автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Повышение эффективности электроплавки стали путем непрерывной загрузки шихты

На прява^п^Дй^и ^ !

в

Черняховский Борис Петрович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРОПЛАВКИ СТАЛИ ПУТЕМ НЕПРЕРЫВНОЙ ЗАГРУЗКИ ШИХТЫ

Специальность 05.16.02 -«Металлургия черных, цветных и редких металлов»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Челябинск Издательство ЮУрГУ 2006

Работа выполнена в ОАО «Нижне-Тагильский металлургический комбинат» и на кафедре пирометаллургических процессов Южно-Уральского государственного университета.

Научные руководители:

доктор технических наук, профессор Рощин В.Е.; доктор технических наук, профессор Смоляренко В.Д.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Гудим Ю.А.; кандидат технических наук Шумаков А.М.

Ведущее предприятие - ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат».

Защита состоится 21 июня 2006 г., в 14.00, на заседании диссертационного совета Д 212.298.01 по присуждению ученых степеней в Южно-Уральском государственном университете по адресу: 454080, г. Челябинск, проспект имени В.И.Ленина, 76.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южно-Уральского государственного университета.

Ваш отзыв (1 экземпляр), заверенный печатью, просим выслать по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. им. В.ИЛенина, 76, ЮУрГУ. Ученый совет, тел. (351) 267-91-23. Факс (351) 267-91-61.

Автореферат разослан "_" мая 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук

профессор

Мирзаев Д. А.

ilOOG ft

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Изменения в мировом производстве стали определяются двумя факторами: ресурсным, который связан с меняющейся глобальной потребностью в металле, и инновационным, который связан с возрастающей конкурентоспособностью новых металлургических технологий. Сравнивая прирост производства всей стали с приростом производства электростали в период 1980-2000 гг., можно оценить долю инновационной составляющей в форсированном развитии электросталеплавильного производства: по нашим расчетам ускорение развития электросталеплавильного производства в период 1970-2000 гг. на 75...80% происходило за счет инноваций, т.е. внедрения новых технологических, конструкторских и планировочных решений.

Таким образом, нарастающий успех электрометаллургии стали определяется инновациями на стыке электротермии и металлургии, образующих электрометаллургию, и связан с созданием нового поколения электродуговых печей (ЭДП) и новых электросталеплавильных технологий. Электроплавка в энергосберегающих высокомощных ЭДП последнего поколения достигла практического предела технических возможностей при работе по традиционной технологии: плавление шихты за 22...24 мин, ультравысокая мощность до 200 МВт, вводимая на ступенях напряжения до 1600 В, производительность одного агрегата до 2 400 тыс. т/год

Одной из наиболее перспективных электросталеплавильных технологий является электроплавка стали при непрерывной загрузке шихты такого рода. Для оценки дальнейших перспектив отечественной электрометаллургии важно оценить эффективность новых электросталеплавильных процессов, которые имеют высокий потенциал развития и могут быть с успехом использованы в российской металлургии.

В этой связи представляется целесообразным изучить и обосновать технологические, энергетические, экономические и экологические преимущества новой перспективной электросталеплавильной технологии.

Цель работы. Изучение и обоснование технологических, энергетических, экономических и экологических преимуществ электроплавки с непрерывной загрузкой шихты как перспективной электросталеплавильной технологии для российской черной металлургии.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи.

— Анализ развития выплавки стали в электродуговых печах по пути «ЭДП обычной мощности - высокомощные ЭДП - энергосберегающие ультрамощные ЭДП нового поколения - ЭДП с системой непрерывной загрузки шихты» с целью показать, что в ЭДП последних поколений практически достигнут предел технических возможностей при работе по традиционной технологии и что на смену им приходят новые энерготехнологические решения, отвечающие современным требованиям энерго-ресурсосбережения, экономической эффективности и экологич-ности.

- Сбор и систематизация доступной информации о выплавке электростали в ЭДП, включая материалы промышленных исследований на 75-тонной ЭДП с сис-

'РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ" 6ИБЛИ0ТЕКА

С-'Птрбург -оэ тСлчт^Ч

темой непрерывной загрузки шихты (система Констил), полученных автором на заводе ОРИ Мартин в г. Брешия (Италия).

- Теоретическое обоснование технологических и энергетических преимуществ новой технологии, необходимое для более глубокого понимания особенностей электроплавки стали с непрерывной загрузкой шихты.

- Оценка перспектив электроплавки стали с непрерывной загрузкой шихты для отечественной черной металлургии с позиций экономической и экологической эффективности.

Научная новизна. Впервые выполнен комплексный технологический, энергетический, экономический и экологический анализ и сформулированы преимущества электроплавки стали при непрерывной загрузке шихты в жидкую ванну в сравнении с плавкой стали с порционной загрузкой шихты:

технологические преимущества проявляются в сокращении продолжительности плавки и повышении производительности ЭДП за счет устранения «холодного начала» плавки, одновременного протекания процессов расплавления и растворения скрапа при его погружении в расплав, более раннего формирования -активного шлака;

энергетические преимущества заключаются в более высокой доле активной мощности, отбираемой электродуговой печью от печного трансформатора, в снижении уровня шума от электрических дуг, в меньшем отрицательном воздействии печи на энергосистему за счет стабилизации энерготехнологического режима;

экономические преимущества определяются возможностью увеличения доли более дешевого легковесного скрапа в шихте; сокращения удельных расходов энергоносителей и электродов; снижения затрат на технологическую электроэнергию за счет более полного использования мощности печного трансформатора и утилизации тепла печных газов. Срок окупаемости оборудования для электроплавки стали с непрерывной загрузкой шихты значительно меньше среднего срока окупаемости металлургического оборудования в отрасли;

экологические преимущества проявляются в снижении эмиссии отходящих газов из-за отсутствия газокислородных горелок для интенсификации плавки.

Практическая значимость.

- МетЬдом математического моделирования определены предельные габариты скрапа, который может быть загружен в крупнотоннажную электропечь без замораживания жидкой ванны.

- Определены условия стабильного и малошумного процесса электроплавки стали при горении дуг на зеркале жидкой ванны. Выбранный энерготехнологический режим обеспечивает высокую интенсивность нагрева металла, устойчивость горения дуг, надежность регулирования мощности.

- Показано, что снижение эмиссии СОг при электроплавке стали с непрерывной загрузкой шихты может существенно увеличить экономическую эффективность процесса при учете в себестоимости электростали «киотской» составляющей.

Результаты работы могут быть использованы при принятии технических и инвестиционных решений по реализации проектов внедрения электроплавки стали с непрерывной загрузкой шихты на российских предприятиях.

Достоверность представленных результатов базируется на анализе большого объема доступной информации, в том числе полученной автором непосредственно на заводе, где применяется электроплавка стали с непрерывной загрузкой шихты. Теоретическое обоснование преимуществ новой технологии проводились автором с использованием моделей, адекватных энерготехнологическим процессам, проходящим в ЭДП; экономическая и экологическая эффективность оценивалась в соответствии с официальными методиками, стандартами и процедурами.

Предмет зашиты и личный вклад автора.

1. Результаты анализа процесса развития электроплавки стали в электродуговых печах по пути «ЭДП обычной мощности - высокомощные ЭДП - энергосберегающие высокоимпедансные ЭДП - ЭДП с системой непрерывной загрузки шихты».

2. Результаты расчетов плавления - растворения скрапа в расплаве и поведения электрической дуги при горении на зеркале жидкой ванны, полученные для обоснования технологических и энергетических преимуществ электроплавки стали с непрерывной загрузкой шихты.

3. Оценка перспектив электроплавки стали с непрерывной загрузкой шихты для отечественной черной металлургии с позиций экономической и экологической эффективности.

Автор самостоятельно сформулировал задачи исследования, принял участие в проведении и проанализировал результаты промышленных исследований, выполненных на ЭДП с системой непрерывной загрузки шихты, выполнил энерготехнологические расчеты, провел оценку экономической и экологической эффективности новой технологии, подготовил описание технологического процесса и исходные данные для технико-экономического обоснования проекта ЭДП с непрерывной подачей шихты.

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 9 статей в научных журналах и сборниках.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на: научно-техническом совещании «ДУГА-2000. Компьютерное моделирование и оптимизация технологических процессов электротермических производств» (СПб, 2002 г.); научно-практической конференции, посвященной 60-летию ОАО «Мечел» «Сталеплавильное производство: современные агрегаты и технологии» (Челябинск, 2003 г.); XII международной конференции «Современные проблемы электрометаллургии стали» (Челябинск, 2004 г.); VIII Конгрессе сталеплавильщиков (Нижний Тагил, 2004 г.); конгрессе металлургов Урала (Челябинск. 2005 г.); семинаре ОМЗ-Спецсталь «Повышение эффективности металлургического производства» (Ижорский завод, Колпино, СПб 2005 г.).

