» » Расход электроэнергии при выплавке
04.02.2015

Особенности электрического режима. Электрический режим в период плавления металлизованных окатышей обстоятельно изучался Эльснером. При одинаковых ступенях напряжения плавление окатышей по сравнению с ломом характеризовалось более высокой эффективной мощностью и лучшим распределением ее по фазам, что обусловлено увеличением коэффициента мощности (cos φ) примерно на 10 % и уменьшением фактического реактанса (табл. 15).
Расход электроэнергии при выплавке

Причина такого явления объясняется изменением формы кривой напряжения дуги. При плавлении лома из-за наличия частых возмущений, приводящих к появлению высших гармоник, форма кривой напряжения приближается к прямоугольной. При горении дуги на ванне, покрытой шлаком - режиме, характерном для плавления окатышей, высшие гармоники исчезают и форма кривой напряжения становится близкой к синусоидальной. Идеализированное изменение диаграммы мощность — ток при постоянном напряжении на трансформаторе приведено на рис. 66. При переходе от режима с высшими гармониками к режиму с синусоидальной формой cos φ и мощность на дуге возрастают.
Расход электроэнергии при выплавке

Отрицательным моментом здесь является увеличение длины дуги и соответственно интенсивности облучения стен с ростом коэффициента мощности. Уменьшение действия этого фактора может быть достигнуто повышением рабочего тока в период непрерывной загрузки окатышей. Такой режим предполагает, что трансформатор, вторичный токопровод и электроды рассчитаны на работу при повышенных токах. В качестве примера в табл. 16 приведены характеристики высших ступеней напряжения трансформатора, используемых при плавлении лома и окатышей. Последние характеризуются пониженными значениями cos φ — в среднем 0,63 против 0,68 для лома.
Расход электроэнергии при выплавке

При плавлении окатышей на жидкой ванне улучшаются условия работы регулятора мощности, что способствует меньшим колебаниям во времени вводимой в печь энергии и увеличению по сравнению с плавкой на ломе средней мощности в период плавления. Так, при выплавке стали в 40-т печи с трансформатором 8 MB*А, несколько перегружаемым в период плавления получены следующие показатели:
Расход электроэнергии при выплавке

Исходя из известного выражения P=Nном cos φ kисп, где kисп — коэффициент использования мощности, получаем kисп ок/kисп л = 1,05, т.е. за счет равномерности подвода средняя активная мощность в период плавления окатышей возросла в данном случае на 5 %.
Увеличение снимаемой мощности на 3—10 % при переходе от плавления лома к плавлению окатышей отмечается в работах.
Из приведенных данных следует, что при расчете производительности коэффициент использования мощности, принимаемый обычно для лома 0,8—0,9, для плавления окатышей должен быть увеличен примерно на 5 %; cos φ определяется, исходя из условий службы футеровки. Для сверхмощных печей, работающих с металлизованными материалами в шихте, он не должен превышать минимальных значений, принятых для плавления лома: 0,65—0,71.
Энергетика плавления. В отличие от плавки на ломе расход электроэнергии при плавлении металлизованных материалов может изменяться в широких пределах в зависимости от их состава, что затрудняет прямое сопоставление данных, относящихся к различным агрегатам и процессам. Целесообразно поэтому вначале рассмотреть методы расчетной оценки и общие закономерности изменения энергии, необходимой для плавления шихты и осуществления сопутствующих реакций.
Энергетические потребности процесса плавления определяются из баланса энергии относительно материалов:
Расход электроэнергии при выплавке

В случае, если отсутствует подогрев шихты вне печи, уравнение (79) для 1 т материала запишется
Расход электроэнергии при выплавке

где Епл э.п — удельная потребность энергии на осуществление процесса плавления шихты.
Рассмотрим отдельные составляющие правой части уравнения (80). На рис. 67 схематически показано образование продуктов плавления металлизованных окатышей, представленных жидким металлом, шлаком и CO, получающейся в результате восстановления окислов железа окатышей углеродом. Последующая реакция дожигания CO протекает вне ванны и усвоение выделяющегося при этом тепла должно учитываться общим к.п.д. плавки. Из-за отсутствия в составе окатышей высокотермичных легирующих (кремния, марганца, хрома) тепло в ванне в результате экзотермических реакций при плавлении не выделяется. Расчеты показывают, что теплота, выделяющаяся при окислении испаряющегося железа, компенсирует примерно затраты на его испарение. Из сказанного следует, что в формуле (80) qэкз = 0, a qэнд = mFe вос - ΔНt (теплоте реакции восстановления железа массы mFe вос).
Расход электроэнергии при выплавке

