научная статья по теме ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ГАЗОКИСЛОРОДНЫХ ГОРЕЛОК В СОВРЕМЕННЫХ ДУГОВЫХ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ПЕЧАХ Металлургия

Текст научной статьи на тему «ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ГАЗОКИСЛОРОДНЫХ ГОРЕЛОК В СОВРЕМЕННЫХ ДУГОВЫХ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ПЕЧАХ»

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ГАЗОКИСЛОРОДНЫХ ГОРЕЛОК В СОВРЕМЕННЫХ ДУГОВЫХ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ПЕЧАХ

НТ ЗАО «Аконт», ОАО ЧМК

Интенсификация электроплавки с помощью газокислородных горелок, обеспечивающих повышение производительности дуговых сталеплавильных печей (ДСП) и снижение расхода электроэнергии, получила широкое распространение во всем мире. Повышение стоимости электроэнергии и электродов стало дополнительным фактором, стимулирующим расширение использования газокислородного нагрева в ДСП. Природный газ является более дешевым энергоносителем, а снижение расхода электроэнергии уменьшает и расход электродов.

Энергетическую целесообразность комбинированного применения электроэнергии и топлива при производстве электростали определяет сквозной коэффициент полезного использования первичной энергии топлива (природного газа) при различных вариантах его использования: непосредственно в дуговой печи (в горелках) или на тепловых электростанциях (ТЭС) для получения электроэнергии, передаваемой в ЭСПЦ и дуговые печи.

Сквозной коэффициент полезного использования топлива по схеме «ТЭС - ДСП» определяется выражением п = п п п п , где п - КПД ТЭС; п - КПД

линий электропередачи с учетом потерь при трансформации; пэ - электрический КПД ДСП; пт - тепловой КПД ДСП. Согласно данным [1] птэс = 0,38, ппер = 0,92, пэ = 0,92, пт = 0,78. На основе этого уравнения получим пдсп = 0,25. Таким образом, при использовании на ТЭС природного газа для расплавления в ДСП металлоших-ты используется только четвертая часть (25%) всей теплотворной способности природного газа.

При прямом нагреве металлошихты в ДСП газокислородными горелками КПД горелок (пгкг) с учетом затрат энергии на получение кислорода на кислородно-компрессорных станциях составляет 0,40-0,45 и более [1].

Поскольку пгкг значительно превышает пдсп, применение горелок для нагрева лома в ДСП обеспечивает в масштабах металлургического производства России значительную экономию первичного топлива - природного газа, затрачиваемого на выплавку электростали. На 1 м3 природного газа, израсходованного в газокислородных горелках для нагрева лома в ДСП, в целом экономится 0,6-0,8 м3 природного газа. Приведенные & данные свидетельствуют об энергетической эффективен ности и целесообразности использования природного ? газа в печных топливокислородных горелках при вы-£ плавке электростали.

< Для оценки экономической эффективности приме-

н нения газокислородных горелок авторами была выпол-^ нена сравнительная оценка стоимости 1 кВт-ч тепловой

энергии (руб/%), усвоенной металлом и шлаком в 100-т дуговой печи одного из отечественных предприятий при использовании различных видов энергоносителей:

в рабочее пространство печи 1,22 / 100,0

Энергия реакции окисления железа шихты газообразным кислородом 2,89 / 236,9

Энергия окисления углерода шихты (лома, углеродсодержащих материалов) газообразным кислородом 1,53 / 125,4

Энергия от сжигания природного газа в газокислородных горелках 0,39 / 32,0

Энергия, полученная от применения жидкого чугуна (физическое тепло и энергия окисления компонентов

чугуна газообразным кислородом) 2,30 / 188,5

Цены на энергоносители и шихтовые материалы взяты из калькуляции себестоимости стали. Следует отметить, что текущее изменение цен на энергоносители и шихтовые материалы безусловно приводит к изменениям абсолютных значений стоимости 1 кВт-ч энергии, усваиваемой ванной (металлом и шлаком) в случае использования того или иного энергоносителя, но соотношение стоимостей при этом вряд ли существенно изменится.

При проведении расчетов приняли следующие допущения: степень полезного использования расплавом тепла, выделяющегося в электрических дугах, составляет 75%; в стоимость тепловой энергии, полученной ванной (шихтой) от дуг, включена стоимость израсходованных электродов; усвоение тепла от окисления кислородом железа и других элементов шихты - 100%; усвоение тепла от сжигания природного газа (газокислородные горелки) - 50%; степень дожигания СО до СО2 в объеме печи - 50%, усвоение тепла от дожигания СО - 30%. Температуру заливаемого в печь чугуна принимали равной 1300 °С. Стоимость израсходованного кислорода и затраты энергии на его подогрев учитывали для всех вариантов его использования.

