Электрометаллургия

Альтернативные источники тепла в электроплавке. Экономия энергии

В связи с быстрым ростом выплавки стали в современных высокомощных и высокопроизводительных дуговых печах неизменно возрастают потребляемые электросталеплавильными цехами электрические мощности и общий расход электроэнергии. Поэтому столь же неизбежно возникают определенные проблемы с энергоснабжением таких цехов, а также и со снижением расхода электроэнергии, в том числе и за счет использования так называемых «альтернативных» электроэнергии источников тепла при электроплавке стали.

В принципе расход электроэнергии на выплавку электростали может быть уменьшен за счет:

  • снижения тепловых потерь;
  • сокращения времени пребывания металла в печи путем совершенствования технологии плавки и организации производства;
  • использования любых других, кроме электроэнергии, источников тепла, в современной литературе условно называемых «альтернативными».

При работе современных дуговых печей с водоохлаждаемыми панелями стен и свода основную часть тепловых потерь печной установки составляют потери с охлаждающей водой и с отходящими печными газами. Потери тепла с охлаждающей водой могут быть уменьшены главным образом технологическими мероприятиями: сокращением общей длительности плавки и особенно — времени пребывания жидкого металла в печи, выбором оптимального энергетического режима плавки, уменьшением облучения панелей за счет хорошего вспенивания шлака и т.д. Определенный эффект может быть достигнут и за счет хорошей подготовки лома к плавке. Следует отметить, что резервы этого направления во многом уже исчерпаны.

Значительное снижение расхода электроэнергии может быть получено за счет уменьшения тепловых потерь с отходящими газами или за счет использования тепла (физического и химического) отходящих печных газов для подогрева лома. В основном усилия электрометаллургов направлены пока на применение физического тепла отходящих газов для подогрева лома, используемого при выплавке электростали. В этом направлении достигнуты существенные успехи, позволившие заметно снизить расход электроэнергии и электродов на плавку, правда, взамен на некоторое усложнение конструкции печи.

Вопросы же уменьшения количества тепла (физического и химического), уносимого из рабочего пространства печи отходящими газами, решаются значительно труднее. Пока более или менее успешны попытки дожигания отходящих газов в рабочем пространстве дуговой печи. В целом же работы по уменьшению потерь тепла с отходящими газами или использованию этого тепла для подогрева шихты достаточно перспективны и будут продолжаться.

Значительное сокращение времени пребывания металла в печи (длительность плавки) может быть достигнуто и уже достигается на практике за счет широкого применения в современном электросталеплавильном производстве внепечной обработки жидкого металла с целью его рафинирования и доведения состава и температуры стали до нужных пределов. Следует отметить, что прочих более существенных технологических возможностей сокращения длительности плавки в современной сверхмощной дуговой печи уже нет и не будет.

Целесообразность использования в дуговой печи и других (кроме электроэнергии) источников тепла электрометаллурги признавали давно. Соответственно предпринимались попытки работы с применением чугуна (жидкого и твердого) в шихте, использованием топливокислородных горелок, вдуванием в печь пылевидного топлива и т.д. Особенно актуальной эта проблема стала в связи с широким применением современных сверхмощных печей. В общем виде введение дополнительного количества энергии в рабочее пространство дуговой печи возможно следующими способами:

  • за счет тепла экзотермических реакций окисления газообразным кислородом некоторого количества компонентов шихты;
  • за счет тепла экзотермических реакций окисления кислородом, вводимым каким-либо способом в печь, твердых углеродсодержащих материалов, желательно дешевых;
  • за счет физического тепла подогретой или жидкой металлической шихты (чаще всего жидкого чугуна);
  • за счет сжигания в рабочем пространстве углеводородного топлива, вводимого и сжигаемого с помощью специальных топливокислородных горелок.

