Оценка эффективности способа производства стали с использованием металлизованного железорудного сырья

УДК 681.5

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ СПОСОБА ПРОИЗВОДСТВА СТАЛИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТАЛЛИЗОВАННОГО ЖЕЛЕЗОРУДНОГО СЫРЬЯ

В.В. Попов, В.Г. Лисиенко

В статье представлен способ производства стали с использованием металлизованного железорудного сырья. Принципиальное преимущество предлагаемого способа заключается в том, что в агрегате жидкофазного восстановления и шахтной печи используют рудные материалы, не содержащие оксида титана и ванадия, температура горячего восстановительного газа после охлаждения в рекуператоре на входе в шахтную печь составляет 750-830 оС, а металлическая шихта дуговой электропечи составляет 50-60% металлизованных окатышей, 30-40% жидкого чугуна и порядка 10% металлического лома. В результате использования данного способа расход угля на газификацию снижается на 10-15%, и содержание лома уменьшается до 10% и менее процентов, это дает снижение энергоемкости стали, и обеспечивает первородность шихты, отсутствие вредных примесей цветных металлов в выплавляемой стали и улучшение её эксплуатационных свойств. Оценка эффективности усовершенствованного способа проведена на основе расчета материальных и тепловых балансов

Ключевые слова: сталь, плавка в электродуговой печи, бескоксовый способ, газификация угля

Введение

В настоящей статье описан усовершенствованный способ получения стали. Данный способ определен как - Способ производства стали с использованием металлизованного железорудного сырья. Патент на изобретение №2337971, приоритет от 12 марта 2007 года [1].

Для данного способа рассчитана оценка эффективности на основе материальных и тепловых балансов для каждого из агрегатов технологической цепочки. Результаты расчетов приведены ниже.

Результаты модели показали, что данный способ по ряду показателей более эффективен, чем другие аналогичные бескоксовые способы [2] получения сталей.

Способ принципиально отличается тем, что в агрегате жидкофазного восстановления и шахтной печи используют рудные материалы, не содержащие оксида титана и ванадия, за счет чего температура горячего восстановительного газа после охлаждения в рекуператоре на входе в шахтную печь составляет 750-830 0С, а металлическая шихта дуговой электропечи составляет 50-60% металлизованных окатышей, 30-40% жидкого чугуна и порядка 10% металлического лома.

В результате использования данного способа расход угля на газификацию снижается на 10-15%, и содержание лома уменьшается до

Попов Владимир Владимирович - УГТУ-УПИ, аспирант, тел. (343) 267-12-24, е-шай: igrok-66@mail.ru Лисиенко Владимир Георгиевич - УГТУ-УПИ, д-р техн. наук, профессор, тел. (343) 374-76-85, е-шаД: lisienko@mail.ru

10% и менее процентов, это дает снижение энергоемкости стали, и обеспечивает перво-родность шихты, отсутствие вредных примесей цветных металлов в выплавляемой стали и улучшение её эксплуатационных свойств.

Способ производства стали с использованием металлизованного железорудного сырья

Усовершенствованный способ - Способ производства стали с использованием металли-зованного железорудного сырья - включает в себя следующие процессы:

• получение горячих восстановительных газов и чугуна в газификаторе, при температуре 1500-1600 0С, путем газификации угля;

• получение жидкого чугуна в газификаторе;

• загрузку сырья и подачу горячих восстановительных газов в шахтную печь для металлизации,

• металлизацию окатышей в шахтной печи;

• последующую плавку металлизованного сырья, лома и чугуна в дуговой электропечи с получением стали.

Таким образом, при данном способе в агрегате жидкофазного восстановления и в шахтной печи используются рудные материалы, не содержащие оксида титана. Поэтому температура на входе в шахтную печь не превышает 750-8300С, то есть значительно меньше, чем в известных аналогах. Охлаждение восстановительного газа до указанных температур проводится в рекуператоре, за счет чего идет подогрев кислородно-воздушного дутья, подаваемого

на фурмы агрегата ПЖВ. При степени регенерации 0,6 при этом обеспечивается подогрев дутья до 4000С, что приводит к снижению расхода газифицируемого угля на 10-15%.

В шахтной печи происходит процесс металлизации окатышей. Получаемый в агрегате ПЖВ чугун и металлизованные окатыши из ШП подаются в дуговую электропечь, в которую может загружаться и лом, но не более 10% от металлической части шихты. Таким образом, состав металлической части шихты дуговой электропечи - 50-60% металлизированных окатышей, 30-40% чугуна и 10% лома.

