Проект модернизации двухванного сталеплавильного агрегата

Размещено на http://allbest.ru

Аннотация

сталеплавильный дуговой печь плавка

В дипломном проекте представлен вариант модернизации двухванного сталеплавильного агрегата в существующем здании мартеновского цеха ОАО “Северсталь”. Рассмотрены вопросы эффективности использования тепла отходящих газов для предварительного подогрева металлического лома. Приведено сравнение различных способов нагрева лома отходящими газами дуговых сталеплавильных печей и выбран наиболее подходящий вариант конструкции агрегата предварительного подогрева лома для условий работы двухванной печи мартеновского цеха ОАО “Северсталь”. Также рассмотрены вопросы о целесообразности внедрения донной продувки сталеплавильной ванны инертным газом. Проведен расчет материального и теплового балансов плавки в двухванной печи; определена необходимая температура нагрева лома с целью содержания его в металлошихте не менее 50 %; проведен теплотехнический расчет нагрева лома; расчет линейной скорости и времени плавления лома; определены необходимые темп и время завалки лома в жидкую ванну; проведен расчет мощностей перемешивания ванны. Также были рассмотрены вопросы безопасности жизнедеятельности и охраны окружающей среды, а также организации производства. Обоснована экономическая эффективность проекта.

Введение

Современная металлургическая наука постоянно развивается. Она продолжает совершенствовать имеющиеся процессы, прогнозирует пути их дальнейшего развития, создает системы контроля и управления и обеспечивает улучшение качественных показателей процессов.

В связи с широкой программой модернизации сталеплавильного производства на целом ряде предприятий целесообразно акцентировать внимание на факторах, которые не в полной мере учитываются при вводе новых агрегатов в действующие цеха. Принятые и осуществляемые проекты на некоторых предприятиях решают в основном проблемы текущего времени, без должного учета ближайшей перспективы.

Между тем в последние 20 лет в металлургии происходят серьезные изменения как в технологии, так и конструкциях основного оборудования, постоянно ужесточаются требования потребителей по содержанию вредных примесей и неметаллических включений, а также по свойствам металлопродукции. Поэтому при определении технологических и конструктивных параметров агрегатов необходимо учитывать современные тенденции.

Одним из направлений улучшения показателей сталеплавильных процессов является совершенствование конструкций существующих агрегатов. Для рассматриваемой работы была взята двухванная сталеплавильная печь.

Ввиду снижения производства стали подовым типом (мартеновские и двухванные сталеплавильные печи) актуально рассмотреть вопросы, связанные с повышением техники производства и улучшение технологии стадии выплавки, решение которых приводит к снижению затрат на производство в целом.

1. Аналитический обзор литературы

1.1 Состояние и достижения в конструкциях и тепловой работе двухванных печей

Двухванные печи являются относительно высокопроизводительными агрегатами, обеспечивающими в среднем на одну печь годовое производство стали более 1100 тыс.т. Наименьшую производительность (820--920 тыс.т/год) имеют печи МКЗ, наибольшую (1700 тыс.т/год) печь №35 ММК.

Продолжительность плавки колеблется от 4 ч 5 мин до 2 ч 50 мин; меньшее значение у печи № 35 ММК с максимальной производительностью. Часовая производительность двухванных печей также высокая, превышающая 200 т/ч на печи № 35 ММК и имеющая минимальное значение 115-120 т/ч у печей МКЗ. Удельный расход условного топлива на технологию составляет у двухванных печей величину значительно меньшую, чем у лучших мартеновских печей и колеблется в пределах от 11 до 20 кг/т. Меньшее значение наблюдается у печи № 35 ММК, имеющей наибольшую интенсивность продувки ванны кислородом. Одним из основных недостатков двухванных печей по сравнению с мартеновскими печами является повышенные удельные расходы чугуна и металлошихты (таблица 1).

Таблица 1 - Сравнительные характеристика двухванных и мартеновских печей

Увеличение интенсивности продувки ванны кислородом в мартеновских печах приводит к существенному увеличению расхода чугуна (до 744 кг/т), который еще больше возрастает у двухванных печей (до 750 кг/т). Увеличение удельного расхода чугуна сопровождается существенным снижением доли лома в шихте, которая у мартеновской печи с высокой интенсивностью продувки снижается до 36--37 % и еще более снижается у двухванных печей до 33 - 35 %, что приближается к значению для кислородно-конвертерного процесса (25 - 27 % лома в шихте). Такое изменение расхода чугуна естественно, так как при уменьшении продолжительности периодов плавления и доводки с ростом интенсивности продувки ванны уменьшается и продолжительность периодов завалки и прогрева (иначе не будет получена высокая производительность печи). Общее уменьшение продолжительности плавки приводит к уменьшению поступления тепла в ванну от топлива (средний уровень теплоотдачи от факела к ванне практически не зависит от интенсивности продувки ванны), что может быть компенсировано увеличением химической энергии шихты -- процесс приближается к конвертерному (автогенному процессу, осуществляемому без подачи топлива). Это подтверждается существенным снижением удельного расхода условного топлива с ростом интенсивности продувки ванны кислородом, величина которого снижается у двухванных печей в среднем до 18--20 кг/т, составляя для отдельных печей еще меньшую величину (10 кг/т). Если рассматривать только двухванные печи, то установить зависимость удельного расхода чугуна от удельного расхода условного топлива или от удельного расхода кислорода по обобщенным данным не удалось. По удельному расходу чугуна (с учетом твердого) в 1989 г. лучшие результаты получены на печах КомМК (727 кг/т), затем следуют печи МККр; худшие результаты у печей МКЗ -- 794 кг/т. Наибольшее количество лома в шихте (36 %) перерабатывается на двухванной печи КомМК; примерно такие же результаты (35,2 % лома в шихте) у печей ОАО “Северсталь”. Худшие показатели - 31,3 % лома в шихте имеют печи МКЗ, несмотря на подачу топлива во время завалки и прогрева.

