Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Энерготехнологические параметры выплавки ферросплавов в электропечах. Монография
.pdf
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
А.П. Шкирмонтов
ЭНЕРГОТЕХНОлОГичЕскиЕ
паРамЕТРЫ вЫплавки
фЕРРОсплавОв в ЭлЕкТРОпЕчаХ
Монография
Рекомендовано редакционно-издательским
советом университета
Москва 2018
УДК 669.168.3:621.365.2
ББК К34.314
Ш66
Рецензенты:
Институтферросплавовитехногенногосырьяим.академикаН.П.Лякишева,
ФГУП«ЦНИИчерметим.И.П.Бардина»,г.Москва,
кандидаттехническихнаукВ.М. Ермолов
доктортехническихнаук,профессорА.В. Павлов,НИТУ«МИСиС»,г.Москва;
доктортехническихнаукА.В. Сивцов,ИнститутметаллургииУрОРАН,
г.Екатеринбург
Ш66 Энерготехнологические параметрывыплавкиферросплавов
в электропечах: монография / А.П. Шкирмонтов.– М. : Изд.
ДомНИТУ«МИСиС»,2018.–216с.
ISBN978-5-907061-10-1
Порезультатаммноголетнихисследованийи наоснове системногоподходаобобщеныи получили дальнейшееразвитиетеоретические основывыплавкиферросплавоввэлектропечах.
Рассмотрено производство крупнотоннажных сплавов кремния, хрома,
марганцапривыплавкеуглеродотермическимпроцессомспозицииэлектротехнических, технологических, теплотехнических параметров, а также особенностейконструкцииферросплавныхпечей.
Наосновеполученногокомплексногопараметра–энерготехнологического
критерияработыферросплавнойэлектропечипоказанаэффективностьпроцессавыплавкиразличныхсплавоввпечахпеременноготока,впечахпониженной
частотытока,впечахпостоянноготокаиплазменныхэлектропечах.Порезультатам анализа энерготехнологических параметров ферросплавных электропечейданыоценкиперспективныхнаправленийитенденцийразвитияв области
ферросплавногопроизводства.
Книгапредназначенадля инженерно-техническихинаучныхработников
занимающихсярешением современных проблем в электрометаллургии ферросплавов,полезнапреподавателямистудентамвузов,специализирующимся
вобластиэлектротермиичёрныхицветныхметаллов.
А.П.Шкирмонтов,2018
Введение................................................................................................... 6
1. Состояниевопросапроизводстваферросплавов
вэлектропечах.................................................................................. 10
1.1. Увеличениемощностиферросплавныхпечей....................... 10
1.2. Применениевосстановителейсповышеннымудельным
электросопротивлениемдляулучшения
энерготехнологическихпараметроввыплавки
ферросплавов............................................................................ 15
1.3. Техническиерешенияпосовершенствованию
конструкцийферросплавныхэлектропечей........................... 31
Выводы............................................................................................... 45
2. Исследованиеэнерготехнологическихпараметроввыплавки
ферросплавоввэлектропечах.......................................................... 47
2.1. Повышениемощностиферросплавныхпечей
иухудшениепараметроввыплавки........................................ 47
2.2. Увеличениеразмеровимассыоборудования
приповышениимощностиферросплавныхэлектропечей... 53
2.3. Аналитическоеисследованиепричинухудшения
энерготехнологическихпараметровферросплавных
печей.......................................................................................... 59
Выводы............................................................................................... 67
3. Разработкакомплексногопараметраработыэлектропечи
привыплавкеферросплавовуглеродотермическимпроцессом..... 68
3.1. Анализкритериальныхвеличин,ранееиспользуемых
дляоценкивыплавкиферросплавоввэлектропечах............ 68
3.2. Определениекомплексапараметровдляполучения
энерготехнологическогокритерияработыферросплавной
электропечи............................................................................... 71
3.3. Увеличениемощностипечныхтрансформаторов
иэнерготехнологическийкритерийработы
ферросплавнойпечи................................................................. 80
3.4. Удельныйрасходэлектроэнергии
иэнерготехнологическийкритерийработы
ферросплавнойэлектропечи.................................................... 84
Выводы............................................................................................... 86
3
4. Анализсоставляющихвеличинэнерготехнологического
критерияработыферросплавнойэлектропечи.............................. 88
4.1. Извлечениеведущегоэлементавсплав................................. 88
4.2. ТепловойКПДпечи.................................................................. 96
4.3. Коэффициентмощностипечи............................................... 101
4.4. ЭлектрическийКПДпечи...................................................... 106
4.5. Коэффициентзагрузкитрансформатораферросплавной