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 3-х глав, выводов, списка использованных источников из 78 наименований, приложений, содержит 110 страниц, в том числе 31 рисунок и 25 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 1. Развитие электроплавки стали в электродуговых печах

В развитии выплавки стали ЭДП можно выделить три этапа.

На первом этапе (до 1960-х годов) электродуговая печь рассматривалась, прежде всего, как электротехническая установка, ее энергетические характеристики были слабо увязаны с тепловыми и металлургическими процессами, происходящими в печи. Плавка велась на рабочих токах, не обеспечивающих введение в печь максимальной активной мощности, энерготехнологические режимы не позволяли экранировать дуги с целью защиты футеровки от быстрого износа. Параметры ЭДП не обеспечивали плавку в режимах максимума активной и полезной мощности, не позволяли заглублять и экранировать дуги. В этот период металлурги не рассматривали режимы ввода электрической мощности в ЭДП как элемент сталеплавильной технологии, а энергетики при разработке режимов не в полной мере учитывали, что электродуговые печи по своему назначению являются, прежде всего, металлургическими агрегатами.

Второй этап относится к началу 1970-х годов, когда произошли кардинальные изменения в энергетике и конструкции печей и технологии плавки в связи с появлением высокомощных ЭДП. Для них были разработаны новые принципы построения энерготехнологических режимов в условиях высокой концентрации мощности, когда необходимо быстро расплавить металл и не допустить чрезмерных тепловых нагрузок на футеровку.

Режимы ввода электроэнергии в высокомощные печи первых поколений имеют энерготехнологический характер и учитывают технологические и теплотехнические процессы, происходящие в электродуговой печи.

В соответствии с этим задавались энергетические параметры высокомощных ЭДП первых поколений: вводимая мощность до 60 МВт, высшая ступень вторичного напряжения - минимальная, при которой можно задать в печь необходимую активную мощность, номинальный рабочий ток обеспечивает возможность работы на коротких заглубленных в расплав дугах.

Третий этап плавки стали в ЭДП связан с созданием нового поколения энергосберегающих ультрамощных печей и разработкой режимов плавки под пенистым шлаком. На этих печах электрическая мощность вводится на повышенных ступенях вторичного напряжения и пониженных рабочих токах. Такой режим позволяет экономить технологическую электроэнергию и существенно сократить расход дорогих высококачественных электродов. Поскольку увеличение вторичного напряжения лимитируется переходом дуги в состояние неустойчивого горения, для стабилизации энергетической работы печей на них увеличивают полное

сопротивление - импеданс электропечного контура, в связи с чем ЭДП нового поколения характеризуются как высокоимпедансные.

Новый подход к организации энерготехнологических режимов плавки под пенистым шлаком потребовал пересмотра энергетических параметров ЭДП: рабочие токи перемещаются в сторону меньших значений, ступени вторичного напряжения на лучших печах заметно превышают 1000 В.

В новой серии высокоимпедансных ультрамощных ЭДП верхние ступени вторичного напряжения до 1600 В позволяют вводить до 200 МВт активной мощности с использованием стандартных электродов диаметром 610 мм на допусти' мом для них токе не выше 100 кА при умеренном расходе технологической элек-[ троэнергии и электродов. Высокое печное пространство над зеркалом ванны запроектировано для одноразовой завалки шихты, а также для того, чтобы играть роль «шахты» для нагрева столба металлошихты печными газами. Альтернатив-I ные источники энергии (топливные горелки) являются вспомогательным средством интенсификации плавки, их тепловая мощность составляет не более 10... 12% вводимой в печь активной электрической мощности, что отражает современные тенденции по сокращению эмиссии С02 из металлургических агрегатов. Печи этой серии имеют самые высокие энерготехнологические показатели среди традиционных ЭДП: плавление за 22...24 мин, ультравысокая мощность до 200 МВт, производительность до 2 400 тыс. т/год.

Учитывая это, электрометаллурги начинают обращать пристальное внимание на новые энерготехнологические решения, направленные на энерго- и ресурсосбережение и защиту окружающей среды. Электроплавка стали при непрерывной загрузке шихты может рассматриваться как одна из самых перспективных технологий такого рода.

Непрерывная загрузка шихты обеспечивает подачу скрапа в жидкое «болото» металла с начала очередной плавки, не замораживая ванну. Загрузочные бадьи не используются, скрап с шихтового двора в ЭДП подается конвейером и по пути в противотоке подогревается теплом отходящих из печи газов. Скрап растворяется в жидком металле, а дуга все время горит на плоском зеркале расплава, покрытом пенистым шлаком. Режим вспенивания шлака для экранирования дуг поддерживается автоматически по уровню шума электрических дуг (уровень шума закрытых дуг существенно ниже, чем открытых). Свод ЭДП всегда закрыт, и отсос отходящих газов производится непосредственного из первичного газохода.

Первая в Европе ЭДП вместимостью 75 т с непрерывной загрузкой шихты работает на заводе ОРИ Мартин, где заменила обычную ЭДП с верхней бадьевой загрузкой той же емкости. Схема ЭДП с непрерывной загрузкой шихты и типичный энерготехнологический цикл плавки представлены на рис. 1 и 2.

Рис 1. ЭДП с непрерывной загрузкой шихты на заводе ОРИ Мартин: 1 - электродуговая печь; 2 - зона нагрева скрапа печными газами; 3 - камера охлаждения горячих газов; 4 - фильтры очистки газов; 5 - камера дожигания отходящих газов; 6 - динамическое уплотнение; 7 - зона загрузки

• ж 2 ВршнГиш; М 47 и

1« б Л 1»'

Рис 2 Энергетический цикл электроплавки с непрерывной загрузкой шихты' а - подготовка скрапа к очередной плавке, б - подогрев и непрерывная подача шихты; в - выпуск плавки; г -температура металла; д - скорость подачи шихты; е - потребление электроэнергии; ж - интенсивность продувки кислородом

Автором изучены показатели плавок стали до и после внедрения новой технологии на этом заводе. Печь потребляет мощность в режиме стабильных дуг при отсутствии коротких замыканий электродов на металл, вызываемых обрушением лома. Соотношение продолжительности работы печи под током и общей продолжительности плавки «от выпуска до выпуска» увеличилось почти до 85%, электроды большую часть времени работают в восстановительной атмосфере, замедляющей их окисление. Содержание газов в металле понижается, сталь меньше взаимодействует с печной атмосферой, при этом такие условия сохраняются в течение всей плавки.

Содержание азота в литых заготовках снижается при переходе от обычной к новой технологии: в среднем разница в содержании азота составляет 15 ррт. Содержание оксидов железа в шлаке снижается значительно и в начале перегрева находится в интервале 15...25%. Этот вывод основан на серии анализов проб металла и шлака, отобранных при следующих условиях: углерод в ванне 0,07...0,08%, основность шлака 2,7...2,9, М§0 в шлаке 7...8%, РеО в шлаке 15...25%, температура металла 1590...1600°С. Для обычной электроплавки содержание РеО в шлаке в период плавления обычно составляет 30...35%. Низкое содержание РеО в шлаке уменьшает потери железа и позволяет расходовать меньше лома для получения того же количества жидкой стали.

Материалы заводских исследований показали, что новая технология обеспечивает снижение расходов по переделу за счет использования более дешевого легковесного скрапа, сокращения потребления энергии, расходуемых материалов, трудозатрат и затрат, связанных с защитой окружающей среды (табл.1).

Таблица 1

Средние удельные расходные показатели плавок на 1 тонну стали

Показатели ЭДП с бадьевой загрузкой ЭДП с непрерывной загрузкой

Электроэнергия на плавление, кВт-ч 508,6 347,86

Кислород, нм'* 22,36 32,46

Электроды, кг 2,63 1,39

Природный газ, нм'5 3 0

Углерод, кг 6,33 9,14

Электроэнергия на газоотсос и газоочистку, кВт-ч 37 24

Электроплавка стали при непрерывной загрузке шихты обладает высокой конкурентоспособностью, о чем свидетельствует широкое внедрение нового процесса на ряде металлургических заводов США, Европы и Азии, где за последние годы построено или находятся в стадии строительства 22 печи вместимостью от 40 до 320 т.

2. Анализ энерготехнологических преимуществ электроплавки стали с непрерывной загрузкой шихты

Как следует из приведенных выше результатов, электроплавка с непрерывной загрузкой шихты имеет значительные энерготехнологические преимущества перед плавкой с порционной загрузкой шихты. Проведено исследование на моделях с целью более глубокого обоснования технологических и энергетических преимуществ этой инновационной технологии.