Главной причиной высокого удельного расхода /1/ чугуна в двухванных печах является низкая температура нагрева лома, обусловленная рядом причин, из которых наиболее существенными являются: малая продолжительность завалки и прогрева, необходимость использования тепла относительно низкотемпературных газов из продувочной камеры, сравнительно небольшая площадь пода и большая толщина слоя металлолома в ванне, применение маломощных горелок для подогрева лома, большие (40 000 м³/ч) подсосы холодного воздуха во время завалки через открытые окна и др. На ОАО “Северсталь” опробовались режимы формированного нагрева лома в холодной камере, отличительной особенностью которых являлось повышение максимальной тепловой нагрузки против обычной вдвое и рассредоточенная подача топлива через сводовые горелки и кислорода через поднятые продувочные фурмы. Регулирование теплового режима осуществлялось путем уменьшения подачи топлива и увеличения подачи кислорода в камере нагрева лома при интенсивном обезуглероживании ванны в смежной камере и увеличения расхода топлива и уменьшения расхода кислорода в этой камере при уменьшении скорости обезуглероживания. Применение такой технологии позволило повысить выход годного и снизить удельный расход чугуна.

Снижение удельного расхода чугуна на 20 - 48 кг/т стали /2/ получено на опытных плавках в двухванной печи при использовании в завалку углеродсодержащих материалов в количестве 8-10 кг/т. Лучшие результаты получены при использовании термоантрацита.

Удельный расход металлошихты у двухванных печей на 14 - 15 кг/т больше, чем у мартеновских печей с умеренной продувкой ванны кислородом. Примерно 50 % этой величины (6,5 - 7 кг/т) объясняется выгоранием примесей дополнительного количества чугуна (160 кг/т), а остальные 50 % - окислением железа при продувке ванны кислородом в условиях недостатка тепла для получения металла с требуемой температурой выпуска. На различных металлургических комбинатах удельный расход металлошихты колеблется в довольно узких пределах (3 %) от 1137-1135 кг/т на ММК и МККр до 1162 кг/т на ОАО “Северсталь”.

Удельный расход кислорода на технологию в двухванных печах находится в пределах 62-89 м³ составляя в среднем 75 м³/т, что только на 3 - 4 м³ (4 - 5 %) превышает удельный расход кислорода в мартеновских печах с высокой интенсивностью продувки ванны кислородом и на 15 м³ (27 %) - в мартеновских печах с умеренной интенсивностью продувки ванны. Наименьший удельный расход кислорода (62 м³) получен в 1989 г. на печах МККр и примерно такой же расход (65 м³) на печи № 35 ММК. Наибольший расход кислорода 89 м³ имеют печи ОАО “Северсталь”. Основное количество кислорода на большинстве печей используется для продувки ванны (в среднем 95 %). Наименьшая доля кислорода (67--73 %) подается в ванну на печах КомМК и МКЗ.

Стойкость сводов двухванных печей колеблется в очень широких пределах. В 1989 г. наименьшую стойкость свода (426 плавок) имела печь №1 МКЗ, наибольшую (1001 и 1074 плавки) - печь № 31 ММК и печь № 6 МККр, при средней стойкости сводов за год 758 плавок. Объяснить такие большие отличия стойкости сводов конструктивными и теплотехническими причинами не удалось. Возможно, что очень малая стойкость сводов печей МКЗ связана с качеством огнеупорных изделий Запорожского огнеупорного завода.

При сравнении мартеновских и двухванных печей следует иметь в виду, что у двухванных печей стойкость сводов как бы удвоена, и если рассмотреть стойкость свода каждой камеры, то она колеблется от 213 до 537 плавок, в то время стойкость сводов 200 - 300 т мартеновских печей составляет 230 - 450 плавок. Стойкость сводов, выраженная продолжительностью кампании в сутках, колеблется от 35 суток для печи № 1 МКЗ, до 85 суток на печи № 6 МККр, составляя в среднем 61 сутки. Для сравнения напомним, что средняя продолжительность кампании 200 - 300 т мартеновских печей составляет 90 суток. Отличие примерно в 1,5 раза в меньшую сторону стойкости сводов двухванных печей объясняется существенно большей интенсивностью продувки ванны кислородом в них и поэтому большим образованием оксидов железа и пыли. Этот вывод подтверждается тем, что стойкость свода 250-т мартеновской печи № 1 ММК с примерно такой же интенсивностью продувки ванны кислородом в 1988 г. составила 62 суток, что соответствует стойкости сводов двухванных печей.

Существенным недостатком двухванных печей, имеющим как экономическое, так и экологическое значение, являются значительные выбивания токсичных запыленных дымовых газов из рабочего пространства в атмосферу цеха, что существенно ухудшает условия работы у печей. В процессе работы печи сопротивление дымоотводящего тракта повышается примерно на 20 % к концу кампании печи, что приводит к еще большему выбиванию газов из рабочего пространства. По этому показателю очень часто дается крайне негативная оценка работы двухванных печей или заключение об их полной непригодности.

Однако, при высокой производительности, некоторые показатели работы двухванных печей лучше, чем у кислородных конвертеров: меньше удельный расход чугуна (больше доля лома в шихте) и кислорода (при небольшом удельном расходе топлива), хотя необходимы меры по снижению вредных выбросов в атмосферу цеха.

Одной из причин чрезмерного выбивания дымовых газов из рабочего пространства является их большое количество, определяемое, в частности, и подсосами воздуха в количестве более 20 000 м³ в продувочную камеру, в основном через примыкающий к ней дымоотводящий канал (вернее, этот воздух не подсасывается, а нагнетается в продувочную камеру за счет тяги, создаваемой вертикальным каналом). Уменьшить подсосы воздуха в продувочную камеру через вертикальный канал можно с помощью установки специальных отсечных шиберов или заслонок в вертикальном канале

Подсосы уменьшаются примерно на 10 тыс. м³, что способствует снижению давления в продувочной камере на 10-20 Па и некоторой экономии топлива.

