yandex.metrica
Электрометаллургия

Способы ускорения процесса плавления шихты

При любой технологической схеме выплавки электростали в дуго­вой электропечи период плавления — наиболее продолжительный, а его длительность в значительной степени определяет общую длительность всей плавки. Поэтому в течение всего времени эксплуатации дуговых электропечей для производства электростали металлурги, конструкто­ры и технологи стремились сократить время расплавления шихты в дуговой печи постепенно (а иногда и революционным путем), добива­ясь успехов.

Сокращения длительности расплавления шихты можно достигнуть следующими способами:

1)   за счет увеличения вводимой в рабочее пространство печи извне тепловой мощности;

2)   путем увеличения количества тепла, выделяющегося в рабочем пространстве печи в результате протекания экзотермических реакций в ванне;

3)   за счет рациональной подготовки шихты к плавке и оптимально­го размещения шихты в печи;

4)   применением специального устройства для быстрого доплавления шихты в так называемых «холодных» зонах печи.

Основная часть тепла, необходимого для расплавления шихты, вводится в рабочее пространство печи электрическими дугами. Поэто­му вся история развития электрометаллургии стали характеризуется постоянным увеличением мощности печных трансформаторов и удельной мощности электропечных установок. Как отмечалось выше (см. главу 1), появление и успешное применение во второй половине XX века сверхмощных дуговых сталеплавильных печей с удельной мощностью 500…1200 кВт/т привело к резкому сокращению длитель­ности плавки (главным образом за счет уменьшения времени расплав­ления шихты), коренному изменению технологии плавки и широкому использованию средств внепечной доводки и внепечного рафинирова­ния металла. Нынешнее состояние энергетики, электротехнической промышленности и электропечестроения не позволяет рассчитывать на дальнейшее резкое увеличение удельной мощности дуговых сталепла­вильных печей в ближайшем обозримом будущем. Поэтому увеличи­вать тепловую мощность, вводимую электрическими дугами, приходится за счет совершенствования отдельных элементов конструкции электропечных установок, электрического режима, схем регулирова­ния и конструкций регуляторов мощности дуг, применения более ка­чественных электродов и т.д.

Количество тепла, вводимого в рабочее пространство печи, можно существенно увеличить, используя подогретую шихту. Подогрев ме­таллической шихты вне печи способствует уменьшению длительности расплавления шихты и уменьшению расхода электроэнергии на плавку. Внепечной подогрев шихты может быть осуществлен путем сжига­ния газообразного и жидкого топлива или использования вторичных энергетических ресурсов сталеплавильного производства: химического и физического тепла отходящих из рабочего пространства дуговой пе­чи газов, а также тепла литых заготовок МНЛЗ и слитков, остывающих после разливки. В общем случае внепечной подогрев шихты путем сжигания газообразного или жидкого топлива в специальных установ­ках нерационален, так как энергетический КПД подобных установок низок, а время подогрева шихты велико.

Есть сведения о попытках использования установок подогрева шихты газовыми горелками в загрузочных корзинах. До 400 °С лом грели в обычных бадьях, для нагрева лома до более высоких температур требуются специальные бадьи, изготовленные из жа­ростойкой стали или футерованные огнеупорным кирпичом, что доро­го, сложно и неудобно. Эффективность и целесообразность использо­вания вторичных энергоресурсов сталеплавильного производства несомненна. В металлургической практике применяли и применяют раз­личные способы использования вторичных энергоресурсов, которые достаточно подробно описаны и проанализированы в отечественной литературе.

В последней четверти XX века довольно широкое распространение получили автономные установки для нагрева лома отходящими из дуговой печи газами. Так как количество и температура отходящих из печи газов непостоянны в течение плавки, нагрев лома отходящими печными газами усложнен. Даже на самых совершенных установках подобного типа температура нагрева шихты обычно не превышала 300 °С, а время подогрева шихты достаточно велико, что не позволяло греть шихту на все плавки. И все же использование такого способа по­зволило сократить длительность плавления на 7…8 %, соответственно уменьшив расход электроэнергии в 80-тонной печи на 30…50 кВт-ч/т.

Общими недостатками метода внепечного подогрева шихты отхо­дящими печными газами в завалочных бадьях и корзинах является не­обходимость сооружения сложных газоотводящих трактов, связываю­щих дуговые печи с установкой подогрева, и низкая температура на­грева лома. Поэтому такие установки в настоящее время могут быть рекомендованы только для небольших цехов с маломощными печами.