Плавление скрапа по новой технологии отличается от плавления в ЭДП с порционной загрузкой. В ходе непрерывной загрузки электрические дуги постоянно горят на зеркало жидкой ванны, и расплавление скрапа происходит при его погружении и растворении в жидком металле. Плавление стального скрапа может происходить в двух существенно отличающихся условиях: в расплаве с более высокой концентрацией углерода при температуре ниже температуры плавления скрапа и в перегретом расплаве при температуре, превышающей температуру плавления скрапа. В первом случае происходит, по-существу, не плавление, а растворение скрапа в расплаве. Механизм «плавление - растворение» можно представить следующим образом: одновременно с нагревом холодного скрапа происходит диффузия углерода из расплава в поверхностные слои скрапа, температура плавления которых в связи с этим уменьшается, и переход в жидкое

состояние происходит тогда, когда температура плавления достигнет температуры расплава.

Время плавления скрапа зависит от количества тепла, поступающего на его поверхность от расплава. Это количество тепла q определяется значением коэффициента теплопередачи конвекцией а и температурой расплава tp. Поступление тепла на единицу площади поверхности скрапа выражается соотношением

q = a(tp - f*»,^), кВт/м2 , (1)

где tp - температура расплава; tnoeCKP - температура поверхности скрапа, равная температуре плавления расплава t^,p в период намерзания и расплавления корочки и температуре плавления скрапа tm скр - в период собственно плавления куска скрапа.

В условиях сталеплавильной ванны интенсивность теплопередачи конвекцией является функцией скорости движения расплава. В электродуговых печах эффективность теплопередачи от расплава к скрапу повышается за счет дополнительного перемешивания жидкой ванны электрическими дугами, и скрап плавится быстрее.

Между моментом расплавления намерзшей на куске скрапа корочки расплава и началом плавления собственно скрапа имеется интервал времени, необходимый для нагрева поверхности куска скрапа от температуры плавления расплава tm р до температуры плавления скрапа скр. Так, например, после расплавления намерзшей корочки расплава, содержащей 2% С, температура поверхности скрапа должна повысится до tnMскр на 150 "С (с t,ир = 1330°С до tmCKP. = 1480°С). При сближении содержаний углерода в расплаве и скрапе разность (tmCKp - tmp) уменьшается, что ведет при высокой интенсивности теплопередачи от расплава к скрапу к существенному сокращению времени нагрева поверхности скрапа от температуры t„„ скр до температуры плавления скрапа tm скр. Плавление порции скрапа из множества кусков отличается от плавления отдельного куска вследствие изменения условий поступления тепла в каждый кусок. С одной стороны, куски экранируют друг друга от контакта с расплавом, что уменьшает удельную поверхность нагрева. С другой стороны, во внутренних частях порции уменьшается скорость движения расплава у поверхности кусков, т.е. снижается интенсивность теплопередачи (уменьшается я). Кроме того, за счет интенсивного отбора тепла на нагрев порции скрапа понижается температура расплава, что также существенно сказывается на интенсивности теплопередачи.

Для анализа плавления скрапа в расплаве использовалась математическая модель. Для условий плавки в электродуговой печи система уравнений имеет вид:

для скрапа:

dt (х,х)/дх = a [tft (х,т)] / [5х? + (k-l/x) dt (х,т)/дх] (2)

при краевых условиях:

- в период намерзания - плавления корочки

t(r, r) = tnjlp-, tix,0) = to; (3)

а [>Дт) - 1тр\ = X (Зг (г,т)/&; -/> {С, [гДт) - >„,„] + е^,} фИг, (4)

- в период иагрева поверхности скрапа до температуры плавления

Кх,0) = <р, (х); 81 (0,х)/дх = 0; (5)

¿пов скр (т)]=Д(Э/(Л,гУдх), (6)

- в период плавления

Цх, 0) = (р2 (х); Кг, т) = скр ; (7)

а [?Дт) -1пяскр]= р ОгМг - Я (9?(г,г)/ас); (8)

для сталеплавильной ванны:

-а [/„(г) - /„„, „,,] /7(г)}/1000 [С, + СскрАт)}}- (9)

Здесь а - коэффициент температуропроводности скрапа, м2-с~'; а - коэффициент теплопередачи конвекцией к поверхности скрапа, Втм"2К"'; k - коэффициент формы, равный 1, 2 и 3 для пластины, цилиндра и шара; Rur- начальный и текущий размеры куска скрапа, м; tp{т) - температура расплава в функции времени, К; tmp и tmcKp - температура плавления расплава и скрапа, К; X — коэффициент теплопроводности, Втм"'-К"; р - плотность скрапа, т-м"3; Ср и Сскр - теплоемкость расплава и скрапа, Дж-г"'К"'; Qm - теплота плавления расплава и скрапа, Дж; Q, -поступление тепла в ванну, Дж; у - толщина намерзающей корочки, м; t„m скр -температура поверхности скрапа, К; tpi (ж) и <р2 (х) - распределение температур в куске плавящегося скрапа в конце расплавления корочки и при достижении поверхности куска скрапа температуры ¡шскр; F(x) - {]000(kJp)[(r "'(г)]/Ä*}/о; fij) = fo [1- (r/R)k\, GCKp = масса порции скрапа, загружаемого в расплав, т; Gp = масса расплава, т; f(, = GCKp/Gp - относительная порция скрапа от массы расплава.

На рис. 3 приведены результаты расчета для условий непрерывной загрузки кусков холодного и нагретого скрапа. Интенсивность плавления увеличивается с ростом величины порции скрапа, причем при данной величине порции интенсивность плавления меньше у более крупного скрапа, поскольку меньше удельная поверхность контакта с расплавом. Охлаждающее воздействие скрапа на ванну также увеличивается, при этом охлаждающее воздействие мелкого скрапа сильнее, чем крупного, из-за большей удельной поверхности контакта с расплавом. Время плавления линейно возрастает с увеличением порции скрапа и тем меньше, чем меньше размер кусков.

По приведенным зависимостям можно оценить параметры рациональной порционной загрузки скрапа Так, например, если не допускать снижения температуры ванны более чем на 30°С, то имеется возможность одномоментно загр\-жать 85 кг/т холодного скрапа при размере кусков R=100 мм и около 70 кг/т -при размере кусков R=250 мм. Если загружать скрап, нагретый до 400...500°С, то величина порции увеличивается на 20...25%. По этим же графикам возможно представить допустимые размеры единичного куска скрапа при его непрерывной загрузке в жидкую ванну. Например, в ванну с 50 тоннами жидкого металла

без его замораживания может быть загружен кусок скрапа массой до 3,5 т (например, слиток сечением 0,5x0,5м, длиной 1,8м) .

? М41 V

\ ы-

к

5 «И«

X 8

| 0,12

Р 0Л» 8

о 0,мн

* 10

<

£ .

0,02 0,04

0,06 0,08

0,1 0.12 0,14

0 0.02 0,04 0.06 0,08 0.1 0.12 0,14

Рис.3. Скорость плавления скрапа в жидкой ванне, охлаждающее воздействие скрапа на жидкую ванну и время плавления скрапа в зависимости от относительной порции скрапа Оскр/Ор, подаваемой в расплав: I — холодный скрап размером И - ОД 5м, 2 - холодный скрап размером Я - 0,2м; 3 - нагретый скрал размером И - 0,25м. ; 4 — нагретый скрап размером Я - 0,2м.

0.02 0,04 О.0С ОЯШ 0,1 0.12 0,14

«2-р /<3»

Следует отметить еще одно технологическое преимущество плавки с непрерывной загрузкой скрапа в жидкую ванну - более раннее формирование шлака и лучшие условия для защиты металла от насыщения азотом из зоны электрических дуг.

Энергетические Преимущества электроплавки стали с непрерывной загрузкой шихты связаны с особенностями горения электрической дуги. Чем выше степень ионизации дугового промежутка, тем стабильнее дуга. Такие условия создаются при горении дуги на «зеркале» жидкой ванны, когда металл и электрод находятся в горячем состоянии. При плавке холодного скрапа, когда дуговой промежуток прогрет недостаточно, дуга часто обрывается, при обвале кусков скрапа возникают короткие замыкания и броски рабочего тока. Это вызывает резкое увеличение и «схлопывание» объема газовой фазы вокруг дуги и появление звуковых колебаний, существенно превышающих санитарные нормы.

Неустойчивый процесс горения дуги приводит к появлению в токе высокочастотных гармоник, повышающих значение эксплуатационной реактивности электропечного контура. Это повышение может составлять 20% и выше, и его

уменьшение является резервом для роста доли активной мощности, отбираемой печью от печного трансформатора.

