Совершенствование энерготехнологического режима выплавки стали в ДСП-150 при использовании горячебрикетированного железа в завалке с целью повышения эффективности производства

Проведенные аналитические исследования перспектив производства металлопродукции позволяют сделать вывод о том, что в 2006 — 2010 гг. ожидается незначительный рост производства чугуна. Мировое производство чугуна может вырасти с 781 млн. т в 2005 г. до 850 — 870 млн. т к 2010 г. Прирост производства чугуна в основном происходит за счет Китая (на 28,2% по итогам 2005 г.). В странах остального мира отмечается снижение выпуска чугуна по сравнению с аналогичным периодом 2004 г. на 2,8% [1].

В России в 2006 — 2008 гг. ожидается незначительный рост производства чугуна: по прогнозу прирост производства доменного чугуна составит 0,6% в год. В 2009 — 2015 гг. производство чугуна будет снижаться на 1,1,5% в год, что будет вызвано замещением мартеновского производства электросталеплавильным[2] .В 2004 году примерно 1/3 мирового производства стали пришлась на электросталеплавильный способ выплавки-около 357 млн.т. Основными видами сырья в электрометаллургии является лом (78% в 2004 г.), металлизованное сырьё (13%) и чугун (9%). К 2010 г. электросталеплавильные мощности в мире увеличатся на 90−95 млн.т. 3].

Потребление основных видов металлосодержащего сырья в мировом электросталеплавильном производстве, млн. т.

2003 год 2004 год 2005 год Прогноз на 2010 год.

Производство электростали 315,2 356,5 378 425−435.

Металлосодержащее сырьё 346,8 392,1 418 475−480.

Потребление лома 270 304 325 353−356.

Потребление чугуна 24 28 29 33.

Потребление металлизованно-го сырья 47,8 54,1 57 75−77.

Чугун, произведенный по альтернативным технологиям 5 6 7 14.

Рост производства стали в электропечах предопределяет существенное увеличение спроса на металлосодержащее сырьё. В 2004 г. общий объем мирового потребления лома составил около 450 млн. т, свыше 70% (304 млн. т) которого было использовано в электрометаллургии. Общий спрос на металлосодержащее сырьё в электрометаллургии в 2005 — 2010 гг. вырастет на 80 — 85 млн. т. При этом возможности по увеличению заготовки лома в мире достаточно ограничены. Более того, в начале 2010;х гг. вполне вероятно снижение объемов заготовки лома вследствие активного расширения использования современных технологий (например, непрерывной разливки стали), что приводит к сокращению образования оборотного лома на металлургических предприятиях [1].

Это позволяет прогнозировать рост спроса на другие виды металло-содержащего сырья, в первую очередь на металлизованное сырьё (метал-лизованные окатыши и горячебрикетированное железо). Кроме того, в настоящее время на рынке ощущается недостаточное предложение качественного лома.

Дополнительным фактором роста потребления металлизованного сырья является опережающий рост производства высококачественных сталей, в первую очередь специальных сталей, для производства которых металлизованное сырьё с его низким содержанием примесей является наиболее оптимальным.

В России с 2005 по 2009 гг. уже одобрены и реализуются проекты по строительству и реконструкции электросталеплавильных мощностей общим объемом 14,4 млн. т [2,3], что обусловит резкое увеличение спроса на металлолом. Спрос на лом в российской черной металлургии вырастет с 28 млн. т в 2004 г. до 30 — 35 млн. т в 2010 г. Однако, значительного увеличения заготовки лома с расчетом на экспорт и потребности внутреннего рынка не ожидается. Поэтому в среднесрочной перспективе возникает необходимость расширения использования металлизованного сырья в России.].

Таким образом, устойчивый и возрастающий спрос на металлизованное сырье в последние годы в мире объясняется следующими тенденциями развития сталеплавильного производства: увеличение доли выплавки стали в электропечах, связанное с меньшими капитальными затратами по сравнению с выплавкой стали в кислородных конвертерах, а также лучшими экологическими условиями производствауменьшение доли оборотного лома вследствие широкого внедрения непрерывной разливки сталивозрастание спроса на лом из-за увеличения доли выплавки стали в электропечахувеличение количества мини-заводов, выплавляющих сталь в электропечах и выпускающих рентабельную продукцию высокого качестваухудшение качества покупного лома.

