Современная научно-техническая революция, разработка и внедрение новых технических принципов, технологических процессов, материалов и оборудования обуславливают объективную необходимость решения производственно-технических задач в соответствии с требованиями непрерывного повышения экономической эффективности общественного производства, рационального использования материальных, трудовых и финансовых ресурсов. Особенно важно решение этих задач на стадии комплексного технико-экономического проектирования металлургических предприятий. Металлургия является одной из основных отраслей народного хозяйства. Важной отраслью в металлургии является получение ферросплавов для сталеплавильного производства.
Для развития черной металлургии в рыночных условиях большое значение имеет рациональное и полное использование всех резервов промышленных предприятий, включая улучшение качественных, количественных и экономических показателей производства металлургической продукции. Особо значимо решение этих проблем при получении ферросплавов, в частности чардж-хрома, который применяется в черной металлургии для производства высококачественных нержавеющих, коррозионно-стойких, инструментальных, конструкционных и жаропрочных сталей.
За последнее время в производстве феррохрома стали использоваться низкосортные хромовые руды и концентраты, которые требуют повышенного удельного тепловыделения проплавляемой шихты. При этом увеличиваются затраты на получение феррохрома. В целом использование кремнистых восстановителей для металлотермического процесса характеризуется высоким сквозным расходом энергии с учетом затрат на получение металлических восстановителей-энергоносителей из природного сырья. Оптимизация технологии получения феррохрома и улучшение его технико-экономических показателей, а также реализация силикотермического процесса получения феррохрома из разнообразного сырья возможны на основе оценки условий протекающих процессов при взаимодействии исходных компонентов.
Разработка и применение технологии получения феррохрома из сырья пониженного качества в дуговой электропечи позволяет сократить расход дорогостоящего кремнистого восстановителя. Эффективность силикотермической технологии в большой мере зависит от тепловых и температурных условий протекающих процессов.
В статье описывается технология получения ферросплавов в печах постоянного тока. Разрабатывается технико-экономическое обоснование внедрения подогрева шихтовых материалов при данной технологии, оценивается влияние внедрения системы подогрева на показатели эффективности производства на примере производства чардж-хрома.
В статье рассматривается выплавка чардж-хрома из некондиционного сырья в печах постоянного тока.
Преимущество данного процесса:
1. использование некондиционного сырья;
2. экономия электроэнергии 20–30 %;
3. использование печей постоянного тока;
4. высокая производительность на 30 %.
В статье предлагается внедрение системы подогрева шихтовых материалов отходящими газами, что позволит экономить электроэнергию на 20–30 %.
В связи с большими потерями электроэнергии при выплавкечардж-хрома подогрев шихтовых материалов направлен на экономию электроэнергии, что позволит: повысить производительность оборудования, уменьшить физическую нагрузку рабочего персонала, повысить стабилизацию хода процесса.
В металлургическое производство пришел новый высокоэффективный вид плавильного оборудования, позволяющий совершенствовать действующие технологии и создавать новое, обеспечивать высокое качество металла при использовании рядовой дешевой шихты, в том числе трудно поддающейся переработке [3].
Печи предназначены для производства, стали, чугуна, сплавов. В ППТУ-НП освоено производство: различных марок стали, в том числе углеродистых, высоколегированных, инструментальных, штамповых, азотосодержащих, конструкционных и других сплавов ответственного назначения; любых марок чугунов (с десульфурацией), включая синтетические; сплавов на основе алюминия, меди, никеля, кобальта, свинца, титана и других металлов; ферросплавов, раскислителей и других материалов; любых, сложных по составу, видов лигатур и переплав отходов перечисленных металлов [3].