Рассматривались условия горения дуги на зеркало жидкой ванны, когда поведение дуги стабильное, обрывы дуги и короткие замыкания не происходят. Такой режим отвечает условиям плавок с непрерывной загрузкой скрапа в жидкий металл.

Определены рациональные энерготехнологические режимы ввода мощности в период устойчивого горения дуг, зависящие от напряжения и тока дуги.

Мощность излучения дуги Ре описывается выражением:

Ре=Р< Гд1а, Вт, (10)

где ре - приведенный показатель излучения термической плазмы; гд — радиус столба дуги; 1а - регулируемый ток дуги.

Функция РеУа) излучения дуг характеризует как мощность излучения дуги, так и теплофизическую стабильность горения дуги в заданных условиях. Точка 1е максимума мощности излучения на оси тока практически совпадает с точкой 1Н максимальной энтальпии плазмы дуги, т.е. при этом значении тока достигается как максимальная интенсивность плавки, так и максимальная устойчивость горения дуг, рис. 4.

Определен рабочий ток, который соответствует как максимальной устойчивости горения дуг (ток /г), так и максимальной устойчивости регулирования (ток /,). Он должен выбираться между значениями /, и 1е. Такой рабочий ток обеспечивает максимальную интенсивность нагрева металла дугой, сокращение расхода электроэнергии и улучшение энергетических и динамических показателей работы электродуговой печи, рис. 5.

РЫ/Г*)паж УЛПряи)тг МЛМ)тгм и _

Рис.4 Зависимость мощности излучения Рис.5. Допустимые относительные скорости дуги (1) и энтальпии плазмы дуги (2) от перемещения электродов.! - и* = 573 В, г - 4,5 рабочего тока для ЭДП: мОм, X • 4,4 мОм, Я « 0,91 мОм. 2 - и^, - 950 В, 2 =

игл - 573 В, X = 4,5 мОм 7.5 иОм,Х-7,37ыОы, Я- 1,4мОм

Турбулизация плазмы вблизи поверхности катодного пятна дуги является одной из основных причин возмущений в процессе горения дуги, показателем которых является спектр частот в кривой тока, генерируемых дугой. При плавке холодной шихты эти возмущения проявляются особенно сильно и уменьшаются по мере увеличения объема жидкого металла и нагрева печной атмосферы. В период «плоской ванны» уровень частотного спектра высших гармоник в токе примерно в 2 раза ниже, чем при плавке холодной шихты.

Чем ниже степень возмущений в дуге, тем выше ее энерго-экологические свойства: стабильнее горение, ниже уровень шума, меньше отрицательное воздействие печи на качество энергии в питающих электрических сетях. Это свидетельствует о более высокой энерго-экологической эффективности работы печи в период горения дуги на жидкую ванну. Все сказанное имеет прямое отношение к электроплавке стали с непрерывной загрузкой шихты в расплавленный металл, при которой реализуются условия стабильного горения дуг на жидкой ванне в течение всей плавки.

3. Оценка экономических и экологических преимуществ процесса

3.1. Экономическая эффективность процесса

Электроплавка стали с непрерывной загрузкой шихты обладает рядом экономических преимуществ:

- Создается возможность увеличения в шихте доли более дешевого легковесного лома.

- Обеспечивается более полное использование мощности печного трансформатора, что позволяет сократить затраты на технологическую электроэнергию.

- Снижается расход электродов, поскольку электроды большую часть времени работают в восстановительной атмосфере, замедляющей их окисление, в условиях равномерной тепловой нагрузки и отсутствия механических ударов кусками лома

- Снижаются трудозатраты за счет того, что плавки идут равномернее, увеличивается часовая производительность ЭДП.

- Отсутствует потребление природного газа: эмиссия СОг и потери тепла с газами сокращаются на треть.

Вместе с тем новый процесс требует дополнительных инвестиций в связи с усложнением конструкции ЭДП — возникает необходимость сооружения конвейера для подачи лома. Кроме того, применение конвейерной шихтоподачи увеличивает энергетические затраты, а в связи с более высокой стоимостью печи и дополнительного оборудования увеличивается сумма амортизационных отчислений.

Учет этих факторов при оценке экономической эффективности внедрения электроплавки стали с непрерывной загрузкой шихты позволяет достаточно полно характеризовать инвестиционную привлекательность новой технологии.

Экономические расчеты проводили для 75-тонной ЭДП мощностью 45 МВА для условий одного из заводов Уральского региона. В качестве показателя эффективности принят показатель срока окупаемости Т01.

Ki- Кг

Тм ---, (11)

Ч.П + Д ам.

где К2 и Ki - капитальные вложения по обычной технологии и по технологии Кон-стил без учета оборотных средств; Ч.П. - чистая прибыль от мероприятия, млн. руб.; А ам. - прирост амортизации от мероприятия, млн. руб.

Чистая прибыль от внедрения проекта составляет 119,2млн.руб/год, прирост амортизации, связанный с новым процессом, составляет 35,2 млн. руб/год. Срок окупаемости составит:

365,0

Т„ = - = 2,4 года,

119,2 + 35,2

где 365 млн.руб - дополнительные капитальные вложения с учетом прироста оборотных средств

Срок окупаемости инвестиций на внедрение нового процесса значительно лучше среднего срока окупаемости металлургического оборудования в отрасли, что говорит о том, что технология выплавки электростали в ЭДП с непрерывной загрузкой шихты в условиях российской металлургии обладает высокой экономической эффективностью.

Для определения устойчивости проекта по внедрению новой технологии учтены риски, связанные с возможным увеличением капитальных вложений, и определена точка безубыточности. Были рассмотрены три варианта увеличение размера инвестиций: на 20%, на 40% и на 50% (I вар., II вар., III вар.) и рассчитаны сроки окупаемости по вариантам.

486'7 608,4

I вар. Ток = 65,5 + 54,5 = 4,0 года; II вар. Ток = 527 + б97 = 4>97 или ~ 5 лет;

т 669,3 . ^

111 вар- = =5'4года-

Таким образом, проект по внедрению новой технологии показывает высокую устойчивость при возникновении рисков увеличения инвестиций: при росте инвестиций на 50% срок окупаемости возрастает только на треть - с 4 лет до 5,4 года.

Точку безубыточности рассчитывали по величине объема производства Тб(А):

Cm х Ду-пост(А)

Тб(А) = - , (12)

Ц(А)-Ц(А)хДу-пер(А)

где Ст - полные текущие издержки производства, млн. руб.; Ду-пост(А) - доля условно-постоянных расходов, доля ед.; Ц(А) - цена единицы продукции, руб/т; Ду-пер - доля условно-переменных расходов, доля ед.

Расчеты показывают, что проект по внедрению новой технологии можно считать хорошо устойчивым, поскольку границы безубыточности находятся в пределах оптимального уровня, равного 0,7 от уровня объема производства.

Основные итоги расчетов экономической эффективности новой технологии выплавки электростали в электродуговой печи с непрерывной завалкой шихты по сравнению с традиционным процессом представлены в табл. 2.

Таблица 2

Экономическая эффективность технологии выплавки электростали с непрерывной загрузкой шихты

№ п/п Показатели эффективности Размерность Значение

1 Увеличение годового объема производства тыс.т /год 120

2 Экономия энергии на процессе тыс.кВт.час/год млн. руб/год. 33,6 3,3

3 Экономия на стоимости металлошихты млн. руб/год 146,6

4 Дополнительные инвестиции млн. руб 365

5 Дополнительная чистая прибыль млн. руб/год 119,2

6 Срок окупаемости проекта лет 2,4

Показатели устойчивости

7 Срок окупаемости при росте инвестиций

на 20% лет 4,0

на 40% лет 5,0

на 50% лет 5,4

8 Точка безубыточности по объемному показателю тыс. т/год 495,1

по доле от годового объема доля ед. 0,7

Новый процесс позволяет дополнительную экономить средства при оплате технологической электроэнергии, а также сократить затраты за счет снижения выбросов печных газов в атмосферу. Как показано выше, новая технология обеспечивает равномерное протекание электроплавки и создает возможность уменьшения величины мощности, заявляемой энергосистеме. Двухставочный тариф включает ставку оплаты за 1 кВт-ч израсходованной электрической энергии и ставку платы за 1 кВт установленной мощности за период (месяц, квартал, год).

По Уральскому округу установлены следующие тарифы на электроэнергию: Периоды руб/кВт.ч руб/кВт в месяц

на 04.03.2003 г. 0,682 129,29

на 15.02.2004 г. 0,776 147,96

на 01.02.2005 г. 0,847 160,58

По данным специалистов соответствующих служб внедрение новой технологии может привести к снижению заявленной мощности на 10... 15%.

