Устройство и работа сверхмощных дуговых сталеплавильных печей
Поволоцкий Д.Я., Гудим Ю.А., Зинуров И.Ю.
Металлургия, 1990 г.
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.