Массу жидкого металла mж.м в выражении (80) можно определить по формулам (70), (71), считая испаряющееся железо и корольки жидким металлом, а массу шлака mш — по формуле (39). Количество восстанавливаемого железа может быть найдено по разности между железом окисным в окатышах и в шлаке:
Расход электроэнергии при выплавке

После подстановки в формулу (80) и преобразований получаем
Расход электроэнергии при выплавке

Энтальпия жидкого металла (МДж/т), принимая, что он содержит 0,2-0,5 % С, может быть определена из выражения
Расход электроэнергии при выплавке

Приводимые в литературе значения ΔНшt, например для 1570 °C, колеблются в довольно широких пределах от 1847 до 2340 МДж/т (513—650 кВт*ч/т). Анализ литературных источников и выполненные расчеты показали, что колебания значений теплосодержания шлаков обусловлены их составом. Нижний предел значений характерен для шлаков типа мартеновских, верхний — для электропечных шлаков восстановительного периода с низким содержанием окислов железа. Энтальпия шлаков периода плавления металлизованных окатышей с основностью 1,5—2,0 согласно нашим оценкам может быть найдена из выражения
Расход электроэнергии при выплавке

Теплоту реакции восстановления железа (МДж/т Fe) можно определить по формуле
Расход электроэнергии при выплавке

не учитывающей энтальпию восстановленного железа, поскольку она входит согласно принятой схеме расчета в теплоту жидкого металла (mж.м ΔНt ж.м). Полная энергия реакции восстановления (МДж/т Fe)
Расход электроэнергии при выплавке

Значения ΔНtвос, вычисленные по формуле (85), совпадают с: 1872 МДж/т (520 кВт*ч/т) при 1570 °C.
На рис. 68 приведена рассчитанная по выражению (82) зависимость потребности энергии на плавление 1 т металлизованных окатышей с различным содержанием пустой породы при степенях металлизации 90 и 94 %, содержания закиси железа в шлаке 15 %, основности 1,7. С ростом содержания пустой породы увеличивается расход энергии на плавление и перегрев шлака и незначительно снижаются затраты тепла на восстановление железа. Одна, и та же полезная энергия может соответствовать окатышам различного состава. Например, потребности 1600 МДж/т отвечают окатыши с пустой породой 3,6 % при φ = 90 % и 5,5 % при φ = 94 %. Расчеты по формуле (82) показывают, что затраты тепла на шлакообразование при повышении на 1 % пустой породы превышают затраты на восстановление при снижении степени металлизации на 1 % примерно в 3—3,5 раза. Отсюда следует, что с позиций энергетики снижение содержания пустой породы в губчатом железе более эффективно, чем повышение степени металлизации.
Расход электроэнергии при выплавке

Сопоставляя энергетические потребности для процессов плавления лома и металлизованных материалов нужно принимать во внимание различие их по температуре и количеству получаемого по расплавлении железа. При плавке на ломе концом плавления можно условно считать достижение ванной температуры 1530 °C, хотя на практике эта температура бывает ниже. Плавление окатышей ведут при температуре Примерно 1570 °C.
В табл. 17 приведены потребности энергии на плавление лома и окатышей, включая шлакообразование и химические реакции, приведенные к 1 т жидкого металла при температуре 1570 °C. При оценке полезного тепла на плавление лома принято, что дополнительно от экзотермических реакций окисления кремния и других элементов поступает примерно 10 % энергии, полностью усваивающейся ванной. Это соответствует случаю плавления лома с присадкой железной руды без продувки кислородом.
Расход электроэнергии при выплавке

Энергетические потребности плавления окатышей при температуре ванны 1570 °C примерно на 30-35 % выше, чем лома. Они возрастают до 35-40 %, если для лома Принять температуру 1530 °C. Следовательно, применение металлизованных материалов взамен лома потенциально всегда связано с повышением, по крайней мере на 30 %, потребностей в энергии.
Фактический расход электроэнергии на плавление шихты, включающей металлизованные материалы, помимо энергетических потребностей, зависит от целого ряда факторов (теплопотерь через футеровку печи, расхода кислорода, мощности трансформатора и др.). Совместное действие этих факторов характеризуется коэффициентом использования электрической энергии в печной установке в период плавления (ηэ.пл), который при отсутствии значительных источников дополнительного тепла в печи равен ее общему к.п.д.
В первом приближении ηэ.пл можно оценить, если известна фактическая удельная скорость плавления (ωпл, кг/мин МВт) или удельный расход электроэнергии на плавление 1 т шихты (wпл ших), связанные соотношением
Расход электроэнергии при выплавке

