Анализ показывает, что электросталеплавильный процесс при 100% лома в шихте является наиболее эффективным по энергозатратам. Важнейшим резервом снижения энергоемкости стали является, кроме повышения доли лома в шихте, экономия топлива is энергии при получении стали.
Рассмотрим на примере ДСП основные направления энергетической оптимизации электроплавки:
1) минимальное использование электроэнергии — наиболее дорогого энергоносителя, применение которого связано с наибольшими затратами первичного топлива. На получение 1 кВт*ч электроэнергии расходуется 3,1 - 3.3 кВт - ч топлива:
2) использование в ДСП максимально возможных количеств относительно дешевого органического топлива. преимущественно угля;
3) наиболее полное использование тепла отходящих газов для предварительного высокотемпературного нагрева лома.
Количество энергии, вводимой с топливом, при широком использовании на современных ДСП топливно-кислородных горелок (ТКГ), обычно не превышает 50-70 кВт*ч/т, что сокращает расход электроэнергии на 35-50 кВт*ч/т.
За рубежом топливо отходящих газов ДСП используют для нагрева лома в загрузочных бадьях. Однако из-за ограниченой стойкости бадей среднемассовая температура подогрева лома обычно составляет 300-350°С. Такой подогрев обеспечивает снижение расхода электроэнергии на 25-35 кВт*ч/т.
Совместное использование ТКГ и подогрева лома в бадьях позволило уменьшить расход электроэнергии до 400-430 кВт*ч/т, а расход првичного топлива, рассчитаного только по энергоносителям, до 1700-1800 кВт*ч/т. Дальнейшее сокращение этих расходов требует значительного увеличения количества топлива, используемого взамен электроэнергии, и перехода к высокотемпературному подогреву отходящими газами всей массы лома.
Предварительный подогрев лома до среднемассовой температуры 1000 °С впервые реализован в агрегате ББК-Бруса. в котором объединены 36-т ДСП и расположенная над ней вращающаяся трубчатая печь. Подогрев фрагментированного лома в печи осуществляется в противотоке отходящими газами и ТКГ. При дополнительном расходе природного газа на ТКГ около 30 м3/т (280 кВт*ч/т) расход электроэнергии снизился на 220 кВт*ч/т.
В последние годы в США осваивается так называемый Констил-пропесс, в котором используется подогреватель конвейерного типа. Из-за ограниченной стойкости конвейера температура подогрева лома не превышает 600 - 750 °С. Расход электроэнергии без использования ТКГ снизился до 320 - 340 кВт*ч/т.
Однако такие подогреватели лома дороги, требуют для своего размещения больших площадей и не обладают необходимой стойкостью. В связи с этим трубчатые и конвейерные печи для подогрева лома не получили распространения. Более перспективной представляется ДСП с шахтными подогревателями лома конструкции фирмы "Фукс Системтехник" [2]. Шахтный подогреватель устанавливается на своде печи и является продолжением рабочего пространства. Большая часть лома загружается непосредственно в печь, а остальная — в подогреватель. Технологические газы удаляются из печи через шахтный подогреватель. По мере нагрева лом сходит из шахты в рабочее пространство. Печь оборудована ТКГ и манипулятором для вдувания угля. В последних конструкциях подогреватель имеет в нижней части водоохлаждаемые поворотные пальцы, что позволяет подогревать всю массу шихты. Применение шахтного подогревателя лома и применение ТКГ обеспечивает снижение энергоемкости стали по сравнению с обычной ДСП на 30 - 40 %.
Задача глубокой утилизации тепла отходящих газов для нагрева лома наиболее успешно решена в известном топливно-кислородном агрегате EOF, в котором переплавляется шихта, состоящая из жидкого чугуна и лома. Топливом служит порошкообразный уголь вдуваемый в жидую ванну вместе с кислородом. Подогреватель лома, снабженный водоохлаждаемыми разделительными решетками, устанавливается над печью. Лом загружается в подогреватель сверху отдельными порциями и по мере нагрева перемещается с решетки на решетку, а затем в ванну. Подогревается до температуры 850 °С весь лом на плавку.
Определенный прогресс наблюдается и в области совершенствования применяемых на ДСП горелок. В НИИМ разработаны поворотные ТКГ единичной мощностью 20 МВт и более, позволяющие изменять в широких пределах направления факела по ходу нагрева, в том числе горелки эркерного типа, обеспечивающие внедрение факелов в слой шихты на уровне подины. Это обеспечивает высокий КПД горелок (60 - 70 %). При расходах природного газа 16-18 м3/т и кислорода 32 - 36 м3/т энергопотребление на 100-т ДСП снижается на 120- 180кВт*ч/т. Высокая мощность и энергетическая эффективность горелок конструкции НИИМ позволили реализовать двухстадийный процесс электроплавки, когда после завалки и подвалки шихты горелки работают при отключенных дугах.
