Сравнение энергоемкости стали различных методов выплавки

Мировой индекс цен на электроэнергию и топливо по сравнению с другими промышленными ресурсами увеличивается намного быстрее, поэтому в современных условиях энергетическая экономичность промышленных процессов, в том числе и при выплавке стали, относится к важнейшим показателям производства. Анализ уровня и структуры энергозатрат на получение ста­ли позволяет наметить перспекгивные энергосберегающие технологические схемы и пути снижения энергоемкости металлопродукции.

Энергоемкость, т.е. затраты первичной энергии на получение стали, представляет собой сумму затрат потенциальной тепловой энергии как в собственно ста­леплавильном производстве, так и на всех предшествующих этапах получения материалов, использованных на плавку, в том числе на энергоносители (топливо, электроэнергию), а также затраты энергии на добычу сырья, его транспортировку, подготовку производства.

Проанализируем энергоемкость углеродистой стали, выплавленной разными процессами: конвертерным с долей лома в шихте 25 - 30 %, мартеновским скрап-рудным с долей лома 45 %. мартеновским скрап-процессом с долей лома 65 %. электросталеплавильным с долей лома 100 %, электросталеплавильным с подогревом лома в шахтном подогревателе конструкции фирмы "Фукс Системтехник" с долей лома 70 и 100 %. топливно-дуговым процессом и в агрегате EOF с долей лома 50 %.

При расчетах энергоемкость материалов принималась по литературным данным, при этом учитывались основные технологические энергозатраты на: металлошихту, топливо и электроэнергию, кислород, огнеупоры, известь, графитированные электроды и газоудаление.

Максимальный уоовень энергозатрат характерен для процессов с высокой долей чугуна в шихте (конвертерный, мартеновский и EOF). Доля энергозатрат на чугун достигает при этом 53 - 91 % от общих затрат энергии на выплавку стали, Затраты первичной энергии при выплавке стали в дуговой сталеплавильной печи (ДСП), работающей на 100 % лома, и электроэнергии в 1.8 - 2.3 раза меньше, чем в указанных выше процессах. Применение 30 % чугуна в шихте ДСП приводит к увеличению энергозатрат на выплавку электростали в 1,5 раза.

Анализ показывает, что электросталеплавильный процесс при 100% лома в шихте является наиболее эффективным по энергозатратам. Важнейшим резервом снижения энергоемкости стали является, кроме повы­шения доли лома в шихте, экономия топлива is энергии при получении стали.

Рассмотрим на примере ДСП основные направ­ления энергетической оптимизации электроплавки:

1) минимальное использование электроэнергии — наиболее дорогого энергоносителя, применение кото­рого связано с наибольшими затратами первичного топлива. На получение 1 кВт*ч электроэнергии расхо­дуется 3,1 - 3.3 кВт - ч топлива:

2) использование в ДСП максимально возможных количеств относительно дешевого органического топлива. преимущественно угля;

3) наиболее полное использование тепла отходя­щих газов для предварительного высокотемпературного нагрева лома.

Количество энергии, вводимой с топливом, при широком использовании на современных ДСП топливно-кислородных горелок (ТКГ), обычно не превышает 50-70 кВт*ч/т, что сокращает расход электроэнергии на 35-50 кВт*ч/т.

За рубежом топливо отходящих газов ДСП используют для нагрева лома в загрузочных бадьях. Однако из-за ограниченой стойкости бадей среднемассовая температура подогрева лома обычно составляет 300-350°С. Такой подогрев обеспечивает снижение расхода электроэнергии на 25-35 кВт*ч/т.

Совместное использование ТКГ и подогрева лома в бадьях позволило уменьшить расход электроэнергии до 400-430 кВт*ч/т, а расход првичного топлива, рассчитаного только по энергоносителям, до 1700-1800 кВт*ч/т. Дальнейшее сокращение этих расходов требует значительного увеличения количества топлива, используемого взамен электроэнергии, и перехода к высокотемпературному подогреву отходящими газами всей массы лома.

Предварительный подогрев лома до среднемассовой температуры 1000 °С впервые реализован в агрегате ББК-Бруса. в котором объединены 36-т ДСП и расположенная над ней вращающаяся трубчатая печь. По­догрев фрагментированного лома в печи осуществляется в противотоке отходящими газами и ТКГ. При дополнительном расходе природного газа на ТКГ око­ло 30 м3/т (280 кВт*ч/т) расход электроэнергии снизился на 220 кВт*ч/т. 

В последние годы в США осваивается так назы­ваемый Констил-пропесс, в котором используется по­догреватель конвейерного типа. Из-за ограниченной стойкости конвейера температура подогрева лома не превышает 600 - 750 °С. Расход электроэнергии без использования ТКГ снизился до 320 - 340 кВт*ч/т.

