Устройство и работа сверхмощных дуговых сталеплавильных печей

Глава III. ШИХТОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПЛАВКИ СТАЛИ В СВЕРХМОЩНЫХ ДУГОВЫХ ПЕЧАХ

1. КАЧЕСТВО ЖЕЛЕЗОСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛОВ

Эффективная работа сверхмощной дуговой сталеплавильной печи требует решения проблемы рациональной шихтовки плавки для быст­рого и экономичного расплавления загруженной шихты. Важное зна­чение имеют соотношение долей легко- и тяжеловесного лома в шихте, количество лома, чугуна, кокса и металлизованных окатышей, рацио­нальная подготовка лома к плавке.

Для выплавки стали в дуговых печах длительное время исполь­зовали следующие виды металлолома: тяжеловесный лом, образующий­ся непосредственно на металлургических предприятиях (обрезь про­катных цехов, прежде всего обжимных станов); 2) лом машинострои­тельных предприятий (обрезь при штамповке, стружка при механи­ческой обработке и т.д.); 3) легковесный амортизационный лом. Наиболее качественным ломом является обрезь прокатных цехов ме­таллургических предприятий. Такой лом имеет высокую насыпную плотность (> 1,5 т/м³), практически не содержит примесей цветных металлов и неметаллических примесей, примерный состав его обычно известен. При разливке стали в изложницы доля прокатной обрези составляет 20—30 % от массы слитков. Высококачественный тяжело­весный лот широко используют во всех сталеплавильных процессах.

Переход на непрерывную разливку стали в водоохлаждаемый кристал­лизатор резко снижает количество прокатной обрези (до 5—10%), поэтому с увеличением количества металла, разливаемого на МНЛЗ, доля высококачественного тяжеловесного лома, используемого в оте­чественном сталеплавильном производстве, особенно в электростале­плавильном, будет уменьшаться.

Вместе с тем, учитывая уменьшение срока морального износа обо­рудования, проводимую в СССР перестройку хозяйственно-эконо­мической деятельности, следует рассчитывать на значительное уве­личение образования и потребления амортизационного лома в стале­плавильном и прежде всего электросталеплавильном производстве. Амортизационный лом имеет обычно небольшую насыпную плотность (0,8—1,0 т/м³), сильно загрязнен всевозможными примесями (цвет­ные металлы, пластмассы, резина, мусор), химический состав его, как правило, неизвестен. Амортизационный лом отличается повышен­ным содержанием серы и меди. Для рационального использования требуется специальная подготовка такого лома. Лом машинострои­тельных предприятий в значительной степени перерабатывается в ли­тейных цехах этих предприятий, но часть его попадает и на метал­лургические заводы. Качество такого лома также невысоко: метал­лическая стружка загрязнена масляной эмульсией, химический состав лома, как правило, неизвестен. Для рационального использования в сверхмощных дуговых печах такого лома также требуется спе­циальная подготовка лома (брикетирование стружки и т.д.).

Металлизованное сырье является очень чистым, высококачест­венным материалом. Постепенно растет производство электростали на таком сырье. Вопросы технологии плавки высококачественной стали с использованием металлизованного сырья подробно рассмот­рены ниже. В настоящее время общий объем производства металли­зованного сырья за рубежом сравнительно невелик (10,58 млн. τ в 1985 г. [54]) вследствие высокого расхода природного газа на его производство. Имеющиеся мощности для прямого получения же­леза за рубежом использовались в 1985 г. примерно на 50%, по­этому основное количество электростали выплавляют без использо­вания металлизованного сырья.

Чугун традиционно применялся в электросталеплавильном про­изводстве для повышения содержания углерода в шихте. Чугун мож­но считать высококачественным железосодержащим шихтовым мате­риалом. Содержание серы и фосфора в нем сравнительно невелико, β нем практически не содержится примесей цветных металлов. В свя­зи с высокой (по сравнению с ломом) стоимостью чугуна его исполь­зование в электросталеплавильном производстве значительно умень­шилось. В качестве науглероживателя шихты обычно используют кокс и другие дешевые углеродсодержащие материалы. В настоящее время чугун в электроплавке стали применяют обычно для разбав­ления некачественного лома (понижения содержания вредных приме­сей в расплаве).