В последние годы широкое распространение получает использование порошкообразного угля на ДСП. Это подтверждается результатами освоения так называемого K-ES процесса. Для работы по технологии K-ES ДСП оборудуются донными фурмами для вдувания порошкообразного угля. кислорода, инертных и защитных углеводородных газов через подину. В стенах устанавливаются ТКГ для дополнительного нагрева лома и. главным образом, для дожигания СО, выделяющейся из ванны. При расходе угля 22 - 30 кг/т и кислорода 50 -55 м3/т сокращение расхода электроэнергии на 1 кг угля составляет в среднем 5,3 кВт*ч/кг, а расход электроэнергии на плавку сокращается до 280 - 320 кВт ч/т.
Учитывая накопленный опыт комбинированного использования в ДСП электроэнергии, газообразного и твердого топлива, а также тепла отходящих газов для предварительного высокотемпературного нагрева лома, специалисты НИИМ разработали двухстадийный топливно-дуговой сталеплавильный процесс и основные технические решения по конструкции топливно-дугового сталеплавильного агрегата (ТДСА). В ТДСА входят дуговая сталеплавильная печь и шахтный водоохлаждаемый подогреватель лома. Печь оборудована эркерными газо-кислородными горелками суммарной мощностью 40 МВт и фурмой для вдувания угля и кислорода. В стенах печи установлены также кислородные фурмы для дожигания СО.
Плавка в ТДСА проводится в две стадии. На первой стадии подогретый лом нагревается до температуры 1200 - 1400 °С только за счет топлива: природного газа и угольной пыли, которые сжигаются в кислороде. На второй стадии плавление и нагрев жидкой ванны осуществляются за счет совместного использования электроэнергии и порошкообразного угля. В конце плавки с целью гомогенизации ванны по составу и температуре вдувание угля прекращают, и плавка доводится только на электрических дугах. Длительность плавки составляет 60-65 мин. Годовая производительность 40-60-т ТДСА-250-400 тыс.т. Благодаря высокотемпературному нагреву лома отходящими газами и использованию в больших количествах топлива расход электроэнергии сокращается до 130-180 кВт*ч/т, а расход электродов – до 1,0-1,8 кг/т. При этом затраты первичной энергии на выплавку стали по сравнению с обычной ДСП снижаются в 1,5-1.6 раза.
Таким образом, анализ энергоемкости стали, выплавляемой в различных агрегатах, показал, что энергетическая оптимизация процесса получения стали обеспечивается при выплавке ее в ДСП, работающей на шихте, состоящей из 100% лома, с использованием максимально возможных количеств органического топлива, преимущественно угля, и наибольшей утилизации тепла отходящих газов для высокотемпературного подогрева лома. Снижение энергозатрат на выплавку стали не только обеспечивает повышение экономической эффективности процесса, но и улучшает экологию. Все это необходимо учитывать при выборе структуры сталеплавильного производства на предприятии как при строительстве, так и при модернизации.
Технические характеристики, описание работы и правила эксплуатации
Дуговая печь состоит из рабочего пространства с электродами и токоподводами и механизмов, обеспечивающих наклон печи, удержание и перемещение электродов, и загрузку шихты.
Плавку ведут в рабочем пространстве; на большинстве печей оно имеет куполообразный свод, стенки, сферический под выполненные из огнеупорного материала. Огнеупорная кладка пода и стен заключена в металлический кожух. Съемный свод набран из огнеупорного кирпича, опирающихся на опорное кольцо. Через три симметрично расположенных в своде отверстия в рабочее пространство введены токоподводящие электроды, которые с помощью специальных механизмов могут перемещаться вверх и вниз. Печь питается трехфазным переменным током.
Шихтовые материалы загружаются на под печи, после их расплавления в печи образуется слой металла и шлака. Плавление и нагрев осуществляется за счёт тепла электрических дуг, возникающих между электродами и жидким металлом или металлической шихтой.
Выпуск готовой стали и шлака осуществляют через сталевыпускное отверстие и желоб путём наклона рабочего пространства. Рабочее окно, закрываемое заслонкой, предназначено для контроля за ходом плавки, ремонта пода и загрузки материалов.
Шихту в современных печах загружают сверху в открываемое рабочее пространство с помощью корзины с открывающимся дном; лишь на отдельных ранее построенных печах небольшой ёмкости (<40 т.) сохранилась завалка шихты через рабочее окно.
Механическое оборудование ДСП включает в себя: корпус, свод, опорную конструкцию, механизм наклона, электродержатель, механизм передвижения электродов, вспомогательные механизмы и устройства, систему удаления и очистки газов.
Корпус, футерованный изнутри, формирует рабочее пространство. На корпус действуют различные механические нагрузки: статистические – от массы футеровки и металла; динамические – при загрузке металлошихты через верх печи; термические напряжения вследствие неравномерного нагрева корпуса до 375…475 К, давление футеровки подины и стен вследствие её теплового расширения во время плавки. Поэтому корпус должен быть достаточно жестким и прочным. Корпус включает днище, кожух, песчаный затвор, рабочее окно, выпускное отверстие и сливной желоб (кроме печей с эркерным выпуском). На ДСП, оборудованных устройством электромагнитного перемешивания, днище изготавливают из немагнитной стали. Днище печей с эркерным выпуском имеет выступ с вырезом, усиленным ребрами жесткости и фланцем, к которому болтами крепят металлоконструкцию эркера. Эркер имеет необходимую арматуру выпускного отверстия с откидным или шиберным затвором, имеющим гидравлический привод и дистанционное управление.