Учебное пособие Санкт-Петербург Издательство спбгпу 2003
| Вид материала | Учебное пособие |
- Учебное пособие Издательство спбгпу санкт-Петербург, 1380.47kb.
- Методические указания Санкт-Петербург Издательство спбгпу 2007, 1378.97kb.
- Министерство образования Российской Федерации Санкт-Петербургский государственный политехнический, 2776.63kb.
- Учебное пособие Санкт-Петербург 2011 удк 621. 38. 049. 77(075) Поляков, 643.33kb.
- Учебное пособие Санкт-Петербург Издательство спбгэту «лэти» 2004, 1302.72kb.
- Учебное пособие Санкт-Петербург 2009 удк 802., 485.15kb.
- Учебное пособие Санкт-Петербург Издательство спбгэту «лэти» 2006, 1935.03kb.
- Учебное пособие Санкт-Петербург Издательство спбгэту «лэти» 2006, 648.91kb.
- Новые поступления в библиотеку балтийского русского института, 158.89kb.
- Методические указания Санкт-Петербург Издательство спбгпу 2003, 1310.56kb.
2.5.5.ЭЛЕКТРОСТАЛЕПЛАВИЛЬНОЕ ПРОИЗВОДСТВО
Приоритетное развитие электрометаллургии определяется преимуществами, которые электроплавка имеет перед другими способами выплавки металла.
Когда в Египте сооружалась Асуанская плотина, археологи вели многочисленные раскопки в Нубийской пустыне, которая после ввода плотины в строй должна была стать районом затопления. Однажды был найден стальной нож, пролежавший в земле несколько тысяч лет. Вряд ли эта находка всерьез заинтересовала бы ученых, если бы не одно обстоятельство: лезвие ножа оказалось настолько острым, что им легко можно было резать даже мягкий хлеб. Столь высокое качество изделий свидетельствует о большом мастерстве древних металлургов и оружейников.
Электропечь является универсальным агрегатом. В ней можно плавить углеродистый, низколегированный, легированный и высоколегированный сортамент сталей и сплавов. Дуговые печи работают непрерывно или периодически. Они быстрее расплавляют лом, поскольку нагрев осуществляется “изнутри”, в колодцах шихты. В кислородном конвертере и мартеновской печи легко создать окислительную, восстановительную и нейтральную атмосферы. Угар легирующих и раскислителей в электропечи на 25–30 % меньше, чем в других плавильных агрегатах. Электропечь незаменима для переработки металлизованного сырья, доля которого с каждым годом увеличивается.
Относительный рост электростали опережает темпы роста других способов производства и общего производства стали, млн. т/%:
| 1920 г. | 1940 г. | 1960 г. | 1980 г. | 1990 г. | 1995 г. | 1998 г. |
| 0,65/0,87 | 6,0/4,24 | 34,6/10,0 | 157,5/22,0 | 217,1/28,2 | 242,6/32,6 | 262,5/33,8 |
Ранее перед электросталеплавильным производством стояли задачи повышения производительности печей, снижения времени плавки, расхода электроэнергии, электродов, огнеупоров и трудовых затрат. Затем на первый план вышли экологические факторы и необходимость использования различных видов металлошихты. Результатом решения этих задач была разработка сверхмощных трехфазных дуговых печей, оборудованных водоохлаждаемыми панелями стен и свода, топливно-кислородными горелками и фурмами для вдувания кислорода и угля.
Значительные достижения в электрометаллургии связаны с разработкой и внедрением в производство технологии высокого уровня, направленной на достижение высокой производительности, снижение себестоимости продукции, повышение качества и конкурентоспособности стали и сплавов, реализацию энерго- и ресурсосберегающих и экологически чистых технологий. Такие технологии предполагает использование электропечи только для расплавления шихты и выплавки полупродукта, все рафинировочные операции, легирование, доводка металла по составу и температуре осуществляются вне печи методами ковшевой металлургии.