печи.......................................................................................... 108
Выводы............................................................................................. 109
5. Исследованиетехнологиивыплавкиферросплавов
икремнияуглеродотермическимпроцессомспозиции
энерготехнологическогокритерияработыэлектропечи..............112
5.1. Выплавкаферросилиция.........................................................112
5.2. Выплавкауглеродистогоферрохрома....................................116
5.3. Выплавкауглеродистогоферромарганца............................. 124
5.4. Выплавкачерновогоферроникеля........................................ 129
5.5. Выплавкакремниятехническойчистоты............................. 133
Выводы............................................................................................. 136
6. Влияниеподэлектродногопромежуткаираспадаэлектродов
наэнерготехнологическийкритерийработыферросплавной
печи.................................................................................................. 138
6.1. Рольподэлектродногопромежуткавванне
ферросплавнойпечивулучшении
энерготехнологическихпараметров..................................... 138
6.2. Влияниераспадаэлектродовиподэлектродного
промежутканаэнерготехнологическийкритерийпечи..... 147
6.3. Дифференцированныйспособзагрузкишихты
вферросплавнуюпечьсувеличеннымраспадом
электродов............................................................................... 158
Выводы............................................................................................. 162
7. Оценкатехническихрешенийспомощью
энерготехнологическогокритерияработыферросплавной
печи.................................................................................................. 165
7.1. Применениеразличныхвидовуглеродистых
восстановителейпривыплавкеферросплавов.................... 165
7.2. Технологиявыплавкиферросплавовсразряжением
подсводомпечи...................................................................... 169
7.3. Выплавкаферросплавоввпечахспониженнойчастотой
тока........................................................................................... 171
7.4. Выплавкаферросплавовпотехнологиисувеличенными
подэлектроднымпромежуткомираспадомэлектродов..... 172
7.5. Выплавкаферросплавовикремниявпечахпостоянного
тока........................................................................................... 176
7.5.1.Выплавкавпечахсзакрытойдугой............................ 176
7.5.2.Выплавкавпечахсоткрытойдугой........................... 178
7.6. Выплавкаферросплавоввплазменныхпечах..................... 182
7.7. Практическиерекомендациипоулучшению
энерготехнологическихпараметроввыплавки
ферросплавоввэлектропечах................................................ 185
Выводы............................................................................................. 189
Заключение........................................................................................... 191
Библиографическийсписок................................................................ 196
5
Основным потребителем ферросплавов является сталеплавильное
производство.Тенденции в повышении объёмовпроизводства высококачественнойсталииувеличениядолилегированнойсталиопределяют
возрастающуюпотребностьвферросплавах.Основнойобъёмпроизводствамассовыхферросплавовполучаютвэлектропечахуглеродотермическимпроцессом,которыйоснованнавосстановленииведущегоэлемента
сплаваиз оксидов приналичиижелезаи флюсующихвшихтовых материалах. Особенности способа выплавки ферросплавов заключаются
в том, что ферросплавная электропечь работает в смешанном режиме
выделения тепла, как в режиме дуги, так и в режиме сопротивления.
Данное обстоятельство усложняет углеродотермический процесс, так
какэлектрическийрежимитехнологиявыплавкивзаимосвязаныивзначительноймереопределяютсясоставомшихтовыхматериалов,ихудельным электросопротивлением и особенностями энергораспределения
вваннеферросплавнойпечи.Сповышениеммощностиферросплавных
печейиухудшениемкачестварудныхматериаловотмечаетсяснижение
энерготехнологическихпараметроввыплавки.
Такжес повышением мощности ферросплавных печей наблюдаетсятакоенегативноеявление,какувеличивающийсяразрывмежду
активноймощностьюв ванне электропечииустановленноймощностьютрансформатора.Врезультатеэтогодополнительноухудшаютсяэнерготехнологические параметры, чтоне позволяет достичь высокихтехнико-экономическихпоказателейиограничиваетмощность
ферросплавныхагрегатов.
На выплавку ферросплавов в электропечах в значительной мере
влияетэнергетическийфакторитарифынаэлектроэнергию.Поэтому
болееэффективнаяработаферросплавныхпечей,каквесьмамощных
потребителейэлектроэнергии,являетсяактуальнойзадачей.