Экономическую эффективность электроплавки стали с непрерывной загрузкой шихты может существенно увеличить учет в производственных затратах «киотской составляющей» за счет продажи квот на сокращенные выбросы С02 (стоимость 1т СОг при продаже квоты в ЕС доходит до 50 евро).

Оценка экономической эффективности новой технологии показала, что ЭДП с непрерывной загрузкой шихты могут найти место на российских заводах, особенно там, где имеется в достаточном количестве металлический лом, электроэнергия и остро стоят проблемы защиты окружающей среды.

3.1. Экологическая эффективность процесса

Металлургическая промышленность оказывается под все более усиливающимся нажимом требований сократить эмиссию парниковых газов (ПГ), особенно выбросы СОз. Общее количество выбросов СО2 при производстве чугуна и стали в России в 2003г. составило 110,5 млн. т. Абсолютные и удельные величины выбросов СО2 в ходе различных технологических процессов приведены в табл. 3.

Таблица 3

Общие и удельные величины выбросов С02 в технологических процессах производства стали в России (2003 г.)

Технологический процесс Производство жидкой стали, млн. т в год Удельные выбросы СОг, т/т Общие выбросы СОз, млн. т/год

Кислородно-конвертерный 38,25 2,0 76,49

Мартеновский 15,05 2,2 33,11

Электросталеплавильный 9,41 0,1 0,94

Всего 62,7 1,76 110,54

Российская черная металлургия обладает большим потенциалом сокращения эмиссии ПГ во всех технологических переделах, и защита окружающей среды все в большей мере рассматривается как один из главных показателей эффектнв-

ности промышленного производства. Можно прогнозировать, что решение экологических проблем станет первостепенной задачей российской металлургии. Эти тенденции подтверждаются решениями международного сообщества по устойчивому развитию, получившими, в частности, свое конкретное выражение в Федеральном законе РФ «Об охране окружающей среды», системе российских стандартов ИСО Р 14000 «Системы управления окружающей средой», ряде других документов.

С ростом «экологических» настроений в обществе и ужесточением природоохранного законодательства риски, связанные с экологическим ущербом, будут оказывать все возрастающее влияние на инвестиционную привлекательность проектов, стимулируя инвестирование в проекты с наилучшими с точки зрения экологии существующими технологиями. В сталеплавильном производстве к категории наилучшей существующей технологии, безусловно, может быть отнесена электроплавка стали с непрерывной загрузкой шихты.

Особенно значительны экологические преимущества электроплавки стали с непрерывной загрузкой шихты по технологической схеме мини-завода «внедо-менное получение металлизованного сырья - электроплавка в ЭДП» («МС -ЭДГ1»), которая может рассматриваться как инновационное решение по отношению к производству стали по традиционной технологической схеме интегрированного комбината «руда - коксохим - доменная печь - кислородный конвертер» («ДП-КК»),

Сравнительные данные по удельным выбросам СОг на тонну жидкой стали при производстве по этим двум альтернативным технологическим схемам с учетом выбросов СО2 при выработке электроэнергии показывают, что суммарная величина выбросов ло маршруту «МС - ЭДП» составляет 1090 кг СО2 на тонну жидкой стали по сравнению с 1712 кг по маршруту интегрированного комбината «ДП-КК», т.е. удельные выбросы СОг сокращаются на 622 кг. При сегодняшнем производстве стали в мире по маршруту минизавода «МС - ЭДП» общая годовая экономия выбросов СОг оценивается величиной 871 тыс. тонн. Для России, обладающей большими запасами природного газа и железных руд, производство стали по инновационному маршруту минизавода «МС - ЭДП» является весьма перспективной технологической схемой.

В мировой металлургии происходит дальнейшее развитие экологически чистой электросталеплавилъной технологии с непрерывной загрузкой скрапа и заливкой жидкого чугуна. В едином технологическом маршруте объединены вне-доменное восстановление железа и получение жидкого чугуна из металлизованного сырья в электропечи и электроплавка с непрерывной загрузкой скрапа и заливкой жидкого чугуна в ЭДП. Развитие электросталеплавильных технологий по пути «ЭДП обычной мощности - высокомощная ЭДП - сверхмощная ЭДП нового поколения - ЭДП с системой непрерывной загрузкой шихты - прогнозируемая комбинация металлургических технологий» показывает, что с увеличением возраста техноло^й уменьшается их эффективность, и необходимо производить перераспределение ресурсов на разработку новых технологий с более высоким по-

тенциалом развития, чтобы своевременно подготовиться к новым технологическим скачкам. Привязанность к существующим зрелым технологиям в долгосрочном плане неизбежно ведет к технологическому отставанию.

Общие выводы

1. Нарастающий успех электрометаллургии в массовом производстве стали обеспечивается инновациями - внедрением новых научно-технических разработок на стыке электротермии и металлургии, образующих электрометаллургию.

Инновационные решения в области ЭДП учитывают энерготехнологическую природу электроплавки и обеспечивают введение в печь ультравысокой мощности на повышенных ступенях вторичного напряжениях и пониженных рабочих токах в режиме пенистых шлаков, экранирующих дуги; при этом для устойчивого горения дуг предусмотрено увеличение общего сопротивления (импеданса) электропечного контура. Энергосберегающие ультрамощные ЭДП последнего поколения достигли практического предела технических возможностей при работе по традиционной технологии: плавление шихты за 22...24 мин, ультравысокая мощность до 200 МВт, водимая на ступенях вторичного напряжения до 1600 В, производительность одного агрегата до 2 400 тыс. т/год.

2. Развитие электросталеплавильного процесса продолжается на основе новых энерготехнологических решений, направленных на энерго- и ресурсосбережение и защиту окружающей среды. Электроплавка стали с непрерывной загру-зой шихты может рассматриваться как одна из перспективных электросталеплавильных технологий такого рода. Электроплавка стали при непрерывной загрузке шихты обладает значительным потенциалом развития, о чем свидетельствует внедрение нового процесса на ряде заводов в США, Европе и Азии.

3. Энерготехнологические преимущества электроплавки стали с непрерывной загрузкой шихты в жидкую ванну заключаются в следующем:

технологические преимущества проявляются в сокращении продолжительности плавки и повышении производительности электродуговой печи за счет устранения «холодного начала» плавки и одновременного протекания процессов расплавления и растворения скрапа при его погружении в жидкий металл и более раннем формировании активного шлака;

энергетические преимущества проявляются в более высокой доле активной мошности, отбираемой электродуговой печью от печного трансформатора в ходе горения дуг на зеркале жидкой ванны, в снижении уровня шума от электрических дуг, в меньшем отрицательном воздействии печи на энергосистему за счет стабилизации энерготехнологического режима.

4 Экономические преимущества электроплавки стали с непрерывной загрузкой шихты определяются возможностью использования менее дорого легковесного скрапа; сокращением удельных расходов энергоносителей и электродов; снижением затрат на технологическую электроэнергию при расчетах с энергосистемой при более полном использовании мощности печного трансформатора.

Расчеты экономической эффективности проекта внедрения технологии электроплавки стали с непрерывной загрузкой шихты на 75-тонной ЭДП производительностью 700 тыс.т в год для условий Уральского региона подтверждают экономическую эффективность процесса.

5. Экологические преимущества электроплавки стали с непрерывной загрузкой шихты проявляются, прежде всего, в снижении эмиссии отходящих газов из-за отсутствия газокислородных горелок для интенсификации плавки. Использование первородных железосодержащих материалов в шихте дает дополнительные экологические преимущества новой технологии перед традиционными сталеплавильными технологиями.

С позиций природоохранного законодательства электроплавка стали с непрерывной загрузкой шихты может быть отнесена к категории наилучших существующих технологий, основанных на последних научно-технических достижениях и направленных на снижение негативного воздействия на окружающую среду. При ее внедрении можно в полной мере использовать механизмы киотского протокола.

6. Электроплавка стали с непрерывной загрузкой шихты представляет собой определенный этап в развитии электросталеплавильного производства. На основе этого процесса разрабатывается новая комбинация металлургических процессов для выплавки стали, стратегической целью которой является выход на рынок с экологически чистой инновационной металлургической технологией в тот момент, когда наступит ожидаемое ужесточение природоохранного законодательства.

Электроплавка стали с непрерывной загрузкой шихты - пример инновационной металлургической технологии, когда новые разработки получили платежеспособный спрос.

Содержание диссертации изложено в следующих публикациях.

1. Черняховский Б.П., Смоляренко В.Д. Гибкий процесс производства электростали по методу СопБ1ее1 на заводе Ори Мартин. Электрометаллургия. - №3. -2004. - С.40- 43.