Возможен также подогрев лома для ускорения плавления непо­средственно в рабочем пространстве печи специальными топливокис­лородными горелками. В таком случае принципиально важно рацио­нальное решение следующих вопросов: расчет оптимальной мощности горелок, определение оптимального времени использования горелок, разработка рациональной конструкции горелок и рациональной схемы размещения горелок на печи, возможность использования горелок для подачи чистого кислорода в рабочее пространство и непосредственно в расплав. Первые опыты по применению топливокислородных горелок на дуговых электропечах были проведены в начале 1960-х годов. В качестве топлива для горелок использовали мазут, а чаще — природный газ. Результаты первых промышленных опытов подтвердили возмож­ность уменьшения длительности плавления шихты и снижения расхода электроэнергии при работе топливокислородных горелок. Горелки в то время были маломощными, при их использовании не требовалось зна­чительного увеличения мощности и пропускной способности газоотса­сывающих трактов и газоочистных устройств. Несмотря на положи­тельные результаты довольно немногочисленных исследований в 1960-е годы топливокислородные горелки не получили широкого рас­пространения ни в нашей стране, ни за рубежом. Причиной был срав­нительно низкий общий эффект от применения горелок на маломощ­ных дуговых печах, использовавших, как правило, классическую тех­нологию.

При плавлении шихты в рабочем пространстве печи отдельные компоненты шихты окисляются кислородом, специально вводимым в печь. В результате протекания реакций окисления компонентов шихты в рабочем пространстве печи выделяется тепло. Обычно оно невелико и, если плавка ведется без использования газообразного кислорода (небольшие старые печи), составляет не более 1…2 % в общем прихо­де тепла в печь. Картина резко меняется при использовании газообраз­ного кислорода во время плавки. При обычной шихтовке плавки (око­ло 100% лома и немного углеродсодержащих материалов) основным источником прихода тепла в результате протекания экзотермических реакций является реакция окисления железа газообразным кислоро­дом, так как других окисляющихся с выделением тепла компонентов (кремний, марганец и др.) в шихте очень мало. Окислять железо шихты кислородом в большинстве случаев невыгодно, особенно в настоящее время, при дефиците железосодержащих материалов и высоких ценах на них. Поэтому, чтобы исключить большой угар железа и уменьшение выхода годного металла в состав шихты, вводят дополнительно неко­торое количество углерода, обычно до 1… 1,3 %.

Считается, что в таком случае большая часть кислорода, пода­ваемого в рабочее пространство печи, первоначально расходуется на окисление железа, и только потом оксиды железа восстанавливаются углеродом. При достаточном содержании углерода в шихте окислив­шееся железо почти полностью восстанавливается к концу периода плавления, потери железа вследствие этого невелики, окисление желе­за незначительно влияет на тепловой баланс плавки и выход жидкого металла. Основной приход тепла в рабочее пространство печи обеспе­чивается в таком случае реакцией окисления углерода.

Вводить дополнительное количество углерода в состав шихты можно двумя способами: в виде чугуна (твердого или жидкого) или в виде кокса, угля либо других подобных материалов с высоким содер­жанием углерода. Каждый из этих способов имеет свои достоинства и свои недостатки.

Использование чугуна технологически и организационно намного проще, а жидкий чугун, заливаемый в печь, вносит в нее большое ко­личество физического тепла, что уже существенно облегчает и ускоря­ет процесс плавления лома. Чугун содержит мало серы. При дефиците стального лома или при высоких ценах на лом использование чугуна позволяет уменьшить расход лома на плавку. Но, с другой стороны, чугун содержит относительно мало углерода, и чтобы повысить со­держание углерода в шихте на 1 %, в ее состав приходится вводить более 25 % чугуна. Так как чугун содержит довольно много кремния, марганца и фосфора (в 2…3 раза больше, чем стальной лом), по ходу плавки могут возникнуть затруднения, связанные с получением шлака нужной основности и проведением дефосфорации металла. По этой же причине увеличивается общее количество печного шлака за плавку, что невыгодно и с точки зрения энергетики процесса, и организационно.

Использование кокса и угля для повышения содержания углерода в шихте практически не влияет на состав печного шлака, не приводит к увеличению содержания фосфора в металле, не оказывает такого за­метного влияния на процесс расплавления шихты, как это бывает в случае использования чугуна, но может привести к повышению со­держания серы в металле.

Газообразный кислород для интенсификации процесса расплавле­ния лома в электрометаллургии стали применяется давно — с начала 1950-х годов. В старых маломощных дуговых электропечах кислород выводили главным образом в конце плавления для ускорения доплавления нерасплавившихся кусков лома в «холодных» зонах у стен печи и у порога рабочего окна, направляя струю кислорода на нерасплавившиеся куски шихты, подрезая их и вызывая их падение в жидкий ме­талл. Это позволяло относительно большую долю периода плавления работать на длинных мощных дугах. В маломощных старых печах экономия электроэнергии на 1 м3 израсходованного кислорода была выше 5… 10 кВт*ч при соответствующем уменьшении длитель­ности плавления.