Оценка эффективности способа бескоксовой переработки рудного сырья с получением легированной ванадием стали на основе материальных и тепловых балансов

УДК 681.5

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ СПОСОБА БЕСКОКСОВОЙ ПЕРЕРАБОТКИ РУДНОГО СЫРЬЯ С ПОЛУЧЕНИЕМ ЛЕГИРОВАННОЙ ВАНА ДИЕМ СТАЛИ НА ОСНОВЕ МАТЕРИАЛЬНЫХ И ТЕПЛОВЫХ БАЛАНСОВ

В.В. Попов, В.Г. Лисиенко

В статье представлен способ бескоксовой переработки рудного сырья с получением легированной ванадием стали. Принципиальное преимущество предлагаемого способа заключается в том, что в газификаторе процесса жидкофазного восстановления используется два источника энергии - элетронагрев и энергия сгорания угля. Использование электроэнергии позволяет значительно уменьшить расход угля и, как следствие, сократить содержание примесей цветных металлов в чугуне и соответственно в самой стали. Кроме того, данное усовершенствование позволило повысить на 45% восстановительный потенциал восстановительного газа. Оценка эффективности усовершенствованного способа проведена на основе расчета материальных и тепловых балансов

Ключевые слова: сталь, легирование, ванадий, ПЖВ, электрогазогенератор

Введение

В настоящей статье описан усовершенствованный способ получения легированной ванадием стали. Данный способ определен как -Способ бескоксовой переработки рудного сырья с получением легированной ванадием стали. Патент на изобретение №2318021, приоритет от 13 апреля 2006 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 бескоксовые способы получения легированных сталей.

Способ принципиально отличается тем, что в газификаторе процесса жидкофазного восстановления (ПЖВ) используется два источника энергии - элетронагрев и энергия сгорания угля. Использование электроэнергии позволяет значительно уменьшить расход угля, и как следствие сократить содержание примесей цветных металлов в чугуне и соответственно в самой стали. Кроме того, данное усовершенствование позволило повысить восстановительный потенциал восстановительного газа.

Попов Владимир Владимирович - УГТУ-УПИ, аспирант, тел. (343) 20-197-20; popov@k66.ru Лисиенко Владимир Георгиевич - УГТУ-УПИ, д-р техн. наук, профессор, тел. (343) 374-76-85; lisienko@mail.ru

Способ

бескоксовой переработки рудного сырья с получением легированной ванадием стали

Усовершенствованный способ - Способ бескоксовой переработки рудного сырья с получением легированной ванадием стали -включает в себя следующие процессы:

• получение горячих восстановительных газов и чугуна в газификаторе, при температуре 850-1050 0С, путем газификации угля,

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

• последующую плавку металлизо-ванного сырья в дуговой электропечи.

Необходимую температуру в газификаторе поддерживают путем дополнительного электрического нагрева, заменяющего часть расхода угля.

Процесс газификации для получения восстановительного газа для целей металлизации сырья осуществляется в газификаторе, работающем таким образом на двух источниках энергии - электрической и энергии угля. При этом затраты энергии на нагрев и плавление исходных материалов газификатора, работающего с использованием жидкой барботирую-щей, шлаковой ванны или с коксовой насадкой, компенсируются использованием электрической энергии, а углесодержащие материалы используются лишь для получения восстанови-

тельного газа и восстановления исходных рудных материалов.

Применение электрической энергии в газификаторе позволяет, таким образом, отказаться от использования дожигания оксида углерода, осуществляемого с помощью кислорода верхних фурм газификатора.

Этот способ реализуется с помощью устройства, представленного на рис. 1. Обозначения на рисунке: ГВГ - горячий восстановительный газ; ВГ - восстановительный газ; ЭГ -экспортный газ; пр - степень рекуперации.

Предлагаемое устройство включает в себя электроугольный газификатор горячих восстановительных газов 1, печь для металлизации железорудного сырья (окатыши, концентрат) 2, дуговую электропечь 3, электронагревательное устройство и электроды газификатора 4, фурмы для подачи окислителя (обогащенное кислородом дутьё) 5, устройство загрузки рудных материалов и угля 6, патрубок для горячих восстановительных газов 7, рекуператор второй ступени для подогрева окислителя 8, рекуператор для подогрева окислителя первой ступени 9, устройство загрузки окисленного рудного сырья в печь металлизации 10, устройство ввода восстановительных газов в печь металлизации 11, устройство выгрузки металлизированного сырья 12, электроды дуговой электропечи

13, устройство заливки чугуна в электропечь

14, устройство подачи металлизированного сырья в электропечь 15, устройство подачи металлического лома в электропечь 16, топливнокислородные горелки 17, трубопровод отвода колошникового газа из печи металлизации -экспортного газа 18, охладитель ГВГ и очистку его от пыли 19, очистку колошникового газа от пыли 20, устройства выпуска чугуна 21 из газификатора.