Такой подход обусловлен тем, что удельная скорость плавления характерна для плавки металлизованных материалов.
На рис. 69 показано изменение температуры ванны 40-т печи от удельной скорости загрузки. Нулевому изменению температуры соответствует скорость ωпл ок (Δt = 0) = 28,2 кг/(мин*МВт), найденная из уравнения регрессии Δt = 152-5,406 ωпл ок; (r = 0,94). Величина ωпл ок (Δt = 0) определяется экспериментально для конкретных условий (состава окатышей, подводимой мощности, средней температуры ванны) и используется при управлении загрузкой окатышей с целью поддержания оптимального режима расплавления. Плавление со скоростью ωпл ок (Δt = 0) соответствует состоянию динамического равновесия, когда подводимая в печь энергия покрывает энергетические потребности процесса и тепловые потери.
Расход электроэнергии при выплавке

На рис. 70 приведена найденная по изложенной выше методике зависимость коэффициента использования электрической энергии в период плавления металлизованных материалов от емкости печи. При построении использованы данные о составе материалов и режиме плавления, приведенные в литературе и исследования авторов.
Расход электроэнергии при выплавке

Большинство экспериментальных значений, располагающихся в нижней части области А, относится к опытно-промышленной выплавке стали на металлизованных материалах, при которой из-за недостатка опыта и кратковременности кампаний, по-видимому, не достигались оптимальные режимы работы. Значения коэффициента 0,81 и 0,84, относящиеся к 60- и 85-т печи, характеризуют практику серийной выплавки стали при достаточно отработанной технологии в электросталеплавильных цехах в Джорджтауне и Гамбурге и являются характерными для плавления металлизованных окатышей. Коэффициент использования электроэнергии изменяется в пределах 0,74-0,84, увеличиваясь с ростом емкости печи. В среднем он может быть принят: 0,82 для крупных и 0,78 для малых печей.
Для сравнения на рис. 70 нанесена область значений ηэ.пл л, характеризующих плавление лома, включая потерн тепла, обусловленные подвалками шихты. В среднем в зависимости от емкости печи он может быть принят 0,82-0,86 или, как показывают расчеты, при исключении эффекта подвалок 0,84-0,87. Последние значения совпадают с принимаемыми при расчетах в работах.
Коэффициент использования электрической энергии при плавлении окатышей с непрерывной загрузкой несколько ниже, чем при плавлении лома. Это обусловлено худшим использованием тепла дуги при отсутствии экранирования ее шихтой и более высокой температурой ванны при плавлении окатышей.
Плавление металлизованных материалов на жидкой ванне занимает дашь часть общего времени периода плавления, остальное приходится на проплавление лома и окатышей при неполностью расплавленной шихте. Поэтому коэффициент использования электроэнергии за весь период плавления будет принимать промежуточные значения между ηэ.пл л и ηэ.пл ок. В первом приближении он может быть оценен из выражения
Расход электроэнергии при выплавке

где τпл л-ок - длительность совместного плавления лома и окатышей; τпл ок — длительность плавления окатышей на жидкой ванне.
Ввиду сложности аналитической оценки τпл л-ок, являющейся функцией параметров, описывающих кинетику плавления, в упрощенных расчетах она принимается равной τпл л, определяемой из чисто энергетических соотношений (91).
Современная технология расплавления шихты, включающей лом и металлизованные окатыши, предусматривает возможно раннее начало загрузки окатышей в зону электродов - сразу после проплавления колодцев. Скорость загрузки, естественно, устанавливают меньшую, чем при плавлении на полностью жидкой ванне. В этом случае время проплавления шихты с экранированием дуги ломом увеличивается по сравнению с существовавшей на начальной стадии освоения плавки металлизованных материалов практикой загрузки окатышей после полного расплавления завалки. Такой прием оправдан как с точки зрения снижения тепловой нагрузки на стены, так и повышения использования электроэнергии, поскольку при этом увеличивается относительная длительность периода работы с "закрытой" дугой, характеризующаяся большим значением ηэ.пл.
С ростом количества металлизованных материалов в шихте суммарный за период ηэ.пл снижается из-за возрастания относительного времени работы на жидкой ванне. При малом количестве окатышей (χ≤20/0%) Чэ.пл близок к значению этого параметра при плавке лома, так как в этом случае время загрузки окатышей сопоставимо со временем доплавления остатков шихты при обычной плавке. Такой характер изменения коэффициента ηэ.пл проявляется в нелинейности зависимости расхода электроэнергии от количества металлизованных материалов в шихте.
Удельный расход электроэнергии на плавление 1 т шихты может быть ориентировочно определен из выражения (87) суммированием расходов для лома и окатышей:
Расход электроэнергии при выплавке

