СОВРЕМЕННЫЙ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫЙ ЦЕХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЖЕЛЕЗА ПРЯМОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ

Введение

Один из наиболее очевидных аспектов улучшения качества конечной продукции при производстве стали — использование железа прямого восстановления, что может компенсировать нежелательные эффекты, имеющие место при использовании обычного скрапа.

Такая технология позволяет обеспечить экономичное производство стали в электропечах на заводах с неполным металлургическим циклом для производства листовой или специальной продукции на заводах, которые в последнее время стали развиваться как альтернатива крупным интегрированным заводам.

Гибкость третьего цеха прямого восстановления завода HYL обеспечивает идеальную технологию для использования первородной железосодержащей руды для производства продукции разнообразного применения. В процессе прямого восстановления можно использовать окатыши, кусковую руду или их смесь, включая высокосернистую железную руду. Этот процесс позволяёт независимо регулировать как степень металлизации, так и содержание углерода в конечном продукте, т.е. параметры, которые необходимы в различных сталеплавильных процессах. Варианты процесса допускают выгрузку продуктов прямого восстановления как в холодном, так и в горячем состояниях.

Горячие продукты восстановления могут брикетироваться и отправляться на торговый участок или подаваться при 650 °С с помощью новой системы пневмотранспорта ШЬ HYTEMP непосредственно для загрузки в электропечи.

Такая система подачи горячих брикетов позволяет снизить расход электроэнергии. Кроме того, повышение содержания углерода в материале прямого восстановления (в виде карбида углерода) до > 4 % снижает расход электроэнергии, себестоимость жидкой стали и повышает производительность печей.

Комбинация цеха HYL III с системой HYTEMP это экологически приемлемый, высоко эффективный метод модернизации существующих электросталеплавильных цехов или создания зеленых зон. The Hylsa Flat Products Division in Monterrey (Мексика) работает над модернизацией завода, которая сделает этот завод одним из современнейших заводов мира. Новый цех будет работать с электродуговой печью постоянного тока и установкой непрерывной отливки тонких слябов. Пуск этого цеха намечен на последний квартал 1994 г. Цех будет работать с использованием системы HYL HYTEMP, подающей горячий восстановительный материал в электропечь постоянного тока нового цеха.

HYL HYTEMPсистема HYTEMPжелезо — горячий восстановительный материал с температурой 600—700 °С, со степенью восстановления до 95 % и с регулируемым содержанием углерода от 1,5 до 4,5% (и более), который пневматическим транспортом подается от участка выгрузки из реактора до непосредственной загрузки в электропечь. Этот процесс делает наиболее экономичным производство стали в электропечи, благодаря сокращению потребления электроэнергии и повышению производительности печи.

Система HYTEMP цеха прямого восстановления железа представлена на рис.1. Цех состоит из двух независимых секций — первая для производства восстановительного газа и вторая для восстановления железной руды. включающего газопаровой реформер с сопутствующим оборудование таким, как тепловой рекуператор (главным образом, для производства пара) и реформера для осушки газа. Энергия, необходимая для эндотермических реакций в реформерах, может поступать с любым доступным топливом. Энергия от сжигаемого газа используется в конвекционной секции реформера для подогрева питающего газа и для производства пара.

Осушенный газ после реформера смешивается с восстановительным газом на выходе из установки, где из него удаляется С02. Этот восстановительный газ проходит через рекуператор, где нагревается до температуры 930 °С. Горячий восстановительный газ вдувается в цилиндрическую зону реактора, где навстречу ему опускается шихта из твердой руды и происходит восстановление и науглероживание материала.

Газ, отходящий из верхней части реактора, имеющий температуру ~ 380 °С, поступает в рекуператор, где он снова нагревается и используется для подогрева новых порций восстановительного газа. Для сохранения восстановительного потенциала газа из него уд ляются влага в скруббере и углекислый газ в поглотителе. Большая часть колошникового газа возвращается в реактор компрессором и только небольшая часть удаляется из цикла для поддержания требуемого давления, в системе и для контроля состава газа.

В процессе, используемом в реакторе HYL III, может перерабатываться кусковая руда, окатыши или смесь этих материалов. Так как этот процесс характеризуется высоким рабочим давлением (5,5 кгс/см2), то загрузка и выгрузка материала проводится при полной автоматизации управления клапанами.

Вращающийся клапан в нижней части реактора регулирует непрерывное движение твердой шихты через реактор. Восстановленное железо HYTEMP при температуре ~ 700 °С выгружается непосредственно на пневмотранс портную систему и подается в электросталеплавильный цех.

Так как оборудование по производству восстановленного материала связано пневмотранспортом со сталеплавильным цехом, то расстояние между участками сведено до минимума (рис.2). хорошая термоизоляция тракта для сокращения тепловых потерь в окружающую среду; минимальное истирание частиц; возможность транспортирования материала на расстояние до нескольких сотен метров; отсутствие загрязнения окружающей среды; минимальное использование движущихся частей с целью сокращения затрат на обслуживание; простота обслуживания; минимальное взаимодействие с существующими трубопроводами, кабельными линиями, строениями и дорогами; минимальные капитальные и эксплуатационные затраты; безопасность и надежность работы.

