4. Ресурсо- и энергосберегающие технологии в сталеплавильном производстве
§1. Сравнение энергоэффективности сталеплавильных процессов
В настоящее время для выплавки стали в массовом производстве используют различные типы печей. При анализе эффективности методов по энергосбережению в сталеплавильном производстве следует учитывать, что энергоемкость производства стали – это сумма затрат энергии как непосредственно в самом сталеплавильном процессе, так и суммарная энергоемкость предыдущих переделов (доменного, и подготовки сырья).
Поэтому повышение доли металлолома в шихте резко снижает расход энергоносителей на выплавку стали. Так как суммарные затраты энергии на сбор, подготовку и транспортировку 1 тонны металлолома в среднем 4 раза ниже чем на выплавку 1 тонны чугуна.
Сопоставление некоторых способов выплавки стали по расходу энергии приведено на рисунке 4.1.
Данный анализ позволяет сделать вывод о том, что наименее энергозатратным является процесс получения стали из металлолома в ДСП, в то время как схема «прямое восстановление железа (ПВ) + ДСП» наиболее энергозатратна, так как в данном процессе используется большое количество природного газа. Схема производства чугуна с использованием доменной печи (ДП) с последующей переработкой его в сталь в кислородном конвертере (КК) занимает промежуточное положение.
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.
Подогретая шихта загружается в ДСП, где происходит ее расплавление в ванне жидкого металла. Отходящие с ДСП печные газы подогревают движущуюся по конвейеру шихту, после чего направляются на станцию газоочистки.
В отличие от загрузки, выпуск стали из печи осуществляется периодически, а для автоматического обнаружения шлака при выпуске используется устройство на основе инфракрасного датчика.
В печь также можно заливать жидкий чугун, который непрерывно подается в рабочее пространство печи по специальному футерованному желобу.
Преимущества технологии Consteel:
– сокращение расхода электроэнергии на 80…120 кВт·ч/т и электродов за счет повышения стабильности процесса и подогрева шихты;
– повышение производительности печи за счет непрерывности процесса;
– лучшие условия для шлакообразования и более благоприятная атмосфера в печи.
– повышение стойкости футеровки печи;
– снижение более чем на 40% затрат на материально-техническое обеспечение, персонал и обработку отходов производства.
– пониженное содержание FeO в шлаке, снижение содержания азота, фосфора и водорода в стали;
– снижение уровня шума и повышение экологичности производства.
§5. Двухкорпусные электросталеплавильные агрегаты
Двухкорпусные печи в первую очередь характеризуются повышенной производительностью. Такая печь состоит из двух ванн (корпусов) и одной системы питания с одним (печь постоянного тока) или тремя (печь переменного тока) электродами, которые переставляются с одной ванны на другую. Схема расположения оборудования двухкорпусной печи постоянного тока приведена на рисунке 4.3.
Пока в одном корпусе идет плавка металла с помощью электродов в другом корпусе происходит подогрев шихты отходящими газами из первого корпуса или газовыми горелками. При этом время плавки сокращается на 40%, а за счет подогрева шихты достигается снижение расхода электроэнергии на 40…60 кВт·ч/т. Встречаются печи, в которых электроды установлены на двух ваннах, однако в этом случае теряется экономический эффект от сокращения капитальных затрат на строительство агрегата.
Еще одним вариантом реализации двухкорпусных печей является агрегат CONARC (СONverter + electric ARC furnance). Этот агрегат также имеет два корпуса печи, но помимо одного комплекта электродов на нем установлена и фурма для подачи кислорода (как в конвертере). Схема агрегата приведена на рисунке 4.4. Преимуществом данного агрегата является возможность выплавки стали из жидкого чугуна и металлолома (или DRI) практически в любых пропорциях.
Конец ознакомительного фрагмента.