Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Энерготехнологические параметры выплавки ферросплавов в электропечах. Монография
.pdf
Основным технологическим преимуществом печи постоянного
токаявляется то,что она позволяетнапрямую использовать хромовуюрудумелкихфракций(менее 6мм)без окомкования.Ктомуже
мощностьпечипостоянноготокасоткрытойдугойнезависитотсоставаиэлектропроводностишихты,посравнениюспечьюпеременноготокасзакрытойдугой.
ИзвлечениехромавсплавпривыплавкевобычнойпечипеременноготокаизрудЮАРсоставляетоколо78–84%.Натехжешихтовых
материалахпривыплавкевпечипостоянноготокаизвлечениехрома
находитсянауровне90%[79].
Темнеменееосновнымтехнологическимвопросомявляетсястойкостьфутеровкипечипостоянноготока. Приработенавысокомнапряжении с открытой дугой возрастает тепловая нагрузка на футеровку стен ванны печи.Для печейнебольшой и средней мощности
стойкость футеровки удовлетворительная. При увеличении мощностипечидо44МВтстойкостьфутеровкипадает.Значительнаячасть
электрическоймощностивыделяется насопротивлениидугии весьманебольшаянасопротивлениирасплаваприследующемсоотношении 15 : 1. Так, при увеличении мощности печи на 50 %, удельная
тепловаянагрузканастенывозрастаетна24%[79].Втакихусловиях
необходима хорошаястойкостьгарнисажа идополнительноеохлаждениестен,особенновзонешлаковогопояса ванныпечи.Дляэтого
используются стеновые водоохлаждаемые панели и водовоздушное
охлаждение кожуха в районе шлаковогопояса, в противном случае
возникаетопасностьпрогарафутеровки.
Длявыплавкиуглеродистогоферрохромаизмелкиххромовыхруд
наАктюбинскомзаводеферросплавов,компании«TransnationalCompany «Kazchrome» (ТНК « Казхром»), Республика Казахстан, были
введенывэксплуатациючетыре печипостоянноготокас проектной
единичноймощностьюпо72МВткаждая[80].Разработчикомпечей
постоянноготокаявляется фирма«SMS SiemagAG»,Дюссельдорф,
Германия. Мощность трансформаторовисточника тока – 110 МВ·А
(2 х 55 МВ·А) для каждой печи. Диаметр графитового электрода–
750 мм. Диапазон рабочихнапряжений составляет 745–1050 В. Отношениетока электродакнапряжениюI/U =60–123. При выплавке
углеродистого феррохрома с открытой дугой активное сопротивлениеваннынаходитсявпределах6,8–14мОмвзависимостиотуровня
мощности в электропечи.Хромоваярудамелких фракций содержит
41
до52–53%Cr2O3.Содержаниеведущегоэлементавсплавесоставляет67–70%Cr. Шлаксодержит3–10%Cr
,акратностьшлакана-
2O3
ходитсянауровне1,0–1,1именее.Приосвоенномуровнетехнологии
выплавкиудельныйрасходэлектроэнергиинескольковыше,чемдля
печейпеременноготока.
Особый интерес представляет промышленная выплавка кремния
технической чистоты углеродотермическим процессом с закрытой
дугойвдвухэлектроднойпечипостоянноготокаспроводящейподиной.ПечьРПО-9-КрВТбылаустановленанаЗапорожскомалюминиевомкомбинате (РеспубликаУкраина). Разработчиккомпания«Комтерм»,Россия.Мощностьтрансформатораисточникатока–9МВ·А.
Для выплавки кремния печь имела следующие параметры: диаметр графитированных электродов – 710 мм; активная мощность –
6,4 МВт. Подвод тока осуществлялся к верхним графитированным
электродам(катод)икподовомуэлектроду(анод)[81–83].
Выплавкакремниявпечипостоянноготока,посравнениюсаналогичными двухэлектродными печами переменного тока и близкой активноймощности (5,4–5,6МВт)позволяетснизитьрасходэлектродов
на15–20%,уменьшитьрасходкварцитана10%инесколькоувеличить
извлечениекремния.Однако,освоенныйуровеньтехнологиивыплавки
позволяетиметь удельныйрасходэлектроэнергии12,8МВт·ч/т кремния и выше [84]. При этом для аналогичных двухэлектродных печей
переменноготокаудельныйрасход нижеот12,3–12,5МВт·ч/т[85]до
11МВт·ч/ткремния.Такжедляэнергоэффективностиагрегатанеобходимоучитыватьпараметрытепловойработыванныпечиизатратына
отводтеплачерезтеплообменникпреобразователятока.