В настоящее время в мире работает более 1200 дуговых печей. В среднем еженедельно вводится одна электропечь. Данные об объеме производства электростали в ряде стран представлены в табл. 18.
Таблица 19
Производство электростали в 1998 г.
| Страна | Производство стали, млн.т. | Доля электростали, % | Страна | Производство стали, млн.т. | Доля электростали, % | ||
| общее | электростали | общее | электростали | ||||
| США | 97,7 | 43,6 | 44,6 | Канада | 15,9 | 6,6 | 41,5 |
| Япония | 93,5 | 29,5 | 31,9 | Великобритания | 17,3 | 3,9 | 22,5 |
| КНР | 114,3 | 23,0 | 20,1 | Иран | 5,6 | 3,4 | 60,7 |
| Италия | 25,7 | 15,3 | 59,4 | ЮАР | 7,5 | 2,7 | 36,0 |
| Германия | 44,0 | 12,1 | 27,5 | Швеция | 5,2 | 2,0 | 37,9 |
| Испания | 14,8 | 10,5 | 71,1 | | | | |
| Франция | 20,1 | 8,0 | 40,0 | | | | |
| Индия | 23,5 | 7,5 | 31,8 | | | | |
| Тайвань | 16,9 | 7,1 | 41,9 | | | | |
| Россия | 43,8 | 5,5 | 12,6 | В мире | 774,4 | 262,5 | 33,9 |
Первая дуговая печь в России была установлена в Петербурге на Обуховском заводе в 1910 г. В настоящее время в нашей стране действует около 70 электропечей емкостью от 6 до 150 т.
Ввод в действие мини-заводов привел к резкому росту электрометаллургии за последние 30 лет. Сейчас в мире работает несколько сотен мини-заводов. Например, в США в 1995 г. на таких заводах произведено 62 % общего объема электростали. Прогнозируется, что к 2020 г. более 50 % выплавляемой в мире стали будет производиться ни мини-заводах. Что касается России, по разным субъективным и объективным причинам к этому вопросу не было уделено необходимого внимания (в 1980-е гг. было построено в СССР три мини-завода: в Комсомольске-на-Амуре, Молдавии и Белоруссии).
Мощные электропечи применяют для получения низко- и среднеуглеродистых сталей самых распространенных марок. Электропечи также остаются основными агрегатами для выплавки легированных сталей с низким содержанием фосфора и серы, неметаллических включений.
В сочетании с методами внепечной обработки стали в электропечах получают высококачественные, высоколегированные нержавеющие, шарикоподшипниковые, инструментальные стали, жаропрочные сплавы и другие стали и сплавы специального назначения, а также ферросплавы.
ШИХТОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Стальной лом (скрап): товарный (поступающий со стороны) и собственные (оборотные) отходы. Оборотные отходы образуются по всему технологическому циклу производства продукции и практически полностью используются в сфере своего производства. Ресурсы лома являются определяющим фактором в формировании структуры производства стали по способам выплавки в каждой стране. Средний удельный расход лома Руд связан со структурой сталеплавильного производства следующим соотношением:
Руд = КэЭ + КкК + КмМ,
где Кэ, Кк, Км — средний удельный расход лома соответственно электросталеплавильных, конвертерных и мартеновских цехах, кг/т; Э, К, М — доля этих способов производства. На заводах “Втормета” для переработки лома применяют пакетирование, ножничную резку, брикетирование, дробление и переплав стружки.
Для снижения расхода электроэнергии лом предварительно нагревается до 200–250 °С. Предварительный подогрев лома улучшает плавление благодаря более устойчивому горению дуг. При этом сокращаются продолжительность плавки, расход электроэнергии и электродов. Использование для подогрева лома теплоты отходящих газов повышает степень использования электроэнергии.