Рассмотрим работу предложенного устройства: в газификатор горячих восстановительных газов 1 подаются через устройство 6 рудные материалы, содержащие легирующий элемент, и уголь. Через электроды 4 осуществляется электрический нагрев и плавление шихты. Через фурмы 5 в газификатор 1 подается окислитель (обогащенный кислородом воздух). Образующиеся горячие восстановительные газы подаются через патрубок 7, в рекуператор второй ступени нагрева 8, в этот же рекуператор поступает и нагретый в рекуператоре первой ступени 9 окислитель. Охлажденный в рекуператоре восстановительный газ поступает через патрубок 11 в печь металлизации 2. Через устройство 10 в печь металлизации поступает окислительное рудное сырье (окатыши), со-

держащее легирующий элемент. Металлизированное рудное сырье подается через устройство 15 в электропечь. Через устройства 14 и 16 в электропечь подается также жидкий чугун и лом. Через топливно-кислородные горелки 17 в электропечь подаем дополнительное к электрической энергии тепло. При этом может использоваться и колошниковый экспортный газ печи металлизации. Остальная часть колошникового газа является экспортной и отводится по трубопроводу 18. В устройстве 19 проводится частичное охлаждение и очистка горячих восстановительных газов от пыли, а в устройстве 20 очистка колошникового газа шахтной печи от пыли.

Из газификатора 1 получаемый полупродукт (чугун) отводится через устройство 21.

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.

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 процесса ЛП [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 получае-

мого 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 электронагрева (степень дожигания 0%) и при использовании дутья верхних фурм кислородом (степень дожигания 20%), а также материальные и тепловые балансы всех агрегатов технологической цепи.

Обсуждение результатов

В тепловом балансе газификатора горячих восстановительных газов, работающем в смешанном режиме, 75% подводимой энергии отводится на нагрев и плавление исходных материалов (рудный концентрат, уголь, флюсы) и переходит в теплосодержание, а остальная часть энергии расходуется на получение восстановительных газов и восстановление металла из рудных материалов (эндотермические реакции). Таким образом, до 75% подводимой энергии заменено электрической энергий. При этом расход угля сокращается до 75%, и, соответственно, уменьшается содержание серы и фосфора в восстановительном газе и чугуне.

Это позволяет при дальнейшем поступлении металлизированного сырья (концентрат, окатыши) и чугуна в дуговую электропечь для получения легированной стали (сплава) без осложнений проводить окислительный и восстановительный период плавки, так как перевод фосфора в восстановительный период из шлака в металл будет меньше, чем при применении в качестве источника энергии в газификаторе только угля. При предлагаемом способе отпадает необходимость в получении дополнительной теплоты за счет частичного дожигания восстановительных газов над шлаковой ванной.

Применение электрической энергии в газификаторе позволяет, таким образом, отказаться от использования дожигания оксида углерода, осуществляемость с помощью кислорода верхних фурм газификатора. Как видно из таблицы 2, ГВГ при степени дожигания 0% имеет восстановительный потенциал выше примерно на 45%, чем при степени дожигания 20% в способе с применением кислородного дутья верхних фурм, что приводит к ускорению процесса металлизации и увеличению степени металлизации в шахтной печи. Это в свою очередь, приводит к снижению длительности плавления в электропечи и увеличению произ-

водительности процесса. Кроме того, требуемый расход кислорода сокращается на 40-50%.

Заключение

Использование способа бескоксовой переработки рудного сырья с получением легированной ванадием стали позволяет уменьшить до 55% поступление серы и фосфора из угля в чугун и, соответственно, снизить содержание фосфора и серы в легируемой стали, что улучшает ее эксплуатационные свойства и снижает эксплуатационные расходы на производство стали.

При этом уменьшается расход кислорода, восстановительный газ газификатора имеет больший восстановительный потенциал, что ускоряет процесс металлизации железорудного сырья и увеличивает степень металлизации.

При этом также снижается содержание серы в отходящих газах шахтной печи металлизации.

Литература

1. Лисиенко В.Г., Попов В.В. Способ бескоксовой переработки рудного сырья с получением легированной ванадием стали. Патент на изобретение №2318021, приоритет от 13 апреля 2006 года [1].

