Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Сокращение расхода электроэнергии при плавке в электропечах может быть достигнуто двумя путями: 1) улучшением использования электроэнергии - снижением теплопотерь; 2) уменьшением энергетических потребностей процесса - повышением доли тепла от экзотермических реакций в ванне, подогревом шихты в печи или вне ее за счет физического и химического тепла отходящих газов или сжигания топлива.
Применительно к плавке губчатого железа перспективным является снижение энергозатрат путем подогрева шихты вне печи или использования тепла металлизованных материалов, не охлаждаемых после завершения процесса прямого восстановления. Хорошая сыпучесть окатышей и брикетов, а также небольшой их размер способствуют улучшению условий нагрева. Недостаток губчатого железа - склонность его к окислению при высоких температурах.
При плавлении металлизованных материалов в результате восстановления окислов железа может выделяться довольно большое количество CO (до 10 м3/т), возможно полное дожигание которого в печи могло бы заметно улучшить структуру теплового баланса. Однако здесь имеются препятствия принципиального характера. Высокая температура, развивающаяся при сжигании в рабочем пространстве нагретой до 1500—1600 °C окиси углерода, приводит к двум нежелательным явлениям: перегреву футеровки верхней части стен и свода, особенно в районе газоотводящего патрубка системы газоотсоса, и повышению степени недожога CO в результате; возрастания степени диссоциации продуктов сгорания с ростом температуры. При таком сжигании тепло, передающееся ванне за счет излучения футеровки и пламени, сравнительно невелико — не более 30 %. Более высокий к.п.д и полное сжигание получаются в случае контакта продуктов сгорания с холодной шихтой. Применительно к технологии плавки окатышей на жидкой ванне это означает, что выделяющуюся CO целесообразно дожигать вне печи в специальных устройствах, обеспечивающих хороший контакт газов с нагреваемым материалом.
Исследование подогрева брикетов в теплообменнике при выплавке стали в 1-т дуговой печи с трансформатором 1,2 MB-A проводилось американским Горным бюро. Брикеты содержали 91,8 % Feобщ и имели степень металлизации 92,2 %. Теплообменник, устанавливаемый над отверстием для загрузки окатышей в своде, представлял собой вертикальный цилиндр диаметром 300 и длиной 900 мм со встроенными семью порогами, наклоненными к горизонту на угол 20° (рис. 77). Для улучшения схода брикетов через пороги вся конструкция снабжена вибратором. Все элементы, контактирующие с горячими газами, изготовлены из нержавеющей стали.
Перед плавкой футеровку разогревали газовой горелкой примерно до 1000 °C, затем загружали и проплавляли лом (20 %), после чего начинали загрузку брикетов. Режим работы теплообменника был следующий: время пребывания брикетов 32 с, температура в нижней части 937, в верхней 630 °C. Для сравнения проводили такие же плавки без теплообменника.
Расход электроэнергии в период плавления изменялся следующим образом, МДж/т:
Продолжительность плавления сократилась на 8 %. Сопоставление расчетного расхода электроэнергии с фактическим показало, что температура их в момент поступления в печь составляла примерно 380 °C.
Результаты работы показывают, что при относительной простоте способа подогрева получаемый эффект невелик: 10 % экономии электроэнергии.
Проект более совершенной установки, использующей физическое и химическое тепло отходящих газов для подогрева лома, описан в работе. Предусматривается использование газа, содержащего до 50 % CO, 10 % CO2, 10 % H2, образующегося в период проплавления окатышей с одновременной подачей в ванну антрацита и кислорода. После отбора из печи газ дожигается в специальной камере, продукты сгорания по газоходу поступают к установке для подогрева лома в футерованной загрузочной корзине, после чего подаются к газоочистке. Установка предназначена для 40-т печи (садка 48 т). Расчетная экономия электроэнергии при подогреве 26 т лома составляет 284,4 МДж/т жидкой стали.
