УДК 669.187.2
АДАПТАЦИЯ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ПЕЧИ К НЕТРАДИЦИОННЫМ СЫРЬЕВЫМ МАТЕРИАЛАМ
© Грант Майкл1; Блоштейн Филипп1; Бут Светлана Николаевна2; Кауфман Коуди3
1 Air Liquide S.A. Франция, Париж
2 Air Liquide Россия. Москва. E-mail: info.moscow@airliquide.com
3 Подразделение ACI, Air Liquide Advanced Technologies США, LLC Статья поступила 24.10.2013 г.
Рассмотрено несколько проблем, связанных с использованием нетрадиционных шихтовых материалов при выплавке стали в электродуговых печах. Показаны результаты внедрения технологии Air Liquide ACI (American Combustion Inc. - дочерняя компания Группы Air Liquide) в этой области. Обсуждены специфические аспекты, связанные с использованием железа прямого восстановления и чугуна в чушках, а также с использованием жидкого чугуна в электродуговых печах.
Ключевые слова: электродуговая печь (ДСП); жидкий металл; жидкий чугун; железо прямого восстановления; горячебрикетирован-ное железо; производство стали с продувкой кислородом; боковые горелки.
Ожидается, что общий объем производства стали в России увеличится с 74,4 млн т в 2013 г. до 79,3 млн т в 2015 г. [1]. Весь этот рост будет почти полностью обеспечиваться за счет роста в секторе стали, выплавляемой в электродуговых печах (БАБ - ДСП). Это соответствует мировой тенденции роста производства электростали. Более того, ожидается, что объем сталеплавильного производства в странах СНГ к 2030 г. увеличится на 69 млн т, из них 44 млн т будет приходиться на производство стали в электродуговых печах [2]. Сооружение ДСП является менее капиталоемким, и на производство 1 т стали в них требуется меньше трудозатрат. Сейчас в России на разных стадиях строительства и запуска находятся 14 проектов сооружения ДСП [1].
Традиционным шихтовым материалом для ДСП является лом черных металлов. Однако количество имеющегося в России металлолома постепенно уменьшалось таким образом, что из крупнейшего в мире экспортера металлолома в 2005 г. Россия к 2012 г. превратилась в наименее значительного [1, 2]. Россия имеет крупнейшие в мире достоверные запасы природного газа, которые делают привлекательным производство 2 железа прямого восстановления (ВЫ) [2]. Эти тенденции были осознаны рынком давно, и в ^ России уже имеются действующие предприятия, производящие и продающие ЭМ и чушковый чу-£ гун [1, 3]. Таким образом, на российский рынок 5 поступает около 2,5 млн т/год ЭИ (горячебрике-г тированного железа - НВ1) [3] и 2,1 млн т/год чу-
гуна в чушках. Использование чушкового чугуна и железа прямого восстановления в ДСП имеет несколько технических преимуществ:
- возможность растворения остаточных случайных элементов, присутствующих в скрапе, что позволяет повысить чистоту стали и обеспечить производство более качественной стали;
- гибкость в использовании более дешевого скрапа более низкого качества для обеспечения наиболее низких расходов на производство стали равноценных марок;
- содержание в чушковом чугуне более 4% углерода обеспечивает дополнительную химическую энергию для производства стали. Хотя производимое в настоящее время железо прямого восстановления содержит более 3% углерода, присутствующие в нем оксиды железа требуют при плавке дополнительной энергии на восстановление. Чугун в чушках не содержит значительного количества оксидов железа в случае правильного хранения до использования.
Производство стали в электропечах с использованием в большом количестве железа прямого восстановления и чушкового чугуна отличается от производства стали в ДСП с завалкой традиционного скрапа. Соответственно отличается использование кислорода при этих технологиях. В России имеются предприятия, производящие железо прямого восстановления и использующие его для получения стали в ДСП, на других заводах производится завалка чушкового чугуна со скрапом. Среди предприятий, на которых произ-
водится завалка в печи значительном доли железа прямого восстановления, можно найти примеры излишнего использования кислорода, что приводит к резкому сокращению выхода годного металла. Поэтому в эксплуатационных параметрах необходимо учитывать химический состав железа прямого восстановления, используемого в качестве сырья. Чушковый чугун и железо прямого восстановления, если их доля в шихте превышает 30%, требуют при завалке особого внимания.
Процессы с использованием жидкого металла и чушкового чугуна. Чушковый чугун в большинстве стран считается основным сырьем для ДСП. В нем очень мало или вообще отсутствуют нежелательные случайные элементы при содержании более 4% углерода для выделения химической энергии. Благодаря высокой плотности не возникают проблемы с его погружением в расплав. Однако по сравнению с большинством лучших сортов скрапа он более дорогостоящ. Для осуществления технологии выплавки стали с использованием жидкого металла (жидкого чугуна) необходимо, чтобы ДСП находилась вблизи доменной печи. Использование жидкого чугуна имеет преимущества перед применением чушкового, в том числе очень важное — высокое теплосодержание (его температура при загрузке находится в пределах 1200-1400 °С). Это, естественно, дает экономию электроэнергии и обеспечивает повышение производительности. По наблюдениям авторов, за пределами Индии и Китая жидкий металл в ДСП обычно не используется, но его применение заслуживает внимания, так как многие эксплуатационные проблемы одинаковы при использовании как жидкого металла, так и чушкового чугуна (после его расплавления).
