Металлургические мини-заводы
  2.4.5 Энергетический баланс плавки в дуговой сталеплавильной печи (ДСП)

Энергетический баланс плавки. Наиболее очевидным фактором, характеризующим повышение конкурентоспособности электростали, является реализация и постоянное совершенствование идеи высокопроизводительной ДСП. Сравнительная оценка энергетического баланса плавки низкоуглеродистой стали в классической и современной ДСП отражает тенденцию совершенствования технологического процесса. Сравнительная характеристика основных технологических параметров плавок приведена в таблице 2.16.

Таблица 2.16. Сравнительная характеристика основных технологических параметров плавок

Сравнительная характеристика основных технологических параметров плавок

Результаты упрощенного энергетического баланса представлены в табл. 2.17 по усредненным экспериментальным и производственным данным.

Таблица 2.17. Упрощенный энергетический баланс

Упрощенный энергетический баланс

Очевидно, что применение ДСП как плавильного агрегата позволило снизить общие затраты тепловой энергии за счет более эффективного использования энергии мощной электрической дуги при минимальной продолжительности плавки. Поэтому энергетический баланс плавки, наряду с технологическим аспектом, в значительной мере характеризует технический уровень современной ДСП - ее рациональную архитектуру, быстродействие механизмов, автоматизацию технологических операций и надежность работы устройств.

Так, общие энергетические затраты современной ДСП снижены в среднем на 25% (в приведенном примере в табл. 2.17 с 822 до 618 кВт*ч/т) в основном благодаря сокращению потерь тепла печью. Потери тепла сократились почти наполовину в основном за счет: сокращения общей продолжительности плавки; увеличения КПД электрической дуги; минимизации продолжительности нахождения жидкой стали в печи, применению «болота», вспенивания шлака, пневматического перемешивания ванны, автоматизации плавки; эффективного использования химической энергии моноксида углерода печной атмосферы за счет ввода дополнительного количества кислорода в рабочее пространство ДСП с помощью специальных устройств различной конструкции. Немаловажно и то, что при этом отпала необходимость в перегреве стали для проведения последующей десульфурации шлаковыми смесями, усреднения инертным газом в ковше (снижение общих энергозатрат на 3-5%) и наведения рафинировочного шлака в печи (снижение – 3-4%). Положительно сказалась на тепловом балансе вторичное использование сваренного печного шлака предыдущей плавки.

Приходная часть баланса современной электропечи по структуре в основных чертах соответствует классической. Так, химическая энергия составляет около 30% и выделяется в результате: окисления компонентов шихты; химических элементов (C, Si, Mn, P, Fe) жидкой ванны; добавок, которые вводят в рабочее пространство печи, например, дисперсного углерода; при окислении графитированных электродов.

Количество энергии, которую вносят высокотемпературные источники тепла (электрическая дуга и факел топливо-кислородной горелки) составляет соответственно около 70%, при этом доля энергии, вносимой топливо-кислородными горелками незначительна и не превышает 5-7% общего прихода энергии.

Энергия высокотемпературных источников тепла.

Электрическая дуга. Электрическая энергия в ванну современной ДСП вводится в режиме пониженных значений рабочего тока на ступенях вторичного напряжения до 1500 В, что является весомой причиной сокращения расхода технологической электроэнергии и электродов и существенного улучшения технико-экономических показателей процесса. Уменьшение силы рабочего тока при увеличении длины дуги лимитируется переходом дуги в режим неустойчивого горения, который в первом приближении наступает при > 0,85.

Исходя из этого ограничения, на рис. 2.11 показано, как влияет рост реактивного сопротивления печного контура на возможность повышения вторичного напряжения при сохранении уровня вводимой в печь активной мощности.

Согласно типовой характеристике энергетического режима плавки с одной подвалкой в современной ДСП (рис. 2.12) продолжительность работы трансформатора составляет около 85% общего времени и делится по уровню вводимой мощности на три этапа.

Быстрое проплавление колодцев после завалки (60-70% лома) или подвалки с целью защиты свода печи от излучения и замыкание электрической цепи на «болото». Продолжительность этапа составляет 1 - 2 минуты. Для того чтобы уменьшить энергетический уровень дуг, работают на одной или двух ступенях напряжения с относительно короткими дугами и коэффициентом мощности (=0,75), что несколько стабилизирует горение электрической дуги в контакте с холодным ломом. Как только электроды достигают «болота», работа дуг стабилизируется и можно увеличить их мощность до максимума, этому способствует улучшение контроля электрического режима и отсутствие резких скачков тока.

