В настоящее время для выплавки стали применяют в основном дуговые сталеплавильные печи, питаемые переменным или постоянным током. В ДСП переменного тока установлено три графитовых электрода (по одному на фазу), а в ДСП постоянного тока - два: один верхний графитовый и один донный – медный. Достоинством дуговых электропечей является то, что в них выплавляют основную часть высококачественных легированных и высоколегированных сталей, которые затруднительно, либо невозможно выплавлять в конвертерах и мартеновских печах. Принцип работы дуговой электропечи основан на создании электрической дуги, которая имеет температуру 5000–6000 К, между графитовыми электродами и металлоломом. Благодаря возможности быстро нагреть металл, можно вводить большие количества легирующих добавок и иметь в печи восстановительную атмосферу и безокислительные шлаки, что обеспечивает малый угар вводимых в печь легирующих элементов. Кроме того, имеется возможность более полно, чем в других печах, раскислять металл, получая его с более низким содержанием оксидных неметаллических включений, а также получать сталь с более низким содержанием серы в связи с ее хорошим удалением в безокислительный шлак. Также есть возможность плавно и точно регулировать температуру металла. Однако следует отметить, что в настоящее время большинство вышеуказанных операций производится в установках внепечной обработки стали. А основной функцией электросталеплавильной печи является фактически только расплавление металла.
Основными путями снижения затрат энергии в электросталеплавильном производстве являются:
- сокращение длительности плавки путем повышения удельной мощности трансформатора;
- уменьшение продолжительности заправки, доводки с вы-носом операций легирования, раскисления, модифицирования и десульфурации в агрегаты внепечной обработки;- предварительный подогрев шихты и использование ВЭР (тепло отходящих газов, охлаждающей воды, и жидких шлаков).В частности, подогрев лома отходящими газами позволяет экономить до 40% электроэнергии;
- продувка металла инертными газами через донные фурмы и использование устройств электромагнитного перемешивания позволяет сократить цикл плавки;
- увеличение высоты стенок печи позволяет производить однократную загрузку шихты только одной бадьей с металлоломом;
- использование дополнительно природного газа, сжигаемого в газокислородных горелках, позволяет снизить общий расход энергии до 10%.
Инновационные технологии в сталеплавильном производстве
Процесс Consteel
Процесс Consteel является инновационным решением в электросталеплавильном производстве, которое позволяет значительно экономить энергоресурсы и повышает эффективность и экологичность производства стали в электропечах. Особенностью этой технологии является непрерывная подача металлолома по конвейеру в электросталеплавильную печь. Таким образом, процесс плавки становится фактически непрерывным. При этом обеспечивается постоянное плоское зеркало металла, над которым горят электроды, а расплавление поступающего металлолома происходит в ванне жидкого металла, что приводит к повышению стабильности процесса. Емкость таких печей составляет от 40 до 320 т. В соответствии с технологией, шихта, с помощью электромагнитного крана, из вагонов подается на загрузочный конвейер, подогреваемый отходящими печными газами, который транспортирует её к ДСП. Существует вариант технологии с дополнительными горелками, установленными над конвейером. Преимуществом процесса является отсутствие необходимости окускования металлолома, возможно использование даже стружки. Подогретая шихта загружается в ДСП, где происходит её расплавление в ванне жидкого металла. Отходящие с ДСП печные газы подогревают движущуюся по конвейеру шихту, после чего направляются на станцию газоочистки. В отличие от загрузки, выпуск стали из печи осуществляется периодически, а для автоматического обнаружения шлака при вы-пуске используется устройство на основе инфракрасного датчика. В печь также можно заливать жидкий чугун, который непрерывно подается в рабочее пространство печи по специальному футерованному желобу.
Преимущества технологии Consteel:
- сокращение расхода электроэнергии на 80–120 кВт·ч/т и электродов за счет повышения стабильности процесса и подогрева шихты;
- повышение производительности печи за счет непрерывности процесса;98- лучшие условия для шлакообразования и более благоприятная атмосфера в печи.- повышение стойкости футеровки печи;
- снижение более чем на 40% затрат на материально-техническое обеспечение, персонал и обработку отходов производства.- пониженное содержание FeO в шлаке, снижение содержания азота, фосфора и водорода в стали;
- снижение уровня шума и повышение экологичности производства.
Двухкорпусные печи
Двухкорпусные печи в первую очередь характеризуются повышенной производительностью. Такая печь состоит из двух ванн (корпусов) и одной системы питания с одним (печь постоянного тока) или тремя (печь переменного тока) электродами, которые переставляются с одной ванны на другую.
Пока в одном корпусе идет плавка металла с помощью электродов в другом корпусе происходит подогрев шихты отходящими газами из первого корпуса или газовыми горелками. При этом время плавки сокращается на 40%, а за счет подогрева шихты достигается снижение расхода электроэнергии на 40–60 кВт·ч/т. Встречаются печи, в которых электроды установлены на двух ваннах, однако в этом случае теряется экономический эффект от сокращения капитальных затрат на строительство агрегата.
Еще одним вариантом реализации двухкорпусных печей является агрегат CONARC (СONverter + electric ARC furnance).Этот агрегат также имеет два корпуса печи, но помимо одного комплекта электродов на нем установлена и фурма для подачи кислорода (как в конвертере). Преимуществом данного агрегата является возможность выплавки стали из жидкого чугуна и металлолома (или DRI) практически в любых пропорциях.
Процесс выплавки стали разделен на две стадии. Вначале в один корпус заливают чугун, в печь устанавливают фурму и начинают продувку кислородом. На этой стадии производится обезуглероживание металла. Во избежание перегрева ванны из-за происходящих во время продувки процессов окисления углерода, кремния, марганца и фосфора, в печь добавляют охладители в виде металлолома или DRI. После завершения продувки, кислородную фурму переставляют на второй корпус (или отводят в сторону), а на первый корпус устанавливают электроды. На этой стадии в печь добавляют оставшееся количество твердой шихты и начинают ее расплавление с помощью электродов. После достижения необходимой температуры металл выпускают в ковш. Затем процесс циклически повторяется снова. Таким образом, выплавка стали идет одновременно в двух корпусах печи, а электроды и фурма переставляются на них поочередно, что обеспечивает высокую производительность агрегата, которая на 30 % выше чем у двух обособленных агрегатов аналогичной емкости). Время плавки составляет от 40 до 60 мин. Аналогичный принцип использован и в агрегате «Arcon-процесс», разработанном компанией «Concast Standard AG». Отличием является то, агрегат питается постоянным током и корпус агрегата фактически соответствует корпусу конвертера. Поскольку используется постоянный ток, то на агрегате установлено не три, а два электрода – один верхний графитовый и один донный пластинчатый медный электрод. Агрегат «Arcon» имеет производительность 1,6 млн.т/год. В качестве металлошихты используют жидкий чугун (40%), гранулированный чугун (5%) и HBI (55%). Масса выпускаемой плавки - 170 т. Цикл работы каждого корпуса агрегата составляет 92 мин.
В целом, комбинация конвертера и дуговой печи в одном агрегате дает следующие преимущества по сравнению с обычной дуговой печью:
- широкий выбор металлошихты;
- высокая производительность;
- низкий расход электроэнергии в результате использования химической энергии окисления примесей металлошихты;
- уменьшение требуемой электрической мощности;
- снижение удельного расхода электродов;- меньшее влияние на токоподводящие сети, возможность работы при маломощных электросетях;
- снижение затрат на электрооборудование.