Практические аспекты использования жидкого чугуна в электродуговых печах. Использование жидкого чугуна в электродуговых печах имеет как преимущества, так и недостатки. Как уже было сказано выше, наиболее значительное преимущество - его высокое теплосодержание. Жидкий чугун содержит также около 4,5% углерода, что обеспечивает дополнительную энергию за счет обезуглероживания [4].
В то же время использование жидкого чугуна в ДСП имеет два основных недостатка:
- вследствие реакции между жидким чугуном с высоким содержанием углерода и сильно окисленным шлаком, остающимся в печи, во время загрузки жидкого металла могут иметь место бурные всплески;
- электропечи предназначены для расплавления скрапа, а не для смешивания в ванне. Во время рафинирования в ванне могут возникнуть градиенты концентрации углерода, что может приводить к бурным реакциям, при которых металл и шлак вытесняются из печи через шлаковую дверцу.
Проблемы производительности. Производительность ДСП при использовании жидкого металла зависит от мощности кислородных фурм и боковых горелок. Потребление электроэнергии снижается с ростом количества загружаемого в печь жидкого чугуна (рис. 1), что приводит к увеличению производительности печи. Более того, реальная производительность печи (см. рис. 1) была выше определенной теоретическими расчетами, которые сделаны в предположении, что температура жидкого металла составляет 1200 °С. На практике температура жидкого металла превышала 1200 °С, что привело к более низкому энергопотреблению по сравнению с расчетным (см. рис. 1).
При загрузке в печь больших количеств жидкого металла (а до этого использовался только скрап) ее производительность первоначально повышается. Когда содержание жидкого металла превышает пороговое значение, производительность снижается, так как действует ограничение, связанное с возможностями системы подачи кислорода. На рис. 2 показано снижение производительности печи после того, как доля жидкого металла в шихте превысила 40%.
Печь была оснащена боковыми горелками Руге^™, каждая с возможностью подачи в ванну кислорода со сверхзвуковой скоростью (2000 м3/ч). Она была также оборудована двумя кислородно-топливными горелками Ругох™ для расплавления лома с непрогретыми участками [5]. Система Руге|е1тм (включающая в себя клапанный механизм
400т -й350|
V ,
(§ 300 к
н 250 з
ср200-ср X ® 150
Теоретические расчеты в предположении, что температура расплавленного металла 1200 °С
оо
р т100
50-
Расчетное значение Фактические данные печи
10
20 30
40
50 60 70 80
Содержание расплавленного металла в плавке, %
Рис. 1. Потребление электроэнергии в зависимости от доли загружаемого жидкого чугуна
0
0
зочного окна фурмы (4000 м3/ч), чтобы увеличить возможность подачи кислорода до 10 000 м3/ч. На рис. 2 показана производительность печи при расходе кислорода 10 000 м3/ч.
Работа печи при загрузке более 35% жидкого чугуна. Доля жидкого чугуна (см. рис. 1 и рис. 2), загружаемого в эту печь, достигла 70%, при этом в большинстве плавок использовали около 50% жидкого металла. Вследствие высоких цен на газообразное топливо, а также из-за высокого содержания жидкого металла, на этом заводе перешли с горелок Руге|е1тм на фурмы специальной конструкции АЬАИС™-^ - вдувание со сверхзвуковой скоростью без защиты от пламени (рис. 3).
Фурма АЬАИС™-^ предназначена для ДСП, в которых для предварительного нагрева и расплавления скрапа не требуется газообразное топливо, особенно когда используется жидкий чугун или в печах, которые почти полностью работают в условиях жидкой ванны (непрерывная
Таблица 1. Улучшение показателей по производству стали специальных марок на заводе JianYin Xingcheng после установки системы горелок PyreJet™ [5]
Параметр До установки Руге^™ -100% лома После установки Руге^™
100% лома 20% жидкого металла
Завалка лома (за исключением чушкового чугуна), кг/т 738,1 743,8 712,4
Потребление электроэнергии, кВт-ч/т заготовок 346 324 285
Выход годного, % (жидкий металл/скрап) 91,5 91,5 92,1
Доля %: чушкового чугуна в шихте 32,5 29,4 15,0
жидкого чугуна, заливаемого в печь 0 2,6 19,4
Расход: смеси (пропан/бутан), м3/т 1,25 0,95
кислорода, м3/т 46,8 51,9 46,9
электродов, кг/т 1,04 0,99 0,95
углерода, кг/т 7,6 6,4 5,4
Таблица 2. Сравнение производительности печи при использовании ALARCтм-Jet и PyreJetтм при работе с высокой долей жидкого чугуна в завалке
Параметры плавки в печи ЭС ЕВТ Горелка Руге^™ Фурма ЛЬЛКС™-^ ЛЬЛКСтм-[е1 с поправкой на долю жидкого чугуна до 23,3%
Первая завалка, т 61,8 61,7 61,7
Жидкий чугун, т 28,4 23,6 27,8
Вторая завалка, т 31,0 34,0 29,8
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.