Зависимость между величиной реактивного сопротивления и вторичным напряжением печного трансформатора

Рис. 2.11. Зависимость между величиной реактивного сопротивления и вторичным напряжением печного трансформатора (1 - полная мощность печного трансформатора 50 МВА; 2 - 70 МВА; 3 - 100 МВА).

Как показывает практика плавки стали в современных ДСП, на втором этапе плавления лома необходимо вводить максимальную активную мощность. Вторичное напряжение повышают, длина электрической дуги возрастает, поскольку футеровка печи полностью экранирована шихтовыми материалами. Печь работает с коэффициентом мощности равным 0,80-0,81.

В конце плавки на третьем этапе плавления лома мощность электрической дуги в некоторых случаях принято снижать.

Пример энерготехнологического режима плавки в дуговой сталелитейной печи, вместимостью 100 т

Рис. 2.12. Пример энерготехнологического режима плавки в дуговой сталелитейной печи, вместимостью 100 т

Завершающий этап проводят при высоком значении силы тока в сочетании с пониженным напряжением.

При работе с одной подвалкой после подачи электроэнергии в количестве 280 - 300 кВт*ч/т завалки, плавление останавливают и проводят подвалку лома. Электрический режим плавки также влияет на расход энергии. Существует мнение, что при работе на длинных дугах расход ее повышается. Чем меньше падение напряжения на дуге, тем меньше расход энергии. Но при этом необходимо учитывать, что важнее: расход энергии или производительность печи. На печах постоянного тока расход энергии снижается на 10 кВт*ч/т при уменьшении падения напряжения на дуге с 800 до 700 В. Установлено, что наиболее эффективной величиной падения напряжения на дуге являются 450 В для трехфазных печей и 600 В - для печей постоянного тока.

Качество вспенивания шлака определяет теплоперенос от дуги к жидкой ванне, а его толщина и свойства могут изменить расход энергии на ±20 кВт*ч/т. Так, по оценкам исследователей [141], в случае открытой горящей дуги ее суммарный КПД составляет около 36%. Если дуга погружена в шлак на часть своей длины, то пропорциональное количество энергии, которая в первом случае терялась, передается расплавленной ванне. Поэтому контроль состояния шлака в ходе плавки приобретает весьма важное значение. В настоящее время разработаны системы непрерывного контроля качества вспенивания шлака, которые используют информацию об уровне шумовыделения [210], интенсивности излучения [211], амплитуд высших гармоник напряжения дуги [212] и т. п.

Топливно-кислородные горелки. Для того чтобы ускорить плавление лома в холодных местах рабочего пространства и не затягивать наступление момента полного плавления лома и получения активной по всей поверхности шлаковой ванны чения активной по всей поверхности шлаковой ванны применяют дополнительную энергию топливо-кислородных горелок. Горелки включают сразу же после завалки (рис. 2.12). Суммарная продолжительность работы горелок зависит от физических свойств загруженного скрапа, и колеблется от 15 до 20 минут, что обычно составляет 20-35% времени плавки. Считается, что средний термический КПД горелок равен 50-60%. Тем не менее, для печей с высоким потреблением электроэнергии преимущество использования горелок состоит не в частичном замещении электроэнергии факелом, а в том, что шихта расплавляется одновременно во всем рабочем пространстве печи. Обычно топливом служит природный газ. В зависимости от его состава теплота сгорания природного газа колеблется в пределах от 9 до 12 кВт*ч/м3, среднее значение 10,5 кВт*ч/м3. Для сжигания 1 м3 газа требуется около 2 м3 кислорода.

Химическая энергия. Рассмотрим технологические приемы современной плавки, которые позволяют при применении в шихте ДСП 100% стального лома, химический тепловой потенциал примесей которого ничтожен, достигнуть высокого уровня поступления химической энергии. Сравнительная оценка доли химических источников энергии для классического и современного способа ведения плавки в ДСП приведена в табл. 2.18.

