Печи для массовой выплавки стали

    ВВЕДЕНИЕ

  В настоящее время для массовой выплавки стали, применяют дуговые  электропечи, питаемые переменным током  и дуговые печи постоянного тока. В дуговых печах переменного  тока выплавляют основную часть высококачественных легированных и высоколегированных сталей, которые затруднительно либо невозможно выплавлять в конвертерах и мартеновских печах. Основные достоинства дуговых электропечей заключается в возможности:

• Быстро нагреть металл, благодаря чему в печь можно вводить большие количества легирующих добавок;
• Иметь в печи восстановительную атмосферу и безокислительные шлаки (в восстановительный период плавки), что обеспечивает малый угар вводимых в печь легирующих элементов;
• Возможность более полно, чем в других печах, раскислять металл, получая его с более низким содержанием оксидных неметаллических включений, а так же получать сталь с более низким содержанием серы в связи с её хорошим удалением в безокислительный шлак;
• Плавно и точно регулировать температуру металла.

  Дуговая печь состоит из рабочего пространства с электродами и токоподводами и механизмов, обеспечивающих наклон печи, удержание и перемещение электродов, и загрузку шихты.

  Плавку  ведут в рабочем пространстве; на большинстве печей оно имеет  куполообразный свод, стенки, сферический  под выполненные из огнеупорного материала. Огнеупорная кладка пода и стен заключена в металлический кожух. Съемный свод набран из огнеупорного кирпича, опирающихся на опорное кольцо. Через три симметрично расположенных в своде отверстия в рабочее пространство введены токоподводящие электроды, которые с помощью специальных механизмов могут перемещаться вверх и вниз. Печь питается трехфазным переменным током.

  Шихтовые  материалы загружаются на под  печи, после их расплавления в печи образуется слой металла и шлака. Плавление и нагрев осуществляется за счёт тепла электрических дуг, возникающих между электродами и жидким металлом или металлической шихтой.

  Выпуск  готовой стали и шлака осуществляют через сталевыпускное отверстие  и желоб путём наклона рабочего пространства. Рабочее окно, закрываемое заслонкой, предназначено для контроля за ходом плавки, ремонта пода и загрузки материалов.

  Шихту в современных печах загружают  сверху в открываемое рабочее  пространство с помощью корзины  с открывающимся дном; лишь на отдельных  ранее построенных печах небольшой ёмкости (<40 т.) сохранилась завалка шихты через рабочее окно.

  Промышленное  внедрение дуговых печей постоянного  тока началось в 1981-1985 гг., после того как были созданы мощные, недорогие  и простые в эксплуатации выпрямители  (преобразователи переменного тока в постоянный).

  В печах постоянного тока электрическая  дуга горит между вводимым в рабочее  пространство сверху графитированным  электродом (одним или тремя) и  жидким металлом или твёрдой шихтой, к которым напряжение подается с помощью располагаемых в подине специальных токоподводящих устройств (подовых электродов). К верхнему графитированному электроду от источника питания подводят отрицательный, а к металлической ванне – положительный электрический потенциал, т.е. графитированный электрод постоянно является катодом, а металлическая ванна – анодом электрической цепи. Благодаря этому электрическая дуга постоянного тока горит более стабильно, так как нет ее затухания и зажигания, происходит 50 раз в секунду в случае питания печи переменным током частотой 50 Гц.

  Внедрение печей постоянного тока связано  с тем, что они обладают рядом  достоинств в сравнении с печами переменного тока; к числу этих достоинств, наряду с более устойчивым горением дуги, относится:

• Уменьшение удельного расхода электродов на 50-60% (на большинстве зарубежных печей он составляет 1,1-1,3 кг/т);
• Небольшое увеличение производительности печи (~ на 5%) и снижение расхода электроэнергии  (на 5%) и угара металла при плавлении;
• Облегчение ведения плавки в связи с тем, что протекание электрического тока по объёму ванны вызывает электромагнитное перемешивание металла;
• Снижение уровня создаваемого дугами шума (на 10-15 дБ) благодаря отсутствию перерывов в горении дуг;
• При наличии одного верхнего электрода, располагаемого по оси печи, обеспечивается равномерный износ футеровки стенки по её периметру и снижение расхода огнеупоров (~ на 10 %);
• Почти нет вибрации электродов, вызываемой перерывами горения дуг на печах, питаемых переменным током; такая вибрация передаётся механическому оборудованию и вызывает поломки электродов;
• Уменьшение примерно в двое обратного отрицательного воздействия печи на питающую сеть (работа мощных печей переменного тока вызывает мерцание тока и напряжения в питающих печь электросетях, что ведёт к нарушению нормальной работы других потребителей энергии);
• Некоторое упрощение конструкции печи в связи с наличием одного электрода.