Опыты по предварительному подогреву металлизованных окатышей в небольшой шахтной печи за счет отходящих из электропечи газов и топлива (природного газа) проводились в лаборатории Департамента энергии, горного дела и ресурсов в Оттаве. Основная цель опытов состояла в оценке количества энергии, которое может быть получено вне электропечи.
Шахтная печь располагалась выше уровня свода электропечи, нагретые окатыши подавали толкателем. Процесс плавления вели непрерывно, кампаниями длительностью более 30 ч. Шихта содержала повышенные количества углерода. Результаты опытов показывают, что в результате комбинированного нагрева металлизованных окатышей расход электроэнергии может быть снижен на 27 %.
Данная работа представляет интерес не столько по оценке экономии, сколько по выяснению специфики нагрева окатышей в шахтной печи. В опытах столкнулись с трудностями, связанными с повышенной окисляемостью окатышей и засорением шахты пылью отходящих из печи газов. Было установлено, что для нагрева губчатого железа до 500 °C или несколько выше при условии снижения степени металлизации на 0,5-5 % отношение воздух/газ на горелках должно быть ниже 7/1. Сгорание газа при этом протекает с меньшим примерно на 40 % выделением тепла, чем при полном сгорании. Отсюда следует, что одним из факторов, препятствующих эффективному с точки зрения использования топлива нагреву окатышей, является их окисление.
Плавку нагретых металлизованных окатышей способом ББК-Бруса проводили на одном из заводов Италии. Установка такого типа (рис. 78) имеет следующие параметры:
Способ выплавки стали ББК-Бруса основан на проплавлении непрерывно загружаемых в жидкую ванну через отверстие в своде мелкого лома или металлизованных окатышей, предварительно нагретых примерно До 1000 °C в трубчатой печи. Продолжительность нагрева 6-10 мин. Атмосфера трубчатой печи окислительная (0-8 % O2; 8-12 % CO2; до 4 % CO; до 4 % H2; остальное азот), однако чрезмерного окисления материалов при нагреве не наблюдалось. Это объясняется сравнительно малым временем пребывания шихты в печи и аэродинамикой газов. Во вращающейся печи в отличие от шахтной газы не так интенсивно омывают шихтовые материалы, проходя над слоем пересыпающейся шихты.
Приходная часть баланса тепла вращающейся печи при подогреве лома характеризуется примерно следующими данными (на тонну жидкой стали), МДж:
Отсюда полезное тепло нагрева шихты при к.п.д. 45 % оценивается в 725,1 МДж/т.
Опыты по переработке примерно 1000 т металлизованных окатышей двух сортов (92,9-96 % Feобщ; 2,5-4,1 % ПП; 0,5-1,4 % С; φ = 91/95 %) показали, что степень металлизации их за время подогрева остается неизменной или даже несколько возрастает за счет довосстановления углеродом. Снижают окисление губчатого железа следующие факторы: атмосфера CO в толще слоя окатышей и закрытие пор в результате механического воздействия при пересыпании шихты. Расход электроэнергии на плавку с подогревом окатышей изменялся в пределах 1476-1620 МДж/т против 2268 МДж/т без подогрева. Ниже приведены данные, характеризующие примерный баланс энергии, МДж на тонну жидкой стали:
Приведенные данные относятся к выплавке стали в режиме с "жидкой завалкой", т.е. когда в печи оставляется металл от предыдущей плавки или отсчет расхода энергии ведется от момента расплавления лома. Расход электроэнергии в этом случае относится только к проплавлению окатышей на жидкой ванне.
Результаты работы свидетельствуют о практической возможности замены примерно 40 % электроэнергии, расходуемой на процесс плавления непрерывно загружаемых окатышей, теплом отходящих из печи газов и теплом от сжигания топлива. Использование трубчатой печи позволяет без существенного окисления материала реализовать процесс высокотемпературного нагрева.
