Выбор технологии и конструкции агрегатов определяет марочный сортамент выплавляемых сталей, требования потребителя к качеству продукции, продолжительность технологических циклов выплавки, внепечной обработки и разливки стали, а также экономическая целесообразность того или иного способа обработки.
Для сохранения традиционных достоинств СЕРОВСКОЙ стали с низким содержанием цветных примесей целесообразно закрыть мартеновское производство, но сохранить в шихте сталеплавильного агрегата первородное сырье в виде жидкого чугуна. Это позволит сохранить в составе завода горнорудные подразделения и агло-доменное производство. Для обеспечения жидким чугуном ДСП в объеме 30-40% общего состава шихты необходимо иметь в работе две доменные печи, а одна будет находиться в резерве или ремонте.
Общепринятая в мировой металлургии самая современная технологическая цепочка при производстве стали, позволяющая получить сталь практически любого химсостава с высоким уровнем качества, удовлетворяющим любого потребителя, следующая:
- современный сталеплавильный агрегат (кислородный конвертор, дуговая сталеплавильная печь с подогревом лома или без него);
- внепечная обработка для рафинирования жидкой стали в составе печи-ковша и вакууматора;
- машина непрерывной разливки стали в сечения, наиболее приближенные к готовому профилю с целью снижения энергетических затрат на дальнейших переделах;
- прямая прокатка с использованием тепла после непрерывной разливки.
Учитывая мировую тенденцию по опережающему росту производства стали электросталеплавильным способом, который за счет совершенствования процесса достиг по объемам 34% мирового производства и по затратам стал конкурентоспособным с конверторным способом производства, предлагается установить 80 т ДСП переменного тока с сушкой лома, с объемом производства 700 тыс. тонн в год.
Как показала практика, применение 1 тонны металлолома экономит 4-5 тонн рудного сырья, 1,2 тонны коксующихся углей, снижает выбросы в атмосферу загрязняющих веществ в 6,5 раза, уменьшает расход энергоресурсов по всему металлургическому циклу в 3 раза. Приоритетное развитие вторичной металлургии с использованием современных процессов электроплавки и прокатки должно стать одним из направлений структурной перестройки черной металлургии России. Использование мощных электропечей обеспечит экономию до половины энергозатрат по сравнению с предприятиями полного металлургического цикла.
Мировой опыт говорит о том, что передельные мини-заводы на базе электроплавки обеспечивают в 1,2 раза выше производительность, чем ведущие комбинаты России.
Прогресс электросталеплавильного производства в технике и технологии, сокращение удельных энергозатрат на единицу продукции, максимально возможное приближение электропечей по производительности к уровню конверторов, а также экологичность электросталеплавильного производства делают его более привлекательным в металлургии. В области производства оборудования электродуговых печей для выплавки стали мировыми лидерами являются фирмы: Даниели (Италия), ФАИ-Фукс и СМС Демаг (Германия). Новейшие решения (система "Данарк" и шахтный подогреватель), которые они внедрили в конструкцию печей и технологию электроплавки в дуговых печах трехфазного тока, практически свели на нет все былые преимущества электропечей, работающих на постоянном токе.
Учитывая более высокую аварийность печей на постоянном токе из-за сложности, низкой стойкости и несовершенства токопроводящих узлов подины крупнотоннажных печей, значительно большие капитальные затраты (до 30-50%) для ввода их в эксплуатацию, одинаковый расход электродов привели к тому, что сейчас большинство металлургических фирм предпочитают устанавливать высокомощные печи на переменном токе.
Сталеплавильный агрегат в данном случае будет использоваться только для плавления шихты, дефосфорации и обезуглероживания металла, а все старые традиционные операции по десульфурации, легированию, доводке по температуре, усреднению по химсоставу, температуре и снижению содержания неметаллических включений выполняются в агрегате ковш-печь.
На результаты работы и технико-экономические показатели современной ДСП, оснащенной газокислородными горелками, устройствами для вдувания углеродсодержащих порошковых материалов практически не влияет выплавляемый сортамент за исключением высоколегированных нержавеющих и быстрорежущих сталей. При этом малые потери металла делают его дешевле, чем при мартеновском или конвертерном способе производства.