Плазменныйуглеродотермическийпроцесс выплавки ферросплавовсчиталиоднимизперспективных,нодостаточнодорогим.Темне
менее следует отметить, что процесс выплавки ферросплавов в печахсоструйнымиплазматронамималочувствителенксоставусырых
материалов, к их удельному электросопротивлению или размерам
углеродистоговосстановителявопределённых пределах.Это обстоятельство, позволяет применять широкий спектр восстановителей с
различнымфракционнымсоставом:кокс,антрацит,каменныйуголь,
коксик,битуминозныйуголь,бурыйуголь,полукоксыидругиеуглеродсодержациематериалы[86].
При технологическом сопровождении Новосибирского техническогоуниверситетафирмаНПП«Эпос»г.Новосибирск,разработала
42
и запустилав опытную эксплуатациюшахтную плазменную ферросплавную печь для компании «СГМК – ферросплавы», г. Новокузнецк [87]. Плазменная печь имела три струйных плазматрона постоянноготока.Номинальная мощность печи составляла 1,5 МВт и
максимальная–2,4МВт.Шахтнаяплазменнаяпечьбылаопробована
навыплавкеферросиликомарганцаМнС17 из бедногомарганцевого
сырья.Напряжениеплазматрона310–500Вприсилетока1,6кА[88].
ОтношениетокакнапряжениюнебольшоеI/U=3,2–5,2.Технология
выплавкиферросиликомаргацавшахтнойплазменнойпечипоказала
высокуюстепеньизвлечениямарганцавсплавдо95–97%.
Фирма«Aérospatiale»(«Аэроспасьяль»),Францияразработалаоборудованиеитехнологиюдлявыплавкиферромарганцавшахтнойплазменнойпечи(типадоменной),назаводекомпанииSFPO(СФПО)вБулоньсюр-Мер,Франция.Шахтнаяпечьимелашестьструйныхплазматронов.
Общаямощностьпечисоставила9,0МВт(6х1,5МВт).Печьвыплавлялауглеродистыйферромарганецссодержанием65–80%Mn[89].
Процесс выплавки углеродистого феррохрома в шахтной плазменнойпечиразработалафирма«SKFSteelEngineering»(«СКФстил
инжиниринг»), Швеция.Процесс получил название«Plasmachrome»
(«Плазмахром») и был внедрен на заводе объединённой компании
«Swedechrome» («Сведехроум») в Мальмё, Швеция [89]. Шахтная
печьимела четыре струйных плазматронапостоянноготока.Общая
мощность печисоставляла 24 МВт(4х 6 МВт). Процесс выплавки
углеродистогоферрохромабылоснованнавдуваниимелкихфракций
хромовойруды,пылевидногоугляифлюсавфакелплазмы,создаваемый плазматроном.Плазматроны были расположенысимметрично
внижнейчастишахтыпечи.
Известняк и коксподавали на колошник печи. Удельный расход
на выплавку 1 т углеродистого феррохрома с содержанем 54 % Cr
былследующий: хромоваяруда(около40 % Cr
уголь – 400–500 кг; кокс – 150–250 кг; флюсующие (SiO
)– 2100–2400 кг;
2O3
) – 200–
2
300кг;электроэнергия–3800–4500кВт·ч/т[90].Электрическийрежимплазменнойпечихарактеризовалсянебольшимотношениемтока
кнапряжениюI/U =13–17. Отмечаетсявысокоеизвлечениехромав
сплав и отсутствие жестких требований к удельномуэлектросопротивлениюшихтовыхматериалов.
Врезультатесовместнойразработкифирмы«Mintek»(«Минтек»),
Мидделбург,ЮАРифирмыASEA,(АСЕА),Швециябылавведенав
43
эксплуатацию плазменная печь постоянного тока с полым графитовымэлектродомвЮАР[89].Печьвыплавлялауглеродистыйферрохромназаводефирмы«MiddelburgSteel&Alloys»(«МидделбургСтил
эндЭллойз»)в Крюгерсдорпе,ЮАР.Активнаямощностьпечибыла
науровне12–14МВт,трансформатористочникатока–16МВ·А.Диаметр ванны печи составлял 7,5 м и глубина – 2,4 м. Стены ванны
печибыливыложеныизмагнезитовогокирпича,асводсостоялизводоохлаждаемыхпанелей. Подводтокаосуществлялсяквертикально
расположенномуполомуграфитовомуэлектродудиаметром560мми
кподовомуэлектроду.Поцентральномуотверстиюпологоэлектрода
вдувалиплазмообразующийгаз–азот.Печьработалавзакрытомрежимеизагрузкашихтыпроводиласьчерезтритруботечки.