Необходимость существенного сокращения по сравнению с двухванной печью пылегазовых выбросов в атмосферу цеха, а также желание снизить расход чугуна на плавку и повысить качество металла, послужили основными причинами разработки прямоточного двухванного сталеплавильного агрегата.

Прямоточный двухванный сталеплавильный агрегат (ПДСА), разработанный и впервые освоенный НИИМ и ОХМК, имеет следующие основные отличительные особенности: интенсивный нагрев лома в периоды завалки и прогрев с помощью высокомощных сводовых газокислородных горелок; независимая в тепловом отношении работа ванн, что достигается путем регулируемого отвода дымовых газов через обе головки одновременно; применение аэродинамических завес на рабочих окнах и трубчатых экранов, установленных в вертикальных каналах и работающих на водяном или испарительном охлаждении. Регулирование степени открытия шиберов отводных боровов обеспечивает отвод всего количества сильно запыленных газов, образующихся при продувке металла кислородом, непосредственно в вертикальный канал камеры продувки, минуя камеру завалки. При этом через вертикальный канал камеры завалки отводятся лишь практически незапыленные продукты горения топлива горелок. Это обеспечивает резкое сокращение пылегазовых выбросов из открытых во время завалки рабочих окон, поскольку даже при неполной отсечке газов с помощью завес из открытых окон камеры завалки выбрасываются незапыленные газы. Пылегазовые выбросы из закрытых окон камеры продувки надежно устраняются с помощью завес /3/.

Основными достоинствами плавки в ПДСА (в условиях ОАО «Северсталь») являются уменьшение запыленности атмосферы в цехе и улучшение условий труда. При работе печи в прямоточном режиме с использованием воздушных аэродинамических завес на рамах завалочных окон содержание пыли в воздухе на рабочем месте снизилось с 18 до 11 мг/м³, а над сводом печи и фермах в 6,4 раза - с 245 до 38 мг/м³. Неорганизованные выбросы пыли на агрегате снижаются на 540 т/год. Содержание СО на рабочих местах снизилось в 1,5 - 2 раза с 11 до 6 мг/м³, что составит снижение выбросов 1120 т/год на печь. Произошло двукратное снижение содержания NO_х в воздухе над печью (и в выбросах через фонарь) и на рабочей площадке - до санитарных норм. Общий объем неорганизованных выбросов после перевода двухванной печи в прямоточный режим снизится более чем на 2100 т/год. Среднее содержание СО в организованных выбросах дыма через дымовую трубу составило 6,82 г/сек (установленный норматив - 15,7 г/сек) и оксидов азота - 17,9 г/сек (установленный норматив - 20,84 г/сек) /2/.

Также произошло снижение удельного расхода чугуна до 700 - 720 кг/т (740 - 760 кг/т для ДСА), и повысилась стойкость свода. К недостаткам агрегата по сравнению с двухванной печью, работающей в обычном режиме, относятся увеличение длительности плавки за счет завалки и жидкого периода, меньшая производительность 152 т/ч (160 т/ч для ДСА) более высокие удельные расходы топлива 31 кг/т (12 кг/т для ДСА) и кислорода 72 м³/т (51 м³/т для ДСА) (в условиях ОАО “Северсталь”).

Сравнительные показатели работы ПДСА и ДСА в условиях Орско - Халиловского металлургического комбината и “Запорожсталь” представлены в таблицах 2 и 3 /4,5/.

Таблица 2 - Показатели работы ПДСА ОХМК

Таблица 3 - Основные показатели работы ПДСА в условиях металлургического комбината «Запорожсталь» в сравнении с обычным режимом

При переводе двухванных печей на прямоточный режим необходимо усовершенствовать тепловой и кислородный режимы для сохранения существующего уровня производительности агрегатов. Главной задачей является не только компенсация отсутствия прихода тепла в холодную ванну в периоды завалки и прогрева за счет дымовых газов горячей ванны, но и увеличить его приход с целью снижения расхода чугуна. Это возможно за счет увеличения интенсивности продувки ванны кислородом и увеличения тепловой нагрузки от сжигания природного газа с помощью сводовых газокислородных горелок.

Если говорить о качестве металла, выплавляемого в ПДСА, то, в принципе, оно должно не уступать качеству металла, выплавляемого в двухванном агрегате, работающем в обычном режиме, поскольку существенных изменений в технологии плавки не произошло. Более того, улучшение теплового баланса процесса по сравнению с двухванным агрегатом привело к снижению среднего содержания окислов железа в конечных шлаках с 35 до 25 %, что свидетельствует о меньшей вероятности переокисления металла в ПДСА /2/.

Исходя из всего вышеизложенного, можно сделать вывод о том, что основными недостатками двухванных печей, работающих как в прямоточном, так и в обычном режиме являются: 1) высокий расход чугуна (? на 150 кг/т выше, чем в мартеновском процессе); 2) значительный угар железа и низкий выход жидкого металла.

1.2 Актуальные целевые направления разработки темы проекта

Актуальны все мероприятия, направленные на устранение указанных недостатков. Снижение удельного расхода чугуна, может быть достигнуто в результате рационального использования тепла отходящих газов для предварительного подогрева лома. Уменьшение угара железа и, соответственно, повышение выхода жидкой стали может быть достигнуто в результате применения донной продувки сталеплавильной ванны инертным газом. В данном проекте рассматривается модернизация двухванного сталеплавильного агрегата с целью повышения его технико-экономических показателей. Основным направлением модернизации является повышение доли лома в металлической части шихты, путем установки агрегата для его предварительного подогрева теплом отходящих дымовых газов. Вторым направлением модернизации является повышение качества металла и производительности печи, путем внедрения скрытой донной продувки ванны нейтральным газом. В результате указанных мероприятий ожидается существенное улучшение техники производства, тепловой работы и, соответственно, технико-экономических показателей работы печи.

