Печи для массовой выплавки стали

    ВВЕДЕНИЕ

  В настоящее время для массовой выплавки стали, применяют дуговые  электропечи, питаемые переменным током  и дуговые печи постоянного тока. В дуговых печах переменного  тока выплавляют основную часть высококачественных легированных и высоколегированных сталей, которые затруднительно либо невозможно выплавлять в конвертерах и мартеновских печах. Основные достоинства дуговых электропечей заключается в возможности:

• Быстро нагреть металл, благодаря чему в печь можно вводить большие количества легирующих добавок;
• Иметь в печи восстановительную атмосферу и безокислительные шлаки (в восстановительный период плавки), что обеспечивает малый угар вводимых в печь легирующих элементов;
• Возможность более полно, чем в других печах, раскислять металл, получая его с более низким содержанием оксидных неметаллических включений, а так же получать сталь с более низким содержанием серы в связи с её хорошим удалением в безокислительный шлак;
• Плавно и точно регулировать температуру металла.

  Дуговая печь состоит из рабочего пространства с электродами и токоподводами и механизмов, обеспечивающих наклон печи, удержание и перемещение электродов, и загрузку шихты.

  Плавку  ведут в рабочем пространстве; на большинстве печей оно имеет  куполообразный свод, стенки, сферический  под выполненные из огнеупорного материала. Огнеупорная кладка пода и стен заключена в металлический кожух. Съемный свод набран из огнеупорного кирпича, опирающихся на опорное кольцо. Через три симметрично расположенных в своде отверстия в рабочее пространство введены токоподводящие электроды, которые с помощью специальных механизмов могут перемещаться вверх и вниз. Печь питается трехфазным переменным током.

  Шихтовые  материалы загружаются на под  печи, после их расплавления в печи образуется слой металла и шлака. Плавление и нагрев осуществляется за счёт тепла электрических дуг, возникающих между электродами и жидким металлом или металлической шихтой.

  Выпуск  готовой стали и шлака осуществляют через сталевыпускное отверстие  и желоб путём наклона рабочего пространства. Рабочее окно, закрываемое заслонкой, предназначено для контроля за ходом плавки, ремонта пода и загрузки материалов.

  Шихту в современных печах загружают  сверху в открываемое рабочее  пространство с помощью корзины  с открывающимся дном; лишь на отдельных  ранее построенных печах небольшой ёмкости (<40 т.) сохранилась завалка шихты через рабочее окно.

  Промышленное  внедрение дуговых печей постоянного  тока началось в 1981-1985 гг., после того как были созданы мощные, недорогие  и простые в эксплуатации выпрямители  (преобразователи переменного тока в постоянный).

  В печах постоянного тока электрическая  дуга горит между вводимым в рабочее  пространство сверху графитированным  электродом (одним или тремя) и  жидким металлом или твёрдой шихтой, к которым напряжение подается с помощью располагаемых в подине специальных токоподводящих устройств (подовых электродов). К верхнему графитированному электроду от источника питания подводят отрицательный, а к металлической ванне – положительный электрический потенциал, т.е. графитированный электрод постоянно является катодом, а металлическая ванна – анодом электрической цепи. Благодаря этому электрическая дуга постоянного тока горит более стабильно, так как нет ее затухания и зажигания, происходит 50 раз в секунду в случае питания печи переменным током частотой 50 Гц.

  Внедрение печей постоянного тока связано  с тем, что они обладают рядом  достоинств в сравнении с печами переменного тока; к числу этих достоинств, наряду с более устойчивым горением дуги, относится:

• Уменьшение удельного расхода электродов на 50-60% (на большинстве зарубежных печей он составляет 1,1-1,3 кг/т);
• Небольшое увеличение производительности печи (~ на 5%) и снижение расхода электроэнергии  (на 5%) и угара металла при плавлении;
• Облегчение ведения плавки в связи с тем, что протекание электрического тока по объёму ванны вызывает электромагнитное перемешивание металла;
• Снижение уровня создаваемого дугами шума (на 10-15 дБ) благодаря отсутствию перерывов в горении дуг;
• При наличии одного верхнего электрода, располагаемого по оси печи, обеспечивается равномерный износ футеровки стенки по её периметру и снижение расхода огнеупоров (~ на 10 %);
• Почти нет вибрации электродов, вызываемой перерывами горения дуг на печах, питаемых переменным током; такая вибрация передаётся механическому оборудованию и вызывает поломки электродов;
• Уменьшение примерно в двое обратного отрицательного воздействия печи на питающую сеть (работа мощных печей переменного тока вызывает мерцание тока и напряжения в питающих печь электросетях, что ведёт к нарушению нормальной работы других потребителей энергии);
• Некоторое упрощение конструкции печи в связи с наличием одного электрода.