   Вместе  с тем усложняется конструкция  и эксплуатация пода печи в связи  с наличием подовых электродов и  необходимостью их замены; более сложным и дорогостоящим является также источник электрического питания печи.

  Отечественное электропечное оборудование нового поколения  для электросталеплавильного  комплекса.  

      Структура комплекса электросталеплавильного комплекса производительностью 1100 - 1200 тыс. т проката в год включает следующие технологические участки:

  хранения  и подготовки шихтовых, шлакообразующих  и легирующих материалов с системой закромов, бункеров и взвешивающих устройств, состав которых определяется сортаментом выплавляемой стали,

  электроплавки — 125-т электропечь с системами  энергосбережения, инжекционными и  горелочными устройствами, обслуживающими манипуляторами и другой периферией, обеспечивающей проведение высокоскоростных плавок;

  внепечного рафинирования — 125-т установки АКОС и АКВОС с сопутствующими загрузочными, продувочными и перемешивающими устройствами по определению технологических организаций и заводов-заказчиков;

  системы и устройства передачи сталеразливочных ковшей от электропечей к АКОСу (АКВОСу) и к МНЛЗ; непрерывной разливки — МНЛЗ с промежуточным ковшом соответствующей производительности для разливки стали по принципу "плавка на плавку" с необходимыми системами по определению специализированных организаций и заводов-заказчиков;

  прокатки  и доводки товарной металлопродукции с необходимыми системами по определению  специализированных организаций и заводов-заказчиков.

  Для подобных комплексов используэтся дуговая  сталеплавильная печь ДСП-125 и агрегат комплексной обработки стали АКОС-125 с автоматизированными системами управления на базе микропроцессорной техники.

  Емкость,т: номинальная - 120; максимальная - 140; Мощность трансформатора, MB.A - 95/110; Первичное напряжение, кВ - 35/110; Диапазон вторичного напряжения, В - 951- 324; В т.ч. с постоянной мощностью - 951 –818; Максимальный ток. КА – 67; Диаметр электродов, мм - 610; Диаметр распада - электродов, мм - 1200; Продолжительность расплавления под током, мин - 40 – 50; Удельный расход электроэнергии, кВт ч/т - 300 – 350; Число топливных горелок – 6; Максимальная мощность одной горелки. МВт - 6,0; Расход электродов, кг/т 2,5 – 3.

  Удельные  расходы: природный газ, м3/т - 8-10;  кислород, м3/т - 35 – 40; угольный порошок, кг/т - 10 – 12; вода на охлаждение, м3/ч: химически очищенная - 50; техническая - 650

  Верхняя водоохлаждаемая часть кожуха печи выполнена в виде трубчатого каркаса с трубчатыми панелями, свод комбинированный — футерованная купольная центральная часть и периферийная водоохлаждаемая часть из трубчатых секций. Нижняя часть кожуха выполнена с эркером для донного выпуска плавки с отсечкой шлака при минимальном наклоне печи на 6 - 10 град.

  В качестве дополнительного источника  энергии используются шесть газокислородных  горелок суммарной максимальной мощностью 36 МВт, расположенных в стенах, дверце и зоне эркерного выпуска.

  Для продувки и перемешивания ванны, дожигания СО и Н2 печь оборудована  четырьмя соплами "острого" дутья, расположенными в кожухе печи ближе  к подсводовому пространству. Возможно оснащение печи системой донной продувки ванны кислородом и инертным газом.

  Электрические параметры печи позволяют вести  плавку в энергосберегающем режиме длинных дуг, экранированных пенистым шлаком. Энергосбережение при плавке обеспечивается также другими конструктивными  решениями: уменьшенной длиной кабельной гирлянды, увеличенной водоохлаждаемой площадью стен, токоведущими рукавами электрододержателей.