Целесообразность применения металлизованного сырья в шихте электропечей вместо скрапа обусловлена его высокой чистотой по вредным примесям и примесям цветных металлов, однородностью по химическому составу и стабильностью свойств. Указанные свойства предопределяют расширение сортамента высококачественных сталей[4, 5].. В последние годы наметилась тенденция перехода от производства ме-таллизованных окатышей к производству горячебрикетированного железа. Это обусловлено значительным снижением степени вторичного окисления брикетов по сравнению с окатышами, что обеспечило более надежную безопасность морских перевозок металлизованного сырья. Горячее брикетирование стране производится только на Лебединском ГОКе по технологии предоставленной фирмой «Коррегп».

В современных условиях развития электросталеплавильного производства актуальными являются задачи по разработке энергои ресурсосберегающих технологических режимов.

Высокая себестоимость металлопродукции обусловлена в значительной мере высоким расходом энергоресурсов при ее производстве. В этой связи разработка мероприятий по совершенствованию и оптимизации энерготехнологического процесса выплавки стали, например, в период расплавления шихты, с целью снижения затрат электроэнергии представляется весьма актуальными и необходимыми.

В связи с необходимостью решения проблемы по снижению энергии и ресурсосбережений, повышения качества показателей электростали с применением в завалке брикетов, представляется необходимым провести исследования теплового состояния шихты в период ее расплавления, изучить закономерности процессов нагрева и плавления шихты и металлизо-ванных окатышей при воздействии на нее энергетических факторов, разработать математическую модель теплового состояния шихты для производства электростали и определить экономическую эффективность при использовании горячебрикетированного железа.

Автором выносятся на защиту:

— экспериментальные данные о влиянии ГБЖ на длительность плавления шихты сложного состава, состоящей из лома и ГБЖ, и расход электроэнергии;

— экспериментальные данные по уменьшению концентрации цветных металлов, неметаллических включений стали, выплавленной с применением ГБЖ;

— расчет времени проплавления колодца, учитывающий различные виды шихтовых материалов в завалке и их расположение по уровням;

— расчет времени доплавления шихты, учитывающий излучения электродами и дугами при изменении степени открытости их, поглощения излучения средой;

— прогнозирование и регулирование содержания углерода по расплавлению шихты с наличием в ней горячебрикетированного железа различной степени металлизации, содержания углерода и массы;

— энергои ресурсосберегающий режим выплавки стали в ДСП-150, позволяющий оптимизировать технологический процесс электроплавки с использованием горячебрикетированного железа.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

— установлены закономерности расплавления шихты сложного состава, состоящей из лома и ГБЖ, при их различных соотношениях в завалке, показано, что максимальная скорость расплавления наблюдается при наличии 0,3−0,4 доли ГБЖ от лома и 0,9−1,1 доли шихты в завалке от непрерывно подаваемых в жидкую ванну МОК;

— установлено, что при содержании 0,3−0,4 доли ГБЖ от лома плотность завалки достигает оптимальных значений, характеризующихся минимальным расходом электроэнергии на расплавление шихты;

— показано, что время проплавления колодца и расплавления метал-лошихты зависит от послойного расположения металлического лома и ГБЖ в дуговой печи, так как взаиморасположение и расположение составляющих металлошихты изменяет насыпную плотность и средний состав металлозавалки и, как следствие, ее теплотехнические параметры, такие как теплопроводность и теплоемкость. Разработаны математическая модель, алгоритм и программа расчета на ЭВМ времени проплавления колодца и расплавления шихты в завалке, учитывающая различные уровни расположения шихтовых материалов. Данные модели можно использовать в производственных условиях, т.к. погрешность не превышает 10%;

— разработана программа, позволяющая прогнозировать и использовать для регулирования содержания углерода по расплавлению шихты с использованием ГБЖ.

Практическая значимость Предложен энергосберегающий режим электроплавки углеродистой стали с использованием ГБЖ в ДСП-150 для условий ЭСПЦ ОАО «ОЭМК», выявлен оптимум по количеству ГБЖ, подаваемых в завалку, разработаны алгоритм, программа и номограмма расчета науглероживателя в зависимости от свойств горячебрикетированного железа.