Колошниковый газ ШП может быть использован как экспортный для получения пара и электроэнергии и как дополнительное топливо топливно-кислородных горелок электропечи. Кроме того, теплота колошникового газа используется для нагрева кислорода, подаваемого на верхние фурмы агрегата ПЖВ для частичного дожигания восстановительных газов.

Этот способ реализуется с помощью устройства, представленного на рисунке. Обозначения на рисунке: агрегат ПЖВ - агрегат процесса жидкофазного восстановления; ШП -шахтная печь; ЭДП - электро-дуговая печь.

Предлагаемое устройство включает в себя агрегат ПЖВ 1, шахтная печь для металлизации железорудного сырья (окатыши) 2, дуговую электропечь 3, рекуператор второй ступени для подогрева окислителя 4, рекуператор для подогрева окислителя первой ступени 5.

Рассмотрим работу предложенного устройства: в агрегат ПЖВ загружается рудный концентрат, не содержащий оксидов титана и ванадия (6), и энергетический уголь (7). В рекуператор 4 подаётся кислородно-воздушная смесь (9). Получаемый в агрегате ПЖВ горячий восстановительный газ (10) с температурой 1550-1600оС поступает в рекуператор (4), в который подается и кислородно-воздушная смесь (9). Восстановительный газ, охлажденный в рекуператоре 4 до 750-830оС, подается на вход ШП (11). Остальное тепло из теплообменного аппарата идет на подогрев дутья, которое подается на фурмы (8) агрегата жидкофазного восстановления. В ШП поступают окатыши (12) из железорудного материала, не содержащего оксидов титана и ванадия. Чугун, получаемый в агрегате ПЖВ (13), и металлизованные окатыши ШП (14) подаются в электропечь (3), в которую также подается лом (15). Колошниковый газ ШП (16) используется как экспортный газ, а также может использоваться в топливнокислородных горелках (17) дуговой электропечи. В рекуператор 5 подается колошниковый

газ шахтной печи, (теплоноситель) и кислород 18, нагреваемый в рекуператоре. Нагретый кислород подается на верхние фурмы агрегата ПЖВ для дожигания восстановительного газа (степень дожигания до 20%).

Основой математической модели оценки эффективности любого высокотемпературного энерготехнологического процесса является расчет материальных и тепловых балансов процесса. На основе полученных материальных и тепловых балансов возможно дальнейшей исследование процесса [4, 6, 8].

Для оценки эффективности процесса производства стали с использованием металлизо-ванного железорудного сырья необходимо составить материальные и тепловые балансы для каждого агрегата процесса в отдельности.

В рамках работы проведен расчет материальных и тепловых балансов отдельных агрегатов данного металлургического процесса[9-10], а именно, выплавки чугуна в агрегате ПЖВ, металлизации окатышей в шахтной печи, а также выплавки стали в дуговой электропечи.

Балансы печей состоят из ряда статей прихода и расхода. При расчете материального баланса сравнивается количество расходного материала (например, в кг), поступившее в печь -Мдрих (статья прихода), с полученным количеством продукции на выходе из печи - Мрасх (статья расхода).

Допустимая невязка материального баланса (Нм) определяется следующим образом:

Нм=((Мприх-МраСх)/Мприх)*100%.

Тепловой баланс любой печи состоит из ряда статей прихода (Тприх) и расхода (Трасх) теплоты. Как правило, тепловому балансу плавильных печей предшествует материальный баланс плавки.

Оценкой точности результата теплового баланса является величина невязки расчета

(Нт): Нт=((Тприх-Трасх)/Тприх)*100%.

Статьи прихода и расхода балансов удобнее всего приводить к единице массы получаемого продукта (для печи ПЖВ к тонне чугуна, для ШП к 100 кг металлизованных окатышей, для ЭДП к тонне стали).

Далее в табл. 1-8 представлены полученные результаты: состав горячих восстановительных газов (ГВГ) на выходе ПЖВ, сравнительная характеристика газов при использовании дутья верхних фурм кислородом (степень дожигания 20%), а также материальные и тепловые балансы всех агрегатов технологической цепи.

Обсуждение результатов

Наиболее выгодным компонентом шихты ЭДП с точки зрения чистоты по примесям является горячее металлизованное сырье. Допустимое количество металлизованного сырья в шихте, несмотря на чистоту губки по фосфору и сере, зависит от качества металлизованных окатышей и определяется в первую очередь содержанием Беобщ.

Однако использование в металлошихте электропечи 70% металлизованных окатышей с содержанием Реобщ 86%, к тому же наряду с использованием при выплавке стали шлака из ПЖВ, приводит к повышенному шлакообразованию, и, следовательно, к повышенному расходу электроэнергии на проплавку пустой породы металлизованных окатышей.