Таблица 2.18. Оценка доли химических источников энергии для классического и современного способа ведения плавки в ДСП

Оценка доли химических источников энергии для классического и современного способа ведения плавки в ДСП

На основании сопоставительной оценки прихода тепла химических реакций при проведении классической и современной технологии плавки можно сделать следующие выводы:

  • приход тепла химических реакций при проведении окислительных процессов, как по классической, так и по современной технологии приблизительно одинаков и составляет в приведенном примере около 190 кВт*ч/т выплавленной стали;
  • приход тепла за счет высокозатратных попутных источников энергии в современной печи значительно снижен и составляет около 15% против 50% и более в классической (окисление железа, графитированных электродов, а для случая классической технологии производства электротехнической стали - раскисление шлака и металла ферросилицием, силикокальцием и алюминием);
  • приход тепла в результате окисления примесей металлосодержащей части шихты в современной плавке примерно в два раза ниже, но дисбаланс компенсируется два раза ниже, но дисбаланс компенсируется вводом в рабочее пространство углеродистого порошка и организацией его эффективного окисления.

На основании вышеизложенного можно сделать следующие выводы:

  • уменьшение расхода электроэнергии в современной дуговой печи вызвано, прежде всего, сокращением общего расхода тепла на плавку и снижением его потерь;
  • соотношение между количеством введенной в печь электрической и химической энергии изменилось незначительно;
  • приход химической энергии при проведении современной технологии плавки стали в ДСП основан и полностью зависит от техники ввода углеродистого порошка и газообразного кислорода.

Здесь не в последнюю очередь следует отметить сложность всей технологической схемы использования твердых дисперсных углеродистых материалов. На основании накопленного промышленного опыта её можно представить следующим образом:

  • помол углеродистого материала с отсевом необходимой фракции;
  • пневматическая загрузка и выгрузка ёмкостей;
  • транспортировка и хранение, исключающие попадание влаги;
  • применение водомаслоотделителей и фильтров для транспортирующего воздуха, пневмонагнетателей, весоизмерительных и регулирующих устройств;
  • разработка работоспособных конструкций транспортирующих трубопроводов и фурменных устройств.

Углеродистый порошок имеет сильное абразивное действие. Существует опасность взрывов при транспортировке его воздухом [213, 214]. Вместе с тем, применительно к плавке стали в электропечи сложность применения углеродистого порошка в настоящее время не является серьезным препятствием, так как созданы достаточно надежные системы инжекционной металлургии.

Качество стали во многом зависит от применяемого углеродистого материала. При производстве стали массового сортамента наибольшее распространение получили следующие материалы [215]:

  • каменноугольный коксик (80% углерода, до 1,5% серы, 10% золы и 7% влаги);
  • антрацит (86% углерода, до 1,9% серы, 4,8% золы и 3,5% влаги и 1,8% водорода).

Порошкообразный каменноугольный коксик и антрацит являются довольно дешевыми и недефицитными материалами. Вместе с тем, следует помнить, что углеродистый порошок этих веществ содержит значительное количество водорода в виде адсорбированной влаги и углеводородов [214]. Отрицательной стороной углеродистого порошка приведенного состава является возможность насыщения стали азотом. За исключением искусственного и натурального графита содержание азота в углеродистых порошках достигает 1% и более [214]. Поэтому при их вводе отмечают прямую связь между повышением концентраций углерода и азота [216, 217, 218]. По этим данным при науглероживании на 0,10% возможно повышение концентрации азота на 0,0005-0,0010 %. Увеличение концентрации азота в стали на 0,0010-0,0020 % наблюдали при вдувании углеродистого порошка и в мартеновские печи [218, 219], и в конвертеры [220], а также при электроплавке [221].

Поведение серы и фосфора в процессе обработки зависит от содержания этих компонентов в порошке, запаса серо- и фосфоропоглотительной способности шлака и интенсивности его массообмена с металлом.

Следовательно, можно принять, что большое влияние на качество выплавляемой стали оказывает вид углеродистого порошка. Авторы работы [215] отмечают, что углеродистый порошок, имеющийся на рынке, такой его вид, как, например, металлургический кокс сухого тушения с высоким содержанием азота, не обеспечивают получение высококачественной стали. Поэтому наряду с возможностью применения электрографита они изучали влияние на чистоту выплавляемой стали новых материалов: лигнитового коксика и игольчатого кокса.