Производство высокоуглеродистого восстановленного материала

Важной особенностью процесса HYL Ш яв ляется высокий науглероживающий потенциал восстановительного газа, обусловленный его составом (высокое соотношение Hj/CO при соответствующем содержании СН4) и рабочей температурой (930 °С). Обычное содержание углерода в материале при этой технологии 2,2%.

Для производства восстановительного материала с содержанием углерода > 4 % используют модифицированный процесс (рис.З).

Для получения более высокой степени науглероживания в восстановительнй реактор подают большое количество природного газа. Но так как реакция науглероживания является эндотермической, то с увеличением подачи природного газа снижается температура восстановительного газа в восстановительной зоне реактора, что сильно влияет на степень металлизации и на температуру восстановленного материала при выгрузке.

Для поддержания высокой температуры в зоне восстановления на входе газа в реактор имеется специальная камера сгорания, где

сжигается часть природного газа, давая тем самым дополнительную энергию для реакции науглероживания. Для снижения содержания азота в восстановительном газе в камеру сгорания’ подается кислород или обогащенный воздух.

Эта схема процесса используется в цехе HYL 1П для производства горячего или холодного восстановительного продукта. Состав восстановительного продукта, полученного из руды хорошего качества с различным содержанием углерода в конечном продукте, следующий, % (по массе):

На заводе Hylsa намечается установить новый листопрокатный стан, который повысит производительность, качество продукции и ее конкурентоспособность (рис.4).

На заводе будут использованы новейшие, показавшие хорошие результант технологии: совмещенный процесс непрерывной разливки и прокатки фирмы Шлоеман — Зимаг (Германия).?

Этот процесс включает отливку сляба толщиной 50 мм, прохождение его через туннельную подозревающую печь и прокатку на шестик летьевом стане горячей прокатки.

Сталь будет выплавляться в 150т электропечи постоянного тока на шихте из смеси скрапа и высокоуглеродистого восстановленного материала HYTEMP. Будет также сооружена новая установка печь — ковш. Установка непрерывной разливки будет отливать слябы толщиной 50 мм, которые затем будут поступать в подогревательную печь длиной 220 м • перед поступлением в прокатный стан. Прокатный стан обеспечит производство 1,5 млн.т в год пггрипсов шириной до 53" (1350 мм), вместо ранее производимых пггрипсов шириной 44" (1150 мм). Первая очередь этого цеха будет .производить 730000 т в год горячекатаного листа.

Другие новшества будут состоять в применении правки листов методом растяжения и в некоторых других процессах за прокатным станом, которые связаны с изменением размера рулонов, масса которых будет достигать 20 т. Это коснется модификации существующей линии травления и стана холодной прокатки, после чего будет возможно производить холоднокатаный лист шириной до 48" (1220 мм).

Проект реконструкции предусматривает сооружение линии электропередачи напряжением 400 кВ, которая необходима для питания нового оборудования.

Вторая очередь реконструкции включает сооружение второй электропечи и установки непрерывной разливки стали. Производительность цеха будет доведена до 1,5 млн.т в год.

Наиболее важные преимущества, которые будут достигнуты в результате реконструкции завода, следующие: производительность ста леплавильного цеха повысится на 70%; будет производиться более широкий марочный и размерный сортамент как горячекатаного, так и холоднокатаного листа; улучшится качество продукции (поверхность, свойства, геометрия); улучшится защита окружающей среды; понизится себестоимость продукции, которая выйдет на уровень мировых производителей и будет на 25% ниже, чем при традиционном производстве; улучшится обслуживание потребителя за счет сокращения цикла производства и больших производственных возможностей; повысятся надежность и безопасность работы за счет использования современного оборудования и систем автоматизации. 5. Потенциальные преимущества использования железа прямого восстановления HYTEMP в электродуговой печи

Эффективность использования горячего восстановленного материала HYL HYTEMP в электропечи, которую предполагается соорудить в новом цехе, принята за основу в расчетах.

Примечания. 1. Расход энергии зависит от характеристики материала прямого восстановле ния, содержания углерода и температуры.

Другие характеристики: электропечь постоянного тока, водоохлаждаемые панели и свод, эксцентричный донный выпуск, водоохлаждаемая автоматическая кислородная фурма без дожигания отходящих газов.

Три главных параметра характеризуют восстановительный материал: степень металлизации, содержание углерода и содержание и состав пустой породы. В современных установках прямого восстановления степень металлизации достигает 90—95%; 94% считается хорошим показателем. Варианты химического состава, иллюстрирующие влияние содержания железа в руде при. производстве восста новленого продукта с различным содержанием углерода, следующие (в числителе — руда Mutuca; в знаменателе — Pena Colorado; без скобок — при низком содержании углерода; в скобках — при высоком), %:

Восстановленный материал с наивысшим содержанием железа соответствует использованию смеси бразильской руды (85%) в виде окатышей и 15% кусковой руды (Mutuca). Восстановленный материал с низким содержанием железа получается при использовании окатышей Pena Colorado. Для одинаковых степени металлизации и содержания углерода общее содержание железа в восстановлен материале обратно пропорционально содержанию в руде пустой породы.

