Методы энергосбережения в сталеплавильном производстве
В настоящее время для выплавки стали в массовом производстве используют различные типы печей. К основным из них относят:
- Кислородный конвертер (КК).
- Дуговая сталеплавильная печь (ДСП).
- Индукционная печь
- Мартеновская печь.
При анализе эффективности методов по энергосбережению в сталеплавильном производстве следует учитывать, что энергоемкость производства стали — это сумма затрат энергии как непосредственно в самом сталеплавильном процессе, так и суммарная энергоемкость предыдущих переделов (доменного, и подготовки сырья).
Поэтому повышение доли металлолома в шихте резко снижает расход энергоносителей на выплавку стали. Так как суммарные затраты энергии на сбор, подготовку и транспортировку 1 тонны металлолома в среднем 4 раза ниже чем на выплавку 1 тонны чугуна.
Сопоставление некоторых способов выплавки стали по расходу энергии приведено на рис.1.
Рис. 1. Сопоставление способов выплавки стали по расходу энергии
Данный анализ позволяет сделать вывод о том, что наименее энергозатратным является процесс получения стали из металлолома в ДСП, в то время как схема «прямое восстановление железа (ПВ) + ДСП» наиболее энергозатратна, так как в данном процессе используется большое количество природного газа. Схема производства чугуна с использованием доменной печи (ДП) с последующей переработкой его в сталь в кислородном конвертере (КК) занимает промежуточное положение.
В целом, основными направлениями снижения энергоемкости сталеплавильного производства являются:
— выбор оптимальной структуры сталеплавильного производства (сокращение мартеновского производства и т.д.);
— максимальное использование всего ежегодно образующегося на предприятии металлолома;
— снижение доли чугуна в балансе плавки, сокращение расхода ферросплавов;
— совершенствование технологии плавки и конструкции сталеплавильных агрегатов;
— предварительный подогрев металлолома отходящими газами перед загрузкой;
— увеличение объемов внепечной обработки стали, в частности применение агрегата ковш-печь;
— как можно большая утилизация тепла отходящих газов, шлака, охлаждающей воды и металла;
— расширение объемов непрерывной разливки стали;
— выбор оптимальных с точки зрения энергозатрат схем расположения цехов по выплавке чугуна, стали и производству проката.
Поскольку мартеновские печи практически полностью выведены из эксплуатации, рассмотрим пути снижения затрат только в кислородно-конвертерном и электросталеплавильном производстве.
Снижение затрат энергии в кислородно-конвертерном процессе
В качестве сырья для кислородного конвертера используется жидкий чугун (70…80%) и металлолом. После загрузки исходных материалов в конвертер для выжигания «лишнего» углерода производят продувку ванны жидкого металла кислородом под высоким давлением через специальную фурму (фурмы).
Продувка разделяется на верхнюю (через погружную медную фурму), нижнюю (через донные фурмы) и комбинированную (одновременно через погружную и донные фурмы, при этом снизу может вдуваться только инертный газ). В процессе продувки кислород реагирует с углеродом и кремнием образую оксиды, при этом выделяется большое количество тепла, которое идет на поддержание температуры металла и расплавление металлолома. Однако этого количества тепла недостаточно для расплавления большего количества металлолома, чем 20…25%.
Конвертерный процесс сам по себе наименее энергоемок по сравнению с другими сталеплавильными процессами, однако использование большого количества чугуна для плавки обуславливает большую энергоемкость конвертерной стали.
Наиболее значимыми путями снижение затрат энергии в кислородно-конвертерном процессе являются:
— повышение температуры чугуна, заливаемого в конвертер, что позволяет добавить большее количество металлолома к шихте;
— увеличение доли металлолома и его предварительный подогрев отходящими газами;
— подача дополнительных энергоносителей в конвертер (измельченный уголь, природный газ);
— совершенствование технологии, в частности переход на комбинированную продувку, которая позволяет существенно уменьшить потери железа в шлаки пыль;
— проведение десульфурации, десиликонизации и дефосфорации чугуна в отдельных агрегатах или в желобе для выпуска чугуна (а не в конвертере и доменной печи);
— применение бесшлакового выпуска стали, для которого необходима установка затворов, которые перекрывают канал для выпуска стали в момент обнаружения частиц шлака в струе металла. Возможно применение также газодинамической отсечки шлака. Обнаружение шлака в этом случае производится инфракрасными или электромагнитными датчиками;
— применение более прочных огнеупоров, что обеспечивает большую стойкость кладки и соответственно увеличение производительности;
— применение технологии раздува шлака, согласно которой после выпуска стали, через фурму вдувают азот под большим давлением, и он разбрызгивает шлак по футеровке конвертера, что повышает ее стойкость;
— использование системы лазерного сканирования состояния футеровки конвертера, что позволяет производить ее оперативный ремонт, тем самым увеличивая ее стойкость.
Снижение затрат энергии в электросталеплавильном производстве.
В электросталеплавильном производстве применяют в основном дуговые сталеплавильные печи, на переменном и реже постоянном токе. Используются также индукционные печи в случае небольшого объема производства стали, в основном на машиностроительных предприятиях.
В ДСП переменного тока установлено три графитовых электрода (по одному на фазу), а в ДСП постоянного тока — два: один верхний графитовый и один донный — медный.
Основное преимущество дуговых печей – это возможность выплавлять высококачественные легированные и высоколегированные стали, которые проблемно получать в других сталеплавильных агрегатах.
В процессе работы ДСП создается дуга, имеющая температуру 5000…6000 К между графитовыми электродами и металлоломом. Из-за высокой температуры дуги нагрев и расплавление металла производится достаточно быстро, а усвоение легирующих материалов происходит более полно. Возможность ступенчато регулировать напряжение дуги и силы тока позволяет хорошо контролировать процесс и обеспечивать точную температуру металла.
Таки печи широко используются и для плавки металлизованых окатышей, которые подаются в печь непрерывно, в то время как металлолом загружается в печь за несколько раз большим объемом.
Однако следует отметить, что в настоящее время большинство вышеуказанных операций производится в установках внепечной обработки стали. А основной функцией ДСП является фактически только расплавление металла.
Основными путями снижения затрат энергии в электросталеплавильном производстве являются:
— подготовка металлолома с удалением загрязняющих веществ, в том числе примесей цветных металлов;
— использование для плавки горячего губчатого железа или жидкого чугуна;
— сокращение длительности плавки путем повышения удельной мощности трансформатора;
— уменьшение продолжительности заправки, доводки с выносом операций легирования, раскисления, модифицирования и десульфурации в агрегаты внепечной обработки;
— предварительный подогрев металлолома отходящими газами, который позволяет экономить до 40% электроэнергии;
— работа печей на «болоте», когда после выпуска оставляют большое количество жидкого металла в печи для использования в следующей плавке;
— использование продувки металла инертными газами через донные фурмы;
— применение устройств электромагнитного перемешивания;
— увеличение высоты стенок печи позволяет производить однократную загрузку шихты только одной бадьей с металлоломом;
— установка водоохлаждаемых панелей;
— применение специальных приемов обработки шлака, например вспенивание;
— использование дополнительно природного газа, сжигаемого в газокислородных горелках, позволяет снизить общий расход энергии до 10%;
— использование эркерного или сифонного выпуска стали, позволяющее сократить время выпуска;
— повышение расхода углеродосодержащих материалов.