   Вместе  с тем усложняется конструкция  и эксплуатация пода печи в связи  с наличием подовых электродов и  необходимостью их замены; более сложным и дорогостоящим является также источник электрического питания печи.

  Отечественное электропечное оборудование нового поколения  для электросталеплавильного  комплекса.  

      Структура комплекса электросталеплавильного комплекса производительностью 1100 - 1200 тыс. т проката в год включает следующие технологические участки:

  хранения  и подготовки шихтовых, шлакообразующих  и легирующих материалов с системой закромов, бункеров и взвешивающих устройств, состав которых определяется сортаментом выплавляемой стали,

  электроплавки — 125-т электропечь с системами  энергосбережения, инжекционными и  горелочными устройствами, обслуживающими манипуляторами и другой периферией, обеспечивающей проведение высокоскоростных плавок;

  внепечного рафинирования — 125-т установки АКОС и АКВОС с сопутствующими загрузочными, продувочными и перемешивающими устройствами по определению технологических организаций и заводов-заказчиков;

  системы и устройства передачи сталеразливочных ковшей от электропечей к АКОСу (АКВОСу) и к МНЛЗ; непрерывной разливки — МНЛЗ с промежуточным ковшом соответствующей производительности для разливки стали по принципу "плавка на плавку" с необходимыми системами по определению специализированных организаций и заводов-заказчиков;

  прокатки  и доводки товарной металлопродукции с необходимыми системами по определению  специализированных организаций и заводов-заказчиков.

  Для подобных комплексов используэтся дуговая  сталеплавильная печь ДСП-125 и агрегат комплексной обработки стали АКОС-125 с автоматизированными системами управления на базе микропроцессорной техники.

  Емкость,т: номинальная - 120; максимальная - 140; Мощность трансформатора, MB.A - 95/110; Первичное напряжение, кВ - 35/110; Диапазон вторичного напряжения, В - 951- 324; В т.ч. с постоянной мощностью - 951 –818; Максимальный ток. КА – 67; Диаметр электродов, мм - 610; Диаметр распада - электродов, мм - 1200; Продолжительность расплавления под током, мин - 40 – 50; Удельный расход электроэнергии, кВт ч/т - 300 – 350; Число топливных горелок – 6; Максимальная мощность одной горелки. МВт - 6,0; Расход электродов, кг/т 2,5 – 3.

  Удельные  расходы: природный газ, м3/т - 8-10;  кислород, м3/т - 35 – 40; угольный порошок, кг/т - 10 – 12; вода на охлаждение, м3/ч: химически очищенная - 50; техническая - 650

  Верхняя водоохлаждаемая часть кожуха печи выполнена в виде трубчатого каркаса с трубчатыми панелями, свод комбинированный — футерованная купольная центральная часть и периферийная водоохлаждаемая часть из трубчатых секций. Нижняя часть кожуха выполнена с эркером для донного выпуска плавки с отсечкой шлака при минимальном наклоне печи на 6 - 10 град.

  В качестве дополнительного источника  энергии используются шесть газокислородных  горелок суммарной максимальной мощностью 36 МВт, расположенных в стенах, дверце и зоне эркерного выпуска.

  Для продувки и перемешивания ванны, дожигания СО и Н2 печь оборудована  четырьмя соплами "острого" дутья, расположенными в кожухе печи ближе  к подсводовому пространству. Возможно оснащение печи системой донной продувки ванны кислородом и инертным газом.

  Электрические параметры печи позволяют вести  плавку в энергосберегающем режиме длинных дуг, экранированных пенистым шлаком. Энергосбережение при плавке обеспечивается также другими конструктивными  решениями: уменьшенной длиной кабельной гирлянды, увеличенной водоохлаждаемой площадью стен, токоведущими рукавами электрододержателей.