Следует обязательно отметить, что целесообразность использования какого-либо названного выше способа в отдельных конкретных случаях электрометаллургической практики должна оцениваться применительно к местным условиям с точки зрения экономической, технологической и организационной эффективности. Поэтому то, что выгодно в одном случае, может оказаться совершенно невыгодным в другом месте и наоборот. Мы же ограничимся рассмотрением достоинств и недостатков перечисленных способов в общем виде и в практике их применения.

Электрометаллурги уже давно используют газообразный кислород с целью окисления части компонентов шихтовых материалов для получения дополнительного тепла в рабочем пространстве печи и ускорения расплавления металла. При выплавке стали на свежей шихте окисляемыми элементами могут быть углерод, железо, кремний и марганец. Окислять в больших количествах железо шихтовых материалов, как правило, невыгодно из-за увеличения расхода лома и получения большого количества печного шлака. Кремний и марганец шихты окисляются всегда при введении кислорода, но их в шихте немного, поэтому тепла от их окисления выделится также немного. На более или менее значительный приход дополнительного тепла можно рассчитывать только в случае окисления достаточного количества углерода, либо входящего в состав отдельных шихтовых материалов (высокоуглеродистый лом, чугун), либо специально вводимого в печь в виде дешевых углеродсодержащих материалов (уголь, углеродсодержащие отходы графитации и т.д.) в количестве до 10… 12 кг/т шихты. При этом существенно снижается угар железа и ускоряется плавление шихты. При работе на неподготовленной или плохо подготовленной к плавке металлической шихте вводимый в рабочее пространство кислород может использоваться для подрезки шихты. Данные о снижении расхода электроэнергии при использовании газообразного кислорода для интенсификации процесса расплавления противоречивы, в большинстве случаев на 1 м3 израсходованного кислорода экономится 3…4 кВт-ч электроэнергии. Следует еще раз подчеркнуть, что экономически выгодно получать дополнительное тепло, окисляя газообразным кислородом только дешевую углеродсодержащую часть шихты. В этом случае расход углерода может быть увеличен.

Очень выгодно и перспективно для заводов с полным металлургическим циклом использование для интенсификации плавления и снижения расхода электроэнергии физического тепла жидкой металлической шихты, обычно жидкого чугуна. При отсутствии жидкого чугуна может использоваться жидкий металлический полупродукт, получаемый на установках типа ПЖВ и т.д. Работа на шихте, состоящей из лома и жидкого чугуна, не является принципиально новой для металлургов, ведь длительное время основным способом производства стали был скрап — рудный мартеновский процесс. Следует отметить, что использование в современной дуговой электропечи жидкого чугуна или его заменителей не требует существенного изменения конструкций самой печи и цеха. Имеющиеся в литературе данные свидетельствуют об эффективности такого приема и о хороших перспективах его в дальнейшем.

Перспективно также и использование подогретой твердой шихты при выплавке стали в современных дуговых электропечах. Лучше, если подогрев шихты не требует дополнительных затрат тепла. Например, на ОЭМК, производящем металлизированное сырье (окатыши) и перерабатывающем его в дуговых печах, очень выгодно использовать во время электроплавки горячие металлизированные окатыши.

Достаточно широко в современной практике электрометаллургии применяются печи, имеющие устройства для подогрева шихты теплом отходящих электропечных газов (печи с шахтным подогревателем шихты и др.). Если учесть, что тепловые потери дуговой печи с отходящими газами составляют 15…20 % от прихода тепла, использование даже части тепла отходящих газов для подогрева шихты дает заметный эффект в снижении расхода электроэнергии и сокращении длительности плавки. Решение некоторых экологических вопросов может сделать данное направление еще более перспективным и привлекательным для металлургов.