1. Черняховский Б.П., Смоляренко В.Д. Новая комбинация металлургических процессов для дальнейшего развития электросталеплавильного производства. Электрометаллургия. - №2. - 2004. - С.41- 47.

3. Овчинников С.Г., Черняховский Б.П. Современное состояние и перспективы развития электродуговых печей для выплавки стали. Сталь. - №2. - 2005. - С.47-51.

4. Черняховский Б.П., Глинков Г.М. Технологические преимущества электроплавки стали с непрерывной загрузкой шихты. Электрометаллургия. - №7. - 2005. - С.З- 8.

5 Черняховский Б.П., Кручинин А.М. Энергетические преимущества электроплавки стали с непрерывной загрузкой шихты. Электрометаллургия, №6, 2005г., с. 18-25.

6 Смоляренко В.Д., Овчинников С.Г., Черняховский Б.П. Инновационные основы развития электрометаллургии стали. Электрометаллургия. - №8. -2005. - С.6- 13.

7 Овчинников С.Г., Смоляренко В.Д., Черняховский Б.П. Инновации как фактор инвестиционной привлекательности электросталеплавильных мини-заводов. Материалы XII Международной конференции «Современные проблемы электрометаллургии стали». Челябинск: Изд-во ЮУрГУ. - 2004. - С 3- 6.

8 Черняховский Б П., Овчинников С.Г., Смоляренко В.Д. Опережающее развитие электросталеплавильного производства на основе инноваций. Сб. трудов Конгресса металлургов Урала. - Челябинск. - 2005 г.

9 Черняховский Б.П., Смоляренко В.Д. Киотский протокол вступил в действие. Электрометаллургия. - №6. - 2005. - С.47- 48.

Черняховский Борис Петрович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРОПЛАВКИ СТАЛИ ПУТЕМ НЕПРЕРЫВНОЙ ЗАГРУЗКИ ШИХТЫ

Специальность 05.16.02 -«Металлургия черных, цветных и редких металлов»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Техн. редактор A.B. Миних Издательство Южно-Уральского государственного университета

Подписано в печать 26.04.2006. Формат 60x84 1/16. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,16. Уч.-изд. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ 103/153.

УОП Издательства. 454080, г. Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 76.

í

\ í

I

J.OOG ¿L

333

»14339

Введение

Глава 1. Развитие электроплавки стали в электродуговых печах

1.1. Роль электроплавки на современном этапе развития электросталеплавильного производства.

1.2.Новое поколение электродуговых печей.

1.3. Электроплавка с непрерывной загрузкой шихты.

Выводы по главе 1.

Глава 2. Анализ энерготехнологических преимуществ электроплавки стали с непрерывной загрузкой шихты.

2.1. Интенсификация расплавления шихты.

2.2. Стабилизация энерготехнологического режима.

Выводы по главе 2.

Глава 3. Оценка экономических и экологических преимуществ процесса.

Ш 3.1. Экономическая эффективность процесса.

3.2. Экологическая эффективность процесса.

Выводы по главе 3.

В мировой и отечественной черной металлургии происходят радикальные изменения в направлении роста выплавки электростали и увеличении числа компактных электросталеплавильных мини-заводов и комплексов, которые связаны с высокой конкурентоспособностью новых металлургических технологий.

Нарастающий успех электрометаллургии в массовом производстве стали определяется инновациями - внедрением новых научно-технических разработок - на стыке электротермии и металлургии, образующих электрометаллургию, и связан, прежде всего, с созданием нового поколения электродуговых печей (ЭДП) и новых электросталеплавильных технологий. Это явилось основной причиной радикального сокращения расхода технологической электроэнергии и электродов и существенного улучшения технологических, экологических и экономических показателей электросталеплавильного процесса.

Сравнивая прирост производства всей стали с приростом производства электростали в период 1980-2000 г.г., можно оценить долю инновационной составляющей в форсированном развитии электросталеплавильного производства: по нашим расчетам ускорение развития электросталеплавильного производства в период 1970-2000 г.г. на 7580% происходило за счет инноваций, т.е. внедрения новых технологических, конструкторских и планировочных решений. Ведущие производители стальной продукции рассматривают электрометаллургию как наиболее современную и эффективную технологию массовой выплавки стали.

Электроплавка в высокомощных высокоимпедансных ЭДП последнего поколения достигла практического предела энерготехнических возможностей при работе по традиционной технологии с порционной загрузкой шихты: плавление шихты за 22-24 мин, ультравысокая мощность до 200 МВт, вводимая на ступенях вторичного напряжения выше 1000 В, годовая производительность одного агрегата до 2 400 тыс. т.

Развитие электроплавки стали продолжается на основе новых энерготехнологических решений, направленных на дальнейшее усиление процессов энерго- и ресурсосбережения и защиты окружающей среды. Новый импульс для усиления внимания производителей стали к электрометаллургическим технологиям дает Киоткий протокол, подписанный Россией в 2005 г., поскольку черная металлургия является одной из отраслей, дающих заметную долю эмиссии парниковых газов в национальной квоте. Именно такие экономически и экологически эффективные технологии, как электрометаллургия, обладают высокой конкурентоспособностью в современной мировой металлургии.

Для оценки дальнейших перспектив отечественной электрометаллургии важно рассмотреть преимущества новых электросталеплавильных технологических процессов, которые внедряются на ряде металлургических заводов в США, странах Европы и Азии, имеют высокий потенциал дальнейшего развития в мировой практике и могут быть с успехом использованы на отечественных металлургических заводах и комбинатах.

Электроплавка стали при непрерывной загрузке шихты, когда электрические дуги в течение всей плавки горят на «плоском» зеркале жидкой ванны, может рассматриваться как электросталеплавильная технология такого рода, которая является весьма привлекательной для российской черной металлургии.

В этой связи представляется необходимым изучить и обосновать технологические, энергетические, экономические и экологические преимущества новой технологии по сравнению с традиционной электросталеплавильной технологией с порционной загрузкой шихты.

Общие выводы

1. Нарастающий успех электрометаллургии в массовом производстве стали обеспечивается инновациями - внедрением новых научно-технических разработок - на стыке электротехники и металлургии, образующих электрометаллургию, и связан с созданием нового поколения электродуговых печей (ЭДП), и переходом на энергосберегающие режимы ведения плавки, поскольку эти режимы являются неотъемлемой составляющей современной электросталеплавильной технологии.

Инновационные решения в области ЭДП учитывают энерготехнологическую природу электроплавки и направлены на увеличение вторичного напряжения печных трансформаторов и использование в электрическом контуре системы электропитания печей дополнительных реакторов для повышения общего сопротивления (импеданса) и устойчивости горения дуг на повышенных напряжениях и пониженных рабочих токах.

Высокомощные высокоимпедансные ЭДП последнего поколения достигли практического предела технических возможностей при работе по традиционной технологии с порционной загрузкой шихты: плавление шихты за 22-24 мин, ультравысокая мощность до 200 МВт, водимая на ступенях напряжения выше 1000 В, производительность одного агрегата до 2 400 тыс. т/год

2. Развитие электросталеплавильного процесса продолжается на основе новых энерготехнологических решений, направленных на энерго- и ресурсосбережение и защиту окружающей среды. Электроплавка стали при непрерывной загрузке шихты, когда электрические дуги в течение всей плавки горят на «плоском» зеркале жидкой ванны, может рассматриваться как одна из перспективных электросталеплавильных технологий такого рода.

Исследования на 75-т ЭДП с системой непрерывной загрузки шихты Констил на заводе ОРИ Мартин показали, что новая технология обеспечивает снижение расходов по переделу за счет использования более дешевого скрапа, сокращения потребления энергии, расходуемых материалов, трудозатрат и затрат, связанных с защитой окружающей среды.

Электроплавка стали при непрерывной загрузке шихты обладает значительным потенциалом развития в мировой металлургии, о чем свидетельствует внедрение нового процесса на ряде металлургических заводов в США, странах Европы и Азии.

3. Энерготехнологические преимущества электроплавки стали с непрерывной загрузкой шихты в жидкую ванну по сравнению с электроплавкой стали с порционной загрузкой шихты заключаются в следующем:

Технологические преимущества проявляются в сокращении продолжительности плавки и повышении производительности электродуговой печи за счет устранения «холодного начала» плавки и одновременного протекания процессов расплавления и растворения скрапа при его погружении в жидкий металл и более раннем формировании активного шлака, необходимого для протекания металлургических реакций.