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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 XXI века». 2000. М.: МИСИС. С. 214216.

8. Экономии энергии - научную основу / Розин С.Е., Щелоков Я.М., Лисиенко В.Г. // Экономика и орга-

низация промышленного производства, 1984. №3. С. 9198.

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

10. 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.

Таблица 1

Состав ГВГ в режиме газификации, степень дожигания 0%

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), %'

СО 28 1,25 679,95 543,96 71,32

Н2 2 0,089 18,95 212,92 27,92

N2 28 1,25 7,26 5,81 0,76

С02 44 1,96 - - -

Н20 18 0,8 - - -

Итого - - 706,16 кг 762,69 м3 100%

Таблица 2

Сравнительная характеристика газов при п=0% и п=20%

Характеристика ГВГ ГВГ в способе с электронагревом при п=0% ГВГ в способе с кислородным дутьем верхних фурм при п=20%

Состав, %

СО 71,3 52

Н2 27,9 18

N2 0,8 12

С02 0 13

Н20 0 5

Масса МГ, кг/т Бе 706 4760

Объем УГ, м3/т Бе 763 4290

Таблица 3

Материальный баланс ПЖВ

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

Уголь 467,44 Чугун 1000

Руда 1594 ГВГ 706,16

Известь 11 Шлак 282,97

дутье нижних фурм 0 Пыль 61,48

кислород верхних фурм 0

Итого 2072,44 кг/т Итого 2050,61 кг/т

2072 44 - 2050 61

Невязка баланса: НМ =----------?----------?---100% = 1,05% .

М 2072,44

Тепловой баланс ПЖВ при степени дожигания 0%

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

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 пыли 125

Физическое тепло газов 1 487

Теплотворная способность угля 12 793 В систему охлаждения и потери 3451

Химическое тепло 9 333

Итого 20 707 Итого 20 707

£

Невязка теплового баланса плавки: НТ = 0%.

Таблица 5

Материальный баланс процесса металлизации в шахтной печи

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

Окисленные окатыши 130 Восстановительный газ 162 Металлизованные окатыши 100 Экспортный газ 192

ИТОГО 292 ИТОГО 292

Невязка баланса: НМ=0%

Таблица 6

Тепловой баланс процесс а металлизации в шахтной печи

ПРИХОД ТЕПЛА, МДж/100 кг металлизо-ванных окатышей РАСХОД ТЕПЛА, МДж/100 кг металлизованных окатышей

Тепло восстановительного газа QвГ 214 Тепло металлизованных окатышей Qм.о. 55

Тепло эндотермических реакций QэнД 1

Тепло экспортного газа QЭГ 153

Тепловые потери Qпoт 5

ИТОГО: 214 ИТО ГО: 214

Оценкой точности расчета теплового баланса является величина тепловых потерь, в которую входит и невязка баланса НТ=5/214*100%=2,3%. 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 3 І 9,3 Сталь І000

Металлизованные окатыши 4ІІ Шлак І20,2

Чугун 444,4

Известь 24,4 Газы 49,5

Кислород 29,4

ИТОГО: І229 ИТОГО: ІІ70

1229 -1170

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

М 1229

Tаблица S

Teплoвoй баланс выплавки стали в ЭДП

ПРИХОД TЕПЛA, МДж/т стали РАСХОД TЕПЛA, МДж/т стали

Тепло электроэнергии І032 Теплосодержание металла І330

Теплосодержание шлака І93

Физическое тепло шихты S09 Тепло эндотермических реакций 52

Тепло экзотермических реакций 529 Тепло отходящих газов 355

Теплопотери 440

Итого 2370 Итого 2370

Уральский государственный технический университет - УПИ

EVALUATION OF THE EFFECTIVENESS OF A RAW ORE COKE-FREE TREATMENT FOR VANADIUM ALLOYED STEEL PRODUCTION BASED ON MASS AND HEAT ВAL-

ANCES

V.V. Popov, V.G. Lisienko

A method of a coke-free treatment of raw ores for a vanadium alloyed steel production is presented. A principal advance of this method is the use of two sources of energy, electric heating and the energy of coal combustion, in a liquid-phase reduction gasifier. The use of the electric energy enables to reduce coal consumption which results in the decrease of non-ferrous metals content in iron and consequently in steel itself. Besides, this improvement makes it possible to enhance the reduction potential of gas by 45%.

The effectiveness of the improved method is made based on calculation of material and heat balances Key words: steel, alloying, liquid-phase reduction process, electric gas generator, reduction gas