1.3 Предварительный подогрев лома за счет теплоты отходящих газов

Как уже было отмечено, главной причиной высокого удельного расхода /1/ чугуна в двухванных печах является низкая температура нагрева лома, обусловленная рядом причин, из которых наиболее существенными являются: малая продолжительность завалки и прогрева, необходимость использования тепла относительно низкотемпературных газов из продувочной камеры, сравнительно небольшая площадь пода и большая толщина слоя металлолома в ванне, применение маломощных горелок для подогрева лома, большие (40 000 м³/ч) подсосы холодного воздуха во время завалки через открытые окна и др.

Для получения более высокой температуры нагрева лома, необходимо увеличивать продолжительность его прогрева в печи, что повлечет за собой увеличение длительности цикла плавки и снижение производительности печи. Таким образом, представляется рациональней производить эту операцию вне печи.

Для качественной оценки возможности подогрева металлолома отходящими газами рассмотрим опыт эксплуатации различных установок нагрева в условиях технологического процесса в дуговых сталеплавильных печах.

1.3.1 Использование тепла отходящих газов ДСП для подогрева шихты

Утилизацию тепла отходящих газов электропечей можно осуществлять в основном по двум направлениям: путем его частичного возвращения в технологический процесс при предварительном нагреве лома отходящими газами и путем использования тепла отходящих газов в энергетических целях для производства пара или горячей воды. Оперируя таким образом с отходящими газами, можно полностью скомпенсировать тепловые потери и энергетические затраты, связанные с газоудалением. Необходимо отметить, что на дуговых печах постоянного тока потенциал отходящих газов как вторичных энергоресурсов значительно ниже, чем на печах переменного тока. Это связано с резким снижением объема отходящих газов.

Наиболее перспективным решением проблемы охлаждения и утилизации тепла отходящих газов является использование их для предварительного нагрева загружаемого в электропечь лома. Как известно, возвращение части потерянного тепла непосредственно в технологический процесс плавки в принципе является самым эффективным методом утилизации, так как при этом достигается не только сокращение расхода электроэнергии, но и значительное увеличение производительности ДСП.

Известны несколько способов нагрева лома отходящими газами. Это вращающиеся печи или нагревательные устройства, расположенные непосредственно над дуговыми печами, отдельные установки камерного типа, в которые помещают бадьи с ломом, и получившие распространение в последние годы двухванные и шахтные печи.

Первый способ предусматривает, что лом по конвейеру проходит через специальную камеру нагрева, в которую направлены отходящие газы и подается дополнительное топливо.

Использование принципа противотока отходящих газов и дополнительного топлива обеспечивает нагрев лома до 500 - 900 °С. Расход электроэнергии на выплавку стали снижается при этом с 470 до 280 - 380 кВт • ч/т, а удельная производительность агрегата повышается в 1,5 - 2 раза /6/.

Однако, по утверждению А. Савицки /7/, применение топлива для предварительного подогрева лома имеет ограниченную эффективность, так как с ростом температуры металла выше 350 °С КПД нагрева уменьшается. Кроме того, происходит окисление значительного количества металла, что в дальнейшем требует повышенного расхода электроэнергии на восстановление железа.

Наибольшее распространение за рубежом получил способ нагрева лома отходящими газами в загрузочных бадьях. Применяют, как правило, нефутерованные бадьи без существенных изменений их конструкции, но подогрев лома в обычных бадьях экономически мало оправдан из-за значительного износа бадей.

При подогреве лома в специальной бадье 45 % тепла отходящих газов идет на нагрев лома и бадьи, 37 % -- на нагрев воды охлаждаемых элементов и 18 % -- теряется с газом /6/.

Нагрев лома осуществляется обычно до среднемассовой температуры 250 - 350 °С при температуре газа на входе в установки нагрева лома 400 - 800 °С. Такими установками оборудуют печи емкостью от 25 до 150 т с удельной мощностью трансформатора 500 - 1000 кВ • А/т.

На действующих установках нагрева лома используют две схемы прохождения отходящих газов: по первой схеме дымовые газы после установки нагрева лома отводятся непосредственно на газоочистку (система без рециркуляции газов); по второй схеме газы после установки возвращаются в камеру дожигания (система с рециркуляцией газов).

При использовании тепла всего потока отходящих газов система предварительного нагрева лома без рециркуляции (рисунок 1) имеет более высокую тепловую эффективность по сравнению со схемой с рециркуляцией газов и более низкие энергетические затраты.

Рисунок 1 - Схема установки нагрева лома без рециркуляции отходящих газов: 1 -- электропечь; 2 -- установка нагрева лома; 3 -- загрузочная бадья; 4 -- дымосос

В этой системе отходящие газы из печи по водоохлаждаемому газоходу подводятся непосредственно к установке нагрева лома. Горячий газ проходит через слой лома и отдает ему часть физического тепла. Охлажденный до 150--250 °С газ выходит из загрузочной бадьи по кольцевому зазору между ее стенкой и днищем и направляется с помощью дымососа в газоочистку.

Наряду с указанными преимуществами системы подогрева лома без рециркуляции газов имеют принципиальный недостаток, ограничивающий их применение. Такие системы можно использовать только для нагрева чистого лома, не содержащего масел, пластмасс и других веществ, возгоняющихся при нагреве с образованием большого количества горючих газов с неприятным запахом. Такие газы не только отравляют атмосферу цеха, но и, поступая в газоотводящий тракт без дожигания, могут создать взрывоопасную ситуацию. Наличие в отходящих газах масел и других примесей ухудшает также эффективность работы газоочистных устройств. В связи с тем, что стальной лом в большей части случаев содержит указанные примеси, установки нагрева лома без рециркуляции газов получили значительно меньшее распространение, чем установки с рециркуляцией.