Первые разработки предварительному подогрева лома включали в себя технологии подогрева лома отходящими газами в загрузочных корзинах, специальных камерах нагрева. Установки нагрева лома вне печи имеют существенные недостатки, поэтому немецкая фирма “Fuchs Systemtechnik” создала печь с шахтой для внутреннего подогрева лома. Такая печь емкостью 150 т работает на ОАО “Северсталь” (г. Череповец). Лом подогревается в шахте за счет теплоты отходящих газов и с помощью газокислородных горелок мощностью по 4 МВт, встроенных в нижнюю часть шахты. Конверторная система подогрева лома реализована в печи системы “Consteel”, в которой подогреватель лома имеет длину до 24 м.
Чугун традиционно применяется для повышения содержания углерода в шихте. Поскольку он имеет высокую (по сравнению с ломом) стоимость, его использование в электроплавке значительно сократилось. Сейчас его применяют, в основном, для разбавления некачественного лома (понижения содержания вредных примесей в расплаве).
Использование металлизованного сырья в электроплавке имеет следующие преимущества: химический состав точно известен, сырье однородно, в нем отсутствуют нежелательные примеси; повышается производительность печи; при плавлении меньше шума; допускается расширение производства при минимальных капитальных затратах.
Суперком (синтеком) — это новый тип металлошихты, его название — комбинация букв от слов “суперкомпозит оксид металла”. В качестве основы в этом материале содержатся чугун (70–90 %) и твердые окислители в виде окатышей, концентрата железной руды, агломерата (10–30 %). Суперком имеет вид чушек с равномерно распределенными по их объему минеральными компонентами. Он может использоваться и в качестве самостоятельного вида шихты, и в сочетании с другими (традиционными) материалами для электроплавки. Главное преимущество материала — высокая чистота по примесям цветных металлов, что позволяет выплавлять стали любого сортамента (листовые, высокопрочные конструкционные, рельсовые, котловые и др.). При этом уменьшается выход годного металла на 1 т металлозавалки и растет удельный расход электроэнергии из-за необходимости восстановления оксидов железа рудной части суперкома. Наличие суперкома устраняет зависимость производства стали от конъюнктуры рынка, лома.
Карбид железа в качестве шихтового материала может частично и даже полностью заменить чугун и скрап. Отсутствие вредных примесей обеспечивает получение высококачественного металла при экономии электроэнергии и капитальных затрат. Ухудшение качества скрапа и его удорожание позволяют считать карбид железа перспективным материалом для электрометаллургии.
В качестве шлакообразующего материала используются известь, известняк, флюсы (плавиковый шпат, шамотный бой).
Наиболее широко применяемым окислителями является газообразный кислород и железная руда (наилучшей рудой для электроплавки является сухой красный железняк криворожского месторождения). Иногда в качестве окислителя используют металлизованные окатыши с пониженной степенью металлизации.
Для получения требуемого содержания углерода добавляют углеродсодержащие вещества: мелкие отходы производства графитированных электродов и изделий, электродный бой, кокс.
Для российской металлургии одной из важнейших проблем является снижение удельных расходов исходных материалов и энергии, так как доля энергоресурсов в себестоимости продукции постоянно растет, достигая 25–30 %, что почти вдвое превышает это значение в странах ЕЭС.
Удельный расход металлошихты на 1 т стали является главным показателем расхода материалов в сталеплавильном производстве. Анализ эффективности металлургических процессов и оборудования основывается на тепловых балансах. Показатель расхода энергии на единицу производственной продукции — затраты тепловой энергии (энергоемкость). Энергозатраты выражаются в величине тепловой энергии — ГДж/т (МДж/кг) либо в расходе условного топлива при его теплотворной способности, равной 29,4 МДж/кг (кг у.т./т).
Данные, приведенные в табл. 19 и 20, характеризуют энергоемкость материалов и конечной продукции — стали, а также удельный расход металлошихты.