Выплавка феррохрома в такой плазменной печи имела следующие технологические параметры: содержание ведущего элемента в
сплаве–53%Cr;суммарноесодержание(C+Si)–9,4%;кратность
шлака–0,8;содержаниевшлаке–2,0–6,0% Cr
;извлечениехро-
2O3
маболее90%.Длясравнениявобычнойферросплавной печипеременноготокамощностью20МВ·А(15,3МВт)прииспользованиитех
жешихтовыхматериаловизвлечениехромасоставляло75–80%,содержаниевшлаке11–13%Cr
прикратностишлака–1,3[91,92].
2O3
ПриблизкомсодержаниихромавсплавеиотношенииCr:Fe=1,5в
руде, извлечениеведущегоэлементав сплаввплазменнойпечизначительновыше,чемвпечипеременноготока.Следуетотметить,что
привыплавке в плазменномпечи,всплав переходитне более50 %
серыифосфораотсодержаниявшихте.
В дальнейшем для увеличения объёма производства феррохромана данномзаводебыларазработанаплазменнаяпечь мощностью
32МВтстрансформаторомисточникатока–40МВ∙А(2х20МВ·А).
Предполагалось,чтос укрупнениемпечиулучшитсятепловойКПД.
Простота конструкции печи и имеющийся практический опыт способствовалиснижениюкапитальныхзатратнастроительство.СистемаподводатокакподинебыларазработанафирмойASEA,Швеция.
Ваннапечьимеладиаметр9миглубину3,8м.Использованиедвух
источниковпостоянноготокаувеличилотокэлектродадо60кА [93,
94]. При максимальной силе тока, рабочее напряжение составляло
около530 В. Наибольшее отношениетока кнапряжению I/U =113.
Извлечениехромавсплавсоставило90–93%приосвоенномуровне
технологиивыплавкивплазменнойпечи.
44
Следует отметить, что совершенствование конструкций ферросплавныхэлектропечей,длявыплавки сплавов кремния,марганца и
хрома,сцельюулучшенияэнерготехнологическихпараметровиснижения удельного расхода электроэнергии, имеет выраженную тенденцию, которая характеризуется, как уменьшение отношения тока
электрода к рабочему напряжению, по сравнению с традиционным
вариантомферросплавнойпечианалогичноймощности.
Такимобразом,средирассмотренныхтехническихрешенийпосовершенствованию энерготехнологических параметров, наибольший
интересдляпоследующегоанализапредставляютвариантытехнологиивыплавки ферросплавов вследующихэлектропечныхагрегатах:
закрытаяэлектропечьсразряжениемподсводом;печьсприменениемпониженнойчастотытока;печипостоянноготокасоткрытойизакрытойдугой,атакжеплазменныеферросплавныепечи.
1. Проведён анализ параметров выплавки в электропечах крупнотоннажныхферросплавов на основанииотечественных изарубежных
научно-техническихданных,которыйпоказал,чтососнижениемкачестварудногосырьяисувеличениеммощности трансформаторовпроисходитухудшениеэнерготехнологическихпараметроввыплавкиферросплавовшлаковымибесшлаковымуглеродотермическимпроцессом.
2.Показано,что увеличение мощности печныхтрансформаторов
неприводитканалогичномуповышениюпроизводительностипечногоагрегата,таккакврезультатенаблюдаетсянеэквивалентноеувеличениеактивноймощностивваннеферросплавнойпечи.
3. Отмечено, что данное явление происходит потому, что рост
силытокаэлектродавнесколькодесятковисотенкилоампер,опережаетповышениерабочегонапряженияпечиприувеличениимощноститрансформаторовпечей.Происходитповышениеотношениятока
электрода к напряжению, что увеличивает потери электроэнергии
вкороткойсети,из-засниженияактивногосопротивленияванны.Как
следствиеухудшаютсякоэффициентмощностипечииактивнаямощностьвпечнойванне,котораянеобходимадляэнергоёмкогоуглеродотермическогопроцессадлявыплавкиферросплавов.
4. Для улучшения энерготехнологических параметров выплавки
кремнистых, марганцевых, хромистых ферросплавов рассмотрены
45
технологии выплавки с различными углеродистыми восстановителями с повышенным удельнымэлектросопротивлением на примере
примененияполукоксов,бурыхигазовыхуглей,нефтекоксов,антрацита,древесныхвосстановителей-разрыхлителей,шунгита,идругих
восстановителей.