Следует отметить очень высокую термическую мощность установки, оцениваемую примерно по энергии сжигания газа в 10 МВт, а по электрической энергии, эквивалентной полезной энергии, получаемой от топлива и отходящих газов (при дуговом нагреве), примерно в 7 МВт. Это означает, что мощность всей установки ББК-Бруса по сравнению с мощностью дуговой электропечи (7,2 МВт) примерно удваивается. Увеличение мощности, по расчетам авторов, позволяет повысить скорость плавления окатышей с 28 в сверхмощных печах до 47 кг/ (мин*МВт) в установке ББК-Бруса. Такое сопоставление не совсем правильно, поскольку полезная энергия процесса в сравниваемых способах отнесена к различной температуре, а скорость плавления холодных окатышей занижена, однако повышение скорости за счет нагрева шихты примерно на 40 % при той же мощности трансформатора здесь достигается.
Вместо подогрева металлизованных материалов в ряде случаев возможно и целесообразно использовать физическое тепло, получаемое ими в установках прямого восстановления, которые в этом случае должны быть рассчитаны на работу с выдачей горячего продукта. Дело в том, что в большинстве установок прямого восстановления предусмотрена частичная утилизация тепла продуктов и отказ от нее ведет к изменению энергетики процесса. Сравнительно просто с точки зрения конструкции и технологии осуществляется совместная работа дуговой и трубчатой печи для восстановления.
На заводе "Сибэлектросталь" освоена в полупромышленном масштабе технология получения стали бескоксовым методом, заключающаяся в металлизации железорудных материалов в трубчатой печи с последующей непрерывной загрузкой их без охлаждения в дуговую печь. Технологическая линия включает: гранулятор, обжиговую конвейерную машину площадью 6,2 м2, трубчатую печь диаметром 3,6 и длиной 20 м, две дуговые 10-т электропечи с трансформаторами 5 MBA. Для восстановления использовался бурый уголь. По одной из схем работы металлизованные окатыши из трубчатой печи с температурой более 1000 °C поступают на водоохлаждаемый грохот, где от них отделяются зола восстановителя и некоторое количество мелочи окатышей, возвращаемое затем в установку, после чего окатыши загружаются в футерованный контейнер ёмкостью 5 м3. Контейнер краном устанавливается в гнездо питателя для загрузки окатышей с требуемой скоростью в дуговую электропечь через отверстие в своде. При хранении и транспортировке в указанном контейнере при начальной температуре 1000 °C скорость охлаждения металлизованных материалов составляла около 70 °C в сутки, существенного окисления при этом не наблюдалось. He отмечено также окисления металлизованных окатышей при повторном нагреве их в трубчатой печи до температур 700-800 °C с использованием в качестве топлива бурого угля.
Опыты по выплавке стали показали, что использование нагретых до 1000 °C окатышей существенно улучшает показатели выплавки. Так, например, при применении бедных (61-64 % Fe) концентратов, несмотря на большую энергоемкость процесса плавления (кратность шлака 0,5), лучшие показатели выплавки углеродистой стали на шихте из 100 % окатышей были сопоставимы с лучшими показателями плавки на ломе в тех же условиях:
Из рассмотренных путей снижения расхода электроэнергии и повышения производительности наиболее перспективно использование горячих материалов после восстановления. Сложность здесь заключается в синхронизации работы электропечей и установок прямого восстановления. Режимы эксплуатации этих агрегатов существенно различаются, Поэтому необходимо создание буферных емкостей для горячих металлизованных материалов, что требует решения сложных инженерных задач по защите их от возможного окисления. Синхронизация несколько упрощается при наличии средств быстрого охлаждения губчатого железа, как это предусмотрено в процессе Тиссен—Пурофер, горячего брикетирования с охлаждением водой. Подогрев окатышей за счет энергии топлива или отходящих газов, например в трубчатой печи, — технически решенная задача, однако она требует довольно больших капиталовложений при сравнительно высоких эксплуатационных затратах.
Использование теплообменников может дать заметный эффект только при большом количестве выделяющихся из печи газов и высоком содержании в них CO, т.е. в случае плавки губчатого железа с очень низкой металлизацией, требующего повышенного расхода электроэнергии.
Из этого следует, что, несмотря на положительные результаты опытов по комбинированному нагреву металлизованных материалов, не найдено пока еще приемлемого с точки зрения экономики решения данной проблемы.