Таблица 20
Энергоемкость основных материалов сталеплавильного производства
| Материал | Энергоемкость | |
| МДж/ед. | кг у.т./ед. | |
| Чугун, кг | 23,8 | 0,811 |
| Металлолом, кг | 0,2 | 0,007 |
| Металлизованные окатыши, кг | 17,0 | 0,579 |
| Известь, кг | 5,4 | 0,184 |
| Кислород, м3 | 5,8 | 0,20 |
| Азот, м3 | 2,5 | 0,085 |
| Аргон, м3 | 35,6 | 1,21 |
| Природный газ, м3 | 37,6 | 1,28 |
| Мазут, кг | 41,0 | 1,40 |
| Электроэнергия, кВт.ч | 11,25 | 0,0383 |
| Ферромарганец-75 (ФМн-75) | 55,02 | 1,875 |
| Ферросилиций-45 (ФС-45) | 70,34 | 2,40 |
Наиболее энергоемким материалом является чугун, который определяет величину энергоемкости производимой на его основе стали.
Улучшение экономических и технических показателей работы плавильных агрегатов, улучшение экологических условий связано с внедрением энерго- и ресурсосберегающих технологий.
Таблица 21
Энергозатраты на 1 т стали
| Сталеплавильный процесс | Доля лома в шихте, % | Энергозатраты, КВт.ч на 1 т стали | |||||
| Общие*, КВт.ч/ГДж | В том числе, % | ||||||
| чугун | лом | ферросплавы | топливо +электроэнергия | остальное | |||
| Конвертерный | 25…30 | 6060/21,82 | 90,7 | 0,3 | 4,3 | 1,7 | 3,0 |
| Мартеновский: скрап-рудный скрап-процесс | 40…50 65 | 5190/18,68 4640/16,70 | 75,9 53,7 | 0,5 0,8 | 5,0 5,6 | 15,9 36,8 | 2,7 3,1 |
| Электросталеплавильный: ДСП традиционный ДСП с шахтным подогревом лома | 100 70 | 2610/9,40 3960/14,25 | 0 55,1 | 2,2 1,1 | 10,0 6,6 | 69,0 30,1 | 18,8 7,4 |
| Конструкции фирмы “Фукс системтехник” | 100 | 1940/6,98 | 0 | 3,0 | 13,5 | 66,3 | 17,2 |
| Процесс EOF с использованием жидкого чугуна | 50 | 4820/17,35 | 78,3 | 0,7 | 5,4 | 9,1 | 6,5 |
| *Энергозатраты, выраженные в КВт.ч/т переводили в ГДж/т с коэффициентом 1 КВт.ч = 3,6 МДж | |||||||
УСТРОЙСТВО ДУГОВОЙ ПЕЧИ
Кожух печи должен выдерживать нагрузку от массы огнеупоров и металла. Его делают сварным из листовой стали толщиной 16–50 мм в зависимости от размеров печи. Форма кожуха определяет профиль рабочего пространства дуговой печи. Днище кожуха обычно выполняется сферическим для обеспечения наибольшей прочности и минимальной массы кладки. Сверху печь закрыта сводом.
Современные дуговые печи работают в основном на графитированных электродах, расход которых зависит от их качества и условий работы печи. Дуговые печи сверхвысокой мощности работают на очень высоких токах (не менее 100 кА, напряжение 100–800 В), для них используют специальные высококачественные электроды, обладающие низким электрическим сопротивлением, более плотные, прочные.
Затраты на электроды печей обычной мощности при выплавке углеродистых сталей составляют 8 % себестоимости, для сверхмощных печей — до 15 % себестоимости стали. Для экономии электродов наносят защитные покрытия из алюминия, силикокальция и других веществ на их боковые поверхностя. В ходе плавки электроды сгорают, укорачиваясь, поэтому их наращивают для поддержания дуги.
