Новости

Плавление лома и предъявляемые к нему требования

А.Е. Семин, д.т.н, профессор МГИСиС
В.Н. Супрун, «РВМ»

На основе анализа работы ряда сталеплавильных цехов России и других стран авторы попытались показать влияние качества лома на технико-экономические показатели плавки.

Основным сырьем для выплавки стали в дуговых печах являются металлоотходы собственных металлургических производств и поступающий со стороны товарный лом. Основными предъявляемыми требованиями являются: большая или меньшая определенность химического состава лома его насыпная плотность и габаритные размеры отдельных составляющих. Примерный состав металлошихты необходимо знать при выплавке стали в любом металлургическом агрегате.

Состав лома, используемого в ДСП, интересует нас как с точки зрения рационального использования содержащихся в нем легирующих элементов, таких как Ni, Mo, Сг и др., так и количества вредных (S, Р) и остаточных примесей (Си, Ni и Sn). Поскольку последние по ходу плавки не удаляются, их концентрация может превысить допустимые для выплавляемой стали пределы. Состав металлоотходов собственного производства известен. Сортировка этих отходов на заводах качественной стали, использующих в электросталеплавильных цехах небольшое количество товарного лома, гарантирует от случайных выпадов выплавляемой стали по химическому составу. Но для выплавки стали отдельных марок, к которым предъявляются особо жесткие требования по остаточному содержанию Си и Ni, приходится более тщательно подбирать отходы собственного производства.

Собственные металлоотходы целесообразно использовать для выплавки стали более ответственного назначения. Но их сегодня не хватает, а в перспективе будет еще меньше. Отходы металла текущего производства металлообрабатывающей промышленности, если их сортируют и не смешивают, с этой точки зрения также не вызывают опасения. К сожалению, и не только у мелких потребителей, отходы черных металлов часто перемешиваются с отходами цветных металлов и сплавов. Более засорен остаточными примесями амортизационный лом, состав которого неизвестен. Исключение - лом, полученный при демонтаже строительных конструкций, судов и железнодорожных путей.

С уменьшением насыпной плотности лома до 0,8-1,0 т/м3, что типично для новых цехов со 100-тонными печами, первоначальный объем бадей 50 м3 необходимо увеличить до 70-80 м3, обеспечивая этим загрузку печей в 2 приема, т.е. с одной подвалкой. Естественно, что при этом раскрывать бадьи надо над печами, как это повсеместно принято за рубежом. При легковесном ломе и небольшом количестве крупногабаритных кусков их размещают сверху некоторой части легковесного лома, в центральной части первой бадьи. Особой опасности повреждения подины печей падающими кусками лома при этом не возникает. Печи до верхней кромки загружаются ломом, который слегка трамбуют нижним основанием бадьи. Для печей большей вместимости объем бадей соответственно увеличивают; например, для печей вместимостью около 185 т на заводе в г. Джонстауне (США) - до 120 м3.

Плавление крупных кусков лома, загруженных в высокомощные печи, имеет свои особенности. Погружаясь в жидкую ванну, эти куски медленно растворяются в металле. К концу фиксируемого периода плавления процесс полностью не завершается. Это вызвано относительно небольшой продолжительностью плавления основной массы лома и незначительным перепадом температуры на границе кусков лома с жидким металлом, несмотря на то что температура ванны достигает 1520-1530°С. Не всегда помогает и перемешивание ванны кислородом. Продолжительность окислительного периода увеличивается за счет искусственного сокращения времени плавления. При относительно небольших количествах и размерах кускового лома суммарная продолжительность плавления и окислительного периода, как и удельный расход электроэнергии за эти периоды, может не меняться.

Это было, в частности, установлено на Челябинском металлургическом комбинате, где для сокращения числа подвалок в 100-тонной печи с двух до одной, часть плавок проводили с использованием 20-25% блюмовой обрези сечением 250x250 мм. Приводим соответствующие средние показатели 2 групп плавок.

