В электродуговых печах железо прямого восстановления (DRI) часто рассматривается в качестве дополнительного загружаемого материала при ограниченном количестве лома. Однако на практике использование ЖПВ накладывает строгие требования к качеству сырья, практике загрузки, контролю технологического процесса и управлению предприятием.
Для многих малых и средних предприятий по производству стали в электродуговых печах эти требования могут значительно увеличить сложность и риски в процессе эксплуатации, не обязательно принося при этом очевидные экономические выгоды.
На основе практического опыта сталелитейного производства и данных об эксплуатации проектов в данной статье рассматриваются ключевые технические требования к использованию DRI в электродуговых печах, особенности его загрузки и влияние на основные металлургические показатели. Также объясняется, почему в большинстве проектов DRI не рекомендуется в качестве предпочтительного загружаемого материала.
Основные технические требования к DRI в электродуговой печи для производства стали
Для обеспечения стабильной и контролируемой работы электродуговой печи, используемый в сталелитейном производстве восстанавливающий железосодержащий каучук должен соответствовать нескольким основным требованиям.
Плотность и механическая прочность
Как правило, насыпная плотность DRI должна составлять 4,0–6,5 г/см³, а прочность в холодном состоянии должна быть достаточной, чтобы избежать чрезмерного разрушения и образования мелких частиц во время транспортировки, хранения и загрузки. Избыток мелких частиц увеличивает потери пыли и снижает эффективный выход металла.
Соответствующее распределение по размерам
DRI не должен содержать ни чрезмерного количества мелких частиц, ни гранул слишком большого размера. Мелкие частицы легко окисляются или удаляются системой пылеудаления, в то время как материал слишком большого размера негативно влияет на равномерную загрузку и эффективность плавления. На практике обычно используется диапазон размеров частиц 10–100 мм.
Контролируемое содержание примесей и пустой породы
Высокое содержание пустой породы в DRI увеличивает расход извести на образование шлака, что приводит к увеличению объема шлака, повышению энергопотребления и снижению технико-экономических показателей. Поэтому низкое содержание пустой породы является основным условием для применения DRI в электродуговых печах для выплавки стали.
Адекватная степень металлизации
Степень металлизации, определяемая как отношение металлического железа к общему количеству железа, оказывает прямое влияние на потребление энергии и выход металла. Более низкая степень металлизации означает более высокое остаточное содержание FeO, что требует дополнительной электроэнергии и восстановителей для восстановления, одновременно снижая общий выход металла.
Характеристики заряда и плавления DRI
Плотность DRI находится между плотностью шлака и расплавленной стали. После загрузки в печь DRI, как правило, остается на границе раздела шлак-металл. Хотя это может быть полезно для межфазных реакций при определенных условиях, это также накладывает более строгие требования к практике загрузки.
Когда доля DRI относительно низка (обычно ниже 30%), его можно загружать вместе с ломом. На практике легкий лом помещают на дно бункера, затем тяжелый лом и DRI. Такое расположение помогает предотвратить накопление DRI у стенок печи или в холодных зонах, где он может образовывать нерасплавленные агломераты.
При загрузке больших партий DRI (восстановленного железа) его медленная теплопередача и плохие характеристики плавления становятся более выраженными. Если электрическая дуга не нагревает непосредственно толстый слой DRI, расплавленный металл может затвердевать между гранулами, образуя спеченные кластеры, которые препятствуют дальнейшему проникновению и плавлению. Это значительно увеличивает время плавления и ухудшает технико-экономические показатели.
Поэтому при более высоких коэффициентах DRI часто требуется непрерывная загрузка через крышу печи. Загрузочные отверстия, расположенные в центре печи или посередине радиуса, позволяют DRI проникать в высокотемпературную зону с достаточной кинетической энергией для преодоления шлакового слоя и повышения эффективности плавки.
Содержание углерода в DRI и его влияние на управление технологическим процессом.
Содержание углерода в DRI значительно варьируется в зависимости от процесса восстановления, и это напрямую влияет на управление процессом электродуговой печи.
Производство DRI на основе газа позволяет относительно точно контролировать содержание углерода и остаточного FeO, что приводит к получению так называемого «сбалансированного DRI». В таких случаях обычно не требуется дополнительное содержание углерода во время плавки, и DRI не приводит к значительному увеличению содержания углерода в расплаве и не создает значительной нагрузки FeO.
В угольном восстановительном железе обычно содержится меньше углерода. В процессе выплавки стали необходимо добавлять дополнительный углерод в соответствии со скоростью металлизации и требованиями к марке стали, чтобы обеспечить правильное формирование ванны и восстановление FeO. Это сужает диапазон рабочих параметров и увеличивает зависимость от опыта оператора и дисциплины управления.