  Печь  комплектуется манипуляторами для  вдувания углерода, извести и кислорода  для образования пенистого шлака, отбора проб и измерения температуры. Предусмотрены пост внепечного подогрева шихты отходящими газами в бадье и пост для электроподогрева разливочных ковшей до 1200 °С.

  Большинство предлагаемых технических решений  прошло практическую проверку на 100-т  печи Молдавского металлургического завода.

  Ниже  приведены основные технические  характеристики АКОС-125: Масса обрабатываемой стали, т - 100 – 125; Мощность трансформатора, MB.А - 16 ; Напряжение: первичное, кВ – 35; вторичное, В - 98 – 280; Максимальный ток, кА - 40,1; Диаметр электрода, мм – 400; Скорость нагрева металла, °С/мин - 3-5; Время обработки одного ковша, мин - 25 – 50; Число бункеров с добавками – 14; Расход электроэнергии, кВт - ч/т - 25-40; Расход электродов, кг/т - 0,3; Стойкость футеровки (число плавок) - 30 – 60.

  Выбраны рациональные конструктивная и электрическая  схемы агрегата: три электрода  на одной траверсе, алюминиевые токоподводы. триангулированная короткая сеть. Агрегат  снабжен всеми технологическими устройствами внепечной обработки, обеспечивающими продувку аргоном через пористую пробку, подачу порошковой проволоки, продувку порошками через фурму, отбор проб металла, измерение его температуры и активности.

  Автоматизированная  двухуровневая система управления электросталсплавильным комплексом охватывает все участки производства от подготовки шихты до разливки стали. Системы управления каждым участком состоят из подсистем, которые обеспечивают управление всем оборудованием и связаны в единую систему  управления комплексом.

  Предлагаемая  структура системы управления позволяет конфигурировать любые комплекты систем управления в зависимости от требований заказчика. Электропечное оборудование комплекса может поставляться в комплекте с системой пылегазоочистки, обеспечивающей выполнение требований по защите окружающей среды, в том числе от токсичных диоксиновых выбросов. В комплекте с электропечным оборудованием поставляются также сталевозы, стальковши и другое оборудование. Технологическая линия электросталеплавильного комплекса должна включать сортовую или слябовую МНЛЗ на годовой объем производства до 1,2 млн т литой заготовки и соответствующее прокатное и термическое оборудование.

  Анализ  энергетической cоставляющей сталеплавильного производства

  На  конкурентоспособность процессов  производства стали значительное влияние оказывает эффективность использования энергии. При сравнении энергетической эффективности Ээф различных сталеплавильных переделов наиболее объективным и наглядным показателем можно считать отношение энтальпии продуктов плавки — жидкой стали и шлака (ж'с, ш) — к затратам первичной энергии на выплавку стали. Эти затраты первичной энергии включают тепловую энергию, использованную как в собственно сталеплавильном производстве, так и на всех предшествующих этапах получения материалов, применяемых при выплавке, в том числе энергоносители (топливо, электроэнергия), а также затраты энергии на добычу сырья, его транспортировку, подготовку производства (Зп.э): Ээф=іс.ш*100/3пэ, %.

  Для расчета Ээф приведенные в таблице при іс.ш = 450 кВт*ч/т.

  Как и следовало ожидать, минимальная энергетическая эффективность характерна для процессов с высокой долей чугуна в шихте (конвертерный, мартеновский); при выплавке стали в дуговой сталеплавильной печи (ДСП), работающей на 100 % лома, она в 1,7 - 2,3 раза выше и приближается к сквозному коэффициенту полезного использования первичного топлива при работе по схеме ТЭЦ — ДСП, составляющему 20-30%.

  Из  таблицы видно, что в электросталеплавильном процессе имеются большие возможности  для повышения Ээф. Так, эффективный  подогрев лома теплом отходящих газов позволил при выплавке стали в шахтных печах конструкции "фукс Системтехник" не только повысить Ээф, но и сократить долю электроэнергии в общем приходе тепла с 60 до 51 %. Снижение затрат первичной энергии по сравнению с обычными печами в 1,5 - 1,6 раза может быть достигнуто двухстадийным процессом в топливно-дуговом сталеплавильном агрегате (ТДСА) конструкции НИИМ [I]. Экономию энергии обеспечивают также донная продувка жидкого металла в ДСП, сокращение продолжительности плавки и другие мероприятия.