Количество подвалок (и число плавок) 1 (78) 2 (47)
Удельный расход электроэнергии, кВт/ч:             
-- в плавление 412 436
-- в окислительный период 116 91
--- всего 528 527
Продолжительность, мин:    
-- плавления: 117 123
-- окислительного периода 56 47
--- всего 173 170

Но с дальнейшим увеличением размеров или количества крупногабаритного лома в шихте суммарная продолжительность этих периодов и удельный расход электроэнергии начинают возрастать. В качестве примеров ниже представлено изменение температуры жидкого металла в 100-тонной печи во времени после зафиксированного «конца плавления» и количество израсходованной электроэнергии на 1 т металлошихты в этот период. Шихта плавок в обоих случаях состояла на 30-35% из крупногабаритной обрези сечением более 250x250 мм, а остальных плавок из подготовленного к плавке легковесного лома вида ЗА и не содержала крупногабаритных отходов. На плавке с габаритным ломом температура металла возрастала равномерно с 1520 до 1570°С, в то время как на плавке с высоким содержанием тяжеловесной обрези температура в течение 12 мин окислительного периода практически не изменялась и колебалась около 1520°С. Только после полного растворения лома в жидкой ванне, т е. к концу истинного периода плавления, температура металла в печи стала быстро возрастать и достигла тех же 1570°С, но не за 14, а за 22 мин.

Каково влияние большого количества тяжеловесного лома на удельный расход электроэнергии? На плавке с габаритным ломом температура металла непрерывно увеличивалась с 1520 до 1620°С, что свидетельствовало о завершении плавления лома. Всего с момента включения печи было израсходовано 1,87 ГДж/т(520 кВт-ч-т). В окислительный период плавки с тяжеловесом в течение некоторого времени металл не нагревался, его температура сохранялась на уровне 1515-1520°С. Температура стала возрастать только после израсходования 1,62 ГДж/т (450 кВт-ч/т). Температура металла 1620°С была достигнута только после расхода 2,03 ГДж (565 кВт-ч) на 1 т металлошихты.

Эти данные позволяют правильнее оценивать завершенность плавления лома по температуре металла. Стабильная температура в течение некоторого времени в большинстве случаев менее 1525°С свидетельствует о наличии нерасплавившегося лома на подине печи. Непрерывный рост температуры и достижение определенных ее значений, зависящих от содержания углерода в металле, обычно 1550-1560°С указывают на завершение его плавления.

Основной практический вывод заключается в необходимости ограничивать примерно 20% количества тяжеловесного кускового лома с размерами сечения 250x250 мм и более в шихте высокопроизводительных дуговых печей даже с целью уменьшения числа подвалок.

В электросталеплавильных цехах заводов, не имеющих мартеновского и конвертерного производства, вообще нельзя рассчитывать на такое количество тяжеловесных отходов. В перспективе, в связи с распространением МНЛЗ, количество собственных отходов сокращается до 60-100 кг/т. В связи с этим необходимо ориентироваться преимущественно на использование подготовленного легковесного лома в шихте почти всех новых электросталеплавильных цехов. Насыпная плотность такого лома в перегрузочных контейнерах и загрузочных бадьях в среднем будет составлять 0,8-1,0 т/м3, а после перегрузки его в печь еще на 10-15% меньше.

Насыпную плотность лома как металлургического сырья правильнее оценивать по массе первой бадьи, когда заполняется рабочее пространство известного объема, как это принято в промышленно развитых странах.

При наличии такого лома, использовании 5-8% чушкового чугуна, некоторого количества собственных отходов, загрузочных бадей объемом 70-80 м3 для 100-тонных печей, можно ориентироваться на подачу лома на каждую плавку двумя бадьями.

В этом направлении развивалось и электросталеплавильное производство за рубежом. В европейских странах и США по экономическим соображениям работали преимущественно на хорошо подготовленном легковесном ломе, хотя крупногабаритный лом имелся в достаточном количестве. Подача лома на одну плавку в 3-4 бадьях практиковалась на многих американских заводах. Как с точки зрения оценки качества использовавшегося на европейских заводах лома, так и по существу следует привести результаты обширных исследований, проводившихся в европейских электросталеплавильных цехах с печами 30-75 т в течение 13 лет и опубликованных в 2004 г.