Полученные в работе результаты по расплавлению шихты в завалке в ДСП-150 предложены для разработки оптимального энерготехнологического режима выплавки стали, позволяющего снизить энергозатраты на процесс, повысить энергетический к.п.д., производительность агрегата и качество выплавленной стали.

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты данного исследования докладывались, обсуждались и положительно оценены в трудах Международной конференции ЛГТУ г. Липецк 20 052 006гг., научно практической конференции ОЭМК 2005 г., международной научной конференции СТИ МИСиС 2004 г., международной научной практической конференции г. Губкин 2004 г., международной конференции г. Магнитогорск, 2006 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 19 печатных работ в научно-технических изданиях.

Структура и объем работ. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 79 наименований и 3 приложений, содержит 147 страниц печатного текста, 64 иллюстрации и 26 таблиц.

5.4. Выводы.

В результате проведенных исследований и математического моделирования разработана методика регулирования содержания углерода по расплавлению шихты. Определено минимальное время доплавления шихты, а также предложена математическая модель для реализации данного режима плавки, обеспечивающего уменьшение потребления энергии и времени выплавки стали.

При использовании ГБЖ в шихте от 30 до 40% и при учете что по расплавлению содержание углерода должно быть более 0,6% и соответственно 0,9−1,1 шихты в завалке от МОК, то при этом происходит уменьшение удельного расхода науглероживателя на 40%, а также уменьшается расход электродов на 9%.

Заключение

.

В результате проведенных исследований в производственных и лабораторных условиях установлен ряд важнейших закономерностей электроплавки углеродистой стали с использованием горячебрикетированного железа в завалке в условиях ОАО «ОЭМК»:

1. Установлены закономерности расплавления шихты с использованием ГБЖ в завалке. При увеличении насыпной плотности шихты за счет ГБЖ максимальная скорость расплавления ее наблюдается при наличии доли ГБЖ от лома равной 0,3 — 0,4 и доле шихты от МОК равной 0,9- 1,1 при этом сокращается время расплавления шихты на 4 минуты.

2. С применением горячебрикетированного железа в завалке в количестве 0,3 — 0,4% от лома повышается качество металла: уменьшается содержание никеля на 15%, меди на 27%, молибдена на 21%, неметаллических включений: серы на 11% и фосфора на 40%.

3. Теплообмен в шихте увеличивается при наличии ГБЖ, так как теплопроводность его достаточная и насыпная плотность выше чем остальных видов завалки, энергия на расплавление шихты уменьшается на 15 кВт-ч/т завалки при оптимальном содержании брикетов в шихте.

4. В лабораторных условиях были измерены и рассчитаны значения теплофизических свойств горячебрикетированного железа, которые использовались в расчете оптимизации выплавки стали в ДСП-150.

5. Разработаны математическая модель, алгоритм и программа расчета на ЭВМ времени проплавления колодца и доплавления шихты в завалке, учитывающая различные уровни расположения шихтовых материалов. Данные модели можно использовать в производственных условиях, т.к. погрешность не превышает 10%.

6. Составлена программа расчета науглероживателя, позволяющая прогнозировать и регулировать содержание углерода по расплавлению шихты с использованием ГБЖ. На основе расчетов построена номограмма по определению расхода науглероживателя при расплавлении шихты в завалке, при различных степени металлизации и массе горячебрикетированного железа, содержании углерода в нем.

7. На основе расчетов по обезуглероживанию металлической ванны в период непрерывной подачи окатышей выяснено, что при начальной концентрации углерода в расплаве 0,6−0,8% время расплавления окатышей, подаваемых непрерывно в жидкую ванну, уменьшается на три минуты по сравнению с содержанием углерода в расплаве 0,2%.

8. Использование горячебрикетированного железа в завалке уменьшает расход науглероживателя на 40%, расход электродов на 9%.

9. Предложена энергосберегающая технология электроплавки углеродистой стали в ДСП-150, которая позволяет повысить производительность печи на 9% за счет уменьшения времени нахождения под током на 10 минут, сэкономить электроэнергии на 8 кВт-ч/т и в целом получить годовой экономический эффект более 100 млн. рублей в год.