2. СООТНОШЕНИЕ КОМПОНЕНТОВ ШИХТЫ В ЗАВАЛКЕ

Соотношение компонентов шихты в завалке должно обеспечи­вать быстрое и экономичное ее расплавление при минимальных по­вреждениях футеровки печи. Следует учитывать и влияние состава заваливаемой шихты на качество выплавляемой стали. Легковесный лом имеет более низкую стоимость и образуется в больших коли­чествах, поэтому доступнее для металлургических предприятий. Бла­годаря использованию специально подготовленной легковесной ших­ты в сверхмощной дуговой печи, несмотря на затраты времени на дополнительные подвалки шихты (обычно завалка двумя-тремя бадьями), несколько уменьшается общая длительность периода плав­ления вследствие более быстрого расплавления и растворения в жидком расплаве легковесного лома. Соответственно должен не­сколько уменьшиться и расход энергии на плавление. Следует учи­тывать и лучшие условия работы футеровки печи при использовании быстроплавящегося легковесного лома. Необходимым условием эф­фективной работы сверхмощной печи на легковесном ломе является использование в цехе быстродействующих завалочных кранов и ме­ханизмов открывания рабочего пространства печи, что уменьшает продолжительность дополнительных подвалок шихты. А.Н.Морозов [3] считает, что современные сверхмощные дуговые печи могут ра­ботать только на легковесном ломе, если этот лом хорошо подго­товлен к плавке и не сильно загрязнен примесями цветных метал­лов. Однако очень часто легковесный амортизационный лом сильно загрязнен примесями цветных металлов (в частности, меди), что исключает возможность работы только на таком ломе и требует разбавления шихты более чистыми материалами (тяжеловесной про­катной обрезью и т.д.). Недостатками работы сверхмощной печи только на легковесном ломе являются также малое количество жидкого металла, накапливающегося на подине печи после проплавления колодцев (или одного колодца) и опускания электродов в крайнее нижнее положение, и возможность вследствие этого повре­ждения подины дугами. Эти недостатки могут быть устранены при организации работы сверхмощной печи с оставлением части жидко­го металла и шлака после выпуска.

Хотя в литературе отсутствуют сведения о влиянии насыпной плотности используемого лома на угар железа во время плавки в сверхмощной печи, можно ожидать некоторого увеличения угара железа при использовании легковесного лома.

В связи с возрастанием длительности периода плавления в высо­комощных дуговых печах при увеличении доли тяжеловесного лома в завалке [3] рекомендуется использовать в завалке не более 40 % тяжеловесного лома, загружая его в нижнюю часть первой бадьи, а остальную часть  шихта—составлять из легковесного лома с насып­ной плотностью (0,5—1,2 т/м3)

3. МЕТОДЫ ПОДГОТОВКИ ЛОМА К ПЛАВКЕ

Для повышения эффективности работы сверхмощной дуговой ста­леплавильной печи необходимо организовать соответствующую подго­товку стального лома для плавки. В отечественных условиях пере­работка лома и отходов черных металлов осуществляется как спе­циализированными предприятиями Вторчермета, так и металлурги­ческими, машиностроительными и другими предприятиями. На заво­дах Вторчермета, являющихся основными поставщиками переработан­ного амортизационного лома, применяют следующие методы его пе­реработки: пакетирование, ножничную резку, копровую разбивку, брикетирование стружки, дробление стружки, переплав стружки. Наибольшее распространение на отечественных заводах получил метод пакетирования лома: по данным [55, 56], ~50 % всей механизирован­ной переработки лома.

Пакетированию подвергают габаритные и негабаритные легко­весные лом и отходы металла с толщиной до 6 мм, а также вьюнообразную стружку, вводимую в качестве добавки в пакеты (20— 25% общей массы). При пакетировании из лома и отходов с насып­ной плотностью 0,2—0,4 т/м³ можно получать пакеты плотностью до 2,5 т/м³. Применение пакетированного лома существенно повышает производительность мартеновских печей, загружаемых мульдами через рабочее окно. Применение пакетов из лома в дуговых печах, загру­жаемых сверху завалочной бадьей, не дает особых преимуществ. Имеются сведения об увеличении числа поломок электродов при ра­боте дуговой печи на пакетах [57]. Существенным недостатком метода пакетирования является невозможность удаления из готово­го пакета примесей меди, алюминия или легированных сталей. В пакеты неизбежно попадают примеси земли, дерева, ветоши.

Предотвратить попадание меди в пакеты можно только при тща­тельном ее отборе перед прессованием (предварительной рассор­тировке) и 100%-ном контроле загружаемого в прессы лома. Эти требования не могут быть выполнены в реальных условиях. Попа­дание меди и других цветных металлов в сталеплавильный агрегат с пакетами лома становится объективно неизбежным, в результате ухудшается качество выплавляемой стали.

Более эффективной для улучшения качества готовой продукции является переработка стального лома при помощи ножничной резки. Использование гидравлических ножниц с предварительной подпрессовкой позволяет сформировать всю порцию загруженного лома в единый пакет и порезать его в автоматическом режиме. Для очист­ки порезанного лома от неметаллических примесей необходимо ус­танавливать за ножницами виброплощадку или вращающийся бара­бан, пропуская через них весь порезанных лом.