Влияние DRI на энергопотребление и выход металла
Статистические данные и опыт эксплуатации показывают, что использование DRI в электродуговых сталелитейных производствах, как правило, приводит к увеличению потребления электроэнергии, особенно когда доля DRI превышает примерно 25%. Величина этого увеличения зависит от содержания углерода в DRI, степени металлизации и стратегии регулирования содержания углерода.
Выход металла в значительной степени зависит от контроля баланса углерода и кислорода. Увеличение содержания углерода в ванне, применение многоточечной подачи углерода и координация работы углеродно-кислородных фурм помогают снизить содержание FeO в шлаке и способствуют восстановлению FeO из DRI в расплавленную сталь. В сочетании с подходящей пропорцией загрузки горячего металла выход металла может быть дополнительно улучшен.
С точки зрения объема шлака, уровень примесей, вносимых DRI, как правило, сопоставим с уровнем примесей в ломе. Когда доля DRI поддерживается ниже 30%, его влияние на количество шлака обычно ограничено.
Влияние на время плавления, расход электрода и потребление кислорода.
При работе электродуговых печей, работающих исключительно на ломе, повышенное энергопотребление, связанное с производством прямого восстановления железа, обычно приводит к увеличению времени работы от источника питания, продлению циклов плавления и большему износу электродов.
Напротив, при использовании горячей загрузки металла, умеренное добавление DRI может ускорить обезуглероживание. При надлежащем контроле кривой мощности цикл плавления не обязательно увеличивается и может даже немного уменьшиться в определенных условиях эксплуатации.
Присутствующий в DRI оксид железа способствует плавлению шлака и ускоряет реакции обезуглероживания. В результате общее потребление кислорода часто снижается, как правило, на 0,5–3,5 м³/т в промышленной практике.
Меры безопасности при использовании DRI в электродуговых печах для выплавки стали.
При чрезмерном использовании DRI с низким содержанием углерода и низкой металлизацией в шлаке может накапливаться FeO. Неправильная эксплуатация может привести к сильному кипению расплава и серьезным инцидентам, связанным с безопасностью.
Кроме того, DRI может образовывать в печи нерастопленные «айсберги». В тяжелых случаях они могут заблокировать отверстие для выпуска расплава во время выпуска, что ставит под угрозу безопасность процесса и стабильность производства — особенно критичная проблема для небольших и средних электродуговых печей.
Почему технология DRI обычно не рекомендуется в большинстве проектов с электродуговыми печьми
Исходя из инженерной практики и опыта управления производством, DRI не считается оптимальным загружаемым материалом для большинства малых и средних предприятий по производству стали в электродуговых печах по следующим причинам:
- Исходя из инженерной практики и опыта управления производством, DRI не считается оптимальным загружаемым материалом для большинства малых и средних предприятий по производству стали в электродуговых печах по следующим причинам:
- За исключением углерода, большинство соединений в DRI в конечном итоге попадают в шлак, увеличивая потребление извести и объем шлака по мере роста содержания пустой породы.
- Высокоуглеродистый DRI или DRI с металлизацией ниже приблизительно 90% несет повышенный риск сильного кипения в ванне, если не контролируется должным образом.
- DRI обладает сильно пористой структурой и высокой химической реактивностью. Его трудно безопасно транспортировать и хранить, существует риск окисления и самонагрева при воздействии воздуха или влаги. Во многих случаях для снижения этих рисков требуется брикетирование (HBI), что увеличивает логистические и управленческие затраты.
На практике DRI лучше подходит для сталелитейных систем, где производство DRI и работа электродуговых печей тесно интегрированы и возможна горячая загрузка. Однако большинству малых и средних проектов электродуговых печей не хватает расположенных поблизости источников DRI и необходимой инфраструктуры управления для обеспечения безопасного хранения и стабильной работы, что значительно увеличивает эксплуатационные риски.
Опыт SME Group в области проектирования и управления производством
Важно отметить, что управление производством в сталелитейных проектах и оптимизация производственных процессов являются основными направлениями деятельности SME Group. Помимо реализации проектов «под ключ» по строительству сталелитейных заводов, многие клиенты продолжают сотрудничать с SME Group в вопросах долгосрочной эксплуатации производства и технического управления.
Независимо от выбранной заказчиком структуры загрузки, SME Group уделяет особое внимание систематическому решению технических проблем в процессе эксплуатации и обеспечению безопасности, стабильности и устойчивости процессов выплавки стали в электродуговых печах в реальных условиях проекта.