Появившиеся в 1960-е годы топливокислородные горелки не нашли широкого применения на маломощных дуговых печах того времени, так как некоторое сокращение длительности плавления не давало заметного эффекта вследствие большой общей длительности плавки. Разработка сверхмощных дуговых печей с водоохлаждаемой футеровкой стен стимулировало широкое использование топливокислородных горелок, развитие и совершенствование их конструкций. Первоначально топливокислородные горелки применяли в основном для облегчения и ускорения расплавления шихты, находившейся непосредственно у водоохлаждаемых стен, т. е. далеко от дуг и в зоне охлаждения, такие горелки были относительно небольшой мощности и располагались стационарно в стенах дуговой печи (стеновые горелки) или у рабочего окна (оконные горелки). В целом условия нагрева лома стеновыми топливокислородными горелками не оптимальны, такие горелки обладают ограниченными возможностями. Средняя температура лома при нагреве топливокислородными горелками составляет 800…900 °С. При нагреве лома стеновыми горелками до таких температур и особенно при оседании нагретого лома, когда прекращается непосредственный конвективный контакт факелов с шихтой, горелки приходится отключать вследствие ухудшения условий теплопередачи, увеличения недожога топлива и снижения КПД горелок. Существенное увеличение мощности стеновых горелок нецелесообразно, так как оно приводит к уменьшению длительности их работы из-за ускорения нагрева и оплавления лома в зонах мощных стационарных горелок. Поэтому основной эффект от применения стеновых горелок заключается в ускорении расплавления лома у водоохлаждаемых стен дуговой печи. При малой длительности периода плавления и всей плавки в сверхмощной печи существенное увеличение доли тепла, вносимого топливокислородными горелками взамен энергии электрических дуг, требует значительного повышения суммарной мощности горелок, что целесообразно лишь при интенсификации теплообмена между факелом горелки и шихтой и при увеличении полноты сгорания топлива. Для повышения интенсивности теплообмена в относительно небольшом объеме рабочего пространства печи, заполненном шихтой, необходимо, чтобы факелы топливокислородных горелок обладали большой кинетической энергией, пронизывали шихту на большую глубину и омывали возможно большую поверхность кусков лома с высокими скоростями. Наилучшие результаты могут быть получены в случае равномерного слоевого нагрева перемещающимся факелом (или факелами) всей массы шихты, загруженной в печь.

В соответствии с этим в нашей стране разработаны и опробованы способы нагрева лома в дуговой печи при помощи вертикальных поворотных топливокислородных горелок с управляемым положением факела. Такие способы расширяют возможности комбинированного использования топлива и электроэнергии, позволяют увеличить долю тепла, расходуемого на плавление и заменяемого энергией сжигания топлива в горелках. Они могут применяться как при обычном ведении плавки, когда горелки работают одновременно с дугами (одностадийный процесс), так и при раздельном по времени использовании горелок и дуг (двухстадийный процесс).

Экономическая целесообразность замены определенной части электроэнергии при плавке стали энергией сжигаемого в рабочем пространстве печи газообразного или жидкого топлива определяется несколькими факторами: установленными ценами на электроэнергию и топливо, получаемой в процессе плавки степенью полезного использования различных энергоносителей, их дефицитом и др. Имеющиеся на этот счет высказывания и промышленные данные противоречивы: ряд специалистов считает, что применение топливокислородных горелок в сверхмощной дуговой печи — это лишь чисто технологический прием, способствующий более быстрому расплавлению шихты, и не более того; другие считают экономически и энергетически целесообразным возможно более широкое использование топлива для дополнительного нагрева металлической шихты в дуговой печи. Отмечается, что возможная экономия первичного топлива в таких случаях существенно зависит от способа нагрева шихты, конструктивных характеристик применяемых горелок и режимов нагрева.

В то же время никто не отрицает факт снижения расхода электроэнергии на плавку при использовании в дуговой печи топливокислородных горелок. Это и обусловило широкое применение топливокислородных горелок в практике современной электрометаллургии стали.

В целом следует отметить, что использование в той или иной степени так называемых «альтернативных» источников тепла в практике современной электроплавки стали — давно уже привычное дело. Оно позволило заметно уменьшить расход электроэнергии на плавку, интенсифицировать саму плавку, а также снизить расход дорогих графитизированных электродов. Кроме того, «альтернативные» источники тепла позволяют упростить проблемы, связанные с электроснабжением современных электросталеплавильных цехов.