В ППТУ-НП наиболее полно реализованы преимущества электродугового нагрева, развиты и приумножены его возможности, ликвидированы основные недостатки. В литейном и металлургическом производстве длительный период, включая настоящее время, широко используются дуговые печи переменного тока. В них освоена выплавка широкого сортамента сталей, чугуна, сплавов на основе никеля, других металлов, ферросплавов. Несомненными преимуществами являются возможности проведения в них практически любых металлургических процессов, связанных с обработкой металлов горячими шлаками, с целью десульфурации, дефосфорации, рафинирования металла, удаления углерода и многих других нежелательных примесей, путем кислородной продувки или рудного кипа, проведение окислительно-восстановительных процессов с использованием независимого источника нагрева электрических дуг, легирование металла, нагрева металла до температур, определяемых жаростойкостью огнеупоров. ДСП просты по конструкции, взрывобезопасны;за длительное время применения их конструктивные элементы достигли определенного совершенства, освоены эффективные приемы их «горячих» и «холодных» ремонтов. В них отсутствуют высокие требования к качеству лома и футеровочным материалам. Главным, определяющим достоинством печи, например, при производстве стали является возможность, на основе перечисленных выше преимуществ, получать качественный металл из рядовой, дешевой шихты — продукта массовой сборки металлолома. Этой возможности из-за технологической пассивности лишен парк индукционных плавильных печей. При очевидных достоинствах печи в полной мере проявляются их недостатки, настолько существенные, что они послужили причиной отказа от их использования в массовом литейном производстве из-за низкой рентабельности и высоких затрат на основные фонды. Этими недостатками являются: высокий уровень угара шихты и легирующих элементов, графитированные электроды, электроэнергия, пылегазовыбросы, шум, воздействия на питающие энергосистемы; локальный перегрев расплава, отсутствие его эффективного перемешивания; ограничение производительности из-за разрушения футеровки при увеличении мощности печи. В печи технологические процессы протекают с невысокой скоростью; значителен перепад температур по глубине ванны, что приводит к повышению газонасыщенности металла. При работе ДСП генерируются резкопеременные нагрузки на систему электроснабжения, фликер-эффект. Повышенные требования к экологии и качеству электроснабжения привели к значительному возрастанию затрат на основные фонды, связанные со строительством дорогих систем пылегазоочистки и установкой сложных фильтрокомпенсирующих устройств в системах электропитания печей. В проекте предлагается универсальные печи постоянного тока нового поколения (ППТУ-НП), высокие технико-экономические показатели, которых подтверждены результатами длительной промышленной эксплуатации, и только этим можно подтвердить эффективность предлагаемого оборудования. Приемлемое время расплавления шихты и нагрева расплава 90 минут удалось получить за счет МГД перемешивания расплава. При его отсутствии наблюдался перегрев футеровки, при малой скорости нагрева расплава, значительное увеличение времени протекания технологических процессов, дополнительно снижающему производительность печи, формированию перепада температур по глубине ванны, насыщение металла газами. Несогласованность параметров трансформатора и требований нагрева металла дугой постоянного тока приводят к существенному недоиспользованию мощности трансформатора и значительному перерасходу электроэнергии, что, при строительстве новых печей заставляет завышать мощность и стоимость оборудования системы электроснабжения. В ППТУ-НП использованы современные достижения силовой и управляющей электроники, результаты исследований физики дугового разряда, магнитной гидродинамики, металлургической теплотехники, теории металлургических процессов и основное оборудование с необычно широкими технологическими возможностями, в котором новые конструктивные элементы, режимы работы и процессы образуют единый эффективно действующий комплекс. В ППТУ-НП удалось устранить практически все основные недостатки традиционных печей и расширить сферу эффективного применения дугового нагрева в литейном производстве. При разработке механической части ППТУ-НП использованы все основные элементы дуговых печей переменного тока, по которым накоплен большой опыт производства и эксплуатации. При плавке в ППТУ-НП могут быть использованы все известные технологические приемы, применяемые в ДСП, усиленные и ускоренные применением управляемого электромагнитодинамического (МГД) перемешивания. Управляемый состав печной атмосферы, высокая эффективная поверхность взаимодействия шлак-расплав, устранение локального перегрева металла под дугой и другие введенные возможности ППТУ-НП, позволили значительно расширить область эффективного применения печей. Разработанная система МГД перемешивания расплава в ППТУ-НП за счет взаимодействия тока, протекающего через расплав, с электромагнитным полем протекающего тока, обеспечила не только равномерное распределение температуры и химсостава расплава, быстрое растворение легирующих элементов и большую эффективную поверхность взаимодействия расплава и шлака, но и позволила впервые эффективно обеспечить передачу энергии из дуги в расплав, осуществить