Разработана модель процесса «плавление-растворение» скрапа в жидкой ванне по схеме «намораживание корочки расплава на холодном скрапе - плавление намерзшей корочки - переход в расплав основной массы скрапа». Расчетами по модели определены предельные габариты скрапа, который может быть загружен в крупнотоннажную электропечь без замораживания жидкой ванны. Результаты расчета достаточно хорошо совпадают с практическими данными.

Энергетические преимущества проявляются в более высокой доле активной мощности, отбираемой электродуговой печью от печного трансформатора в ходе горения дуг на зеркале жидкой ванны, в снижении уровня шума от электрических дуг, в меньшем отрицательном воздействии печи на энергосистему за счет стабилизации энерготехнологического режима.

Определены условия стабильного и малошумного процесса электроплавки стали при горении дуг на зеркале жидкой ванны. Выбранный энерготехнологический режим обеспечивает высокую интенсивность нагрева металла, теплофизическую устойчивость горения дуг, надежность работы регулятора мощности. Такой режим позволяет сократить расход электроэнергии и повысить стабильность энергетической работы электросталеплавильного агрегата.

4. Экономические преимущества электроплавки стали с непрерывной загрузкой шихты определяются возможностью увеличения в металлошихте доли более дешевого легковесного скрапа; сокращением удельных расходов энергоносителей и электродов, снижением затрат на технологическую электроэнергию при расчетах с энергосистемой за счет более полного использования мощности печного трансформатора.

Выполнены расчеты экономической эффективности проекта внедрения технологии электроплавки стали с непрерывной загрузкой шихты на 75-т ЭДП производительностью 700 тыс.т в год для условий Уральского региона, которые подтверждают экономическую эффективность процесса. Проект обладает хорошей устойчивость при риске роста инвестиций до 50 %, границы безубыточности находятся в пределах оптимального уровня. Срок окупаемости инвестиций на внедрение нового процесса значительно лучше среднего срока окупаемости металлургического оборудования в отрасли. В перспективе снижение выбросов СОг при электрплавке стали с непрерывной загрузкой шихты может существенно увеличить экономическую эффективность процесса за счет учета в себестоимости электростали «киотской» составляющей.

Предварительная оценка экономической эффективности новой технологии показала, что электродуговые печи с непрерывной загрузкой шихты могут найти место на российских металлургических и машиностроительных предприятиях, особенно в промышленных регионах страны, где имеется в достаточном количестве металлический лом, электроэнергия и остро стоят проблемы защиты окружающей среды.

5. Экологические преимущества электроплавки стали с непрерывной загрузкой шихты проявляются, прежде всего, в снижении эмиссии отходящих газов из-за отсутствия газокислородных горелок для интенсификации плавки. Использование первородных железосодержащих материалов в шихте дает дополнительные экологические преимущества новой технологии перед традиционными сталеплавильными технологиями.

С позиций природоохранного законодательства электроплавка стали с непрерывной загрузкой шихты может быть отнесена к категории наилучших существующих технологий, основанных на последних научно-технических достижениях и направленных на снижение негативного воздействия на окружающую среду. При оценке перспектив развития таких технологий следует в полной мере учитывать их экологическую эффективность, т.к. при их внедрении можно претендовать на льготы и средства из национальных и международных экологических фондов в соответствии с механизмами Киотского протокола:

Экологические преимущества новой технологии смогут обеспечить дополнительные экономические выгоды при ее внедрении:

- повышение инвестиционной привлекательности проектов модернизации производства;

- получение дополнительной прибыли за счет продажи единиц сокращения эмиссии;

- финансовая помощь в реализации проектов по механизмам Киотского протокола;

- дополнительное обеспечение кредитов на реализацию проектов путем переуступки прав на продажу единиц сокращения эмиссии банкам - кредитором.

6. Электроплавки стали с непрерывной загрузкой шихты представляет собой заметный этап в развитии электросталеплавильного производства. На основе этого процесса разрабатывается новая комбинация металлургических переделов для выплавки стали, стратегической целью которой является выход на рынок с экологически чистой инновационной металлургической технологией в тот момент, когда наступит ожидаемое ужесточение природоохранного законодательства.

Развитие электросталеплавильных технологий по пути «ЭДП обычной мощности -высокомощная ЭДП - энергосберегающая высокоимпедансная ЭДП нового поколения -ЭДП с системой непрерывной загрузки шихты» показывает, что с увеличением возраста технологий уменьшается их эффективность, и необходимо своевременно производить перераспределение ресурсов на разработку новых вариантов технологий с более высоким потенциалом развития, чтобы своевременно распознать и подготовиться к технологическим скачкам, которые ведут к замене существующих технологий. Традиционная привязанность к существующим зрелым технологиям в долгосрочном плане неизбежно ведет к технологическому отставанию.

7. Электроплавки стали с непрерывной загрузкой шихты - пример инновационной металлургической технологии, когда новые разработки были выведены на рынок и получили платежеспособный спрос. В развитии электросталеплавильного производства происходит очередной «технологический рывок».

Итоги и перспективы развития ЭДП и электросталеплавильного производства показывают сложный путь инновационного процесса от возникновения технической идеи до ее реализации и выхода на рынок современных технологий и оборудования, содержащих новые знания. Новые технологические решения приводят к радикальным изменениям в сталеплавильном производстве. Можно утверждать, что современные электросталеплавильные технологии готовы ответить на вызовы XXI века.

1. Амелинг Д. Черная металлургия на подъеме. Черные металлы, ноябрь 2004г., с.56-60

2. Овчинников С.Г., Смоляренко В.Д., Черняховский Б.П. Инновационные процессы -основа развития современной металлургии. Металлург. №7,2005, с. 6-12

3. Н. Блейджендааль. Влияние производителей металлургического оборудования на инновационное развитие сталеплавильного производства. Электрометаллургия, №12, 2004, с.2-6.

4. Смоляренко В.Д., Овчинников С.Г., Черняховский Б.П. Опережающие темпы развития электрометаллургии стали. Сталь, №3.2005г.

5. Haissig М., Fuchs G., Auer W. EAF technology beyond the year 2000. MPT International, №1, 1999, p.56-63

6. Bleijendaal N. The changing role of engineer and equipment supplier in the steel oindustry. Millennium Steel Publishing, London, 2004, p. 14-18

7. Мюллер Ф. Электросталеплавильное производство в начале XXI века. Сталь №11,2004г., с. 31-34.

8. Смоляренко В.Д., Овчинников С.Г., Черняховский Б.П. Современное состояние и перспективы развития ЭДП для выплавки стали. Сталь, №2,2005г.

9. Treppschuh F., Badusch L., Fuchs H., Schubert V., Schaefers К. New technologies in electric steelmaking applications and performance. Stahl und Eisen № 2,2003, c. 53-56.

10. Материалы семинара «Инновационное развитие электросталеплавильного производства». ОАО ВНИИЭТО. Постоянный семинар по электроплавке и электропечам. Москва, март 2004г. 56 с.

11. Попов А.Н., Овчинников С.Г. Развитие электросталеплавильного производства на основе инноваций. Доклад на конференции «Новые материалы и технологии в черной и цветной металлургии», 3-я Международная неделя металлов, М., март 2005г.

12. Материалы семинара «Современная ДСП как энерготехнологический агрегат». ВНИИЭТО. Постоянный семинар по электроплавке и электропечам. Москва, март 2003г.

13. Г. А. Лопухов. Применение кислорода в дуговых сталеплавильных печах. Электрометаллургия № 3,2005г.

14. Казаков С.В., Спирин Д.В. Седьмая европейская конференция по электрометаллургии. Электрометаллургия, №12,2002. с. 37-42

15. Свенчанский А.Д., Смелянский М.Я. Электрические промышленные печи. Часть вторая. Дуговые печи. М. «Энергия», 1970г.

16. Смоляренко В.Д. Высокомощные дуговые сталеплавильные печи. М., «Энергия», 1976г., 104 с.

17. Спелицин Р.И. Исследование заглубления электрической дуги в жидкую ванну в условиях высокомощных ДСП. Электротермия, 1975, вып. 12, с. 10-11.

18. Wunsche Е., Sinkoe R. EAF steelmaking with quasisubmarged arcs and foamy slags. Iron and steel Engineer, April 1984, p. 35

19. Смоляренко A.B. Анализ инновационных особенностей электрометаллургических мини-заводов и оценка их инвестиционной привлекательности. Кандидатская диссертация. М., МИСИС. 2000 г.

20. Явойский В.И. Теория процессов производства стали. М.: Металлургиздат, 1963г. 423с.

21. Ефроймович Ю.Е. Оптимальные электрические режимы дуговых сталеплавильных печей. М. Металлургиздат. 1956 г.

22. Соколов А.Н. Рациональные режимы ДСП. М. Металлургиздат, 1960 г.