Последней стадией внепечной обработки стали является вакуумирование.
Сегодня в мире наиболее распространенными способами вакуумирования являются:
- циркуляционное вакуумирование (RH метод);
- порционное вакуумирование (RM метод);
- ковшевое вакуумирование (VD/VOD метод).
Первые два метода применяются на крупных печах с большой производительностью (150-350т). Вакуумирование в вакуумной камере применяется в небольших ковшах (50-100 тонн) с более разнообразной производственной программой. Кроме того, эксплуатационные затраты у таких вакууматоров намного меньше, а обслуживание их намного проще.
Снижение содержания азота, кислорода и водорода в стали путем вакуумирования в последнее время становится обязательным требованием к определенным маркам стали, имеющим наиболее ответственное назначение.
Кроме того, по прогнозу специалистов в начале 21 века разовьется тенденция к росту потребления нержавеющего металла из-за интенсивного вытеснения простого металла долговечным нержавеющим даже из традиционных областей его применения. Метод VOD позволяет производить нержавеющие или специальные марки стали, которые не могут быть выплавлены в обычных ДСП. Это хромистые нержавеющие и другие стали с очень низким содержанием углерода (С= 0.03%).
Вакуумирование позволит улучшить качество продукции и получить прирост прибыли за счет увеличения цен на продукцию. Кроме того снизятся затраты на обработку металла в крупносортном цехе.
В настоящее время технология производства стали в электросталеплавильном цехе ОАО "Металлургический завод им. А.К.Серова" представлена следующей схемой: выплавка полупродукта стали в дуговой сталеплавильной печи с системой "Данарк", легирование и присадка шлакообразующих в сталеразливочном ковше при выпуске металла из печи, внепечная обработка на установке ковш-печь и вакууматоре типа VOD (при необходимости), разливка на сортовой МНЛЗ или в изложницы на составе.
Дуговая сталеплавильная печь спроектирована и изготовлена фирмой "Даниэли" и введена в эксплуатацию в конце 2006 года. После пуска печи из-за технических и технологических проблем длительное время она работала нестабильно, с низкими технико-экономическими показателями. Для вывода агрегата на проектную мощность были сформулированы следующие основные задачи:
Обеспечение высокого уровня надежности всего комплекса оборудования;
Подбор квалифицированного технологического и ремонтного персонала;
Грамотное руководство процессом освоения технологии, высокая квалификация работников технических служб;
Разработка оптимального энерготехнологического режима с постоянным отслеживанием результатов его работы и при необходимости динамичной корректировкой по ходу плавки;
Материальная заинтересованность технологического персонала в результатах своей работы;
Четкое видение перспектив развития технологии выплавки на любой стадии процесса отработки технологии;
Высокий уровень организации производства и минимизация технологических простоев.
В данных условиях практически все задачи были последовательно и успешно выполнены.
Техника и технология плавки в современной дуговой печи.
Минимизация расходов на сырье и энергоносители, доля которых в производстве электростали превышает 70%, является основным направлением развития техники и технологии плавки в дуговой печи.
Стальной лом. На современном этапе развития электрометаллургии, исходя из цены материалов, составляющих металлическую часть шихты, можно отметить, что металлический лом остается самым доступным шихтовым материалом. Так, по прогнозу Международного института черной металлургии к 2010 г. мировой спрос на стальной лом должен возрасти до 435-440 против 379 млн.т/год в 2000г.
Основные источники лома- это отходы, образующиеся, во-первых, при производстве черных металлов, во-вторых, при потреблении черных металлов в металлообработке и строительстве, в-третьих, амортизационный лом, образующийся в процессе ликвидации основных средств, проведении капитальных и текущих ремонтов, а также так называемого выбытия сменного оборудования, оснастки, приспособлений и инструмента, и, в-четвертых, бытовой лом и "прочие" источники его сбора – шлаковые отвалы, заводские свалки и т.п. На долю стального лома, который образуется в металлургическом производстве, приходится на сегодняшний день около 40% его общего потребления. Важно, что это наиболее качественный лом, как правило, не требующий существенной подготовки к использованию.