  Приведенные данные не позволяют согласиться  с мнением о расточительном использовании  энергии в электрометаллургии, а  также об отсутствии серьезных перспектив на будущее у электрометаллургических процессов получения стали и ферросплавов. Следует также учитывать, что доля стали, выплавленная тем или иным способом, определяется не только энергетикой, но и другими факторами, в числе которых производительность агрегатов, содержание примесей в готовом металле, баланс лома в стране и мире и др.

  При выборе варианта выплавки стали важное значение имеют экологические проблемы. Так, суммарное пылегазовое выделение  с учетом всех процессов подготовки и переработки 1 т лома составляет 0,79 кг/т (при эквивалентной замене 1 т чугуна 1,25 т подготовленного лома — 0,99 кг/т), а при производстве 1 т чугуна — 27,3 кг/т. Повышенные в связи с этим пылегазовые выделения при производстве конвертерной стали по сравнению с электросталью — соответственно в сумме 10,5 и 2,06 кг/т — обусловливают увеличение суммарных затрат на улавливающие системы и очистные устройства.

  Полный  сбор и использование лома необходимы для предупреждения загрязнения  почвы продуктами его окисления, так как за год хранения лома теряется 0,5 -0,6 % металла. Например, в Японии именно это явилось причиной разработки и осуществления государственной программы сбора и подготовки лома черных металлов к переплаву.

  С учетом этих обстоятельств следует  прогнозировать сохранение в XXI в. и энергорасточительного конвертерного, и энергоэкономного электросталеплавильного производств. По-видимому, правы те металлурги, которые считают, что до возникновения принципиально новых процессов в черной металлургии в конвертерах и электропечах будет выплавляться приблизительно по 50 % стали (в настоящее время доля электростали в мировом производстве составляет 33 - 35 %). Что касается получения основных видов ферросплавов, а также спецметаллургии, то пока электрометаллургия альтернативы не имеет.  

  Подъемно-поворотный стенд сталеразливочных ковшей МНЛЗ

  Опыт  эксплуатации МНЛЗ показал, что рабочие  процессы литья составляют менее 50 % календарного времени, а остальная  часть тратится на подготовку машин  к разливке, плановое и аварийное обслуживание, текущие простои. Уменьшение времени на операции благодаря более гибкому согласованию работы МНЛЗ с графиком сталеплавильных агрегатов и уменьшению простоев дает больший рост производительности, чем увеличение скорости литья.

  Ключевым  узлом, обеспечивающим подачу стали  на МНЛЗ, является стенд сталеразливочных ковшей. Все современные МНЛЗ имеют  в своем составе стенды, что  позволяет исключить разливку с  крана и предотвратить большие  повреждения при аварийном накрытии стопора ковша.

  Предпочтительный  состав оборудования для подачи стали  на МНЛЗ при линейной планировке: поворотный стенд, с помощью которого стальковши передаются из печного пролета в  пролет МНЛЗ, передвижные тележки  для промковшей, передвигающиеся  вдоль него. В этом случае обеспечивается разделение грузопотоков — основных технологических и по обслуживанию и подготовке МНЛЗ к работе. Кроме того, при подаче металла к кристаллизаторам из стальковшей важно исключить его вторичное окисление. В связи с этим поворотный стенд МНЛЗ должен быть оснащен механизмом подъема, чтобы обеспечить установку соответствующих устройств для защиты струи металла от вторичного окисления.

  Создание  подъемно-поворотных стендов стальковшей  большой вместимости сопряжено  с решением существенных проблем конструирования, а изготавливают их иногда на пределе технологических возможностей заводов тяжелого машиностроения. Достаточно отметить, что масса полностью наполненных 100 - 350-т ковшей составляет от 150 до 450 т, их средний диаметр — от 3 до 4,5 м, высота—от 3,5 до 5,5м, при этом вылет ковшей на консоли подъемно-поворотного стенда должен быть в пределах от 4 до 7 м. Этот вылет определяется расположением стенда относительно цеховых колонн, габаритами приближения цеховых подъемно-транспортных средств, увязкой конструкции с оборудованием разливочной площадки, а также взаимной ориентацией стальковша, промковша и кристаллизаторов МНЛЗ.