Как следует из выражения (82), он возрастает с увеличением содержания пустой породы, основности шлака, снижением степени металлизации.
Влияние степени металлизации на расход электроэнергии в период плавления, по данным исследований, показано на рис. 71 для случаев содержания в шихте 100 % (а) и 65 % (б) металлизованных окатышей. Температура металла по расплавлении составляла 1570 °C, основность шлака 1,7.
Кривая I показывает расход электроэнергии на опытных плавках окатышей с примерно одинаковым содержанием углерода.
Расход электроэнергии при выплавке

В обоих случаях с уменьшением степени металлизации расход электроэнергии возрастает из-за увеличения затрат энергии на восстановление железа, однако в первом случае он выше, что обусловлено уменьшением выхода жидкого при несбалансированном углероде.
Более сложный характер имеет зависимость для 65 % окатышей, отражающая серийную выплавку стали с содержанием углерода менее 0,2 %. При снижении металлизации с 96 до 90 % расход увеличивался примерно так же, как и в предыдущем случае, на 29 МДж/т (8 кВт*ч/т) на каждый процент металлизации, а при дальнейшем уменьшении резко возрастал. Последнее, помимо снижения выхода жидкого, по-видимому, связано с ухудшением теплопередачи при работе в области пониженных содержаний углерода. Рассматривая зависимость расхода электроэнергии от металлизации, те же авторы указывают на возможное увеличение расхода и при очень высоком ее значении из-за снижения теплового к.п.д. при недостаточном перемешивании ванны выделяющейся CO.
Характер изменения расхода электроэнергии на плавку в целом при увеличении количества металлизованных материалов в шихте обусловлен действием двух групп факторов. Увеличение расхода связано с ростом энергетических потребностей плавления и небольшим снижением коэффициента использования электроэнергии. Сокращению расхода способствует снижение потерь тепла от замены подвалок шихты непрерывной ее загрузкой и от уменьшения длительности доводки при совмещении окислительного периода с плавлением, а также меньшего содержания примесей в шихте.
Обобщение данных о расходе электроэнергии при выплавке стали на металлизованных материалах, загружаемых непрерывно, выполнено Постом. Приведенные на рис. 72 результаты этого обобщения относятся к опытно-промышленной выплавке. Там же нанесены точки, характеризующие полученные в более поздних исследованиях показатели, в том числе промышленную выплавку.
Расход электроэнергии при выплавке

Относительный расход электроэнергии с ростом доли металлизованных материалов при плавке в крупных печах (50-130 т) вначале остается почти постоянным, затем возрастает примерно на 2-2,5 % на каждые 10 % губчатого железа в шихте. У малых печей четко выражено снижение расхода до 15 % при содержании металлизованных материалов в шихте 20-30 %. Такой характер изменения рассматриваемой зависимости объясняется изменением расхода энергии на собственно плавление шихты, доводку и потерь тепла при подвалках лома. Первая из этих статей возрастает с увеличением доли окатышей [вначале с некоторым замедлением, обусловленным нелинейной зависимостью ηэ.пл=f(χ)], вторая вначале убывает, затем после полного совмещения окислительного периода с периодом плавления остается постоянной, третья резко уменьшается в области 25-35 %, где одна подвалка исключается благодаря непрерывной загрузке. Наложение этих затрат и дает результирующую картину. Различие между крупными и малыми печами обусловлено большей относительной величиной расхода электроэнергии на доводку и потерями тепла при подвалках у малых печей. Уменьшение этих статей при замене лома окатышами у малых печей сказывается более резко на общем расходе электроэнергии, что проявляется в снижении относительного расхода.
При плавке губчатого железа с разовой завалкой расход электроэнергии с увеличением доли его до 50-70 % возрастает в большей степени, чем при непрерывной загрузке из-за ухудшения теплопередачи. При малом количестве железа прямого восстановления в шихте (до 20-25 %) он превышает расход при плавке лома не более чем на 10 %.