В настоящее время цена стального лома возрастает, при этом из-за необходимости перевозки металлолом становится дорогим, а легковесный без переработки в местах сбора – нерентабельным.
Крупные специализированные компании по переработке лома вкладывают деньги в оборудование, которое позволяет перерабатывать и смешанный, и легковесный лом. Поэтому, при сохранении объемов качественного крупногабаритного металлолома, растет доля переработанного лома. Прежде всего, пакетированного, полученного прессованием и резкой, а также шредерного.
Качество углеродистого стального лома определяется следующими основными параметрами, которые обуславливают его реальную стоимость:
- замусоренность лома, характеризующаяся содержанием железа в ломе и оказывающая влияние на технико-экономические и экологические аспекты выплавки стали;
- величина содержания остаточных элементов (в первую очередь таких, как медь, хром, никель, олово, молибден, цинк), которая определяет возможность выполнения требований к химическому составу готовой стали;
- насыпная плотность (разделение на легкий, средний и тяжелый лом) и максимальные размеры кусков стального лома (мелкий с длиной кусков до 100 мм, средний – от 100 до 400 и крупный – до 1000 мм) оказывает непосредственное влияние на количество подвалок шихты и другие технико-экономические показатели плавки.
Плотная завалка шихты обеспечивается оптимальным соотношением различных видов лома. Как правило, в ДСП рекомендуется вводить 15-20% мелкого лома, 40-50% крупного и 30-45% среднего. Обычно насыпная плотность лома в бадье составляет 0,7-0,9 т/м3.
Форма и размер кусков лома определяют скорость плавления и, соответственно, расход энергии. Различие в размере "идеального" и "трудного" лома может существенно повысить расход энергии (до 40 кВт*ч/т). При наличии в ломе органических соединений, пластмасс, дерева, воды, льда, бетона расход энергии может увеличиться на 30 кВт*ч/т.
На расход энергии влияет количество загружаемых бадей шихты. Считается, что загрузка каждой бадьи требует дополнительных затрат энергии около 10 кВт*ч/т, при том работа печи с жидким остатком способствует более стабильному горению дуг и снижает расход энергии на 15 кВт*ч/т.
Стальной лом является возобновляемым сырьевым материалом, который в промышленно развитых странах имеется в достаточном количестве. Поэтому необходимость его полнейшего использования весьма актуальна, поскольку позволяет получить экономию энергии и уменьшить выброс парниковых газов.
Металлизованное сырье. При необходимости, например, снижения содержания цветных металлов в готовой стали, наряду с металлическим ломом в шихту электропечей вводят альтернативные железосодержащие шихтовые материалы. Как правило, применение альтернативных материалов ограничено технологическими причинами и высокой ценой.
Железо прямого восстановления (DRI), к которому относятся металлизованные окатыши, характеризуется довольно высоким содержанием углерода и чрезвычайно низкой концентрацией вредных примесей (S, P, Cu, Ni, Cr, Sn, As).
Горячебрикетированное железо (HBI) при равной степени металлизации железа также отличается низкой концентрацией вредных примесей (P, Cu, Ni, Cr, Sn, As). Вместе с тем, имеет пониженную концентрацию углерода (около 0,5%) и повышенное содержание серы (примерно 0,025%).
Ввод DRI и HBI в рабочее пространство печи, проводят, как правило, непрерывно во время плавления.
Передельный чушковый чугун как шихтовый материал для электросталеплавильных печей обладает значительным энергетическим потенциалом, благодаря высокому содержанию углерода и кремния. Чушковый чугун в сравнении со стальным ломом имеет следующие особенности: низкую концентрацию цветных металлов; высокое содержание серы и фосфора; большую насыпную плотность.
Однако неоправданно большое количество чугуна в шихте требует увеличения продолжительности плавки из-за необходимости дополнительного обезуглероживания.