Эти печи, плавившие шихту подтоком в среднем около 1,5 ч, конечно, нельзя отнести к современным высокопроизводительным печам. Интерес представляют только насыпная плотность использовавшегося лома и зависимость между числом подвалок и удельным расходом электроэнергии за время плавления. Насыпная плотность лома в печи изменялась от 0,3 до 0,9 т/м3 (для скандинавских стран -0,8-1,0 т/м3), а загружался лом в печи 2-6 бадьями на одну плавку. Удельный расход электроэнергии на плавление увеличивался в среднем на 63 МДж/т (17,5 кВт-ч/т) на каждую дополнительно загружавшуюся бадью. Это объяснялось, главным образом, потерями тепла радиацией от внутренней поверхности открывавшихся печей и их отвернутого свода и поднятых электродов. По другим данным, на каждой подвалке, продолжавшейся 3-4 мин. терялось от 29 до 54 МДж (от 8 до 15 кВт-ч) электроэнергии на 1 т загруженного в печи лома.

Статистическая обработка производственных данных по мощным 100-тонным печам ЧМК («Мечел») показала, что увеличение числа подвалок лома с одной до 2 увеличивает расход электроэнергии в период плавления в среднем на 58 МДж/т (16 кВт-ч/т) при значительно более продолжительном выключении печей. Но печи завода имели водоохлаждаемые стеновые и сводовые панели.

Подробнее остановимся на использовании в шихте дуговых сталеплавильных печей пакетов и стружки, в частности необожженной и небрикетированной. Количество даже небольших пакетов размерами не более 500x500x500 мм не должно превышать 10-20% от общей массы лома и загружать их надо в первую бадью. Это связано со способностью пакетов свариваться друг с другом и, опускаясь, ломать электроды. Судя по информации японской фирмы «Сьева Денко», число поломок электродов пропорционально количеству пакетов в шихте. В среднем на долю поломок на японских заводах приходилось не более 5% израсходованных электродов. Следует также иметь в виду, что пакеты, за исключением пакетов из спрессованных собственных отходов, чрезмерно загрязнены цветными металлами.

Ресурсы ежегодно образующейся у нас стальной стружки оцениваются в настоящее время в размере 2,5 млн. т, и крайне заманчиво полнее использовать ее в шихте дуговых печей. Смешивание стальной стружки со стружкой цветных металлов в цехах металлообрабатывающих предприятий можно устранить тщательным разделением. Но стружка загрязнена смазочно-охлаждающими эмульсиями, а стружка «вьюнок» нуждается в предварительном измельчении, возможно, при криогенных температурах. Назрела необходимость создания технологических ресурсов, более перспективных, чем горячее брикетирование стружки, которое малопроизводительно и сопровождается значительным окислением стружки. Наличие смазочно-охлаждающих эмульсий на поверхности стружки до 2% по массе не является препятствием для ее использования в современных ДСП, оборудованных устройствами для дожигания дымовых газов; в отдельных случаях с оборотным циклом для деодорации продуктов неполного сгорания эмульсий, имеющих неприятный запах.

Для обеспечения заданного содержания углерода в металле в шихту дуговых сталеплавильных печей часто вводят до 10-15% чушкового чугуна. При этом несколько понижается содержание остаточных примесей (Си, Ni) в металле по сравнению с плавками, проведенными с коксом или антрацитом в качестве карбюризатора. Содержание Р в шихте и затраты на исходные материалы при этом увеличиваются.

Угар металла в сталеплавильных агрегатах - один из важнейших факторов, определяющих выход жидкого (годного) металла, а также расход металлошихты при различных сталеплавильных процессах. Величина угара зависит от особенностей технологии плавки, качества применяемых исходных материалов и прежде всего от качества используемого металлолома, а также от интенсификации плавки кислородом.

Качество применяемого металлолома, характеризуемое содержанием в нем чистого железа, зависит от засоренности лома, наличия эмалевых и других покрытий, ржавчины и окалины.

Важным фактором, влияющим на угар лома в сталеплавильном процессе, является величина его активной поверхности, которая определяет степень взаимодействия лома с кислородом. Активная поверхность лома зависит в основном от его толщины (диаметра), которая может быть оценена насыпной массой лома в мульде, совке. В технико-экономических показателях сталеплавильных процессов величина угара лома является одной из наиболее важных статей, определяющих производительность агрегата и себестоимость 1 т стали.