Приведенные данные свидетельствуют о том, что в условиях отечественных предприятий наименьшая стоимость 1 кВт-ч тепловой энергии, переданной металлу и шлаку, обеспечивается при сжигании природного газа в печных газокислородных горелках: она намного ниже стоимости энергии, передаваемой металлу и шлаку электрическими дугами. Наиболее высокой является стоимость тепловой энергии, получаемой при окислении железа шихтовых материалов газообразным кис-

лородом (236,9% от стоимости 1 кВт-ч энергии, передаваемой расплаву электрическими дугами). Поэтому для снижения расходов по переделу и себестоимости выплавляемого металла в целом производство стали в дуговой электропечи желательно организовать таким образом, чтобы увеличилась доля энергии, вносимой в рабочее пространство газокислородными горелками при сжигании природного газа и, по возможности, уменьшилось количество железа, окисляемого в процессе плавки газообразным кислородом. Введение в состав шихты жидкого чугуна сокращает время расплавления шихты и, следовательно, увеличивает производительность дуговой печи, но стоимость 1 кВт-ч энергии, передаваемой при этом металлу и шлаку, довольно высока вследствие значительной стоимости чугуна.

При работе газокислородных горелок необходимо учитывать, что в рабочем пространстве ДСП передача тепла от горелок к шихте осуществляется главным образом конвекцией. При этом КПД горелок в значительной мере зависит от скорости истечения горячих газов факела, площади поверхности шихты, омываемой факелом, температуры нагреваемого лома.

Горелки более эффективно работают в начале плавления, когда факел окружает относительно холодный лом. В процессе плавления КПД стационарных горелок снижается (рис. 1) [2], так как по мере проплавления лом опускается, факел с ним контактирует все меньше и меньше. Кроме того, при разогреве поверхности кусков шихты до 1300-1450 °С заметно возрастает скорость окисления железа продуктами полного сгорания природного газа, которые восстанавливаются до СО и Н2, и эффективность работы горелок резко снижается. Поэтому на практике принята продолжительность использования стационарных стеновых горелок в течение « 50% времени плавления лома.

В настоящее время за рубежом и в нашей стране широкое распространение получило применение стационарных стеновых газокислородных горелок (ГКГ) и комбинированных фурм-горелок (КФГ), которые работают в начальный период плавления в режиме горелки, а при появлении жидкой ванны переводятся в режим продувочной кислородной фурмы. Единичная мощность ГКГ или КФГ составляет обычно 3-5 МВт. Суммарное количество ГКГ и КФГ, устанавливаемых в стеновых панелях ДСП, на разных предприятиях изменяется от 3 до 8. При удельном расходе природного газа до 6-8 м3/т длительность плавления сокращается на 10-15%, а расход электроэнергии уменьшается на 30-50 кВт-ч/т.

В НТ ЗАО «Аконт» разработан проект реконструкции 100-т ДСП (ЭСПЦ-2 и ЭСПЦ-6) Челябинского металлургического комбината, включающей в себя установку стеновых ГКГ и КФГ. Схема установки горелок и фурм на 100-т ДСП № 8 ЭСПЦ-2 ЧМК показана на рис. 2. Стеновые ГКГ и КФГ устанавливаются в водоох-лаждаемой медной панели, которая крепится в стеновой панели-«зонтике». Панель-«зонтик» предохраняет горелку или фурму от удара лома при завалке шихты в печь. Медная панель выполнена из плиты толщиной 80 мм. Каналы для охлаждения выфрезерованы с наружной стороны панели и перекрыты медными листами, которые присоединены к панели сваркой. С внутренней стороны на панели выполнена фрезерованная ошипов-

Время работы горелки по отношению к длительности расплавления лома, %

Рис. 1. Зависимость теплового КПД горелки от времени ее работы

ка, что обеспечивает надежное удержание шлакового гарнисажа на панели и уменьшает тепловое воздействие на нее. Кроме того, благодаря большой толщине панели образующиеся в результате дуговых разрядов проплавленные каверны глубиной до 20 мм не приводят к нарушению герметичности водоохлаждаемой полости. Все это обеспечило высокую стойкость медной панели.

Реконструируемая электропечь оборудована двумя стеновыми газокислородными горелками и двумя комбинированными фурмами-горелками. Единичная мощность ГКГ и КФГ (при работе в режиме горелки) составила 3,5-4,0 МВт. Печь оборудована также водоохлаждаемой оконной газокислородной горелкой мощностью 10,0 МВт, устанавливаемой на манипулятор. В рабочем положении горелка заводится в окно. По ходу нагрева положение горелки неоднократно изменяют вручную в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Изменение направления факела по ходу нагрева лома обеспечивает КПД горелки на уровне 50-60%. Суммарная мощность горелочных устройств на ДСП составила 24-26 МВт.

После реконструкции на электропечи № 8 ЭСПЦ-2 ЧМК, оборудованной трансформатором мощностью 60 МВ-А и указанными выше средствами интенсификации плавки, при использовании в шихте до 25% жидкого чугуна получены следующие показатели: общая длительность плавки - 57 мин, в том числе под током - 38 мин; расход электроэнергии - 306 кВт-ч/т; расход электродов - 2,42 кг/т; расход природного газа - 6,2 м3/т; расход кислорода - 32 м3/т.

Практика работы ДСП, оборудованных средствами интенсификации плавки, показывает, что доля энергии сжигания природного газа в ГКГ в приходной части теплового баланса плавки обычно не превышает 10%. Объясняется это тем, что на большинстве современных дуговых печей установлены стационарные стеновые горелки, мощность и продолжительность работы которых, как отмечалось выше, ограничены снижением их эффективности при нагреве поверхностных слоев шихты до 1300 °С и выше.

В связи с этим стационарные стеновые горелки могут эффектив

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