защиту подины и подовых электродов от воздействия скоростных вихревых потоков в расплаве. В результате ППТУ-НП имеют совершенную систему перемешивания расплава, которая с большой скоростью, непрерывно во все периоды нагрева и рафинирования расплава, выравнивает его температуру и химический состав, многократно увеличивает взаимодействие шлака и расплава, обеспечивает в полной мере передачу энергии электрической дуги в расплав, без его локального перегрева. Новая система перемешивания расплава не имеет мировых аналогов, она предельно проста конструктивно и принципиально эффективнее перемешивания за счет бегущего магнитного поля, продувки металла кислородом, подачи газа через подину, внешнего магнитного поля и других известных способов. Одним из важнейших следствий введения новой системы управляемого перемешивания, связанной со специальной организацией режимов плавления, явилось резкое снижение расхода электроэнергии при выплавке металла без использования дополнительных источников энергии. В случае применения ППТУ-НП ударный характер нагрузки на питающую электросеть практически устранен. Соотношение номинальных мощностей сетевых и печных трансформаторов могут быть приняты 1,15–1,25, что существенно снижает установленную мощность сетевого оборудования при новом строительстве и не создает проблем при модернизации действующих печей с увеличением их производительности. ППТУ-НП практически не создает резко-переменной нагрузки. Это достигается соответствующим специальным регулированием тиристорного преобразователя источника питания печи во все периоды плавки, стабилизацией тока дуги с заданной точностью, оптимизированной для каждого периода плавки. В ППТУ-НП режим ведется таким образом, чтобы мощность, потребляемая из сети, практически оставалась неизменной на всех этапах. Достигается это изменением схемы соединения тиристорных мостов (последовательное, последовательно-параллельное, параллельное). Таким образом, согласованное изменение напряжения и тока дуги в четыре раза не приводит к изменению мощности дуги, что позволяет полностью отказаться от регулирования мощности компенсирующих устройств. Кроме того, существенно меняются требования к регулированию вторичного напряжения печного трансформатора. Печной трансформатор выполняется только с ПБВ 2,5 %. При этом снижаются габаритная мощность и цена трансформатора, и значительно снижается стоимость оборудования системы электроснабжения. Несмотря на более высокую стоимость источника электропитания ППТУ-НП, стоимость оборудования электропитания новой печи может быть ниже стоимости электрооборудования широко распространенных дуговых печей переменного тока (ДСП), так как применительно к печному агрегату, его нельзя рассматривать изолированно от системы электроснабжения. При выборе оборудования сопоставления ДСП и ППТУ-НП должны выполняться комплексно, с учетом всех сопутствующих факторов. При этом дополнительные капитальные вложения в систему электроснабжения ДСП практически компенсируют (в ряде случаев существенно превышают) стоимость источника питания ППТУ-НП. Технологические возможности ППТУ-НП позволили впервые в мире освоить в них выплавку высококачественных алюминиевых сплавов, сплавов на основе меди, кобальта, никеля, других металлов, проводить эффективную переработку их отходов. Анализ качества металла, выплавляемого на всех ППТУ-НП, введенных в промышленное производство, указывает на очень высокий уровень показателей, даже при использовании шихты невысокого качества. Этому способствует возможность проведения на ППТУ-НП при расплавлении шихты, нагреве расплава и его рафинировании практически всех металлургических операций, известных из теории металлургических процессов. На ППТУ-НП также отработаны технологии и была доказана возможность переплава стружки, шлаковых съемов, различных лигатур, крупногабаритного лома, выплавка которых ведется с очень высокими технико-экономическими показателями. Ключевые преимущества и достоинства ППТУ-НП: новый принцип магнитогидродинамического (МГД) перемешивания расплава; новые электрические режимы расплавления шихты, нагрева и рафинировании расплава; низкий расход электроэнергии; значительное повышение качества производимых металлов и сплавов без использования дополнительного оборудования, в том числе из рядовой дешевой шихты продукта массового сбора металлолома и трудно перерабатываемых отходов; широкий диапазон номенклатуры выплавляемых металлов и сплавов; возможность вести плавку из дешевого сырья за счет ведения активных технологических процессов; высокая производительность; низкий угар шихтовых материалов, графитированных электродов; благоприятное взаимодействие режимов работы печей и системы электроснабжения; подавление вредного воздействия на окружающую среду[3];взрывобезопасность оборудования. Особенности технологии и оборудования ППТУ-НП позволяют производить на их основе высокоэффективные миксеры или печи с жидкой завалкой, в том числе для стали. Их использование позволяет создавать высокоэффективные литейные производства. В работе выбрана печь закрытого типа. Основные задачи плавильного обслуживания закрытой печи сводятся к поддержанию необходимого давления под сводом обеспечению равномерного схода шихты, предотвращению чрезмерного выбивания газа через загрузочные воронки и забивания пылью подсводового пространства и газоходов печи [4].