23. Окороков Г.Н., Крутянский М.М. Некоторые особенности дуговых печей постоянного и переменного тока как металлургических агрегатов. Электрометаллургия, №6,2003г.

24. Никольский JI.E., Смоляренко В.Д., Кузнецов JI.H. Тепловая работа дуговых сталеплавильных печей. М., «Металлургия», 1981г.,328 с.

25. Ефроймович Ю.Е. Связь между электрическими и тепловыми процессами в ДСП. Электричество №9,1962, с.72-77.

26. Кручинин A.M., Савицки А. Расчет рабочего тока и сопротивления дополнительного реактора ДСП. Электрометаллургия, №3,2002 г., с.27-32

27. Мейксон В.Г., Рабинович B.JI. Электропечные трансформаторы для современных 100т ДСП. Электрометаллургия, №6,2003г., с. 17-19

28. Ахметшин Н.Ф., Зинуров И.Ю., Галян B.C., Киселев А.Д., Шумакков A.M. Выбор параметров трансформатора высокомощной ДСП с реактором, последовательно включенным реактором в питающую сеть. Электрометаллургия, №6,2003г., с. 21-23

29. Нархольц Т., Виллемин Б. Дуговая печь серии Ultimate компании ФАИ Фукс начало нового этапа в развитии электросталеплавильного производства. «Сталь», №11, 2004г. с.35-37

30. Семинар фирмы ФАИ Фукс «Сталь инвестиции в будущее» для металлургов России и стран СНГ, июнь 2004г., Германия - Италия. Электрометаллургия, №10,2004г. с.47

31. Амелинг Д., Хеманн Р. Торговля правами на выбросы: система квотирования и промышленность. Черные металлы, сентябрь 2004г., с.62-65.

32. Киотский протокол вступил в действие. Электрометаллургия, №6,2005г., с.47

33. Lombardi Е. Argenta P. The process and environmental benefits of Consteel. Доклад фирмы Tecnint на 2-й ближневосточной конференции по сталеплавильному производству. Дубай, декабрь 1999г.

34. Аргента П., Бианчи Ферри М. Выплавка электростали с непрерывной загрузкой горячей шихты. Электрометаллургия, №5,2003, с.27-34

35. Ломбарди Э., Арджента П. Энерготехнологические преимущества работы ЭДП с системой Consteel. Электрометаллургия, №6,2004г., с.41-47

36. Черняховский Б.П. Гибкий процесс производства электростали на заводе Ори Мартин. Электрометаллургия, №3,2004г., с.40-43

37. Klein К. Low emission, high productivity EAF operation. Сообщение на конференции «Металлургия вчера, сегодня, завтра». Швеция, июнь 1997г.

38. Argenta P., Ferri М. В. Путь к замене кислородного конвертера на ЭДП. Доклад на VII Конгрессе сталеплавильщиков, Магнитогорск, 15-17 октября 2002г.

39. Wagener F. Reality check for mini steel plant. Отчет компании Technometal для завода US Steel, Duisburg 1995.

40. Референц-лист компании Techint Technologies. Intersteel Technology «Consteel», сентябрь 2003г.

41. Черняховский Б.П., Глинков Г.М., Смоляренко В.Д. Технологические преимущества электроплавки стали с непрерывной загрузкой шихты. Электрометаллургия, №7 2005г., с.3-8

42. Черняховский Б.П., Кручинин A.M., Смоляренко В.Д. Энергетические преимущества электрплавки стали с непрерывной загрузкой шихты. «Электрометаллургия», № 5, 2005, с. 14-18.

43. Di Donato A., Volponi V., De Miranda U. Development of flexible operating practices to produce steel with Consteel EAF process in ORI Martin plant. Публикация компании Techint Technologies, Венеция, май 2002 г.

44. Argenta P. The process and environmental benefits of Consteel.

45. Доклад фирмы Compania Tecnica Internazionale, представленный на конференции «3rd Annual Middle East Steel Congress», ОАЭ, декабрь 2000г.

46. Бигеев A.M., Бигеев В.А. Металлургия стали. Теория и технология плавки сталей. Магнитогорск, МГТУ, 2000г., с.75-79

47. Глинков Г.М., Банст В.Я., Меджибожский М.Я., Сельский В.И. Плавление холодного стального лома в перегретом железоуглеродистом расплаве. Известия ВУЗов. Черная металлургия, 1972, № 3, с 62-64.

48. Глинков М.А., Скороход Б.М., Глинков Г.М. Моделирование плавления холодного скрапа в жидкой ванне мартеновской печи. Известия ВУЗов. Черная металлургия, 1974, №3, с 174-177.

49. Глинков Г.М., Смирнов В.И., Василевицкий А.В., Скороход Б.М., Крейндлин П.Н. Исследование на математической модели плавления скрапа в сталеплавильном агрегате непрерывного действия. Известия ВУЗов. Черная металлургия, 1976, № 6,с 141-144.

50. Сисоян ГА.Электрическая дуга в электрической печи. М.: Металлургия , 1974г. 348 с.

51. Стадниченко Д.В. Изучение деазотации стали. Кандидатская диссертация. МИСиС, М.: 2000г.

52. Krouchinin A.M., Sawicki A. A Theory of Electrical Arc Heating. The publishing office of Technical Univesity Censtochowa, 2003, 174 s.

53. Артемов В.И., Левитан Ю.С., Синкевич О.А. Неустойчивость и турбулентность в низкотемпературной плазме. М.: Изд-во МЭИ, 1994,412 с.

54. Миронов Ю.М., Миронова А.Н. Электрооборудование и электроснабжение электротермических, плазменных и лучевых установок. М.: Энероиздат, 1991, 376 с.

55. Krouchinin A.M., Sawicki A. Piece i urzadzenia lukowe. Widawnictwo Politechiki Czenstochowskiej, Censtochowa. 2000, 196 s.

56. Кун P. Методы и средства по оптимизации работы ЭДП. Черные металлы, ноябрь 2004г., с.47-5357. «Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов и их отбору для финансирования» (вторая редакция), Теринвест, М. 1999 г.

57. Цырук С.А., Киреева Э.А., Кондратов А.В. Тарифная политика и потребители электрической энергии. Электрометаллургия, № 6,2004 г.

58. Крейнин Е.В. Парниковый эффект: причины, прогнозы, рекомендации. Экология и промышленность России, июль 2005г., с. 18-23

59. Рогинко С.А. Киотский протокол: уроки и задачи. Экология и промышленность России, февраль 2005г., с.4-7

60. Битюкова В.Р. Экологическая цена промышленного роста в России. Экология и промышленность России, июль 2005г., с.8-11

61. Симонян JI.M. Экологически чистая металлургия. М.: Изд. МИСИС, 2001г., 235с.

62. Материалы семинара «Защита окружающей среды в металлургии: современные электросталеплавильные комплексы и ликвидация мартеновского производства». ВНИИЭТО. Постоянный семинар по электроплавке и электропечам. Москва, март 2002г.

63. Анохин A.M., Введенская Т.Е. Всемирный саммит по устойчивому развитию в Иоханессбурге. Вестник экологического образования России, 2002г. №3, с. 3-10

64. Киотский протокол важнейший экологический документ современности. Электрометаллургия, № 2,2005 г.

65. Trailer D. Greenhouse gas emissions and the Iron & Steel industry. Информация фирмы VAI, Линц, Австрия, июнь 2005г.67. «Об охране окружающей среды». Закон РФ от 10.01. 2002г. № 24-ФЗ

66. ГОСТ Р ИСО 14001-98 Системы управления окружающей средой. Госстандарт, 1998г.

67. Погорелова В.Б. Особенности управления инвестиционной деятельностью предприятия с учетом фактора экологичности. Кандидатская диссертация. М.: ГАСИС. 2003 г.

68. Tanaka Н., Raggio С. The new way of Ironmaking. Metec 2003, Dusseldorf, June 16-23

69. Tanaka H. Reduction of CO2 emission and future steelmaking process. IJIS, July 1993.

70. Мини-заводы экологический успех. Интрнет-сайта фирмы Nucor «Recycled Steel: An environmental success. Январь 2004г.

71. Мини-заводы фирмы NUCOR. Информационные материалы Постоянного семинара по электроплавке и электропечам. Москва, 2005г.

72. Материалы семинара «Мини-заводы нового поколения: развитие на основе инноваций». ВНИИЭТО. Постоянный семинар по электроплавке и электропечам. Москва, февраль 2005г.

73. Raggio С. Clean technologies for steel industrie. Millennium Steel Publishing, London, 2005, p.81-84

74. Дитер И., Шнайдер Г. Технологический маркетинг М.: Янус- 2003 478с.