Однако такие подогреватели лома дороги, требу­ют для своего размещения больших площадей и не об­ладают необходимой стойкостью. В связи с этим труб­чатые и конвейерные печи для подогрева лома не по­лучили распространения. Более перспективной пред­ставляется ДСП с шахтными подогревателями лома конструкции фирмы "Фукс Системтехник" [2]. Шахт­ный подогреватель устанавливается на своде печи и яв­ляется продолжением рабочего пространства. Большая часть лома загружается непосредственно в печь, а остальная — в подогреватель. Технологические газы удаляются из печи через шахтный подогреватель. По мере нагрева лом сходит из шахты в рабочее пространство. Печь оборудована ТКГ и манипулятором для вдува­ния угля. В последних конструкциях подогреватель имеет в нижней части водоохлаждаемые поворотные пальцы, что позволяет подогревать всю массу шихты. Применение шахтного подогревателя лома и применение ТКГ обеспечивает снижение энергоемкости стали по сравнению с обычной ДСП на 30 - 40 %.

 Задача глубокой утилизации тепла отходящих газов для нагрева лома наиболее успешно решена в известном топливно-кислородном агрегате EOF, в котором переплавляется шихта, состоящая из жидкого чугуна и лома. Топливом служит порошкообразный уголь вдуваемый в жидую ванну вместе с кислородом. Подогреватель лома, снабженный водоохлаждаемыми разделительными решетками, устанавливается над печью. Лом загружается в подогреватель сверху отдельными порциями и по мере нагрева перемещается с решетки на решетку, а затем в ванну. Подогревает­ся до температуры 850 °С весь лом на плавку.

Определенный прогресс наблюдается и в области совершенствования применяемых на ДСП горелок. В НИИМ разработаны поворотные ТКГ единичной мощ­ностью 20 МВт и более, позволяющие изменять в широких пределах направления факела по ходу нагрева, в том числе горелки эркерного типа, обеспечивающие внедрение факелов в слой шихты на уровне подины. Это обеспечивает высокий КПД горелок (60 - 70 %). При расходах природного газа 16-18 м3/т и кислорода 32 - 36 м3/т энергопотребление на 100-т ДСП снижа­ется на 120- 180кВт*ч/т. Высокая мощность и энергетическая эффективность горелок конструкции НИИМ позволили реализовать двухстадийный процесс электроплавки, когда после завалки и подвалки шихты горелки работают при отключенных дугах.

В последние годы широкое распространение получает использование порошкообразного угля на ДСП. Это подтверждается результатами освоения так назы­ваемого K-ES процесса. Для работы по технологии K-ES ДСП оборудуются донными фурмами для вдувания порошкообразного угля. кислорода, инертных и защитных углеводородных газов через подину. В стенах устанавливаются ТКГ для дополнительного нагрева лома и. главным образом, для дожигания СО, выделяющейся из ванны. При расходе угля 22 - 30 кг/т и кислорода 50 -55 м3/т сокращение расхода электроэнергии на 1 кг угля составляет в среднем 5,3 кВт*ч/кг, а расход электроэнергии на плавку сокращается до 280 - 320 кВт ч/т.

Учитывая накопленный опыт комбинированного использования в ДСП электроэнергии, газообразного и твердого топлива, а также тепла отходящих газов для предварительного высокотемпературного нагрева лома, специалисты НИИМ разработали двухстадийный топливно-дуговой сталеплавильный процесс и основные технические решения по конструкции топливно-дугового сталеплавильного агрегата (ТДСА). В ТДСА входят дуговая сталеплавильная печь и шахт­ный водоохлаждаемый подогреватель лома. Печь оборудована эркерными газо-кислородными горелками суммарной мощностью 40 МВт и фурмой для вдувания угля и кислорода. В стенах печи установлены также кислородные фурмы для дожигания СО.

Плавка в ТДСА проводится в две стадии. На первой стадии подогретый лом нагревается до температуры 1200 - 1400 °С только за счет топлива: природного газа и угольной пыли, которые сжигаются в кислороде. На второй стадии плавление и нагрев жидкой ван­ны осуществляются за счет совместного использования электроэнергии и порошкообразного угля. В конце плавки с целью гомогенизации ванны по составу и температуре вдувание угля прекращают, и плавка доводится только на электрических дугах. Длительность плавки составляет 60-65 мин. Годовая производительность 40-60-т ТДСА-250-400 тыс.т. Благодаря высокотемпературному нагреву лома отходящими газами и использованию в больших количествах топлива расход электроэнергии сокращается до 130-180 кВт*ч/т, а расход электродов – до 1,0-1,8 кг/т. При этом затраты первичной энергии на выплавку стали по сравнению с обычной ДСП снижаются в 1,5-1.6 раза.

Таким образом, анализ энергоемкости стали, выплавляемой в различных агрегатах, показал, что энергетическая оптимизация процесса получения стали обеспечивается при выплавке ее в ДСП, работающей на шихте, состоящей из 100% лома, с использованием максимально возможных количеств органического топлива, преимущественно угля, и наибольшей утилизации тепла отходящих газов для высокотемпературного подогрева лома. Снижение энергозатрат на выплавку стали не только обеспечивает повышение экономической эффективности процесса, но и улучшает экологию. Все это необходимо учитывать при выборе структуры сталеплавильного производства на предприятии как при строительстве, так и при модернизации.