Технологическая ценность различных видов лома зависит, прежде всего, от величины возможного его угара. Сравнительно небольшое количество данных по угару металлолома различных видов было получено при работе мартеновских печей без интенсификации плавки кислородом и при использовании в качестве топливной смеси в основном коксового и доменного газов.

Исследования, проведенные на большегрузных печах с применением природного газа, показали, что при использовании на плавку различных видов лома угар металла значительно изменяется.

По данным опытных плавок на Челябинском металлургическом комбинате, общая величина угара металла при применении кислорода только в факел на плавках с использованием в шихте различных видов металлолома составила, %: тяжеловесный оборотный лом - 5,6; смешанный лом (обрезь блюмов, легковесный лом, пакеты) - 7,6; легковесный лом - 10,8.

Определенное влияние на угар оказывают параметры пакетов. Так, при применении на плавку пакетов с пресса ПГ-1500 плотностью 1,72-2,91 т/м3 величина угара снижается с 9,3% до 7,6%. Использование малоплотных пакетов с пресса ПГ-400 приводит к повышению угара до 10-11%. При завалке легковесного лома, предназначенного для пакетирования (с насыпной плотностью в мульде 0,59 т/м3), угар увеличивается до 12,8%.

При применении аналогичных видов лома с использованием кислорода в ванну с интенсивностью продувки 5-6 м3/(т-ч) общий угар на плавках при завалке обрези блюмов и проката увеличился на 0,7 %, при товарном ломе (насыпная плотность 1,0-1,3 т/м3) - на 4,3%, а при использовании пакетов с пресса СРА-1000 - на 6,8%. Следовательно, при интенсификации плавки кислородом угар металла увеличивается тем больше, чем больше активная поверхность лома, взаимодействующая с кислородом (взаимодействие пакетов с окислительными газами, вероятно, имеет объемный характер и тем больше, чем ниже плотность пакетов.

Влияние вида лома на величину угара в кислородном конвертере изучали в условиях интенсивности продувки от 1,5 м3/(т мин) (НЛМЗ, завод им. Ильича) до 3-4 м3/(т мин) (Карагандинский и Криворожский металлургические заводы). Анализ опытных плавок показывает, что угар при использовании тяжеловесного лома составляет 10-11%, а при использовании пакетов увеличивается на 2-4%. Использование легковесного лома способствует повышению угара, причем наибольший угар получается при легковесном ломе, идущем на пакетирование (17-18%).

Повышение интенсивности продувки ванны кислородом не увеличивает общего угара при использовании тяжеловесного лома. При применении пакетов и легковесного лома заметно некоторое повышение угара металлошихты при повышении интенсивности продувки. Вероятно, это объясняется тем, что в случае быстро расплавляющегося лома (пакет, легковес) начальный период плавки более холодный, поэтому значительно возрастает угар железа в шлак. Содержание железа в конечном шлаке за короткий период продувки при ее высокой интенсивности остается повышенным.

Общая величина угара при использовании каждого вида лома в кислородно-конвертерном переделе несколько выше, чем в мартеновском, что объясняется особенностью самого процесса.

На величину угара металлошихты значительное влияние оказывает засоренность металлолома, наличие различных покрытий и ржавчины на поверхности. Характерно, что до настоящего времени учитывается и ограничивается степень засоренности лома и недостаточно уделяется внимания толщине различных покрытий и ржавчине на поверхности металла. Влияние их особенно возрастает при использовании лома, имеющего большую активную поверхность, т. е. лома толщиной меньше 10 мм (лист, полоса, кровля и т.д.).

Влияние поверхностной заржавленности лома в настоящее время имеет существенное значение, т.к. доля используемого легковесного лома в металлошихте значительна. При определении по разработанной совместно со Ждановским металлургическим институтом методике величина окисленности металлолома, используемого на НЛМЗ, в среднем составила: товарного кускового лома - 5,7%, товарного легковесного лома - 27%. Эти данные указывают на необходимость учета степени влияния заржавленности металлолома на общую величину угара.

Опубликовано в журнале "Рынок вторичных металлов" №2/40 2007