Электрографит или искусственный графит получают при высокотемпературном нагреве (2700°С) природного графита, нефтяного кокса или как побочный продукт производства графитированных электродов. Он содержит 99,25% связанного углерода, 0,12% азота, 0,12% водорода, 0,03% серы и 0,21% золы.

Игольчатый кокс - побочный продукт дистилляции нефти - характеризуется низким содержанием азота (0,14%), водорода (0,23%), серы (0,09%), золы (0,05%) и высокой концентрацией связанного углерода (99,44%). Применяется для изготовления графитированных электродов.

В лигнитовом коксике, получаемом путем коксования бурого угля (лигнита), содержится 86,78% связанного углерода, 0,40% азота, 0,43% водорода, 0,50% серы и 9,32% золы. Его преимуществами перед другими углеродистыми материалами является высокая реакционная способность.

Из практики работы дуговых сталеплавильных печей известны три основных способа использования дисперсного углерода:

1. Науглероживание жидкого металла в печи с последующим окислением растворенного углерода газообразным кислородом, которое можно представить как параллельное протекание следующих реакций:

Учитывая, что доля СО2 в продуктах реакции невелика, вкладом в процесс реакции (2.3) обычно пренебрегают. Пользуясь значением энтальпии химической реакции при 1600°С, находим, что в процессе окисления 1 кг растворенного в стали углерода газообразным кислородом выделится около 3,26 кВт*ч тепловой энергии.

Ввод углеродистого материла в ванну проводится либо в завалку, либо вдуванием в расплав.

Воздействие потока углеродистых частиц, непрерывно подаваемых в одно и то же место ванны, можно представить следующим образом: быстрое локальное раскисление ванны первыми порциями углеродистого порошка; локальное науглероживание раскисленного объёма металла; диффузионная волна углерода к поверхностям, удобным для протекания реакции; реакция окисления углерода на этих поверхностях.

Преимущество данного способа применения дисперсного углерода заключается в довольно высокой степени использования тепла, которое генерируется непосредственно в расплаве. Вместе с тем, способ имеет сравнительно низкий (даже в случае дожигания СО) тепловой эффект. Кроме того, при определенных условиях может наступить нестационарный режим кипения сталеплавильной ванны, который нарушает ход технологического процесса, а иногда бурное вскипание приводит к аварийным выбросам шлака и металла из агрегата.

Начальное содержание углерода по расплавлении должно обеспечивать эффективное пневматическое перемешивание ванны, за счет которого происходит гомогенизация температуры и состава металла и шлака, минимизация содержания азота и водорода в расплаве, увеличение поверхности контакта шлака со сталью и ускорение удаления неметаллических включений в шлак. Скорость реакции окисления углерода значительно увеличивается в случае прямого вдувания кислорода с помощью кислородных фурм. Технология современной плавки предусматривает окисление углерода до низкой концентрации (0,04 – 0,09%), что позволяет применять менее дорогие железосодержащие шихтовые материалы, иметь на выпуске стабильный состав жидкого полупродукта, использовать для легирования стали более дешевые высокоуглеродистые ферросплавы.

2. Ввод углеродистого порошка на шлак с последующим окислением его газообразным кислородом и оксидами. Процесс можно представить следующими основными химическими реакциями, проходящими в окислительном печном шлаке:

На основании значений энтальпии химических реакций при 1600°С находим, что в процессе окисления находящегося в шлаке 1 кг углерода в ходе реакции (2.4) выделится 2,73 кВт*ч тепловой энергии, а согласно реакции (2.5) выделяется наибольшее количество тепла - 9,18 кВт*ч. Поэтому техника и технология электроплавки направлена на увеличение доли реакции (2.5) в химических процессах.

Немаловажную роль в процессах генерации тепла и поддержания стабильной окисленности шлака играет параллельное прохождение реакций 2.6 и 2.7. Из практики плавки стали известно, что ввод дисперсного углерода в шлак приводит к его вспениванию, которое является результатом восстановления оксидов железа и марганца частицами углерода (2.6), а также локального повышения концентрации углерода в прилегающем к шлаку слое металла. Вспенивание шлака, как негативное явление в ходе мартеновской и конвертерной плавки, впервые было изучено и изложено в работах С.И. Сапиро [222], который установил, что стабилизации шлаковой пены способствует присутствие поверхностноактивных оксидов, твердых неметаллических частиц и повышение вязкости шлака. Как известно, при современной плавке стали в дуговой печи вспененный шлак способствует повышению эффективности нагрева металла электрической дугой и снижению тепловой нагрузки поверхности рабочего пространства печи. Кроме того, колебания тока и напряжения, уровень шума значительно уменьшаются, когда дуга экранирована шлаком.