Процессы углеродотермического восстановления для получения
ферросплавоввэлектропечахотносятсякразрядуэнергоёмкихиматериалоёмких. Удельный расход электроэнергии при производстве
различныхсплавовсоставляетот3до20МВт·ч/т.Например,удельный расход электроэнергии на выплавку 1 баз. т крупнотоннажных
ферросплавовикремнияв7–20развыше,чемнавыплавку1тстали
вдуговойпечи.
6
Вусловияхвысокихипостоянновозрастающихтарифовнаэлектроэнергию, доля затрат на энергетику процесса в структуре себестоимости продукции существенно возрастает. Снижение качества
рудных материалов и углеродистых восстановителей также приводит к значительному ухудшению технико-экономических показателейпроизводства,втомчислекснижениюизвлеченияведущихэлементов в сплав. В этих условиях актуальным является повышение
эффективностипроизводстваферросплавовинеобходимостьрационального ведения и совершенствования технологического процесса
выплавкивэлектропечах.
Проблемамиулучшения показателейферросплавных печей занималиськакотечественные,такизарубежныеисследователии разработчики.Дляповышенияэнерготехнологическихпараметроввыплавки крупнотоннажных ферросплавов в электропечах предложен ряд
технических решений: применение различных видов углеродистых
восстановителей, в том числе с повышенным удельным электросопротивлением; использование полых электродов для вдувания природного газа и пара в реакционное пространство печи; технология
выплавки ферросплавов с разряжениемподсводом печи; использованиедля выплавки печейс пониженной частотойтокаипечей постоянноготока, с открытой и закрытой дугой, а также плазменных
электропечейидругиеразработки.
Наиболееперспективными являются технические решения, которыепозволяютулучшитьэнерготехнологическиепараметрывыплавкиферросплавовисократить разрывмежду активноймощностью в
ваннеэлектропечииустановленноймощностьютрансформатора,без
снижениястепениизвлеченияведущегоэлементавсплавиувеличенияудельногорасходаэлектроэнергии.
Основнымположениемданной работыявляется научноеобоснование и разработка энерготехнологических параметров выплавки
крупнотоннажныхферросплавовдляулучшенияпоказателейуглеродотермическогопроцессавэлектропечах.
Дляэтогобылпримененсистемныйподходкизучениюсложного
динамического объекта, представляющего собой систему: электропечь,работающуювсмешанномрежимедугиисопротивления,содной стороны, и углеродотермический рудовосстановительный процессвыплавкиферросплава,сдругойстороны.
7
Для исследования были использованы методы теории подобия,
способы электролитического моделирования ферросплавных печей,
схемызамещениярабочегопространствапечииметодытеорииэлектрическихцепей,теоретическиеосновытехнологиивыплавкиферросплавовшлаковыми бесшлаковымпроцессомиприкладныеметоды
статистическогоанализа.
Врезультатевведеноновоепонятиевэлектрометаллургииферросплавов – энерготехнологический критерий работы ферросплавной
электропечи.Полученнаябезразмернаявеличинаопределяетсянаосновекомплексатехнологических,электрическихитеплотехнических
параметроввыплавкиферросплавовуглеродотермическимпроцессом
иоднозначнохарактеризуетэффективностьработыэлектропечи.
Выявлена взаимосвязь энерготехнологического критерия работы
ферросплавнойпечииудельногорасходаэлектроэнергиинавыплавку ферросплава. Показано, что при увеличении энерготехнологического критерия удельный расход электроэнергии на выплавку ферросплава снижается. В противном случае при снижении величины
энерготехнологическогокритерия–удельныйрасходэлектроэнергии
возрастает.
Полученазависимость изменения энерготехнологического критерия ферросплавной печи традиционной конструкцииот увеличения
мощности печных трансформаторов. Показано, что для выплавки
ферросилиция,феррохрома,ферромарганцапри увеличениимощностипечейэнерготехнологическийкритерийснижается,чтоухудшает
эффективностьработыпечи.
Это объясняет фактические положение в электрометаллургии
ферросплавов,состоящеевтом,чтос увеличениеммощности печей
снижается активное сопротивление ванны и происходитухудшение
энерготехнологических параметров печей. Поэтому для улучшения
параметров ферросплавных печей рассмотрены способы увеличенияактивногосопротивленияванны,втомчислеприиспользовании
углеродистых восстановителейсповышенным удельнымэлектросопротивлениемиприменениеразличныхконструкцийэлектропечей.