В схеме был учтен опыт выплавки легированных ванадием сталей и рекомендации к количеству металлизованного сырья в шихте ЭДП [3, 7, 10] и уменьшено содержание метал-лизованных окатышей в шихте ЭДП.

Наиболее выгодным компонентом шихты ЭДП с точки зрения энергозатрат является горячий чугун, так как при его использовании существенно снижаются затраты электроэнергии.

Таким образом, с учетом специфики процесса и реализуемости электроплавки состав шихты ЭДП был представлен следующим: о 10% углесодержащего лома; о 30% чугуна из печи ПЖВ; о 60% металлизованных окатышей.

Задачей предлагаемого способа является повышение качества стали за счет уменьшения в стали примесей цветных металлов, а также снижение энергетических и материальных затрат.

Заключение

Использование способа производства стали с использованием металлизованного железорудного сырья позволяет уменьшить расход угля на газификацию на 10-15%, а содержание лома уменьшается до 10% и менее, что дает снижение энергоемкости стали и обеспечивает первородность шихты, отсутствие вредных примесей цветных

металлов в выплавляемой стали и улучшение ее эксплуатационных свойств.

Литература

1. Лисиенко В.Г., Попов В.В. Способ производства стали с использованием металлизованного железорудного сырья. Патент на изобретение №2337971, приоритет от 12 марта 2007 года.

2. Лисиенко В.Г., Ладыгина Н.В., Юсфин Ю.С. и др. Рекуперативный способ бескоксовой переработки ванадийсодержащего рудного сырья с прямым легированием ванадием стали. Патент РФ №2167944, бюлл. №15, 27.05.2001, С2, 2С21 В 13/14.

3. Ладыгина Н.В. Разработка моделей и алгоритмов анализа и оценки эффективности бескоксовых металлургических производств на примере получения легированной ванадием стали. Специальность 05.13.18 - Математическое моделирование. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Екатеринбург - 2004.

4. Методика расчета и использование технологических топливных чисел / Лисиенко В.Г., Розин С.Е., Щелоков Я.М. // Известия вузов. Черная металлургия, 1987. №2. С.108-112.

5. Энергетический анализ как метод повышения эффективности энергоиспользования в технологических процессах / Розин С.Е., Щелоков Я.М., Егорович А.П. // Промышленная энергетика, 1988, №2, С. 2-4.

6. Лисиенко В.Г., Дружинина О.Г., Зобнин Б.Б. и др. Энерго-экологический анализ, программное обеспечение и снижение эколого-экономического ущерба: учебное пособие/ Под ред. В.А. Морозовой. - Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2005. 310 с.

7. Лисиенко В.Г., Дружинина О.Г., Морозова В.А. Методика сквозного энерго-экологического анализа энерготехнологических объектов // Известия вузов. Черная металлургия. 1999. №9. С.61-65.

8. Ладыгина Н.В., Лисиенко В.Г., Дружинина О.Г. Энергетический анализ процесса ЛП на основе материальных и тепловых балансов. Материалы международной научно-практической конференции «Автоматизированный печной агрегат - основа энергосберегающих технологий металлургии ХХ1 века». 2000. М.: МИСИС. С. 214216.

9. Экономии энергии - научную основу / Розин С.Е., Щелоков Я.М., Лисиенко В.Г. // Экономика и организация промышленного производства, 1984. №3. С. 9198.

10. Лисиенко В. Г. Методика макрообменного анализа металлургических процессов в режиме управления // Сталь, 1996, №7. с. 72-78.

11. Дружинина О. Г. Разработка алгоритмов и моделей энерго-экологического анализа технологических процессов и оценка энергозатрат на примере металлургических технологий: Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Екатеринбург, 1998. 24 с.

Способ производства стали с использованием металлизованного железорудного сырья

Таблица 1

Материальный баланс ПЖВ при степени дожигания п = 20%

ПРИХОД, кг/т чугуна РАСХОД, кг/т чугуна

Уголь 1886 Чугун 1000

Руда 1602 ГВГ 4299

Известь 34 Шлак 441

Дутье нижних фурм 1853 Пыль 105

Кислород верхних фурм 497

Итого 5872 кг/т Итого 5845 кг/т

5872 — 5845

Невязка баланса: НМ =----------------------100% = 0,5% .