Для стабилизации пенообразования шлака в практике электроплавки предусматрены следующие технологические приемы:

  • ввод в шлак порошкообразных извести, известняка или доломита;
  • поддержание содержания FeO в шлаке на определенном уровне (15-20%);
  • контроль соотношения CaO /SiO2 в шлаке на уровне 2,5;
  • ограничение температуры шлака.

Ввод дисперсного углерода производится, например, сжатым воздухом прямо в шлак через керамическую трубу, встроенную в футеровку стены печи, фурмой манипулятора либо специальными стационарными фурмами, установленными в окнах водоохлаждаемых стеновых панелей.

3. Дожигание выделяющегося из расплава СО путем ввода в рабочее пространство ДСП дополнительного количества газообразного кислорода:

{СО} + 0,5{О2} ={СО2} - (2.8)

В процессе окисления 1 м3 СО при 1600°С выделяется 3,45 кВт*ч тепловой энергии. Современные разработки в области конструирования электропечей направлены на создание техники, которая, с одной стороны, повышает степень дожигания СО, а с другой - усвоение ванной и шихтовыми материалами выделяющейся тепловой энергии. Принято считать, что таким способом возможно утилизировать в рабочем пространстве до 60% энергии дожигания СО, что составляет приблизительно 4 кВт*час/м3 вдуваемого для этой цели кислорода.

Основные конструктивные направления оптимизации процесса состоят в следующем:

  • приближение точки ввода кислорода к линии шлака;
  • регулирование наклона и направления струи кислорода;
  • организация необходимых газодинамических параметров струи кислорода в рабочем пространстве печи.

При разработке конструкций фурм - дожигателей и горелок обязательно учитывается действие струи кислорода на графитированные электроды, с целью их предохранения от прямого окисления.

4. Частичное или полное окисление газообразным кислородом порошкообразного углерода в струе, вдуваемой в рабочее пространство ДСП:

В случае частичного окисления углеродистого порошка в струе кислорода, он в нагретом состоянии подается в шлак и может растворяться или окисляться газообразным кислородом и печным шлаком (модульная технология). Модульная технология предусматривает различные режимы и комбинации вдувания кислорода, природного газа, углеродистого порошка и шлакообразующих веществ [223]. При этом вероятно, что частицы углеродистого порошка, нагретые до высокой температуры, оказывают положительное влияние на радиационные свойства факела [224].

Применение таких устройств получает широкое промышленное распространение. Так, на заводе «Nucor Yamato Steel» (США) работают две 127-т ДСП с трансформаторами по 90 MBА [147]. Замена на каждой из печей манипуляторов и топливо-кислородных горелок тремя модульными инжекторами позволила осуществить ввод и независимое регулирование расхода кислорода, углеродистого порошка и природного газа. Оба кислородных инжектора работают сначала как топливо-кислородные горелки, мощностью по 3,5 МВт каждая, после проплавления лома в верхний инжектор подают преимущественно кислород, а в нижний – порошкообразный углерод, которые смешиваются до попадания в ванну печи. Каждый модуль позволяет вводить в ДСП:

  • кислород с максимальным расходом 3800 м3/ч (суммарный расход - 11420 м3/ч);
  • природный газ – до 1500 м3/ч;
  • порошкообразный углерод с расходом до 30 кг/мин;
  • порошкообразные шлакообразующие до 30 кг/мин.

После внедрения инжекционной технологии удельная производительность печей увеличилась до 180 т/ч, а расход энергоносителей и материалов на плавку снизился (табл.2.19). Так, например, из-за быстрого вспенивания шлака уменьшился расход огнеупоров.

Таблица 2.19. Основные показатели работы печей

Основные показатели работы печей

  2.4.5 Энергетический баланс плавки в дуговой сталеплавильной печи (ДСП)
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