Кроме того, в интервале значений температуры 300 - 1000 °С при наличии в ломе масел и пластмасс образуются диоксины и фураны, нормирование которых в выбросах в атмосферу будет введено и в нашей стране. В странах Европы в законодательстве по охране окружающей среды концентрация диоксинов и фуранов не должна превышать 0,5 нг/м³. В Люксембурге эта норма еще жестче. В современном оборудовании ДСП для термического разложения диоксинов и фуранов в системе газоотвода при нагреве лома отходящими газами устанавливается блок газокислородных горелок, а затем камера быстрого охлаждения газов, при котором подавляется новосинтез диоксинов и фуранов.

На установках с рециркуляцией газы с помощью дополнительного рециркуляционного вентилятора (дымососа) после выхода из камеры нагрева снова возвращаются в высокотемпературную зону камеры дожигания (рисунок 2). В камере дожигания эти газы смешиваются с высоконагретыми технологическими газами, отводимыми из рабочего пространства печи, и с воздухом, подсасываемым через зазор между сводовым патрубком и муфтой, что приводит к достаточно полному дожиганию вредных газообразных выделений из металлошихты.

Обычно на рециркуляцию расходуется 60 - 70 % суммарного количества газов на выходе из камеры дожигания, остальные 30 - 40 % газов подаются, минуя камеры нагрева скрапа, через теплообменник на газоочистку.

Рисунок 2 - Схема двухкамерной установки нагрева лома с рециркуляцией отходящих газов: 1 - электропечь; 2 - камера дожигания; 3 - 6 - газоходы; 7 - устройство для подключения газохода к камере нагрева лома; 8 - крышка-зонт; 9 - камера нагрева лома; 10 - рециркуляционный дымосос; 11 - 14 - регулирующие клапаны

Расход рециркулируюших газов составляет примерно 50 - 60 тыс. м³/ч, а доля тепла, подводимого ими в камеру нагрева, равна примерно 60 % общего количества тепла дымовых газов на выходе из камеры дожигания.

С увеличением объема рециркулирующего газа повышается доля тепла, используемого для нагрева лома, но при этом необходимо увеличение мощности рециркулирующего дымососа, что ведет к повышению расхода электроэнергии на газоудаление.

В двухкамерной установке (рисунок 2) нагрев лома в загрузочной бадье проводится в одной из камер 9, другая камера в это время находится в стадии подготовки. Количество газов, поступающих из камеры дожигания в камеру нагрева лома и непосредственно на газоочистку, минуя установку, регулируется с помощью клапанов 11 и 12. При использовании чистого лома газы из установки нагрева лома могут направляться непосредственно на газоочистку, минуя камеру дожигания, при закрытий клапана 13 и открытии клапана 14.

Принципиальная схема трехступенчатого подогревателя (рисунок 3) дает возможность получить экономию энергии, почти в два раза большую, чем в подогревателе с рециркуляцией. Дымовые газы из камеры дожигания проходят последовательно через три камеры подогрева лома. Температура дымовых газов на выходе из последней снижается примерно до 70 °С. При такой низкой температуре, газообразные углеводороды конденсируются на скрапе третьей бадьи, чем и предотвращается их выброс в атмосферу цеха, а также образование взрывоопасных газовых смесей.

Рисунок 3 - Схема трехступенчатого подогревателя лома без рециркуляции отходящих газов: 1 - электропечь; 2 - камера дожигания; 3 - камеры нагрева лома; 4 - устройство для впрыска воды на охлаждение газов; 5 - дымосос печи

Применение такого подогревателя лома способствовало снижению расхода электроэнергии на выплавку стали на 40 - 45 кВт • ч/т, расхода электродов на 0,4 - 0,6 кг/т и сокращению длительности плавки на 7 - 8 мин. Кроме того, при такой схеме нагрева лома уменьшился расход электроэнергии на газоудаление на 15 - 20 кВт • ч/т, так как охлаждение дымовых газов на установке нагрева лома обеспечило уменьшение общего количества газов, поступающих на очистку, в результате сокращения подсосов в тракт холодного воздуха.

Анализ работы установок различного типа для нагрева лома отходящими газами показывает, что их применение обеспечивает в среднем: снижение расхода электроэнергии на 30 - 50 кВт • ч/т, сокращение длительности плавки на 4 - 13 мин, уменьшение расхода электродов на 0,2 - 0,9 кг/т, снижение общего количества газов, требующих очистки, уменьшение капитальных и эксплуатационных затрат на газоудаление.

Приведенные в работе /8/ расчеты показали, что расход дымовых газов на выходе из печей, работающих с умеренной (2000 м³/ч) интенсивностью продувки металла кислородом и применением топливно-кислородных горелок суммарной мощностью 2 - 10 МВт, изменяется по ходу плавки от 10,9 до 13,9 тыс. м³/ч и от 15,5 до 18 тыс. м³/ч для печей соответственно ДСП-100И6 и ДСП-100И7. Температура газов изменяется от 500 до 1300 °С. Содержание СО в газах колеблется от 6,0 до 26,6 %. Теплосодержание газов составляет 15 - 16 МВт • ч на плавку, или около 20 % общего поступления тепла.

Оценку возможного уровня предварительного нагрева лома в загрузочных бадьях проводили с учетом режимов работы дуговых печей и камер нагрева лома, позволяющим с допустимой степенью точности оценивать температуру подогрева лома в зависимости от его вида и длительности подогрева. Для габаритного лома с насыпной массой примерно 1,0 т/м³, который используют на печах ДСП-100И7, среднемассовая температура нагрева составляет: около 300 °С для первой бадьи, около 210 °С для второй и 270 °С для всей садки. Для ДСП-100И6 температура нагрева составит: для первой бадьи примерно 250 °С, для второй - 215 °С, для третьей - 145 °С и для всей садки - 221 °С.