На современных печах своды выполняют любо полностью водоохлаждаемыми из плоских панелей или трубчатыми. Своды бывают и комбинированными: периферийная — большая часть свода выполняется либо из панелей с водяным охлаждением, либо из трубчатых элементов охлаждаемых водой, а центральная часть — из огнеупорного кирпича. Стойкость стен достигает 100–150 плавок, подины — один-два года. Стены, как и свод, делают водоохлаждаемыми.
Система загрузки печи бывает двух видов: через завалочное окно мульдозавалочной машиной и сверху при помощи бадьи. Загрузку через окно применяют только на небольших печах.
Загрузка печи сверху осуществляется в один-два приема в зависимости от насыпного веса шихты. Чем тяжеловеснее шихта, тем меньше число загрузок. При этом меньше охлаждается футеровка, сокращается время плавки, уменьшается расход электроэнергии. Для загрузки печи свод приподнимают на 150–200 мм над кожухом печи и поворачивают в сторону вместе с электродами, полностью открывая рабочее пространство печи для введения бадьи с шихтой. Свод печи подвешен к порталу. Портал соединен с неподвижными стойками электродержателей в одну жесткую конструкцию, покоящуюся на поворотной консоли, которая укреплена на опорном подшипнике. Крупные печи имеют поворотную башню, в которой сосредоточены все механизмы поворота свода. Башня вращается вокруг шарнира на катках по дугообразному рельсу. Бадья представляет собой стальной цилиндр, диаметр которого меньше диаметра рабочего пространства печи. Снизу цилиндра имеются подвижные гибкие сектора, концы которых стягиваются через кольцо тросом. В некоторых конструкциях днище бадьи закрыто грейферным затвором.
Взвешивание и загрузка шихты в бадью производятся на шихтовом дворе электросталеплавильного цеха. Бадья с шихтой на трансферкаре подается в плавильное отделение цеха, поднимается краном и опускается в печь. Дно бадьи открывается, и при ее подъеме шихта из бадьи вываливается в печь в том порядке, в котором она была загружена в бадью.
При использовании в качестве шихты металлизованных окатышей загрузка может производиться непрерывно по трубопроводу, который проходит в отверстие в своде печи. В нашей стране получили распространение печи с выкатным корпусом и поворотным сводом.
Нагрев и плавление металла осуществляются электрическими дугами, горящими между концами трех электродов и металлом, находящимся в печи.
Для ускорения расплавления печи оборудуют стеновыми газокислородными горелками в количестве от 2 до 4 штук. Горелки располагаются под углом к вертикальной поверхности стен корпуса печи. Сжигание газа ускоряет расплавление и экономит электроэнергию. Этой же цели служит продувка кислородом через сводовую фурму или через трубки, вводимые в рабочее окно.
Выпуск шлака и готового металла происходит через летки. Если надо выпустить шлак, печь наклоняется на 10–15 ° в сторону рабочего окна, при выпуске металла печь наклоняется на 45° в сторону выпускного желоба (традиционный выпуск на маломощных печах).
Современные дуговые печи имеют и другие схемы выпуска стали (рис. 35).
Печь с сифонным выпуском имеет выпускное отверстие, расположенное ниже уровня металла. В такой печи можно оставлять после выпуска часть жидкого металла — “болото”, это позволяет быстрее расплавлять заваливаемый в печь лом.
Рис. 35. Схема выпуска стали из дуговых печей: а — традиционная; б — сифоном; в — через донное отверстие; г — через отверстие в эртере
Печь с эркерным выпуском имеет выпускное отверстие выше уровня подины. Такое расположение отверстия позволяет либо сливать весь металл, либо оставлять часть металла в печи и полностью отсекать шлак от металла. Эркерный выпуск позволяет сократить длительность этого периода с 8–12 до 2–4 мин. При ускоренном выпуске металла короткой сплошной струей его температура на 20–30 °С ниже обычной. При этом расход электроэнергии снижается на 3,4–4,6 %, а электродов — на 6 %.