5.Показано,чтоврядеслучаевприменениеразличныхвидоввосстановителей для увеличения активного сопротивления ванны, выражается в глубокой посадке электродов, в повышении извлечения
ведущего элемента в сплав, в работе на повышенном напряжении
с увеличенным коэффициентоммощности. Соответственно, отмечаетсяэкономиякоксикаиувеличениемощностивваннепечи;снижаетсяудельныйрасходэлектроэнергиинавыплавкуферросплавов.
6. Выявлено, что наибольший эффект повышения активного сопротивленияванныферросплавнойпечиот применениявосстановителей с повышенным удельным электросопротивлением составляет
5–17%.
7. Для дальнейшего повышения энерготехнологических параметроввыплавкипроанализировнытехническиерешенияпосовершенствованию конструкций ферросплавных печей. Выявлены наиболее
интересныетехнологиивыплавкиферросплавовв печахследующих
конструкции:закрытая электропечьсразряжениемподсводом;печь
с применением пониженной частоты тока; печи постоянного тока
с открытой и закрытой дугой, а также плазменные ферросплавные
печии другие технические решения,для их последующегорассмотренияисистемногоанализа.
46
Более20%электроэнергиистранырасходуетсявметаллургиидля
получениячёрных,цветных металлов исплавов.Производствоферросплавоввэлектропечахрудовосстановительным,углеродотермическимпроцессомявляетсяоднимизнаиболеематериалоёмкихиэнергоёмких.
Расход рудных материалов, которые содержат ведущий элемент,
составляетнавыплавку1тсплававэлектропечах:
дляуглеродистогоферрохрома–2000–2400кг;
дляуглеродистогоферромаргаца–2500–3200кг;
для45%-ногоферросилиция–920–1050кг;
для65%-ногоферросилиция–1520–1570кг;
для75%-ногоферросилиция–1890–1930кг;
длякремниятехническойчистоты–2430–2540кг;
длячерновогоферроникеля–7150–8350кг.
Общий расход шихтовых материалов(с учётом восстановителей,
металлодобавокифлюсующих)навыплавку1тсплавасоставляет:
дляуглеродистогоферрохрома–2300–3000кг;
дляуглеродистогоферромарганца–3200–3500кг;
для45%-ногоферросилиция–1920–2060кг;
для65%-ногоферросилиция–2530–2670кг;
для75%-ногоферросилиция–2850–3030кг;
длякремниятехническойчистоты–4130–4240кг;
длячерновогоферроникеля–7350–8530кг.
В технологическом процессе выплавки ферросплавов порой вынуждены использовать сравнительно бедные рудные материалы по
содержаниюбазового элемента (марганца,хрома,никеля и других).
Какследствие,извлечениеведущегоэлементавсплавснижается.При
этомувеличиваютсяобъёмыперерабатываемого сырья и его удель-
47
ный расходна 1 т сплава, что также отрицательно влияет на энерготехнологические параметры выплавки и особенно на увеличение
удельногорасходаэлектроэнергии.
К тому же, углеродотермический процесс получения сплавов
кремния,марганца ихромав электропечахявляетсяоченьэнергозатратным.Например,удельныйрасходэлектроэнергиинавыплавкуна
1 баз. т. для крупнотоннажныхферросплавов и кремния в 7–20 раз
выше,чемнавыплавку1тсталивдуговойпечи.Улучшениеэнерготехнологическихпараметроввыплавкиферросплавоввэлектропечах
являетсявесьмаактуальнойзадачей.
Рост единичной мощности ферросплавных печей, при достижении определённой величины мощности трансформаторов, приводит
кухудшениюэнерготехнологическихпараметровпечей,какбылоотмеченовп.1.1.главы1.Так,увеличениемощностипечныхтрансформаторов, в эксплуатационном плане сопровождается опережающим
ростом силы токав электродах и значительноменьшим увеличениемнапряжения.Врезультатерастутактивныеииндуктивныепотери
электроэнергиивкороткойсети.
При повышении мощности печей от 7,5 до 105 МВ∙А, диаметр
самообжигающихсяэлектродов увеличился с 900 до 1800–2000 мм,
т.е.в2,0–2,2раза.Силатокаэлектродавозрослас32–37кАдо160кА
иболее,тоестьв4,3–5,0раза.Приэтомрабочеенапряжение,привыплавке крупнотоннажныхферросплавов, увеличилось не так значительно,со130Вдо230–300Вилив1,8–2,3раза[6,95].