Обеспечение эффективной работы отечественных установок для нагрева лома требует преодоления ряда технических трудностей. На протяжении всей плавки температуру газов на входе в установку нагрева лома необходимо поддерживать достаточно высокую: 400 - 800 °С. Это может быть обеспечено путем надежного уплотнения рабочего пространства, особенно электродных отверстий, автоматического регулирования по ходу плавки интенсивности отсоса газов из печи и совершенствования конструкции газоотсосного устройства. Установки должны быть оснащены средствами измерения и контроля параметров газов. Регулирование расхода газов на установку должно также осуществляться автоматически в зависимости от температуры газов на выходе из камеры нагрева.

Для оснащения установок необходима надежная конструкция регулирующих и отсечных клапанов, работающих в условиях запыленных газов при температуре до 800 - 850 °С в газоходах большого диаметра, а также надежные уплотнители на вводе горячих газов в загрузочную бадью. Уплотнители должны обеспечивать проход газов только через слой лома и предотвращать обходное движение газов по стенам самой камеры нагрева. Для улучшения прохода дымовых газов и стекания собирающихся на дне масел и других жидких продуктов, образующихся при нагреве лома, бадьи в нижней части должны иметь отверстия. Более жесткие требования необходимо предъявлять также к прочностным характеристикам загрузочных бадей /8/.

Однако способы нагрева лома вне печи, в том числе нагрева в корзинах, имеют существенные недостатки:

- большое количество теплоты отходящих газов теряется в камерах дожигания монооксида углерода и в дымоходе на пути до корзины с ломом;

- интенсивный нагрев лома сопровождается его оплавлением и свариванием, а также повреждением корзин;

- время подогрева в корзинах недостаточно, чтобы обеспечить высокую производительность печи;

- возникают проблемы по охране окружающей среды, так как низкотемпературный нагрев сопровождается выбросами в атмосферу не только пыли, но и сверхъядовитых диоксинов и фуранов.

Это заставило изыскивать новы способы нагрева лома, что привело к появлению печей с интегрированным подогревом лома.

1.3.2 Анализ работы печей с интегрированным подогревом лома

Учитывая огромный потенциал использования тепла отходящих газов и сложности, имеющие место при нагреве шихты в загрузочных корзинах, фирма “Фукс Системтехник” разработала процесс, который назван технологией шахтной печи. Печи могут быть однованными и двухванными. Особенности такой печи в том, что диаметр и объем отводящего колена отходящих газов увеличен настолько, что через него можно загружать 2/3 металлолома для одной плавки. Первую треть шихты загружают обычным способом через открытый свод. При достижении оптимального соотношения между углеродсодержащими материалами шихты, разрежением в печи для эффективного отвода газа через шихту и количеством кислорода для дожигания СО можно использовать до 80 % энергии отходящих газов. Кроме того, лом в шахте печи служит фильтром для грубой пыли. Получается двойной эффект - увеличивается выход годного металла и облегчается работа газоочистки. Опыты на шахтной печи в Дании (1988 г.) и Англии (1992 г.) показали, что шихта перед плавкой может нагреваться до 800 °С /12/. По данным работы /13/, если предварительный подогрев лома в загрузочных бадьях до 600 - 800 К обеспечивает снижение удельного расхода электроэнергии на 50 - 75 кВт • ч/т, то при подогреве до температуры более 1100 - 1300 К в шахтных ДСП достигается экономия 100 - 200 кВт • ч/т.

Известны различные варианты подачи отходящих печных газов сверху или снизу шахты, различные варианты конструкций подачи нагретой шихты в дуговую печь (самотеком, толкателями по транспортной трубе, с пальцевыми захватами и т. д.). Несмотря на проблемы, связанные с подготовкой и загрузкой шихты через шахту, усложнение конструкции печи, в мире работают более 40 шахтных печей.

Во всех этих схемах установки нагрева шихты конструктивно составляют с печью единый комбинированный агрегат. Возможен вариант, когда установки нагрева шихты связаны не с одной, а с несколькими печами и обслуживают не обязательно все плавки. Это сглаживает влияние неравномерности выделения газа и его температуры в различные периоды плавки на эффективность работы установок нагрева шихты.

Таким образом, утилизация тепла отходящих газов путем предварительного нагрева шихты позволяет значительно снизить энергетические затраты на производство стали, в том числе с возможным уменьшением мощности электропечного трансформатора, облегчить условия работы газоочистки, снизить количество пыли в выбросах, уменьшить фликкер в энергосистемах в результате более устойчивого горения дуги в начальный период плавки.

Для повышения производительности и снижения энергозатрат при выплавке стали в дуговых печах была разработана и впервые введена в эксплуатацию в 1990 г. На заводе фирмы “Florida Steel” в Шарлоте (шт. Северная Каролина, США) дуговая печь Consteel /11/.

Печь Consteel оборудована системой непрерывной загрузки фрагментированного лома, включенной в комплекс оборудования по предварительному подогреву подаваемого в печь лома за счет теплоты технологического газа. Стык комплекса подогрева с печью надежно герметизирован, что исключает неконтролируемые пылегазовые выбросы в атмосферу цеха. Непрерывное плавление лома сопровождается дозированными присадками шлако- и пенообразующих компонентов и вдуванием углерода и кислорода для вспенивания шлака. Горение дуг под слоем шлака протекает ровно, так как в печи постоянно имеется жидкая ванна, что устраняет колебания в питающей электросети.

Сущность процесса состоит в том, что скрап через конвейерный туннель непрерывно загружается в электродуговую печь (ЭДП) через специальное загрузочное окно в кожухе печи. Навстречу движению скрапа через окно в туннель идет поток горячих печных газов, которые нагревают скрап перед загрузкой в ЭДП.

Схема процесса Consteel показана на рисунке 4. В ЭДП вдувают угольный порошок в струе кислорода, в результате в печной атмосфере образуются оксиды СО и СО₂. В конвейерный туннель (туннельный нагреватель) подают воздух для дожигания СО в печных газах.