ТЕХНОЛОГИЯ ПЛАВКИ
Плавка начинается с заправки печи (ремонт подины и откосов). Перед заправкой с поверхности подины удаляют остатки шлака и металла. На поврежденные места подины и откосов — места перехода подины в стены печи — забрасывают сухой магнезитовый порошок, а при больших повреждениях — порошок с добавкой пека или смолы.
Заправку производят заправочной машиной, выбрасывающей через насадку при помощи сжатого воздуха заправочные материалы или разбрасывающей материалы по окружности быстровращающегося диска, который опускают в открытую печь сверху.
Загрузка печи. Для наиболее полного использования рабочего пространства печи в центральную ее часть ближе к электродам загружают крупные куски (40 %), ближе к откосам средний лом (45 %), на подину и на верх загрузки мелкий лом (15 %). Мелкие куски должны заполнять пространство между крупными кусками.
Период плавления. Расплавление шихты составляет основное время плавки. В настоящее время многие операции легирования и раскисления металла переносят в ковш, поэтому длительность расплавления шихты определяет производительность печи. После окончания завалки опускают электроды и включают ток. Металл под электродами разогревается, плавится и стекает вниз, собираясь в центральной части подины. Под электроды забрасывают известь для наведения шлака. Постепенно озеро металла под электродами становится все больше, оно подплавляет куски шихты, которые падают в жидкий металл и расплавляются в нем. Уровень металла в печи повышается, а электроды под действием автоматического регулятора поднимаются вверх. Продолжительность расплавления металла равна 1–3 ч в зависимости от размера печи и мощности установленного трансформатора. В современных дуговых печах вместимостью 70–150 т период расплавления не превышает 45–50 мин.
Традиционная технология электроплавки стали предусматривает два варианта работы:
— на первичной шихте;
— с переплавом отходов.
При плавке по первому варианту шихта состоит из простых углеродистых отходов, малоуглеродистого лома, металлизованных окатышей с добавкой науглероживателя. Избыточное количество углерода окисляют в процессе плавки. Металл легируют присадками ферросплавов для получения стали нужного состава. Во втором варианте состав почти полностью определяется составом отходов, а легирующие добавляют только для некоторой корректировки состава. Окисления углерода не производят.
Плавка на отходах значительно короче (на 1 ч) по сравнению с плавкой на свежей шихте за счет окислительного периода. Это увеличивает производительность электропечей на 15–20 % и сокращает расход электроэнергии на 15 %.
В последнее время в электрометаллургии появился новый класс сверхмощных печей, в которых продолжительность всей плавки составляет 60 мин. Такие печи выплавляют в год до 1 млн. т стали. Основные операции получения заданной марки стали (легирование и рафинирование) перенесены в установки внепечной обработки стали. Для сокращения времени плавки, в связи со снижением износа подины и стен, в этих печах не производят заправку подины после каждой плавки, а оставляют в печи 10–15 % жидкого металла — “болото”. Полностью печь опорожняют через 6–10 плавок, а печи с эркерным выпуском еще реже — один раз в неделю.
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОПЛАВКИ
Жидкий старт. Под этим термином понимают начало плавки, в которой используется остаток расплава от предыдущего цикла. Для осмотра и ремонта подины или при переходе на выплавку стали другой марки, несовместимой с предыдущей, печь опорожняют полностью. Работа с остатком металла позволяет заметно увеличить среднюю потребляемую мощность при устранении ограничений начального периода плавления.
Особое значение жидкий старт имеет для технологии плавки стали с использованием металлизованной шихты. Наличие жидкой ванны резко увеличивает скорость плавления окатышей, непрерывно загружаемых в жидкую ванну со вспененным шлаком. Большинство трудностей устраняется, если окатыши с регламентированной скоростью непрерывно подаются в жидкую ванну, оставленную от предыдущей плавки.