Учитывая, что активные и индуктивные потери электроэнергии
на вторичной стороне электропечной установки, пропорциональны
квадратусилытока,тосростоммощностипечныхтрансформаторов
снижается электрический КПД и особенно существенно ухудшаетсяестественныйкоэффициентмощности,которыйпадаетдо уровня
0,40–0,50длямощныхпечей.
ВкачествепримераможетслужитьреконструкцияпечисувеличениеммощноститрансформаторовнаферросплавномзаводевВаргоне,Швеция(п.1.1,глава1)привыплавке75%-ногоферросилиция:
–мощностьтрансформаторов,МВ·А 75 105
–изменениемощноститрансформаторов,% – 40
–активнаямощностьпечивванне,МВт 45 50
–изменениеактивноймощности,% – 11
48
Применениеустановоккомпенсацииреактивноймощностисвольтодобавочными трансформаторамиисистемами защитыи автоматизации, для печей большой мощности, по стоимости приближается
кстоимостипечноготрансформатора,чтоневсегдабываетэкономическивыгодно.
Врезультатерассмотренныхположений,привыплавкеферросплавов в электропечах увеличиваются удельные расходы электроэнергии,особеннодлябесшлаковыхпроцессов(ферросилиций,кремний)
и малошлаковых процессов (ферросиликомарганец, ферросиликохром).В связи с вынужденным применением бедногорудного сырья
дляпроизводстваферросплавовдополнительноувеличиваетсяудельныйрасходэлектроэнергиина1баз.т.сплаваприсниженииизвлеченияведущегоэлемента.
Однойиз характеристикработыферросплавных печей считалось
отношениетокаэлектродакрабочемунапряжениюнавторичнойсторонепечнойустановки.Так,поданным работы[62] наиболеепредпочтительным для эффективной работы считалось отношение тока
электрода к рабочему напряжению (I/U) около 300. Тем не менее
дальнейшаяэксплуатацияпечейсповышениеммощноститрансформаторовпоказала,чтоданныйдиапазонзначенийтокакнапряжению
былзначительнопревышен.
Анализ работы печей при выплавке ферросилиция, как бесшлакового процесса, показал значительное увеличение этого параметра с ростом мощности печей приведен в работе [96]. Например,
длядиапазонамощностипечей16,5–24 МВ∙АотношениеI/U было
около300–350,топримощности40МВ·Апревысиловеличину400.
При использованиипечейдля выплавки ферросилиция более высокоймощности 75–81 МВ∙А величинаотношенияI / U > 500– 550,
чтоэнергетическинеявляетсявыгодным,таккакактивныеииндуктивныепотерина вторичнойсторонеэлектропечнойустановки, возрастаютпоквадратичной зависимости от силытока электрода.При
этомзначениясилытокаэлектрода,в зависимости отмощности печей,восновномсоставляют50–150кА. Изменение отношениятока
электродакрабочемунапряжениюнапримеревыплавкиферросилицияприувеличениимощноститрансформаторовприведенонарисун-
ке2.1.
49
750
600
450
ОтношениеI/U
300
150
0
Рисунок2.1–Изменениеотношениятокаэлектродакрабочему
напряжениюсувеличениеммощноститрансформаторов
от7,5до81МВ·Адля79-типечейпривыплавкеферросилиция
(коэффициенткорреляцииR=0,907)
y=109,93x
2
R
=0,822
20 40 60
Мощностьтрансформатора,МВА
0,37
80 100
Аналогичныеизмененияотношениятокаэлектродакрабочемунапряжениюотмеченыдляшлаковогопроцесса,напримердлявыплавкиуглеродистогоферромарганца,приувеличенииединичноймощностипечей:
Мощность,МВ·А 12,8 16,5 22,5 36,0 81,0
ОтношениеI/U 278 300 350 580 750
Ростсилытокаэлектродазначительноопережаетувеличениерабочего напряжения с повышением мощности печных трансформаторов
также при выплавке углеродистого феррохрома, ферросиликомарганцаиферросиликохрома.Изменение силы токаэлектродав диапазоне
от30до160кАнавторичнойсторонедляпечейразличноймощности
7,5–105МВ·А(рисунок2.2),обусловливаетувеличениедиаметрасамообжигающихсяэлектродовот850–900до1800–2000мм.Этозатрудняетэксплуатациюсамообжигающихсяэлектродов,существенно увеличиваетмассуметаллоконструкцийцехаимеханическогооборудования
печи,а также повышает капитальные затратыкак на реконструкцию,
такнастроительствоновыхпечей.
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]