Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Эффект применения железа прямого восстановления при выплавке стали в значительной мере основывается на росте производительности, достигаемом сокращением длительности рафинирования и отчасти вспомогательных операций.
Закономерности изменения длительности отдельных операций по мере увеличения количества металлизованных материалов в шихте удобно рассмотреть на математической модели, например 100-т электропечи с трансформатором 50/60 MB*А. При этом будем исходить из следующих показателей технологии (числитель — на ломе, знаменатель — на окатышах) : температура ванны по расплавлении 1520/1570 °C, температура выпуска 1650/1650 °C, кратность шлака периода плавления 0,06/(по расчету), периода доводки 0,07/0,07, средняя скорость нагрева металла в доводку 3/3 °С/мин. Для упрощения расчетов примем, что средства интенсификации плавки (горелки, кислород и т.п.) не используются, поскольку применение их примерно одинаково возможно при рассматриваемых способах выплавки. Длительность окислительного периода, определяемая скоростью нагрева металла, для плавки на ломе составит 43, на окатышах 27 мин. При малом количестве губчатого железа в шихте указанную длительность следует увеличить с целью соблюдения равных условий рафинирования и дегазации ванны. В первом приближении можно принять, что суммарная длительность загрузки окатышей и окислительного периода должна быть такой же, как на плавках лома - не менее 43 мин.
Длительность операций, не зависящих от состава шихты, может быть принята согласно рекомендациям Гипромеза: заправка и замена электродов 20, завалка шихты (одна операция) 5, перепуск электродов 5, корректировка состава, раскисление, выпуск 20 мин. Длительность всех общих операций 50 мин.
При замене 25-35 % лома металлизованными материалами, загружаемыми непрерывно, исключается одна подвалка лома, а при 60-70 % подвалки вообще, поэтому при плавке на окатышах должна быть учтена соответствующая экономия времени на собственно подвалках и времени, затрачиваемом на ввод энергии, теряемой открытым рабочим пространством печи. Удельная мощность теплопотерь при подвалке и завалке оценивается в 90-240 кВт/т стали [1,5-4,0 кВт*ч/(т*мин)]. При длительности операций 5 мин это приводит к дополнительному расходу энергии 27-72 МДж/т, или 1,7-4,3 %от расчетного расхода электроэнергии на плавление лома среднего качества 1573 МДж/т жидкой стали (без учета подвалок для температуры по расплавлении 1500-1520 °C).
Следовательно, при замене подвалки непрерывной загрузкой можно ожидать экономию времени: примерно 3-5 мин на собственно подвалке и еще 1-3 мин на снижении затрат тепла (1,5-4,0 % от длительности плавления).
Эффект сравнительно невелик при одной подвалке. При работе же на легковесном ломе, когда необходимы 2-3 подвалки шихты, он становится ощутимым. Этим, в частности, объясняется значительный прирост производительности, отмечаемый в ряде зарубежных работ.
Время плавления под током ориентировочно может быть определено из выражения (время на компенсацию теплопотерь при подвалках здесь не учтено)
где G - расчетная масса плавки, т: N - максимальная мощность трансформатора, МВ*А.
На рис. 73 приведены результаты расчетов по изложенной выше методике длительности плавки в 100-т печи при различном количестве металлизованных окатышей (91,1 % Feобщ, 6,2 % ПП, φ=94 %) в шихте. Ступенчатый характер изменения длительности плавки связан с методикой расчета, на практике это плавная кривая.
С ростом количества окатышей длительность плавки вначале уменьшается, затем возрастает, превышая время плавки на ломе. Наличие минимума, соответствующего максимуму производительности, - наиболее важная деталь рассматриваемой диаграммы. Положение минимума, как следует из характера изменения составляющих диаграммы, зависит от разницы длительностей доводки плавок на ломе и окатышах при полном совмещении окислительного периода с плавлением в последнем случае, а также от разницы длительности плавления шихты из 100 % лома и 100 % окатышей. Последняя, в первом приближении, пропорциональна разнице энергетических потребностей. Чем больше различие в доводке и меньше в энергетических потребностях (лучше металлизованное сырье), тем дальше смещается минимум в сторону повышенного содержания окатышей. Величина минимальной продолжительности плавки зависит от тех же параметров, что и положение минимума, уменьшаясь с сокращением доводки, снижением пустой породы и ростом металлизации окатышей. Принимая во внимание сказанное, максимальное сокращение плавки при повышенном количестве губчатого железа в шихте можно ожидать в случае замены двухшлакового процесса выплавки на ломе одношлаковым на окатышах.
При принятых начальных условиях максимальное сокращение плавки и прирост производительности сравнительно невелики (примерно 6 %), что объясняется достаточно высокими показателями плавки на ломе и повышенной пустой породой окатышей. Расчетная длительность плавки изменяется в пределах 180-190 мин.
В качестве примера пооперационной длительности плавки можно привести следующие средние данные для случая выплавки стали одношлаковым процессом в 110-т электропечи с трансформатором 50/56 MB-A завода фирмы "Сидбек -Доско" в Контрекере с использованием в шихте 50 % окатышей, мин/%:
Лучшая среднесуточная (18 плавок в цехе с двумя печами) длительность плавки составила 165 мин.
Технология плавки в данном цехе характеризуется высокой температурой ванны в конце плавления (1600 °C и более), так как кислород для продувки в цехе отсутствует. Это приводит к увеличению длительности периода плавления.
