны предварительного

нагрева требует до-

полнительного пространства. При этом существенно возрастают

масса электропечи, ее габариты, растет сопротивление газоотво-

дящего тракта и, как следствие, цена печного оборудования и да-

же здания цеха, возрастают затраты на организацию тщательной

подготовки лома, эксплуатацию газоочистных сооружений.

Основная причина ограниченного применения данного

способа в развитых странах – ужесточение экологических

норма-

тивов и возрастающий риск запрета эксплуатации плавильного

агрегата.

Б1. Порционный нагрев лома в рабочем пространстве

электропечи с последующей его передачей в ванну решает про-

блему “грязной” завалки. В агрегатах такой конструкции камера

подогрева отделена от ванны специальными устройствами: тол-

кателями или удерживающими пальцами, которые позволяют

проходить печным газам и регулируют

подачу шихты в зону

плавления.

Компаниями «IHI» (Япония) и «ABB» (Швеция) разработа-

лава 2. Д

говая электропечь – агрегат для выплавки… 129

на шахтная печь с толкателями шихты. Первая такая печь введена

в эксплуатацию на заводе «Tokyo Steel» (Япония) в 1996 г. и име-

ет вместимость 250 т (мощность трансформатора 100 МВА, про-

изводительность 0,8 млн. т/год). Рабочее пространство печи со-

стоит из двух основных элементов - овальной ванны и шахтного

подогревателя. Последний имеет криволинейную форму и загру

зочное устройство с двумя толкателями, расположенными на

разных уровнях. Лом нагревается в шахте технологическими га-

зами до температуры около 800°С.

Для обеспечения постоянства условий плавления лома печь

работает с чрезмерно большой массой болота (110 т при массе

выпускаемой плавки 140 т) [136].

Преимущества такой печи заключаются в следующем:

расход электроэнергии 260 кВт×ч/т

при расходе вдуваемого угле-

рода 25 кг/т и кислорода 33 м

/т; уменьшение уровня шума (на

15-20 дБ в сравнении с обычной дуговой печью постоянного то-

ка); снижение уровня фликера на 50-60% по сравнению с одно-

электродной дуговой печью постоянного тока; уменьшение пы-

левыделения и т.п.

Шахтная дуговая печь с удерживающими пальцами ком-

пании «Fuchs Systemtechnik» устраняет один из недостатков

шахтных печей – начало

плавки с проплавления первой порции

холодной шихты. Для этого шахта электропечи в нижней части

оборудована специальным фиксатором (водоохлаждаемыми

пальцами), которые удерживают лом в зоне подогрева шихты.

После выпуска плавки стали пальцы "открываются" и нагретый

лом загружается в болото, после чего в шахту загружается вторая

порция лома. Сравнительные показатели работы шахтной

дуго-

вой печи с удерживающими пальцами представлены в табл. 2.4.

Экономия от применения печей такой конструкции выражается в

130 Металлургические мини-заводы

снижении расхода электрической энергии и повышении

производительности.

Таблица 2.4. Сравнительные показатели работы ДСП

завода ЗАО «ММЗ «ISTIL» (Украина)» [180] и

шахтной печи с удерживающими пальцами

ОАО «Северсталь» [133]

Показатель ДСП

Шахтная

печь

Вместимость печи, т 120 120

Мощность печного трансформатора, МВА 50/63 85

Продолжительность плавки, мин 67 52

Удельный расход электроэнергии, кВт×ч/т

343 280

Удельный расход:

электродов, кг/т

кислорода, м

/т

природного газа, м

/т

порошкообразного углерода, кг/т

2,0

43,30

6,72

н.д.

1,5

33,5

5,0

8,0

Производительность, т/ч 104,1 144

На действующих печах такой конструкции используют две

схемы эвакуации печных газов: по первой схеме дымовые газы

отводятся непосредственно на газоочистку (система без рецирку-

ляции газов); по второй схеме газы возвращаются в камеру дожи-

гания (система с рециркуляцией газов).

При использовании тепла всего потока отходящих газов

система предварительного нагрева лома без

рециркуляции имеет

более высокую тепловую эффективность и меньшие энергетиче-

ские затраты [181].