Вдувание газов через подину осуществляется для активизации перемешивания жидкой ванны аргоном или азотом. При этом снижается градиент температуры по высоте ванны, улучшается взаимодействие металла и шлака, снижается расход электроэнергии и сокращается время плавки.
Вдувание кислорода. В настоящее время суммарный расход кислорода в электросталеплавильном производстве составляет от 15 до 30 м3/т, а для электропечей-рекордсменов с производительностью более 1 млн. т стали в год расход доходит до 40 м3/т. Это обеспечивает поступление около 30–40 % энергии, необходимой для плавления шихты. Интенсивность подачи кислорода в крупных печах составляет 0,7–0,85 м3/мин на 1 т. Использование 1 м3 кислорода позволяет сэкономить 3,0–3,5 кВт·ч. электроэнергии.
Применение жидкого чугуна. Связано с дефицитом лома, его высокой стоимостью, наличием избытка чугуна на некоторых металлургических заводах. Кроме того, высокое содержание цветных неудаляемых примесей в ломе ограничивает область использования электростали для производства листа. Добавление жидкого чугуна позволяет решить эту задачу.
Использование чугуна целесообразно в электропечах с небольшой удельной мощностью трансформатора (300–400 кВ·А/т). На мини-заводах, оснащенных сверхмощными печами, возможно использование чушкового чугуна для получения качественной стали по примесям цветных металлов.
Применение топливно-кислородных горелок (ТКГ). В настоящее время ТКГ являются эффективным способом ускорения электроплавки. В ТКГ происходит сжигание газообразного, жидкого или твердого топлива непосредственно в рабочем пространстве печи с получением высокотемпературного факела. ТКГ используют для ускорения расплавления шихты (окислительное плавление), для нагрева шихты и подрезки лома на холодных участках плавильного пространства.
Топливо и кислород, расходуемые в горелках, частично замещают необходимую электроэнергию. Число горелок варьируется от 1 до 9; удельная мощность до 200 кВт/т. Суммарная мощность для электропечей вместимостью до 50 т — до 10 МВт, от 50 до 120 т — 10–20 МВт и от 120 до 150 т — 20–25 МВт. Время работы ТКГ около 15–20 мин. Использование ТКГ позволяет выбрать режим, соответствующий минимальным энергозатратам, в зависимости от конкретных местных условий (стоимости электроэнергии, ее доступности, наличия природного газа, керосина и т. п.).
Работа со вспененными шлаками и вдувание углеродсодержащих материалов. Давно известное сталеплавильщикам негативное явление вспенивания шлака, затрудняющее теплопередачу в мартеновских печах и создающее опасность выбросов металла в кислородных конвертерах, в дуговых печах оказалось тем важнейшим технологическим элементом, благодаря которому окончательно утвердилась концепция скоростной плавки.
На образование вспененного шлака влияют газовая фаза и шлаковая ванна, поэтому в печь вводят повышенное количество кислорода и вдувают угольный порошок. Экономия энергии достигает 10–30 кВт·ч/т жидкой стали. Идеальным для поддержания вспененных шлаков является использование металлизованных окатышей, содержащих и углерод, и кислород.
Перемешивание ванны. При перемешивании ванны в дуговых печах ускоряются расплавление лома, усреднение температуры, активизируются реакции между шлаком и металлом в зоне. Особенно сильно влияние перемешивания сказывается при плавке стали с использованием металлизованной шихты, когда могут образовываться “айсберги” из металлизованных окатышей.
В трехфазных дуговых печах перемешивание проводят путем донного вдувания аргона или азота. Донное газовое перемешивание повышает производительность печей на 3–6 %, снижает расход электроэнергии на 1–7 % и огнеупоров на 10 %.
Дожигание технологических газов. Анализ теплового баланса работы дуговых печей показывает, что до 20 % энергии, введенной в печь, теряется с отходящими газами, что соответствует потерям электроэнергии до 200 кВт·ч/т. Потери энергии складываются из физической теплоты газов (50–65 кВт·ч/т) и химической теплоты, которая может быть выделена при их дожигании (окисление монооксида углерода и водорода).
