Прогрессивные энерго- и ресурсосберегающие металлургические технологии. Учебное пособие для обучающихся по направлению «Металлургия» - Виталий Скляр

В целом, основными направлениями снижения энергоемкости сталеплавильного производства являются:

– выбор оптимальной структуры сталеплавильного производства (сокращение мартеновского производства и т.д.);

– максимальное использование всего ежегодно образующегося на предприятии металлолома;

– снижение доли чугуна в балансе плавки, сокращение расхода ферросплавов;

– совершенствование технологии плавки и конструкции сталеплавильных агрегатов;

– предварительный подогрев металлолома отходящими газами перед загрузкой;

– увеличение объемов внепечной обработки стали, в частности применение агрегата ковш-печь;

– как можно большая утилизация тепла отходящих газов, шлака, охлаждающей воды и металла;

– расширение объемов непрерывной разливки стали;

– выбор оптимальных с точки зрения энергозатрат схем расположения цехов по выплавке чугуна, стали и производству проката.

В качестве ресурсосберегающих мероприятий можно рассматривать технологии переплавки легированных отходов, которые позволяют плавить лом из легированных марок сталей с максимально возможным переходом легирующих элементов в готовый металл. В этом случае возможно исключение или сокращение окислительного периода плавки.

Рисунок 4.1 – Сопоставление способов выплавки стали по расходу энергии

Поскольку мартеновские печи практически полностью выведены из эксплуатации, рассмотрим пути снижения затрат только в кислородно-конвертерном и электросталеплавильном производстве.

§2. Снижение затрат энергии в кислородно-конвертерном процессе

В качестве сырья для кислородного конвертера используется жидкий чугун (70…80%) и металлолом. После загрузки исходных материалов в конвертер для выжигания «лишнего» углерода производят продувку ванны жидкого металла кислородом под высоким давлением через специальную фурму (фурмы).

Продувка разделяется на верхнюю (через погружную медную фурму), нижнюю (через донные фурмы) и комбинированную (одновременно через погружную и донные фурмы, при этом снизу может вдуваться только инертный газ). В процессе продувки кислород реагирует с углеродом и кремнием образую оксиды, при этом выделяется большое количество тепла, которое идет на поддержание температуры металла и расплавление металлолома. Однако этого количества тепла недостаточно для расплавления большего количества металлолома, чем 20…25%.

Конвертерный процесс сам по себе наименее энергоемок по сравнению с другими сталеплавильными процессами, однако использование большого количества чугуна для плавки обуславливает большую энергоемкость конвертерной стали.

Наиболее значимыми путями снижение затрат энергии в кислородно-конвертерном процессе являются:

– повышение температуры чугуна, заливаемого в конвертер, что позволяет добавить большее количество металлолома к шихте;

– увеличение доли металлолома и его предварительный подогрев отходящими газами;

– подача дополнительных энергоносителей в конвертер (измельченный уголь, природный газ);

– совершенствование технологии, в частности переход на комбинированную продувку, которая позволяет существенно уменьшить потери железа в шлаки пыль;

– проведение десульфурации, десиликонизации и дефосфорации чугуна в отдельных агрегатах или в желобе для выпуска чугуна (а не в конвертере и доменной печи);

– применение бесшлакового выпуска стали, для которого необходима установка затворов, которые перекрывают канал для выпуска стали в момент обнаружения частиц шлака в струе металла. Возможно применение также газодинамической отсечки шлака. Обнаружение шлака в этом случае производится инфракрасными или электромагнитными датчиками;

– применение более прочных огнеупоров, что обеспечивает большую стойкость кладки и соответственно увеличение производительности;

– применение технологии раздува шлака, согласно которой после выпуска стали, через фурму вдувают азот под большим давлением, и он разбрызгивает шлак по футеровке конвертера, что повышает ее стойкость;

– использование системы лазерного сканирования состояния футеровки конвертера, что позволяет производить ее оперативный ремонт, тем самым увеличивая ее стойкость.