  При разработке стенда необходимо учитывать, что отказ поворота может повлечь  за собой серьезные повреждения МНЛЗ и длительную остановку, поэтому для механизма поворота обязательно резервирование.

  Сравнение энергоемкости стали  различных методов  выплавки

  Мировой индекс цен на электроэнергию и топливо  по сравнению с другими промышленными  ресурсами увеличивается намного  быстрее, поэтому в современных условиях энергетическая экономичность промышленных процессов, в том числе и при выплавке стали, относится к важнейшим показателям производства. Анализ уровня и структуры энергозатрат на получение стали позволяет наметить перспекгивные энергосберегающие технологические схемы и пути снижения энергоемкости металлопродукции.

  Энергоемкость, т.е. затраты первичной энергии  на получение стали, представляет собой  сумму затрат потенциальной тепловой энергии как в собственно сталеплавильном производстве, так и на всех предшествующих этапах получения материалов, использованных на плавку, в том числе на энергоносители (топливо, электроэнергию), а также затраты энергии на добычу сырья, его транспортировку, подготовку производства.

  Проанализируем  энергоемкость углеродистой стали, выплавленной разными процессами: конвертерным с долей лома в шихте 25 - 30 %, мартеновским скрап-рудным с долей лома 45 %. мартеновским скрап-процессом с долей лома 65 %. электросталеплавильным с долей лома 100 %, электросталеплавильным с подогревом лома в шахтном подогревателе конструкции фирмы "Фукс Системтехник" с долей лома 70 и 100 %. топливно-дуговым процессом и в агрегате EOF с долей лома 50 % .

  При расчетах энергоемкость материалов принималась по литературным данным, при этом учитывались основные технологические энергозатраты на: металлошихту, топливо и электроэнергию, кислород, огнеупоры, известь, графитированные электроды и газоудаление.

  Максимальный  уоовень энергозатрат характерен для  процессов с высокой долей  чугуна в шихте (конвертерный, мартеновский и EOF). Доля энергозатрат на чугун достигает при этом 53 - 91 % от общих затрат энергии на выплавку стали, Затраты первичной энергии при выплавке стали в дуговой сталеплавильной печи (ДСП), работающей на 100 % лома, и электроэнергии в 1.8 - 2.3 раза меньше, чем в указанных выше процессах. Применение 30 % чугуна в шихте ДСП приводит к увеличению энергозатрат на выплавку электростали в 1,5 раза.

  Анализ  показывает, что электросталеплавильный процесс при 100% лома в шихте является наиболее эффективным по энергозатратам. Важнейшим резервом снижения энергоемкости стали является, кроме повышения доли лома в шихте, экономия топлива is энергии при получении стали.

  Рассмотрим  на примере ДСП основные направления энергетической оптимизации электроплавки:

  1) минимальное использование электроэнергии  — наиболее дорогого энергоносителя, применение которого связано с наибольшими затратами первичного топлива. На получение 1 кВт*ч электроэнергии расходуется 3,1 - 3.3 кВт - ч топлива:

  2) использование в ДСП максимально возможных количеств относительно дешевого органического топлива. преимущественно угля;

  3) наиболее полное использование  тепла отходящих газов для предварительного высокотемпературного нагрева лома.

  Количество  энергии, вводимой с топливом, при широком использовании на современных ДСП топливно-кислородных горелок (ТКГ), обычно не превышает 50-70 кВт*ч/т, что сокращает расход электроэнергии на 35-50 кВт*ч/т.

  За  рубежом топливо отходящих газов  ДСП используют для нагрева лома в загрузочных бадьях. Однако из-за ограниченой стойкости бадей среднемассовая температура подогрева лома обычно составляет 300-350°С. Такой подогрев обеспечивает снижение расхода электроэнергии на 25-35 кВт*ч/т.