5872

Тепловой баланс ПЖВ при степени дожигания п =20%

ПРИХОД ТЕПЛА, МДж/т стали РАСХОД ТЕПЛА, МДж/т стали

Тепловой баланс шлаковой ванны

Горение углерода на нижних фурмах 78 Химические реакции (эндотермические) 4 147

Теплосодержание чугуна 1 639

Теплосодержание шихты и дутья 46 Теплосодержание шлака 525

Тепло электроэнергии 7 790 Теплосодержание газов шлаковой ванны 125

В систему охлаждения и потери 1 487

Итого: 14 889 Итого: 14 784

Тепловой баланс зоны дожигания

Теплосодержание газов шлаковой ванны 7870 Физическое тепло газов 3451

Теплопотери через верх. кесс. (20%) 9 333

Тепло от дожигания 8458 Теплопередача к ванне

Теплосодержание пыли

Итого: 16 328 Итого: 16 079

Тепловой баланс плавки

Теплотворная способность угля 53 213 Химические реакции (эндотермические) 4206

Физическое тепло газов 8555

Теплосодержание чугуна 1639

Теплосодержание шлака 818

Теплосодержание шихты и дутья 144 Теплосодержания пыли 336

В систему охлаждения и потери через верхние кессоны 1942

Химическое тепло 32 908

Итого: 53 358 Итого: 50 404

Невязка теплового баланса шлаковой ванны:: НТшл'6' = 0,7%. Невязка теплового баланса зоны дожигания: НТ3'дож' = 1,52%. Невязка теплового баланса плавки: НТ ^ = 5,53%.

Состав ГВГ в режиме газификации, степень дожигания 20%

Компоненты ГВГ Молярная масса М, г/моль Плотность р=М/22,4, кг/м3 Масса т, кг Объем У=т/ р, м3 Процент в газе (по объему), %1

СО 28 1,25 2505 2004 52

Н2 2 0,089 62 694 18

N2 28 1,25 576 460 12

С02 44 1,96 1010 514 13

Н20 18 0,8 146 182 5

Итого - - 4299 кг 3854 м3 100%

Таблица 4

Материальный баланс процесса металлизации в шахтной печи

ПРИХОД, кг/100 кг металлизованных окатышей РАСХОД, кг/100 кг металлизованных окатышей

Окисленные окатыши 140 Восстановительный газ 223 Металлизованные окатыши 105 Экспортный газ 258

ИТОГО 363 ИТОГО 363

Невязка баланса: НМ=0,1%

Таблица 5

Тепловой баланс процесса металлизации в шахтной печи

ПРИХОД ТЕПЛА, МДж/100 кг металлизованных окатышей РАСХОД ТЕПЛА, МДж/100 кг металлизованных окатышей

Тепло восстановительного газа ОВГ 270 Тепло металлизованных окатышей Ом.о. 66

Тепло эндотермических реакций ОЭНД 5

Тепло экспортного газа ОЭГ 191

Тепловые потери Опот 8

ИТОГО: 270 ИТОГО: 270

Оценкой точности расчета теплового баланса является величина тепловых потерь, в которую входит и невязка баланса НТ=8/270*100%=2,96%. Невязка теплового баланса находится в пределах допустимого (до 10%).

Материальный баланс выплавки стали в ЭДП

ПРИХОД, кг/т стали РАСХОД, кг/т стали

Углесодержащий лом 319,3 Сталь 1000

Металлизованные окатыши 411 Шлак 120,2

Чугун 444,4

Известь 24,4 Газы 49,5

Кислород 29,4

ИТОГО: 1229 ИТОГО: 1170

1229 -1170

Невязка баланса: НМ =---------------------100% = 4,8%

М 1229

Таблица 7

Тепловой баланс выплавки стали в ЭДП

ПРИХОД ТЕПЛА, МДж/т стали РАСХОД ТЕПЛА, МДж/т стали

Тепло электроэнергии 1032 Теплосодержание металла 1330

Теплосодержание шлака 193

Физическое тепло шихты 809 Тепло эндотермических реакций 52

Тепло экзотермических реакций 529 Тепло отходящих газов 355

Теплопотери 440

Итого 2370 Итого 2370

Уральский государственный технический университет - Уральский политехнический институт

EVALUATION OF THE EFFECTIVENESS OF THE METHOD OF STEEL PRODUCTION USING METALLIZED IRON ORE BASED ON MASS AND HEAT BALANCES

V.V. Popov, V.G. Lisienko

A method of steel production using metalized iron ore is presented. A principal advance of this method is the use of ore materials free of titanium and vanadium oxides, in a liquid-phase reduction gasifier and in shaft-furnace. The temperature of a reduction gas on the shaft-furnace entrance is 750-830 0C. The metal charge in electroarc furnace consists of 50-60% metalized pellets, 30-40% cast iron, and 10% scrap iron. It results in the decrease of coal consumption by 10-15%; scrap iron content decreases to 10%; absence of the non-ferrous metals content in iron and consequently in steel itself.

The effectiveness of the improved method is made based on calculation of material and heat balances

Key words: steel, steel melting in electric furnace, liquid-phase reduction process, reduction gas