Теоретический анализ изменения производительности в зависимости от состава окатышей, удельной мощности печи и других параметров был выполнен Мейером и Постом, Оттмаром. Некоторые результаты работы для 50-т печи приведены на рис. 74 (для удобства анализа изломы на кривых, обусловленные изменением количества подвалок, сглажены). В отношении длительности окислительного периода авторы сделали допущение, что этот период при плавке с окатышами сокращается по сравнению с плавкой на ломе на время, необходимое для непрерывной загрузки губчатого железа при полной мощности трансформатора. Длительность доводки на плавках окатышей при полном совмещении окислительного периода с плавлением принята малой: 5-15 мин.
Из приведенных на рис. 74 данных следует, что выигрыш в производительности возрастает с увеличением длительности окислительного периода плавок на ломе, снижением содержания пустой породы окатышей и, естественно, увеличением удельной мощности трансформатора. Эти же факторы способствуют смещению максимума производительности в сторону увеличения содержания металлизованных материалов в шихте. Абсолютное значение прироста производительности, полученное авторами, на наш взгляд, завышено из-за малой длительности доводки.
Сопоставление достигнутой на практике производительности (месячной, годовой) сталеплавильных агрегатов, выплавляющих сталь на ломе и окатышах, затрудняется тем, что эти способы выплавки применяются в различных цехах. Появившиеся в конце 60-х годов сообщения о приросте производительности на 30-40 % относятся, как правило, к часовой производительности, оцененной на основании опытных плавок, где в качестве сравнения взяты плавки на низкокачественном ломе. Более обоснованна, на наш взгляд, оценка прироста в 10-20 %, сделанная в работах. Ниже приведены показатели некоторых цехов, систематически выплавляющих сталь на металлизованных материалах.
Цех фирмы "Сидбек-Доско" с двумя 110-т печами с трансформаторами 50/56 MB-A через два года после пуска (использовали примерно 50 % окатышей) достиг производительности в среднем 8980 т годной стали в неделю (максимум 10 520 т) при простоях 18 % (техническое обслуживание и всевозможные задержки). Производительность в случае работы на ломе оценивается для тех же условий 8150 т в неделю, т.е. прирост составляет примерно 10 %.
Производительность 85-т печей цеха в Гамбурге в 1974 г. составила 33 т/ч жидкой стали. При расчете этого показателя принималось среднее время плавки, включавшее техническое обслуживание и простои менее 8 ч. Пo сравнению с выплавкой на ломе в тех же условиях (кампания в 41 плавку) производительность при 70 % окатышей в шихте возросла примерно на 21 %.
Применение кислорода при плавке на металлизованных материалах, так же как и при плавке на ломе, ведет к увеличению производительности и снижению расхода электроэнергии (табл. 18).
Ограничение в применении кислорода для интенсификации плавки с губчатым железом, как было показано выше, связано обычно с дефицитом углерода в окатышах. Это же ограничение действует, хотя и в меньшей степени, при плавке лома. Поэтому рассматриваемые способы плавки в отношении применения кислорода можно считать примерно равноценными.
Снижение степени металлизации губчатого железа, ведущее к возрастанию энергетических потребностей процесса, отрицательно сказывается не только на расходе электроэнергии, но и на производительности. Существует, однако, еще один фактор, связанный со степенью металлизации, ограничивающий при определенных условиях скорость плавления: интенсивность кипения ванны. Для нормального хода процесса плавления окатышей с непрерывной загрузкой скорость обезуглероживания не должна превышать 30—35 кг С/ (м2*ч). Условия ограничения скорости плавления можно записать:
где ΔХокС — количество углерода (%), окисляющееся при проплавлении 1 т металлизованных окатышей; Sван — площадь ванны, м2; UΔCкр — допустимая скорость обезуглероживания [35—35 кг С/ (м2*ч)].
После подстановки выражений для ΔХокС и ωок получаем
Зависимость между удельной мощностью и степенью металлизации окатышей, рассчитанная по формуле (93), для типичных режимов плавления приведена на рис. 75.
Полное использование мощности трансформатора и плавление губчатого железа с максимальной для данной печи скоростью возможны, если степень металлизации его выше некоторого критического значения, которое определяется величиной удельной мощности (N/Sван) данной печи. В случae применения в этой печи металлизованных материалов с меньшей металлизацией из-за чрезмерно бурного кипения ванны скорость загрузки их и подводимая мощность должны быть снижены. Мощность трансформатора при этом не будет использоваться полностью. При плавлении, например, в 100-т печи с трансформатором 50/60 MB A (N/Sван=2,35) окатышей с 6,2 % ПП полное использование мощности возможно до металлизации 90 %. Скорость плавления в диапазоне металлизации 95—90 % будет иметь порядок примерно 1 т/мин. Применение окатышей со степенью металлизации 89% приведет к необходимости снизить скорость плавления примерно до 0,7 т/мин при одновременном уменьшении подводимой мощности на 35 %.
С ростом емкости печей и мощности трансформаторов удельная мощность на единицу площади ванны возрастает, что приводит к некоторому сужению диапазона степеней металлизации, при котором достигается максимальная скорость плавления. Нижняя граница металлизации составляет примерно 90 % для печей с повышенной и 87 % для печей с пониженной удельной мощностью.