По данным [58], фирма "Lindeman" (ФРГ) изготовила ножницы с усилием 10000 кН, предназначенные для переработки различных видов стального лома, конструкций и труб с целью получения ка­чественного сырья для сталеплавильных агрегатов. Ножницы снабже­ны устройством для регулирования длины куска, что позволяет получать куски лома с размерами, позволяющими подавать их в ковш. Боковые прессы с усилием 4000 к Η ломают особо прочные детали до подачи их на резку. Программа обработки лома задает­ся с пункта управления и осуществляется автоматически. Ширина реза до 1,5 м, размеры пакетирующего устройства 2,5X9 м. Про­изводительность ножниц при резке на куски средней длиной 0,4 м составляет 26 т/ч. Лом ножничной резки в больших количествах и достаточно эффективно используют при выплавке стали в сверх­мощных дуговых электропечах.

Перспективным методом переработки амортизационного лома яв­ляется фрагментация (измельчение лома в роторном дробителе мо­лоткового типа с последующей магнитной сепарацией и сортировкой дробленого металла). Значение этого метода переработки лома рас­тет в связи с увеличением количества поступающих в лом авто­мобилей, бытовых машин, электрооборудования. Извлечение цвет­ных металлов из дробленного лома дает возможность вернуть лом цветных металлов на предприятия цветной металлургической про­мышленности и уменьшить загрязнение стали вредными примесями, особенно медью. Это имеет большое значение, так как за последние 15 лет содержание меди в углеродистых сталях отечественного произ­водства увеличилось более чем вдвое (с 0,10—0,12 до 0,25—0,27%) и значительно приблизилось к предельно допустимому (0,4 %).

По данным [56], опыт эксплуатации дробителя фирмы "Lindeman" (ФРГ), установленного в цехе Горьковского объединения "Втор-чермет", показал, что наибольший эффект метод фрагментации дает при переработке легковесного смешанного лома, состоящего из чер­ных   и  цветных  металлов,  а  также  неметаллических  материалов.

Лом, подготовленной методом фрагментации, содержит намного меньше меди (<0,25%), очищен от неметаллических примесей, усред­нен по составу и размерам (25—100 мм), имеет большую насыпную плотность   (1,0—1,5 т/м³)   и более высокое  качество.  Такой лом очень удобен для переработки в сверхмощных дуговых печах: он быстрее плавится, занимает меньше места, исключаются поломки дорогостоящих графитированных электродов.

В связи с ростом производства электростали и увеличением коли­чества эксплуатируемых сверхмощных дуговых печей в СССР реа­лизуется программа увеличения сбора и улучшения подготовки сталь­ного лома на предприятиях Вторчермета. Предусматривается принци­пиальное изменение сложившейся структуры переработки лома: зна­чительно увеличивается доля резки лома на ножницах и переработ­ки лома методом фрагментации. Должны быть разработаны и внед­рены новые варианты метода фрагментации лома, в том числе фраг­ментация при низких температурах (—110°С), когда вязкость ме­талла резко уменьшается.

В состав современных высокопроизводительных электросталепла­вильных цехов обычно входит отделение комплексной подготовки лома (ОКПЛ). Такие отделения укомплектованы мощным высоко­производительным оборудованием. На БМЗ при потребности элект­росталеплавильного цеха в ломе 850 тыс. τ годовой объем перера­ботки лома составляет 720 тыс. т, в том числе ножничной резкой 600 тыс. т, пакетированием 120 тыс. т. В отделении переработки лома имеются один пакетир-пресс и четверо гидравлических ножниц с усилием 11770 кН. За ломоперерабатывающим оборудованием установлены отгрузочные конвейеры, это позволяет уменьшить заг­рузку кранового оборудования. На ММЗ при потребности электро­сталеплавильного цеха в ломе 750 тыс. т предусмотрен годовой объем переработки лома 400 тыс. т. В отделении подготовки лома имеются три пакетир-пресса и трое гидравлических ножниц с усилием 6870 кН.

На современных зарубежных заводах как более экономичная принята схема доставки лома к печам автоскраповозами. В отечест­венных электросталеплавильных цехах подача подготовленного лома к печам чаще осуществляется при помощи электроскраповозов, пе­ремещающихся по железнодорожным путям. Металлизованное сырье к электропечам обычно подают конвейерным транспортом.