  Совместное  использование ТКГ и подогрева  лома в бадьях позволило уменьшить расход электроэнергии до 400-430 кВт*ч/т, а расход првичного топлива, рассчитаного только по энергоносителям, до 1700-1800 кВт*ч/т. Дальнейшее сокращение этих расходов требует значительного увеличения количества топлива, используемого взамен электроэнергии, и перехода к высокотемпературному подогреву отходящими газами всей массы лома.

  Предварительный подогрев лома до среднемассовой температуры 1000 °С впервые реализован в агрегате ББК-Бруса. в котором объединены 36-т ДСП и расположенная над ней вращающаяся трубчатая печь. Подогрев фрагментированного лома в печи осуществляется в противотоке отходящими газами и ТКГ. При дополнительном расходе природного газа на ТКГ около 30 м3/т (280 кВт*ч/т) расход электроэнергии снизился на 220 кВт*ч/т. 

  В последние годы в США осваивается  так называемый Констил-пропесс, в котором используется подогреватель конвейерного типа. Из-за ограниченной стойкости конвейера температура подогрева лома не превышает 600 - 750 °С. Расход электроэнергии без использования ТКГ снизился до 320 - 340 кВт*ч/т.

  Однако  такие подогреватели лома дороги, требуют для своего размещения больших площадей и не обладают необходимой стойкостью. В связи с этим трубчатые и конвейерные печи для подогрева лома не получили распространения. Более перспективной представляется ДСП с шахтными подогревателями лома конструкции фирмы "Фукс Системтехник" [2]. Шахтный подогреватель устанавливается на своде печи и является продолжением рабочего пространства. Большая часть лома загружается непосредственно в печь, а остальная — в подогреватель. Технологические газы удаляются из печи через шахтный подогреватель. По мере нагрева лом сходит из шахты в рабочее пространство. Печь оборудована ТКГ и манипулятором для вдувания угля. В последних конструкциях подогреватель имеет в нижней части водоохлаждаемые поворотные пальцы, что позволяет подогревать всю массу шихты. Применение шахтного подогревателя лома и применение ТКГ обеспечивает снижение энергоемкости стали по сравнению с обычной ДСП на 30 - 40 %.

    Задача глубокой утилизации тепла  отходящих газов для нагрева  лома наиболее успешно решена  в известном топливно-кислородном  агрегате EOF, в котором переплавляется  шихта, состоящая из жидкого  чугуна и лома. Топливом служит  порошкообразный уголь вдуваемый  в жидую ванну вместе с кислородом. Подогреватель лома, снабженный водоохлаждаемыми разделительными решетками, устанавливается над печью. Лом загружается в подогреватель сверху отдельными порциями и по мере нагрева перемещается с решетки на решетку, а затем в ванну. Подогревается до температуры 850 °С весь лом на плавку.

  Определенный  прогресс наблюдается и в области  совершенствования применяемых  на ДСП горелок. В НИИМ разработаны  поворотные ТКГ единичной мощностью 20 МВт и более, позволяющие изменять в широких пределах направления факела по ходу нагрева, в том числе горелки эркерного типа, обеспечивающие внедрение факелов в слой шихты на уровне подины. Это обеспечивает высокий КПД горелок (60 - 70 %). При расходах природного газа 16-18 м3/т и кислорода 32 - 36 м3/т энергопотребление на 100-т ДСП снижается на 120- 180кВт*ч/т. Высокая мощность и энергетическая эффективность горелок конструкции НИИМ позволили реализовать двухстадийный процесс электроплавки, когда после завалки и подвалки шихты горелки работают при отключенных дугах.

  В последние годы широкое распространение  получает использование порошкообразного угля на ДСП. Это подтверждается результатами освоения так называемого K-ES процесса. Для работы по технологии K-ES ДСП оборудуются донными фурмами для вдувания порошкообразного угля. кислорода, инертных и защитных углеводородных газов через подину. В стенах устанавливаются ТКГ для дополнительного нагрева лома и. главным образом, для дожигания СО, выделяющейся из ванны. При расходе угля 22 - 30 кг/т и кислорода 50 -55 м3/т сокращение расхода электроэнергии на 1 кг угля составляет в среднем 5,3 кВт*ч/кг, а расход электроэнергии на плавку сокращается до 280 - 320 кВт ч/т.