§3. Снижение затрат энергии в электросталеплавильном производстве

В электросталеплавильном производстве применяют в основном дуговые сталеплавильные печи, на переменном и реже постоянном токе. Используются также индукционные печи в случае небольшого объема производства стали, в основном на машиностроительных предприятиях.

В ДСП переменного тока установлено три графитовых электрода (по одному на фазу), а в ДСП постоянного тока – два: один верхний графитовый и один донный – медный.

Основное преимущество дуговых печей – это возможность выплавлять высококачественные легированные и высоколегированные стали, которые проблемно получать в других сталеплавильных агрегатах.

В процессе работы ДСП создается дуга, имеющая температуру 5000…6000 К между графитовыми электродами и металлоломом. Из-за высокой температуры дуги нагрев и расплавление металла производится достаточно быстро, а усвоение легирующих материалов происходит более полно. Возможность ступенчато регулировать напряжение дуги и силы тока позволяет хорошо контролировать процесс и обеспечивать точную температуру металла.

Таки печи широко используются и для плавки металлизованных окатышей, которые подаются в печь непрерывно, в то время как металлолом загружается в печь за несколько раз большим объемом.

Однако следует отметить, что в настоящее время большинство вышеуказанных операций производится в установках внепечной обработки стали. А основной функцией ДСП является фактически только расплавление металла.

Основными путями снижения затрат энергии в электросталеплавильном производстве являются:

– подготовка металлолома с удалением загрязняющих веществ, в том числе примесей цветных металлов;

– использование для плавки горячего губчатого железа или жидкого чугуна;

– сокращение длительности плавки путем повышения удельной мощности трансформатора;

– уменьшение продолжительности заправки, доводки с выносом операций легирования, раскисления, модифицирования и десульфурации в агрегаты внепечной обработки;

– предварительный подогрев металлолома отходящими газами, который позволяет экономить до 40% электроэнергии;

– работа печей на «болоте», когда после выпуска оставляют большое количество жидкого металла в печи для использования в следующей плавке;

– использование продувки металла инертными газами через донные фурмы;

– применение устройств электромагнитного перемешивания;

– увеличение высоты стенок печи позволяет производить однократную загрузку шихты только одной бадьей с металлоломом;

– установка водоохлаждаемых панелей;

– применение специальных приемов обработки шлака, например вспенивание;

– использование дополнительно природного газа, сжигаемого в газокислородных горелках, позволяет снизить общий расход энергии до 10%;

– использование эркерного или сифонного выпуска стали, позволяющее сократить время выпуска;

– повышение расхода углеродосодержащих материалов.

§4. Процесс Consteel

Процесс Consteel® разработан для снижения расхода энергоресурсов при выплавке стали в дуговой электросталеплавильной печи.

По этой технологии осуществляется непрерывная подача металлолома по конвейеру в ДСП (рисунок 4.2). Таким образом, процесс плавки становится фактически непрерывным. При этом обеспечивается постоянное плоское зеркало металла, над которым горят электроды, а расплавление поступающего металлолома происходит в ванне жидкого металла, что приводит к повышению стабильности процесса. Емкость таких печей составляет от 40 до 320 т. Внешний вид установки приведен на рисунке 9.1

Рисунок 4.2 – Схема установки Consteel: 1 – загрузка металлолома; 2 – металлом на конвейере; 3 – дымоход; 4 – отходящие газы; 5 – дуговая электросталеплавильная печь; 6 – электроды; 7 – электрододержатели, 8 – фурма для продувки кислородом и углеродом, 9 – жидкий металл, 10 – горелки для подогрева металлолома

В соответствии с технологией, шихта, с помощью электромагнитного крана, из вагонов подается на загрузочный конвейер, подогреваемый отходящими печными газами, который транспортирует ее к ДСП. Существует вариант технологии с дополнительными горелками, установленными над конвейером. Преимуществом процесса является отсутствие необходимости окускования металлолома, возможно использование даже стружки.