  Печь  комплектуется манипуляторами для  вдувания углерода, извести и кислорода  для образования пенистого шлака, отбора проб и измерения температуры. Предусмотрены пост внепечного подогрева шихты отходящими газами в бадье и пост для электроподогрева разливочных ковшей до 1200 °С.

  Большинство предлагаемых технических решений  прошло практическую проверку на 100-т  печи Молдавского металлургического завода.

  Ниже  приведены основные технические  характеристики АКОС-125: Масса обрабатываемой стали, т - 100 – 125; Мощность трансформатора, MB.А - 16 ; Напряжение: первичное, кВ – 35; вторичное, В - 98 – 280; Максимальный ток, кА - 40,1; Диаметр электрода, мм – 400; Скорость нагрева металла, °С/мин - 3-5; Время обработки одного ковша, мин - 25 – 50; Число бункеров с добавками – 14; Расход электроэнергии, кВт - ч/т - 25-40; Расход электродов, кг/т - 0,3; Стойкость футеровки (число плавок) - 30 – 60.

  Выбраны рациональные конструктивная и электрическая  схемы агрегата: три электрода  на одной траверсе, алюминиевые токоподводы. триангулированная короткая сеть. Агрегат  снабжен всеми технологическими устройствами внепечной обработки, обеспечивающими продувку аргоном через пористую пробку, подачу порошковой проволоки, продувку порошками через фурму, отбор проб металла, измерение его температуры и активности.

  Автоматизированная  двухуровневая система управления электросталсплавильным комплексом охватывает все участки производства от подготовки шихты до разливки стали. Системы управления каждым участком состоят из подсистем, которые обеспечивают управление всем оборудованием и связаны в единую систему  управления комплексом.

  Предлагаемая  структура системы управления позволяет конфигурировать любые комплекты систем управления в зависимости от требований заказчика. Электропечное оборудование комплекса может поставляться в комплекте с системой пылегазоочистки, обеспечивающей выполнение требований по защите окружающей среды, в том числе от токсичных диоксиновых выбросов. В комплекте с электропечным оборудованием поставляются также сталевозы, стальковши и другое оборудование. Технологическая линия электросталеплавильного комплекса должна включать сортовую или слябовую МНЛЗ на годовой объем производства до 1,2 млн т литой заготовки и соответствующее прокатное и термическое оборудование.

  Анализ  энергетической cоставляющей сталеплавильного производства

  На  конкурентоспособность процессов  производства стали значительное влияние оказывает эффективность использования энергии. При сравнении энергетической эффективности Ээф различных сталеплавильных переделов наиболее объективным и наглядным показателем можно считать отношение энтальпии продуктов плавки — жидкой стали и шлака (ж'с, ш) — к затратам первичной энергии на выплавку стали. Эти затраты первичной энергии включают тепловую энергию, использованную как в собственно сталеплавильном производстве, так и на всех предшествующих этапах получения материалов, применяемых при выплавке, в том числе энергоносители (топливо, электроэнергия), а также затраты энергии на добычу сырья, его транспортировку, подготовку производства (Зп.э): Ээф=іс.ш*100/3пэ, %.

  Для расчета Ээф приведенные в таблице при іс.ш = 450 кВт*ч/т.

  Как и следовало ожидать, минимальная энергетическая эффективность характерна для процессов с высокой долей чугуна в шихте (конвертерный, мартеновский); при выплавке стали в дуговой сталеплавильной печи (ДСП), работающей на 100 % лома, она в 1,7 - 2,3 раза выше и приближается к сквозному коэффициенту полезного использования первичного топлива при работе по схеме ТЭЦ — ДСП, составляющему 20-30%.

  Из  таблицы видно, что в электросталеплавильном процессе имеются большие возможности  для повышения Ээф. Так, эффективный  подогрев лома теплом отходящих газов позволил при выплавке стали в шахтных печах конструкции "фукс Системтехник" не только повысить Ээф, но и сократить долю электроэнергии в общем приходе тепла с 60 до 51 %. Снижение затрат первичной энергии по сравнению с обычными печами в 1,5 - 1,6 раза может быть достигнуто двухстадийным процессом в топливно-дуговом сталеплавильном агрегате (ТДСА) конструкции НИИМ [I]. Экономию энергии обеспечивают также донная продувка жидкого металла в ДСП, сокращение продолжительности плавки и другие мероприятия.