Предварительный нагрев скрапа во многом определяется процессом дожигания СО в ЭДП и туннельном нагревателе. Для оптимизации процессов предварительного нагрева и плавки скрапа ЭДП и туннельный нагреватель следует рассматривать как единую теплотехническую систему.

Рисунок 4 - Технологическая схема процесса Consteel

Это связано с тем, что часть тепловой энергии дожигания СО остается в печи, остальное количество идет на предварительный нагрев скрапа на конвейере.

На металлургическом заводе Ори Мартин в г. Брешия (Италия) были проведены исследования по разделению теплового потока от дожигания СО между ЭДП и туннельным нагревателем с целью определить режим максимального использования тепловой энергии газа для предварительного нагрева скрапа. Разработана и экспериментально подтверждена математическая модель нагрева скрапа при различных условиях вдувания кислорода и углерода в печь с учетом основных показателей процесса электроплавки (например, расхода электроэнергии, содержания FeO в шлаке и т.п.). Экспериментальные измерения были необходимы для определения неизвестных значений параметров, вводимых в модель (например, эффективного коэффициента теплопередачи в слое скрапа различного размера на конвейере), и соотношений между условиями продувки и показателями процесса (например, между отношением кислород/углерод при продувке в ЭДП и содержанием FeO в шлаке).

Значения температуры скрапа на конвейере в различных слоях по толщине (рисунок 5) использовали для настройки модели, определяющей подогрев скрапа, где необходимо задавать значения эффективных коэффициентов теплопередачи по толщине скрапа. После настройки модель позволяет с хорошей точностью определять тепловое состояние системы.

Рисунок 5 - Изменение температуры различных по глубине слоев скрапа при прохождении зоны нагревательного туннеля в процессе Consteel: 1 - поверхность; 2 и 3 - слой глубиной соответственно 30 и 10 см

На рисунке 6 приведены экспериментальные и расчетные значения температуры скрапа (на поверхности и в слоях по глубине) и газа внутри нагревательного туннеля.

Инжектирование кислорода в ЭДП приводит к образованию в газовой фазе СО и СО₂; повышение его расхода при определенном содержании общего углерода увеличивает отношение СО₂/СО.

Этим соотношением можно управлять, меняя расходы кислорода и вдуваемого порошкообразного углерода. Модель была скорректирована по результатам экспериментального изучения влияния расходов кислорода и углерода на состав газов в системе ЭДП - нагревательный туннель.

На заводе Ори Мартин управляющая модель рассчитывает необходимое соотношение СО₂/СО без измерений расхода кислорода и углерода.

На рисунке 7 для различных значений удельного расхода углерода на тонну стали приведены данные о количестве вдуваемого в печь кислорода, необходимого для получения требуемого отношения СО₂/СО. Увеличение содержания СО в газе, входящем в нагревательный туннель, позволит повысить температуру скрапа на конвейере при дожигании СО до СО₂.

Рисунок 6 - Расчетные (2) и фактические (/) значения температуры скрапа (4--6) и отходящего газа (3) внутри нагревательного туннеля; 4 и 5 -- температура поверхности скрапа и слоя на глубине 10 см; 6 -- температура скрапа

Одновременно с моделированием предварительного нагрева проведены экспериментальные измерения, показывающие, что для данного расхода газа существует предел соотношения СО₂/СО, ниже которого нельзя значительно увеличить температуру подогрева скрапа.

На рисунке 8 показано изменение температуры скрапа на его поверхности в зависимости от соотношения СО₂/СО в газе, входящем в нагревательный туннель; экспериментальные данные хорошо согласуются с расчетными.

Рисунок 7 - Отношение кислород/углерод для получения заданных значений СО₂/СО в отходящих печных газах

Рисунок 8 - Изменение температуры на поверхности слоя скрапа на выходе из нагревательного туннеля в зависимости от соотношения СО2/СО в печном газе, поступающем в туннель

Соотношение СО₂/СО должно быть выбрано таким образом, чтобы в нагревательный туннель поступал газ, способный нагреть шихту; при этом предусматривается также использование части химического тепла СО при дожигании непосредственно в ЭДП /9/.

На рисунке 9 приведены данные о расходе электроэнергии в функции отношения СО₂/СО в печной атмосфере для различных условий подачи углерода в систему. Полученные результаты можно объяснить двумя различными эффектами: часть тепла после дожигания СО остается в печи; происходит значительное окисление железа в ванне.

Показатели работы печи Consteel через три месяца после ввода в эксплуатацию по сравнению с показателями старой печи приведены в таблице 4 /10/.

Основой эффективной работы системы загрузки лома является его тщательная подготовка. Куски лома не должны превышать по длине 1 м; плотность лома должна быть небольшой, чтобы не затягивался процесс его плавления-растворения в жидкой ванне.

Рисунок 9 - Изменение расхода электроэнергии, потребляемой в системе Consteel, в зависимости от значений СО₂/СО в печном газе при различном удельном расходе вдуваемого в печь порошкообразного углерода

Таблица 4 - Показатели работы печи Consteel (А) и обычной дуговой печи (Б)

Таким образом, можно отметить, что после ввода в эксплуатацию комплекса оборудования по предварительному нагреву лома в целом улучшились технико-экономические показатели работы печи. В частности снизился суммарный расход энергии, уменьшилась продолжительность плавки и, соответственно, повысилась производительность печи. Содержание FеО в шлаке уменьшилось с 30 - 35 до 15 - 25 %, что способствовало снижению окисленности стали и меньшему износу футеровки печи /10/.

Преимуществами печи Consteel являются также снижение выбросов пыли на 40 % за счет фильтрующего эффекта нагреваемого лома и газоплотности печи, полное дожигание монооксида углерода и значительное снижение издержек производства /11/.