Главным фактором, влияющим на потребление электроэнергии при плавлении восстановленного материала в электродуговой печи, является количество и состав пустой породы в этом материале. Наличие оксидов в пустой породе требует большей затраты энергии, чем для плавления железа.

На рис.5 представлено влияние содержания пустой породы на потребление электроэнергии при использовании руд, состав которых приведен ранее. При увеличении количества пустой породы в материале при подаче в шихту как 50, так и 90 % восстановленного материала, затраты электроэнергии возрастают прямо пропорционально содержанию пустой породы. Анализ потребления электроэнергии при плавлении 100% лома и при плавлении железа прямого восстановления свидетельствует о том, что увеличение содержания пустой породы в восстановленном материале сильно влияет на расход электроэнергии.

Расход электроэнергии в электропечи и связанные с этим расходы электродов и огнеупоров оказывают большое влияние на себестоимость жидкой стали.

Зависимость потребления электроэнергии от температуры восстановленного материала, подаваемого в электропечь, показана на рис.6. При температуре окатышей 350 °С и при их количестве в шихте 50 % расход электроэнергии становится меньшим, чем при плавлении 100% лома. При содержании в шихте окатышей 90% достаточна их температура 150 °С, чтобы получить больший эффект, чем при плавлении лома. Эти данные относятся к окатышам, полученным из руды Mutuca, соста

Сравнение сделано для случая плавления 100 % крупногабаритного лома с расходом кислорода в количестве 20 м3 на 1 т жидкой стали. Расход электроэнергии при этом составляет 499 кВт/т, что меньше, чем при плавлении шихты с 50% холодных окатышей без вдувания кислорода. Повышение содержания окатышей в шихте требует увеличения содержания углерода в окатышах для возможности использования кислорода как дополнительного источника энергии при плавлении.

Использование кислорода для выжигания углерода как дополнительного химического источника энергии при плавке в электропечи

На рис.7 показано снижение потребления электроэнергии в зависимости от содержания углерода в окатышах при их содержании в шихте 50 и 90% и при различной температуре загрузки. Необходимо отметить, что при вдувании кислорода в ванну печи важно соотносить его количество с содержанием углерода в шихте, чтобы не допустить выгорания железа.

Как было показано (см.рис.7) комбинированный эффект высоких температуры окатышей и содержания углерода повышают производительность электропечи с одновременным сокращением расхода электроэнергии на расплавление шихты. На рис.8 приведены затраты электроэнергии на плавление и рафинировку в зависимости от температуры загружаемых окатышей, содержания в них углерода и их доли в шихте. С повышением температуры загрузки окатышей и с повышением содержания в них углерода цикл плавки сокращается. При содержании в шихте 90% горячих высокоуглеродистых окатышей производительность печи повышается на 40% по сравнению с работой при 100 %ной загрузке крупногабаритным ломом.

Завод Hylsa по производству листовой продукции (Мексика), находится в стадии осуществления проекта реконструкции и будет наиболее современным и эффективным заводом, использующим шихту в виде смеси скрапа и железа прямого восстановления. На заводе будет использована система HYL HYTEMP, подающая с помощью пневмотранспорта горячие окатыши в электропечь, работающую на постоянном токе. Система работает уже три года, связывая цех прямого восстановления с электропечью.

Большая доля окатышей в шихте исключит проблемы, которые могут возникнуть при прокатке тонких слябов с высокими степенями обжатия.

Преимущества использования железа прямого восстановления, загружаемого непосредственно в электропечь, следующие: цех прямого восстановления HYL HYTEMP проще по составу оборудования, требует меньших капитальных и эксплуатационных затрат по сравнению с цехом прямого восстановления и горячим брикетированием восстановленного продукта; мелочь и пыль, обычно теряемая в атмосфере или сжигаемая, вдувается вместе с восстановленным продуктом в печь, повышая тем самым выход годного: повышенные затраты энергии, требуемые для производства железа прямого восстановления, компенсируются снижением потребления электроэнергии в электропечи; повышенное содержание углерода (главным образом, в виде карбида) играет важную роль для простого и чистого введения в систему химической энергии без дополнительной подачи графита в ванну электропечи; повышенное содержание углерода позволяет также увеличить расход кислорода, что сказывается на повышении производительности печи.

Использование железа прямого восстановления положительного сказывается на качестве металла, что особенно важно при производстве листовой и специальной продукции. Завод Hylsa использует железо прямого восстановления уже в течение 35 лет и будет продолжать его использование с системой HYTEMP в новом цехе для производства тонких слябов. В этом случае оно необходимо для снижения содержания в металле остаточных элементов и азота.

Использование железа прямого восстановления приобретает важность в тех странах, где привозной скрап дорог. В каждом конкретном случае можно установить оптимальное соотношение в шихте скрапа и железа прямого восстановления.

СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке. Т о м 3, Москва 1994