Однако неоправданно большое количество чугуна в шихте требует увеличения продолжительности плавки из-за необходимости дополнительного обезуглероживания.
Применение в завалку электропечи жидкого чугуна. Энергетически выгодно из-за выделения дополнительной химической энергии, но и ввода в ванну физического тепла. Температура жидкого чугуна перед заливкой в печь составляет 1150-1350˚С, при этом его теплосодержание достигает 223-272 кВт*ч/т, что обеспечивает при замене 1% лома жидким чугуном около 2,23-2,72 кВт*ч/т дополнительной энергии.
Химические реакции окисления кремния и марганца при содержании 1% жидкого чугуна в шихте дополнительно вносят около 1,40 кВт*ч/т. Содержание углерода в чугуне обеспечивает поступление тепла от его окисления в количестве 0,5 кВт*ч/кг. Кроме того, следует учитывать энергию растворения углерода, которая составляет около 0,6 кВт*ч/кг. Поэтому суммарный вклад 1% жидкого чугуна в тепловой баланс плавки составляет примерно 4,3 кВт*ч/т.
Однако, по некоторым данным, несмотря на снижение расхода энергии и сокращение продолжительности плавки, при работе на жидком чугуне, себестоимость готовой стали возрастает примерно в 1,3-1,5 раза. Стоит отметить, что в условиях дефицита стального лома и наличия избыточного количества передельного чугуна на металлургическом комбинате такой технологический вариант может быть экономически целесообразен даже для производства стали массового сортамента. Вместе с тем, существует оптимальное с точки зрения себестоимости готового полупродукта соотношение чугун- лом. Существуют расчетные данные, по которым для определенных конкретных условий производства (масса плавки 165 т) экономически оптимальное количество жидкого чугуна в шихте составляет окло 30%.
На основании вышеизложенного можно заключить, что в настоящее время прямая альтернатива применению стального лома в шихте современной ДСП отсутствует, поэтому технология электроплавки стали массового сортамента с целью минимизации издержек, как правило, предусматривает загрузку в электропечь 100% стального лома.
Энергетический баланс плавки. Наиболее очевидным фактором, характеризующим повышение конкурентоспособности электростали, является реализация и постоянное совершенствование идеи высокопроизводительной ДСП.
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 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 монооксида углерода печной атмосферы за счет ввода дополнительного количества кислорода в рабочее пространство печи с помощью специальных устройств различной конструкции. Немаловажно, что при этом отпала необходимость в перегреве стали для проведения последующей десульфурации шлаковыми смесями, усреднения инертным газом в ковше и наведения рафинировочного шлака в печи. Положительно сказалось 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 жидкой ванны; добавок, которые вводят в рабочее пространство печи, например, дисперсного углерода; при окислении графитированных электродов.
Количество энергии , которую вносят высокотемпературные источники энергии (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 λ>0,85.
Согласно типовой характеристике энергетического режима плавки с одной подвалкой в современной ДСП 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 дуги на "болото". Продолжительность этапа составляет 1-2 минутыю Для того, чтобы уменьшить энергетический уровень дуг, работают на одной или двух ступенях напряжения с относительно короткими дугами и коэффициентом мощности (λ=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.
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. Завершающий этап проводят при высоком значении силы тока в сочетании с пониженным напряжением.
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 потери 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, 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, интенсивности излучения, амплитуд высших гармоник напряжения дуги.
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 применяют дополнительную энергию топливо- кислородных горелок. Горелки включают сразу после завалки. 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/т,среднее значение 10,5 кВт*ч/т. 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.
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;
- 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 );