Применение в завалку электропечи жидкого чугуна. Энергетически выгодно из-за выделения дополнительной химической энергии, но и ввода в ванну физического тепла. Температура жидкого чугуна перед заливкой в печь составляет 1150-1350˚С, при этом его теплосодержание достигает 223-272 кВт*ч/т, что обеспечивает при замене 1% лома жидким чугуном около 2,23-2,72 кВт*ч/т дополнительной энергии.
Химические реакции окисления кремния и марганца при содержании 1% жидкого чугуна в шихте дополнительно вносят около 1,40 кВт*ч/т. Содержание углерода в чугуне обеспечивает поступление тепла от его окисления в количестве 0,5 кВт*ч/кг. Кроме того, следует учитывать энергию растворения углерода, которая составляет около 0,6 кВт*ч/кг. Поэтому суммарный вклад 1% жидкого чугуна в тепловой баланс плавки составляет примерно 4,3 кВт*ч/т.
Однако, по некоторым данным, несмотря на снижение расхода энергии и сокращение продолжительности плавки, при работе на жидком чугуне, себестоимость готовой стали возрастает примерно в 1,3-1,5 раза. Стоит отметить, что в условиях дефицита стального лома и наличия избыточного количества передельного чугуна на металлургическом комбинате такой технологический вариант может быть экономически целесообразен даже для производства стали массового сортамента. Вместе с тем, существует оптимальное с точки зрения себестоимости готового полупродукта соотношение чугун- лом. Существуют расчетные данные, по которым для определенных конкретных условий производства (масса плавки 165 т) экономически оптимальное количество жидкого чугуна в шихте составляет окло 30%.
На основании вышеизложенного можно заключить, что в настоящее время прямая альтернатива применению стального лома в шихте современной ДСП отсутствует, поэтому технология электроплавки стали массового сортамента с целью минимизации издержек, как правило, предусматривает загрузку в электропечь 100% стального лома.
Энергетический баланс плавки. Наиболее очевидным фактором, характеризующим повышение конкурентоспособности электростали, является реализация и постоянное совершенствование идеи высокопроизводительной ДСП.
Очевидно, что применение ДСП как плавильного агрегата позволило снизить общие затраты тепловой энергии за счет более эффективного использования энергии мощной электрической дуги при минимальной продолжительности плавки. Поэтому энергетический баланс плавки, наряду с технологическим аспектом, в значительной мере характеризует технический уровень современной ДСП – ее рациональную архитектуру, быстродействие механизмов, автоматизацию технологических операций и надежность работы устройств.
Так, общие энергетические затраты современной ДСП снижены в среднем на 25% в основном благодаря сокращению потерь тепла печью. Потери тепла сократились почти наполовину в основном за счет: сокращения общей продолжительности плавки; увеличения КПД электрической дуги; минимизации продолжительности нахождения жидкой стали в печи, применению "болота", вспенивания шлака, пневматического перемешивания ванны, автоматизации плавки, эффективного использования химической энергии монооксида углерода печной атмосферы за счет ввода дополнительного количества кислорода в рабочее пространство печи с помощью специальных устройств различной конструкции. Немаловажно, что при этом отпала необходимость в перегреве стали для проведения последующей десульфурации шлаковыми смесями, усреднения инертным газом в ковше и наведения рафинировочного шлака в печи. Положительно сказалось на тепловом балансе вторичное использование сваренного печного шлака предыдущей плавки.
Приходная часть баланса современной электропечи по структуре в основных чертах соответствует классической. Так, химическая энергия составляет около 30% и выделяется в результате: окисления компонентов шихты; химических элементов жидкой ванны; добавок, которые вводят в рабочее пространство печи, например, дисперсного углерода; при окислении графитированных электродов.
Количество энергии, которую вносят высокотемпературные источники энергии (электрическая дуга и факел топливо-кислородной горелки) составляет соответственно около 70%, при этом доля энергии, вносимой топливо-кислородными горелками незначительна и не превышает 5-7% общего прихода энергии.