Существуют различные системы дожигания: в объеме печи, в шахте, в подогревателях шихты, которые состоят из системы отбора и анализа отходящих газов, фурм для вдувания кислорода, систем клапанов и систем компьютерного управления печью. Расположение, количество и конструкции фурм для дожигания весьма разнообразны и определяются характеристиками дуг печи, видом шихты и технологией плавки.
Обобщенные показатели эффективности использования вышеперечисленных альтернативных источников энергии в сверхмощных электропечах приведены ниже:
| Источник снижения расхода электроэнергии | Экономия электроэнергии, кВт·ч/т |
| Предварительный подогрев лома: | |
| вне печи | 40 |
| в шахтных печах | 200 |
| Работа на повышенной мощности за счет длинных дуг | 15 |
| Использование топливно-кислородных горелок: | |
| в малых печах | 30–60 |
| в крупных печах | 90–120 |
| Применение вспененных шлаков | 30–50 |
| Использование жидкого чугуна | 25–30 |
| Использование донного выпуска | 15–30 |
| Автоматизация и управление электроплавкой | 30–35 |
ЭЛЕКТРОДУГОВЫЕ ПЕЧИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
В последнее время в мире значительное внимание уделяется созданию и внедрению в производство дуговых печей постоянного тока (ДППТ). Как было показано ранее, основной объем электростали выплавляется в дуговых печах переменного тока, но они имеют недостатки, затрудняющие их эксплуатацию: высокий уровень шума при работе, сильная запыленность и загазованность, кроме того, ДСП являются источником интенсивных помех в питающих энергосистемах. Устранить эти недостатки и призваны ДППТ.
Эти печи имеют аналогичные ДСП по конструкции кожух, свод, механизмы наклона печи и перемещения электрода, одинаковые схему загрузки шихты и выпуска металла, требования к качеству шихтовых материалов. Отличие в том, что ДППТ имеет один вертикально расположенный сводовый электрод, закрепленный в корпусе электродержателя и введенный внутрь печи через отверстие в центре свода.
Важнейшим элементом ДППТ является конструкция токоподвода к шихте. Для этого используется или токопроводящая подина с металлическими элементами, или один (несколько) стержневых подовых электродов. В России ДППТ имеют стержневые водоохлаждаемые подовые электроды, геометрические размеры которых рассчитываются с помощью математического моделирования с учетом движения жидкого металла под действием электромагнитных сил.
Питание печи производится от источника постоянного тока, отрицательный полюс которого соединен со сводовым электродом, а положительный — с подовым электродом. Источник питания находится в специальном помещении, которое иногда располагается на значительном расстоянии от печи (десятки и даже сотни метров), и представляет собой комплект электрооборудования, включающий в себя силовой трансформатор, преобразователь, реактор постоянного тока и теплообменник (при водяном охлаждении преобразователя).
В процессе плавки ток дуги проходит по всей глубине ванны, взаимодействует с собственным магнитным полем, создавая электромагнитные силы, которые вызывают направленное движение и перемешивание металла.
При плавке в ДППТ испаряется намного меньше металла и шлака, образуется в 6–8 раз меньше пыли, поэтому в ней можно плавить металлы и сплавы с относительно низкой температурой плавления.
Кроме перечисленных, ДППТ обладают и другими преимуществами по сравнению с ДСП: сокращается расход графитированных электродов (до 0,8–1,5 кг/1т); повышается выход годного металла за счет снижения угара на 3–4 %; снижается расход ферросплавов на 15–20 %; за счет уменьшения пылевыбросов снижаются затраты на газоочистку; на 15 дБ падает уровень шума; стабилизируется электрический режим; возможно электромагнитное перемешивание жидкого металла.