Нормальная работа печи характеризуется следующими признаками: 1) равномерное выделение в воронках вокруг электродов невысокого и неяркого пламени; 2) равномерный сход шихты вокруг каждого электрода; 3) рыхлая шихта в воронках свободно «прошивается» в любой точке; 4) устойчивая и глубокая (3,0–3,7 м нижнего обреза щек) посадка электродов в шихте при полной и одинаковой электрической нагрузке по фазам при одинаковых фазовых напряжениях; 5) регулярный выход жидкоподвижного шлака при каждом выпуске; 6) появление небольшого язычка пламени в конце выпуска из леточного отверстия. Вокруг электродов выходит 10–15 % колошникового газа с температурой ~650°С. Давление под сводом печи должно составлять 0–30 Па, а разность давлений в трех точках под сводом должна быть не более 5 Па; разрежение под сводом не допускается. Для нормального хода технологического процесса в закрытой печи особое значение имеет устойчивая работа системы отбора и очистки газа, которая должна обеспечить удаление газа и пыли из подсводового пространства печи и устройств газоотвода и предупредить их забивание.
Получение чардж-хрома основано на восстановлении оксидов хрома и железа углеродом из хромовых руд в мощных рудовосстановительных закрытых электропечах непрерывным способом [1].
Cr2O3+13/3C=2/3Cr3C2+3CO
Для выплавки чардж-хрома используют хромовую руду, углеродистые восстановители — кокс, полукокс, газовый уголь. Целесообразно в шихту вводить отходы графитизации электродных заводов, которые содержат значительное количество карбида кремния. В качестве флюсов применяют отсевы кварцита, а также шлак ферросиликохрома, ферросилиция и конвертерные или печные шлаки производства среднеуглеродистого феррохрома, содержащие кремнезем и некоторое количество Cr2O3. В шихту вводят также собственные оборотные отходы сплава. Феррохром можно также выплавлять с использованием агломерата, полученного из хромовых руд. Существенно улучшается ход процесса, качество сплава по содержанию углерода при даче в шихту Al2O3- содержание добавки (агломерационного боксита), боя катодных блоков алюминиевых электролизеров, содержащих до 30 % глинозема и криолита (Na3AlF6).
Примерный состав колоши шихты для плавки феррохрома на одном из заводов следующий: хромовая руда 850 кг, шлак производства среднеуглеродистого феррохрома 150 кг, кварцит 30 кг, коксик 215 кг, собственные металлоотходы 150 кг [1].
При плавке чардж-хрома в результате образования в печи на границе с металлом рудного слоя (смеси шлака и частично оплавившихся и восстановительных кусков руды) создаются благоприятные условия для ограничения восстановления кремния и насыщения металла углеродом. При значительном избытке кусковой хромовой руды на границе шлак — металл накапливается большое количество не расплавившейся полностью хромовой руды. В результате электроды поднимаются, что снижает температуру в зонах, обогащенных оксидами хрома и железа, а это уменьшает способность рудного слоя к рафинированию металла.
Если из печи плохо выходит шлак, то это может быть вызвано слишком высоким содержанием оксида магния и глинозема в шлаке (при работе с избытком восстановителя), когда кремнезем в значительной степени восстанавливается из шлака. При недостатке восстановителя возможно повышение SiO2 в шлаке. Шлак плохо выходит из печи и при ее работе с обвалами шихты во время выпуска ввиду отсутствия «коксовой подушки» вокруг электрода под слоем шлака.
Восстановить эти нарушения нормального выхода шлака из печи возможно восстановлением оптимального химического состава шлака и корректировкой количества восстановителя в шихте. Затруднение при выпуске металла могут возникнуть при его низкой температуре, что свидетельствует о легкоплавкости шлака, либо из-за перекрытия выпускного отверстия печи кусковой хромовой рудой. Целесообразно выплавлять чардж-хром с предварительным подогревом хромовой руды теплом сжигания отходящего газа закрытых ферросплавных печей. Подогрев можно вести в трубчатых или шахтных печах. Это обеспечивает повышение производительности печи, выплавляющей чардж-хром, на 10–20 %. К положительным результатам приводит использование подогретой хромовой руды и при выплавке других сплавов хрома. Это подтверждает и промышленная практика получения чардж-хрома в печах мощностью 33 и 75 МВ*А компании Оутокумпу с использованием нагретой хромовой руды рудника Кеми (Финляндия).
Литература:
- Рысс М. А. «Производство ферросплавов» М.: Металлургия, 1985.
- Технологическая инструкция АЗФ, ТНК «Казхром».
- Источник из интернета.
- Данные Актюбинского завода ферросплавов «ТНК «Казхром».