Подводя итог вышеизложенному необходимо отметить, что конструкция комплекса подогрева лома “Consteel” была взята за основу модернизации двухванного сталеплавильного агрегата, рассматриваемой в данном проекте, так как она более всего подходит для технологического процесса в ДСА.

1.4 Применение донной продувки инертным газом мартеновской ванны

Донная продувка, как элемент технологии высшего уровня, решает проблемы интенсификации процесса и качества выплавляемой стали.

В АО "Лиепаяс металургс" (Латвия) совместно с немецкой фирмой ТЕСНСОМ Import Export GmbH и австрийской фирмой по производству огнеупоров Veitsch - Radex - Didier AG была освоена и внедрена новая технология кладки подины мартеновской печи, а также донной продувки ванны нейтральным газом.

При сокращении доли чугунной части в металлозавалке или при переходе на карбюраторный процесс (что актуально в современной экономической ситуации) затруднен процесс растворения шлакообразующих, возникают сложности с нагревом металла (в том числе неравномерное распределение температуры в объеме ванны), уменьшается эффективность десульфурации, возрастает загрязненность металла неметаллическими включениями.

Как известно, подовые процессы выплавки стали основаны на технологии перемешивания слоев металла в печи (кипении). Скорость процесса определяется скоростью его самой медленной кинетической части -- в основном химических диффузионных реакций через шлаки и распределения температуры от горящих газов в жидкой ванне через шлак с помощью конвекции.

При перемешивании продувочными газами усиливается кинетика всех реакций в металле и шлаке с участием (СаО), [Р], [S], (FeS), (Fe₂O₃), [О], [С] и присутствующих в ломе элементов. Продувка газом способствует гомогенизации жидкой стали и, создавая по возможности большое количество мелких пузырьков и тем самым вызывая эффект флотации, одновременно оказывает рафинирующее действие. Скорость обезуглероживания металла возрастает, так как реакция инициируется раньше. Температура плавки выравнивается по всему объему. Благодаря гомогенизирующему действию продувки достигаются не только кинематические, но и термодинамические эффекты. Вызванные в процессе диффузии различия в концентрации элементов устраняются и приближаются к металлургическому равновесию. Перемешивание способствует также выводу неметаллических включений в шлак.

Продувка инертным газом называется также Soft Bubbling - мягкое газирование. Этим делается ударение на очищающее или рафинирующее свойство технологии, способствующее снижению содержания свободных газов H и N, так как пузырьки вдуваемого в расплав инертного газа служат зародышами для их выделения. Таким образом, содержание свободных газов снижается практически до термодинамического равновесия.

Донная продувка металла инертным газом способствует также коагуляции неметаллических включений с выводом их на поверхность и ассимиляцией их шлаком. Это отражается на чистоте металла и способствует существенному улучшению качества конечной продукции.

В результате донного перемешивания длительность плавки сокращается в среднем на 20 мин. В зависимости от организационных мероприятий, состава металлошихты, уменьшения простоев оборудования этот показатель может быть еще улучшен. Средняя масса плавки увеличивается до 2 т. Расход топлива (без учета трассы низкого давления и поправочного коэффициента) уменьшается до 30 у. ед./т стали. Продолжительность горячих простоев сокращается до 0,2 % (календарного времени). Удельный расход огнеупорных порошков уменьшается до 5 кг, в том числе заправочных материалов -- 4,2 кг на 1 т стали /12/.

ДСА в современном исполнении имеет магнезитовую наварку подины и в некоторых случаях кладка разрушается, что особенно проявляется после остановки печи на холодный ремонт. Отдельные участки наварки превращаются в мелкодисперсный порошок. Из-за интенсивного разрушения подины приходится преждевременно останавливать печь на горячий, а иногда холодный ремонты пода. Это приводит к повышенному расходу магнезитового порошка, увеличивает трудоемкость, продолжительность и объемы текущих холодных ремонтов, сопровождается сокращением объемов производства и, как следствие, удорожанием себестоимости продукции. Простои при ремонтах пода достигают 2 % календарного времени, расход магнезитового порошка - 11 кг/т стали. Возможно избежать часть этих проблем с применение донной продувки и огнеупоров Ankerharth. При работе по такой технологии снимается часть тепловой нагрузки на под, так как скрытая лонная продувка способствует охлаждению нижних слоев подины и металлоконструкций, тем самым продлевая срок службы металлических элементов и огнеупорных материалов.

Благодаря перемешивающему свойству продувочного газа все химические реакции процесса будут смещены в сторону термодинамического равновесия. На практике это как правило вызывает снижение выгорания железа (меньшее содержание FeO в шлаке) и, соответственно, увеличение выхода жидкой стали.

1.5 Анализ существующего положения производства в мартеновском цехе ОАО “Северсталь”

К настоящему моменту в мартеновском цехе ОАО “Северсталь” работают 3 агрегата: 2 мартеновские печи и одна двухванная. Двухванная печь работает по прямоточному варианту. После выпуска полупродукта по необходимости происходит его обработка на агрегате “печь-ковш”, а затем - разливка в слитки.

Производительность цеха в 2003 году составила 929037 т, 464474 из которых выплавлено в двухванном сталеплавильном агрегате.

Сравнительная характеристика производства в мартеновском цехе за 2003 год представлена в таблице 5.

Таблица 5 - Сравнительная характеристика производства стали в мартеновском цехе ОАО “Северсталь” в 2003 году

Из приведенной таблицы видно, что производительность одной двухванной печи очень высока по сравнению с мартеновскими агрегатами, но большая величина брака на первом переделе отрицательно сказывается на всем производстве в целом. Следует заметить, что работа двухванной печи сопровождается значительной переокисленностью ванны, прежде всего локальной, вследствие чего процесс идет со значительным угаром железа в зонах переокисленности. В ДСА существуют значительные концентрационные и температурные перепады по глубине ванны, что существенно влияет на скорость протекания основных реакций рафинирования. Прежде всего это касается реакции окисления углерода, протекающей...