Установлена взаимосвязь величиныподэлектродногопромежутка
ираспадаэлектродоввваннеферросплавнойпечи.Показано,чтоодновременноеувеличениеэтихпараметровзначительноповышаетактивноесопротивлениеванны,рабочеенапряжение,мощностьвванне
печив2разаиболее(каждыйпоказатель),безухудшенияпараметров
8
технологиивыплавки ферросплавов,какшлаковым,такибесшлаковымпроцессом.
Получено, что в данном случае улучшается токораспределение
вваннепечи.Дополнительнаямощностьвводитсявплавильноепространствоэлектропечиблагодаря увеличению рабочегонапряжения,
чтоэнергетическивыгодноиболееэффективно.
Разработана новая методика, на основе энерготехнологического критерия, для сравнительной оценки эффективности выплавки
ферросплавовв печахразличныхконструкций:впечахпеременного
тока;впечахспониженнойчастотойтока;впечахпостоянноготока
(соткрытойизакрытойдугой),атакжевплазменныхпечах.Данная
методикаможетбытьиспользована,втомчиследляоценкитехническихрешений,приразработкеновыхтехнологийипечныхагрегатов
дляполученияферросплавов.
Энерготехнологический критерий ферросплавной электропечи
является объективной основой сравнения работы печей различной
мощности,втомчиследлявыявлениянаиболееперспективныхиэффективных технологий выплавки ферросплавов, особенно в случае
примененияновых, нетрадиционных видоврудногосырьяи углеродистыхвосстановителей, а такжедлясоставления прогнозовиперспективразвитиявэлектрометаллургиииферросплавов.
Автор считает своим долгом выразить признательность доктору
техническихнаук,профессоруБелянчиковуЛ.Н. идокторутехническихнаук,профессоруБобковойО.С.за ценныерекомендацииизамечанияприподготовкематериаловкниги,атакжепоблагодаритьрецензентовданноймонографии.
9
Основнымпотребителемферросплавовявляется сталеплавильное
производство.Изменение объёмов,структурыпроизводстваи сортамента стали отражается как на объёмахпотребления ферросплавов,
такинаколичествевыплавляемыхферросплавов.
Поэтомуможно выделить следующиеположения, которые должныучитыватьсядляразвитияпроизводстваферросплавов:
–изменениявпроизводствесталии особеннообъёмы,связанные
свыплавкойвобластикачественных,специальныхмарок;
–определённый рост ипадение впроизводствемассовых ферросплавов,такжеобусловленыэнергетическимфакторомитарифамина
электроэнергию,таккакпроцессихвыплавкиявляетсявесьмаэнергоёмкими улучшение энерготехнологическихпараметров выплавки
являетсяважнойзадачей;
–всвязисистощениемпрежнейруднойбазыииспользованииболеебедногорудногосырья, снижаютсяэнерготехнологическиепараметрыферросплавныхэлектропечей.
Поэтомувозникаетнеобходимостьтранспортировкибольшогоколичестваматериаловизразличныхрегионов,чтоувеличиваетзначениелогистическихсистем(портоваяижелезнодорожнаяинфраструктура),ивызываетдополнительныезатратынапроизводство.
ВРоссийскойФедерацииобщиеобъёмыпроизводстваферросплавовдлявнутреннегопотребленияиэкспортныхоперацийсоставляют
1,4–1,6млн.т.в год,в зависимости отпоставок икачества рудного
сырья.ОбщаяструктурапроизводствакрупнотоннажныхферросплавоввРоссииследующая:кремнистые ферросплавы – 52 %; хромистыеферросплавы–20%;марганцевыеферросплавы–17%;остальное–другиесплавыилигатуры[1].
Ферросплавывыплавляютболее90электропечей,атакжедоменные
печи(углеродистыйферромарганец).Общийпотенциалферросплавного
производстваРоссиисоставляетоколо2млн.твгод.ДоляРоссиивмировомпроизводствеферросплавовнаходитсянауровнеоколо5%[1–5].
Основныеограничения впроизводствеферросплавов связанысрудной
базойиэнергоэффективнымиспользованиемплавильныхагрегатов.
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]