4. СПОСОБЫ ПОДАЧИ ШИХТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ В ПЕЧЬ

В соответствии с концепцией сверхмощной печи применяемые в электросталеплавильном цехе способы подачи шихты в печь должны обеспечивать минимальное время внутриплавочных простоев печи, т.е. минимальное время ^отключения печи во время плавки, поэтому электропечь И загрузочные бадьи конструируют таким образом, чтобы необходимый для ведения плавки стальной лом загрузить не  более чем в два приема. Это достигается предварительной подготов­кой лома, увеличением рабочего пространства печи при замене фу­теровки стен водоохлаждаемыми панелями и увеличением вмести­мости загрузочных бадей. По данным [59], для 100-т дуговых печей используют бадьи вместимостью до 75 м³. При увеличении числа заг­рузок шихты на плавку возрастают внутриплавочные простои, уве­личивается продолжительность расплавления шихты вследствие сни­жения средней мощности дуг, так как в начале плавления при нестабильном горении дуг уменьшается использование мощности трансформатора, а каждая подвалка шихты в какой-то мере возоб­новляет начальные условия плавления [60].

Подачу в сверхмощную печь прочих шихтовых материалов (шла-кообразующих, твердых окислителей, науглероживателей, раскисли­телей) обычно организуют так, чтобы ее можно было производить, не выключая печи. В современных электросталеплавильных цехах с печами сверхвысокой мощности загрузку таких материалов в печь осуществляют обычно через специальное отверстие в своде. Необхо­димые шихтовые материалы хранятся в бункерах, установленных в верхней части специального бункерного пролета. Бункерный пролет примыкает к печному пролету. Система подачи шихтовых материа­лов из бункеров в печь снабжена взвешивающими (дозирующими) устройствами, позволяет полностью механизировать подачу добавоч­ных шихтовых материалов в печь. Такая система может работать и в автоматическом режиме. Шихтовые материалы из бункеров подают и в сталеразливочный ковш, установленный на сталевозе. В бункер­ный пролет необходимые шихтовые материалы подают конвейерным транспортом. Такая система подачи добавочных шихтовых материа­лов намного удобнее, чем принятая в первых отечественных цехах с высокомощными печами схема загрузки добавочных материалов в печь напольной завалочной машиной, требующая периодического отключения печи.

5. ВЛИЯНИЕ КАЧЕСТВА И ПОДГОТОВКИ  ШИХТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ

ПЕЧИ И КАЧЕСТВО МЕТАЛЛА

На показатели работы сверхмощной печи и качество произво­димого ею металла существенно влияет качество используемых ших­товых материалов: их насыпная плотность, содержания в них серы, фосфора, цветных и неметаллических примесей. В любом случае повышенное содержание вредных примесей в шихтовых материалах усложняет технологию и ухудшает показатели производства стали в сверхмощной печи. Так, повышенное содержание фосфора в ис­ходном  расплаве требует увеличения  расхода  шлакообразующих и окислителей, возрастает продолжительность дефосфорации металла и всей плавки, увеличивается расход электроэнергии и т.д. Повы­шенное содержание серы в шихте требует либо перехода на работу менее производительным и более дорогим двухшлаковым процес­сом, либо организации довольно сложной и дорогостоящей внепеч­ной десульфурации металла. Высокое содержание примесей цветных металлов в шихте снижает качество производимой стали и затруд­няет ее разливку на МНЛЗ. Выше было показано, что путем спе­циальной обработки дешевого амортизационного лома можно значи­тельно снизить содержание в нем примесей цветных металлов.

При работе на сверхмощных дуговых печах стремление получить металл высокого качества часто вызывает необходимость использо­вания в шихте тяжеловесной обрези прокатных цехов металлурги­ческих заводов с низким содержанием вредных примесей. В этом случае прежде всего возрастает стоимость шихтовых материалов. Результаты работы 100-т дуговых печей отечественных заводов [57, 61] показывают, что при увеличении средней насыпной плотности лома более 2 т/м³ заметно возрастают расход энергии на плавление шихты и длительность периода плавления, при этом значительно ухуд­шаются условия работы футеровки стен вследствие доплавления крупных тяжелых кусков шихты открытой дугой и увеличивается число поломок электродов. По указанным причинам количество тя­желовесной обрези в шихте необходимо ограничивать. При произ­водстве в сверхмощной печи стали обычного качества, по-видимому, оптимальным является вариант работы на легковесной хорошо под­готовленной (ножничная резка с последующей сортировкой, фраг­ментация) шихте.

Особое место в практике работы сверхмощных дуговых печей занимает случай работы с использованием металлизованного сырья. Благодаря высокой чистоте металлизованного сырья появляется воз­можность производить в сверхмощной печи сталь очень высокого качества или, добавляя к металлизованному сырью лом низкого качества, получать сталь обычного качества без дополнительных зат­рат. Технико-экономические показатели работы печей в таком случае достаточно высоки. Производство электростали с использованием металлизованного сырья постепенно увеличивается, несмотря на некоторое увеличение расхода электроэнергии при работе на шихте с большим количеством такого сырья, связанное с дополнительными затратами энергии на плавление кислой пустой породы и избыточ­ного количества извести.